Слаботочка Книги

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

шения толщин активных зон лазеров и светодиодов становятся существенными квантовые размерные эффекты, т. е. явления, в которых малые геометрические размеры рассматриваемых областей обязывают учитывать квантовую природу свободных носителей заряда. Известно, что электрон может быть представлен в виде волнового пакета (его одномерная аппроксимация дана на рис. 5Л2,а), характеристические параметры которого определяются фундаментальными уравнениями квантовой механики. Величина , называемая длиной волны де Бройля, может быть найдена из формулы, носящей то же имя:

% = h/p = hc/E, (5.31)

где р, Е - абсолютное значение импульса и энергия электрона соответственно. Размер волнового пакета Ах (условно принимаемый равным (2... 3)Хб) связан с неопределенностью импульса соотношением неопределенности Гейзенберга:

Ax-Aph/in. (5.32)

Наконец, волновая функция ф(х) может быть найдена из волнового уравнения Шредингера, при этом величина ф(л;) представляет собой плотность вероятности нахождения электрона в точке X. Очевидно, что

Y \{х)\Ых= 1. (5.33)

- со

Заметим, что при комнатной температуре для свободного электрона X б ~8 нм, т е порядка десяти межатомных расстояний в кристалле.

Если толщину активной области двойной гетероструктуры уменьшить до WK, то свободные электроны в этой области начнут вести себя подобно двухмерному газу. Это значит, что в любой конкретный момент времени могут быть указаны лишь две координаты электрона {у к z на рис. 5.12,6), тогда как по координате X он «размазан» по всей толщине W. Такая сверхтонкая ДГС представляет собой квантовую яму (или квантовый ящик), удерживающую двухмерный электронный газ. Последовательное чередование большого числа таких ям образует сверхрешетку (рис. 5.12,е). В общем случае отдельные ямы в сверхрешетке не обязательно должны быть одинаковыми по глубине и ширине, как это представлено на рис. 5.12,г.

Квантовые ящики и сверхрешетки изготавливают путем после-доательного эпитаксиального выращивания сверхтонких (около 10 нм) слоев полупроводниковых соединений разного состава. Например, схема рис. 5.12,е, г реализована в одном из приборов при молекулярно-лучевой эпитаксии чередующихся слоев арсенид-фос-фида галлия с большим и меньшим содержанием мышьяка; при этом число слоев 100... 200, а ширина запрещенной зоны скачкообразно изменяется от £§1 = 1,4 до Eg2=l,9 эВ и обратно.

Размерное квантование порождает два основных физических эффекта:

изменение зонной диаграммы, проявляющееся в появлении новых разрешенных энергетических состояний для электронов (/ на рис. 5.12,г); тем самым принципиально может быть сформирована зонная структура любого вида;

изменение кинетики электронов, проявляющееся в их пробеге между гетерограницами без соударений (и без потерь энергии) с примесными атомами, - таково свойство волны де Бройля, распространяющейся в среде с периодически изменяющимся потенциалом; подвижность электронов оказывается такой же, как в чистом полупроводнике.

Технологическая особенность сверхрешеток состоит в том, что вследствие малости толщин соседних слоев становится существенным выравнивающее действие механических напряжений: практически сверхрешетка, несмотря на различие состава слоев, и.меет одно общее усредненное значение кристаллографической постоянной. Можно предположить, что для излучателей это обстоятельство окажется более важным, чем физические факторы.

Из физических и технологических особенностей сверхрешеток вытекает ряд важных для создания излучателей следствий, часть которых уже получила экспериментальное подтверждение: это получение более высоких, чем ранее, коэффициентов усиления волны в активной среде и, как следствие, уменьшение длины резонатора лазера или снижение порогового тока; достижение высокой подвижности в сильно легированном материале и на этой основе повышение быстродействия как самих излучателей, так и схем электронного обрамления; возможность «перевода» непрямозонных полупроводников в прямозонные, получение прямозонных структур с любой шириной запрещенной зоны, а также лазеров (и светодиодов) с перестраиваемой длиной волны, продвижение в сине-зеленую и УФ-область спектра; совмещение материалов с сильным структурным рассогласованием (выигрыш по допустимой величине Да/а (см. § 2.2) на порядок по сравнению с «толстыми» гетероструктурами); неизбежность открытия новых полезных явлений при дальнейшем исследовании сверхрешеток.

Таким образом, развитие физики и становление техники приборов с искусственными квантовыми ямами и сверхрешетками приведет к качественному скачку в области излучателей и в оптоэлектронике в целом.

» Справедливость такого прогноза подтверждается всей историей развития полупроводников: освоение каждого нового материала всегда приводило к физическим, технологическим, приборным открытиям (достаточно вспомнить то, что связано с германием, кремнием, арсенидом галлия).

6* Ш

Глава 6 *

ФОТОПРИЕМНИКИ

Фотоприемник, или более широко - приемник оптического излучения, представляет собой прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение и измерить его характеристики.

Фотоприемник является обязательной и очень важной (вслед за излучателем) составной частью подавляющего большинства оптоэлектронных приборов, устройств, систем. Спектральный диапазон, чувствительность, быстродействие, функциональная сложность фотоприемников, а также их эксплуатационные характеристики в значительной мере определяют возможности и перспективы дальнейшего развития оптоэлектроники.

6.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Фотоприемники как приборы для обнаружения и регистрации излучения известны давно, однако возникновение оптоэлектроники потребовало, чтобы из среды этих «старых» приборов выделился « развился специальный класс фотоприемников, пригодных для решения задач информатики. Известно, что по принципу действия все фотоприемники подразделяются на две группы: тепловые, интегрирующие результаты воздействия излучения за длительное время, и фотоэлектрические (или фотонные), использующие внешний или внутренний фотоэффект. На основе внешнего фотоэффекта создаются вакуумные фотоэлектрические приборы, на основе внутреннего - твердотельные, главным образом полупроводниковые. Именно эти приборы удовлетворяют общим концепциям оптоэлектроники (см. введение).

Оптическая информация в оптоэлектронных устройствах практически сводится к двум видам: дискретные (во времени, пространстве и в спектральной области) оптические сигналы и световые образы, картины.

К фотоприемникам дискретных сигналов предъявляются следующие требования.

1. Высокая чувствительность на заданной фиксированной длине волны. Наиболее интересными представляются спектральные области, занятые важнейшими направлениями оптоэлектроники (см. рис. В.2), и линии внутри них, генерируемые основными типами лазеров и светодиодов: 0,49; 0,57; 0,63; 0,69 и 1,06 мкм (аргоновые, криптоновые, гелий-неоновые, рубиновые и ИАГ-лазеры), 0,8... 0,95 мкм (GaAlAs- и GaAl-лазеры), 0,55... ...0,9 мкм (GaP-, GaAsP-, GaAlAs-, GaAs-светодиоды), 1,3... 1,55 мкм (InGaAsP-лазеры и светодиоды). Для специфического раз-

К «неоптоэлектронным» фотоприемникам нередко предъявляются значительно более сложные требования к спектральной чувствительности, например равномерность в заданном диапазоне, приближение к функции видности человеческого глаза и др.

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