Источники и приемники оптического излучения на основе полупроводников

В устройствах оптоинформатики широко используются оптоэлектронные приборы на основе полупроводников. К этим приборам относятся светодиоды и лазеры – как источники света и фотодиоды – как приёмники оптического сигнала.

Полупроводники – это вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками. Полупроводники отличаются от металлов не только меньшей величиной электропроводности, но и тем, что их электропроводность возрастает с ростом температуры. Полупроводники обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям и их параметры, в том числе электропроводность, зависят от температуры и давления, от освещённости, а также от содержания примесей. Эта особенность полупроводников даёт возможность управлять их свойствами. Свойства полупроводников хорошо описывает зонная теория твёрдого тела. Энергетические зоны типичных полупроводников приведены на рис.1. Зонная структура полупроводника, не имеющего примесей, представлена на рис.1.а. Такие полупроводники называются собственными полупроводниками или полупроводниками i-типа. Логические элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Логические элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

Рис.1.Зонная структура полупроводников. а – собственный полупроводник, б – полупроводник n-типа, в – полупроводник p-типа.
F – уровень Ферми.

 В образовании электрического тока в собственном полупроводнике участвуют как электроны, переведённые из валентной зоны в зону проводимости, так и образовавшиеся дырки в валентной зоне, которые обуславливают собственную проводимость. Как было отмечено выше, на электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси, которые обуславливают примесную проводимость. Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решётки некоторое количество атомов основного вещества. Независимо от конкретной природы, примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные. Энергетические уровни электронов примеси располагаются внутри запрещённой зоны: донорные ближе к зоне проводимости (рис.1.б), а акцепторные – ближе к валентной зоне (рис.1.в). Основными носителями тока в полупроводнике, имеющем только донорные примеси, будут электроны в зоне проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. А при наличии в полупроводнике только акцепторной примеси наиболее вероятным является переход электронов из валентной зоны на уровень акцептора. При этом в валентной зоне образуются дырки, которые и будут являться основными носителями тока в данном полупроводнике. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа. В реальных полупроводниках, добавление в германий сурьмы или мышьяка превращает германий в полупроводник n-типа добавление индия – в полупроводник p-типа. Если в полупроводнике имеется область с двумя типами проводимости, то это приводит к существованию особых условий на границе их раздела - на p-n переходе (рис.2).

 

Рис.2.Движение электронов и дырок в области p-n перехода: а – внешнее электрическое поле отсутствует, б – внешнее электрическое поле приложено в прямом направлении, в – внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении.

Так как концентрация электронов и дырок по обе стороны p-n перехода различна, то электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа – в полупроводник n-типа. Таким образом, область полупроводника p-типа вблизи границы раздела зарядится отрицательно, а область полупроводника n-типа – положительно. Образовавшееся контактное электрическое поле будет удалять электроны и дырки в глубь соответствующих полупроводников. Этот тонкий слой (несколько десятков микрон)  носит название обеднённого слоя или запирающего слоя (рис.2-а). Если к системе приложить внешнее электрическое поле: плюс к полупроводнику p-типа, а минус к полупроводнику n-типа, то толщина запирающего слоя уменьшается или становится равной нулю. В этом случае через p-n переход потечёт ток (рис.2-б). Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Если направление внешнего электрического поля совпадает с направлением образовавшегося контактного поля, то толщина запирающего слоя значительно увеличивается, и ток через p-n переход не течёт (рис.2-в). Такое направление внешнего электрического поля называется обратным или запирающим.

Полупроводники с p-n переходом используются как источники излучения (лазеры) и как приёмники оптического сигнала (фотодиоды). Лабораторные работы данного раздела посвящены  исследованию основных параметров полупроводниковых лазеров и полупроводниковых фотодиодов.

Лабораторные работы

Исследование основных параметров полупроводникового лазера Цель работы: Изучение принципов работы полупроводникового лазера и измерение его основных параметров.

Экспериментальная установка, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.5, состоит из узла источника излучения с полупроводниковым лазером (ПЛ), узла приемника излучения, включающего приемник излучения (ПИ), поляризационного светофильтра (ПС) и измерительных приборов (мультиметры – М1 и М2).

Одной из важнейших характеристик лазера являются поляризационные свойства его излучения, которые в полупроводниковых источниках излучения тесно связаны с величиной тока, протекающего через p-n переход. Как известно из литературных данных излучение полупроводниковых источников частично поляризовано, и его можно представить (по крайней мере, формально) как совокупность естественного и линейно поляризованного излучения

Полупроводниковые детекторы оптического излучения в устройствах оптоинформатики Цель работы: Изучение принципов работы и использования приемников оптического излучения на основе полупроводниковых диодов в устройствах оптоинформатики.

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение нагретых тел в широком диапазоне частот. Если несколько нагретых излучающих тел окружить идеально отражающей оболочкой, то внутри оболочки установится термодинамическое равновесие т.е. температуры всех тел станут равными, а распределение энергии между телами и излучением не будет изменяться со временем. Такое излучение, находящееся в равновесии с излучающими телами называют равновесным.
Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика