|
| |
|
Слаботочка Книги мы ячейка представляет собой конденсатор, поэтому при ее возбуждении существенными являются затраты реактивной мощности. Тонкопленочные элктролюминесцентные ячейки (рис. 1.2,г), изготавливаемые методом вакуумного испарения люминофора [4], могут возбуждаться и малым напряжением постоянного тока. Сзеченне здесь связано    .Jk\\\\\\\\\4\i Рис. 1.2. Излучатели: а - сверхминиатюрная лампочка накаливания: / - баллон, 2 - нить накала, 3, 4-выводы; б - неоновая лампочка; i - баллон; 2 - газоразрядпь!й промежуток, 3 - выводы; в - порошковая электролюминесцентная ячейка: 1 - стеклянная пластина - основание. 2 - прозрачный проводящий слой, 3 - электролюмииофор, 4 - металлический электрод, 5 - защитный диэлектрический слой; г - пленочная электролюмннесцентная ячейка, возбуждаемая постоянным током: 1-4 -то же, что и в п. в; д -~ кристалл полупроводникового инжекционного нзлу- чателя: / р-л-переход, 2, 3 -контакты С возбуждением атомов марганца «горячими» электронами,, генерируемыми в пленку гетеропереходом p-CuxS-?i-ZnS(Mn), образующимся в приповерхностной области пленки. В других конструкциях тонкопленочной электролюминесцентной ячейки (с диэлектриче-22 скими обкладками) возбуждение осуществляется напряжением переменного тока. И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно тонкопленочные*)), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров 220 В при /~400 ... 800 Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных многоэлементных оптронных структур [6]. Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод (рис. 1.2,д). Это обусловлено следующими его достоинствами [7]: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота .модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники. Укажем, наконец, на немаловажный факт практического совпадения оптической плотности (показателей преломления) основных материалов, из которых изготавливаются излучатели (арсенид галлия и соединения на его основе) и фотоприемники (кремний). Это, по крайней мере принципиально, позволяет рассчитывать на полное оптическое согласование генераторного и приемного блоков оптрона. Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления «им; высокое значение удельного сопротивления рим; высокая критическая на- * Интенсивные работы в этой области вселяют надежду на возможность увеличения долговечности до 10 ... 15 тыс. ч [5]. пряженность поля £имкр, достаточная теплостойкость Двимраб; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).   Рис. 1.3. Раз.чичные конструкции элементарных оптронов: я - бескорпусная оптопара; б - оптрон в металлостеклянном корпусе; в - рамочная конструкция оптрона в пластмассовом DIP-Kop-пусе; /, 2 - кристаллы излучателя и фотопрнемннка, 3 - иммерсионная среда Высокое значение «им (>2 ... 2,5) обеспечивается лри использовании в качестве иммерсионной среды халькогенидных стекол (типичны стеклообразные системы As-Se, As-S). Однако относительно невысокое удельное сопротивление, а кроме того, резкое отличие этих стекол по значениям коэффициента термического расширения от кремния и арсенида галлия и низкая адгезия не позволяют обеспечить устойчивость оптронов к термоциклированию. В промышленно выпускаемых оптронах халькогенидные стекла применения не нашли. Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах, являются полимерные оптические клеи./ Для них типично «„„=1,4... 1,6, ри„> Ю... 10»* Ом-см, £„мкр80 кБ/мм, Авимраб=-60 ... 120°С. Клеи обла-  Рис. 1,4. Консгрукция оптоэлектронной микросхемы: /- бескорпусиые оптопары; 2 - бескорпусные микросхемы; 3 - керамическая подложка; 4 - основание корпуса дают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются такх<е неза-твердевающие вазелинопо-добные и каучукоподобные оптические среды. Базовая конструкция сштрона основана, таким образом, на использовании арсенидогаллиевого излучателя и кремниевого фотоприемника, кристаллы которых с помощью оптической среды (или других средств) закрепляются соосно и взаимно параллельно (рис. 1.3). В оптоэлектронных микросхемах на общей керамической подложке размещается необходимое количество бескорпусных оптопар и согласующих бескорпусных инте-. тральных схем (рис. 1.4). 1.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц -квантов (фотонов), энергия каждого из которых определяется соотно-, шением = hv=hcjnl, (1.1) где /г -постоянная Планка, равная 4,13-10- эВ-с; с -скорость света в вакууме, равная 3-10° см/с; п - показатель преломления полупроводника; у, К-частота колебаний и длина волны*> оптического излучения. Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу вре-. * Здесь и всюду в дальнейшем имеется в виду длина волны электромагнитных колебаний в вакууме. При проникновении излучения в полупроводник скорость его распространения и длина волны уменьшаются в и раз, однако частота колебаний и энергия кванта, естественно, остаются неизменными.
мени) равна Лф, то полная удельная мощность излуче- щ ния составит Рф=.ЛфФ (1.2) и, как видно из (1.1), при заданном Лф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает Рф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение: ЛФ=Рф/Ф=.5.105ЯРф, (1.3) где Лф, CM-2-C-; Л, мкм; Рф, мВт/см. Здесь и в дальнейшем используются энергетические величины для описания светотехнических характеристик, что естественно, так как используемое в оптроне излучение «скрыто» внутри него и на глаз человека не воздействует. Поэтому независимо от того, в видимой или ИК области идет генерация, удобнее использовать энергетические (а не световые) характеристики излучения. Связь между двумя этими системами устанавливается через сопоставление светового потока [лм] и потока излучения [Вт]: ф£;[Вт]=/С(Я)Фг[лм], где /с (А,)-переводной коэффициент, зависящий от длины волны света, определяется кривой относительной чувствительности глаза [2] и для интересующего нас спектрального диапазона представлен на рис. 1.5. Соответственно этому и освещенность (облученность) фотоприемника, измеряемая в люксах (1 лк=1 лм/м2), связана с энергетической облученностью соотношением Рф£[Вт/м2] = =/С(Я)Рфг[]лк]. Перейдем к рассмотрению преобразования энергии в оптроне. Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации. 26  Рис. 1.5. Спектральная характеристика коэффициента перевода световых величин в энергетические х=1,0 Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозон-ным полупроводникам, т. е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона - зона (рис. 1.6). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождаете излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением Хизл[мкм] = 1,23/ЛэВ]. (1.4) Отличительной особенностью прямозонных полупроводников является то, что при переходе электрона из зоны проводимости в валентную импульс его остается не- изменным (в случае, показан- ном на рис. 1.6, равным нулю). Таким образом, удовлетворение закона сохранения импульса (что так же обязательно для любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии)осуществляется «автоматически» j и не требует обязательного участия в рекомбинационном процессе какой-либо третьей (кроме электрона и дырки) ча- стицы *. Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока, поэтому прямозонные полупроводники являются источниками эффективной излучательной рекомбинации. Зона •гроводимости  Мепряти "фя.-гой" mwMi/M mi/humi/m Изл1/тте/гбтя  /®ё\Ва/гемття зона Рнс. 1.6. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsi-.xPx) *) В непрямозонных полупроводниках (смещение минимума дна зоны проводимости на рнс. 1.6 по оси абсцисс вправо или влево), важнейшим представителем которых является фосфид галлня GaP, излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс, а также часть энергии, вследствие чего длина волны излучения больше, чем по (1.6). 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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||