|
| |
|
Слаботочка Книги Основными материалами для создания гетеролазеров являются тройные и четверные соединения GaAlAs (Яизл~0,7... 0,9 мкм) и InGaAsP (Яизл~1 ... 1,6 мкм). Особеннсти инжекционных лазеров. Инжекционные лазеры имеют ряд достоинств, выделяющих их среди излучателей и предопределяющих доминирующую роль в оптоэлектронике. 1. Микроминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения к 1 мкм (объем активной области может достигать 10- см). Это возможно потому, что в полупроводниковых лазерах индуцированные переходы связаны не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона - зона, поэтому и усиление в них наибольшее (g~lO... IC см"). 2. Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу. Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов. 3. Удобство управления: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режимах с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне). 4. Возможность генерации требуемой спектральной линии, обеспечиваемая выбором или синтезом прямозонного полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны; возможность одномодового режима. 5. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии. Отсюда высокая воспроизводимость параметров, пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность. 6. Совместимость с основным элементом микроэлектроники - транзистором (по типу используемых материалов и по технологии обработки). Это открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей. Инжекционным лазерам присущи и определенные недостатки, к принципиальным можно отнести следующие: невысокая когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительная ширина спектральной линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм; относительно малая генерируемая мощность (некоторые оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности); существенность таких негативных явлений, как временная деградация (в особенности для коротковолновых лазеров), резкое уменьшение мощности излучения при повышении температуры и воздействии радиации. Деградация обусловлена рядом факторов: увеличением концентрации центров безызлучательной рекомбинации при протекании тока накачки; разрушением зеркал резонатора под воздействием оптической мощности высокой плотности; возникновением механических напряжений, трещин, сколов, локальных проплавлении, пережогов контактов вследствие различных технологических несовершенств, неоднородности материалов, высокой плотности тока, значительного разогрева малых областей. Она проявляется как в отказах лазеров, так и в постепенном уменьшении генерируемой мощности вых (О = вых (0) ехр (- t/xJ. (5.19 Здесь долговечность определяется как -дег = -пор ехр {Еег/т. (5-20) где £дег - энергия активации деградационных процессов, А - константа. Из (5.20) видно, в частности, что для повышения долговечности очень важно снижать пороговую плотность тока и не допускать перегрева прибора. .5.3. СВЕТОДИОДЫ Принцип действия. Светодиод представляет собой полупроводниковый диод с /7-п-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение (рис. 5.4,а). Работа светодиода основана на спонтанной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область (базу) светодиода (рис. 5.4,6). Для светодиодов характерны два механизма излучательной рекомбинации (см. гл 2): межзонная рекомбинация свободных электронов и дырок в прямозонных полупроводниках (квантовые переходы зона - зона, рис. 5.4,е); рекомбинация электронов и дырок в составе эксито-нов, связанных с примесными изоэлектронными центрами (ловушками) в непрямозонных полупроводниках (рис. 5.4,г). Прямые переходы происходят без изменения импульса электрона (на рис. 5.4,е импульс до н после перехода равен нулю), поэтому закон сохранения импульса выполняется «автоматически» при непосредственной рекомбинации электрона с дыркой. Отсюда высокая вероятность таких переходов (для GaAs при комнатной температуре коэффициент Эйнштейна л21~3-10~° см-с~). Типичными прямозонными полупроводниками кроме GaAs являются InAs, InSb, GaSb, некоторые составы твердых растворов интерметаллов АВ, такие как GaAlAs, GaAsP, InGaAsP, большинство соединений типа АВ (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, CdSe), a также ряд других бинарных соединений (PbS, PbSe, PbTe). Вероятность излучательной рекомбинации, очень низкая в непрямозонных полупроводниках (например, для GaP i42if«5x ХЮ-"" см-с"), может резко возрасти при образовании в них  \ /  • п-зпиттвр -р-База
Рпъ1\ у UqAIAs   с-зоиа eaPfZn-OJ пр  Р.,,, уел ВО.   зВ.еыкл cn Рнс. 5.4. К принципу действия светодиода: ct - излучающая светоднодная структура; б - накопление инжектированных носителей в базе светодиода при прямом смещении и просачивание носителей в эмиттер; в -излучательный переход в прямозоином полупроводнике; г- излучательные переходы в непря-мозоином полупроводнике при непосредственной рекомбинации электрон - дырка (наклонная стрелка) н при рекомбинации через экситон (изоэлектронную ловушку); 5, е, ж - ватт-амперные, частотная и импульсная характеристики светодиода; з, и - диаграммы направленности поверхностного (фронтального) и торцового излучения светодиода 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [45] 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |
||||||||||||||