1. Procesul de radiație optică din structurile semiconductoare.
Semnale de surse de radiație, care includ lasere și diode emise de lumină care convertesc energia unui câmp electric în radiații electromagnetice, sunt cele mai utilizate pe scară largă în sistemele și senzorii cu fibră optică. Principalele avantaje ale acestora sunt: eficiența ridicată a conversiei puterii electrice în lumină, ușurința excitației și modularea radiațiilor, mărimea și greutatea redusă, împreună cu fiabilitatea ridicată și puterea de ieșire a radiației.
Funcționarea surselor de radiații semiconductoare se bazează pe fenomenul de electroluminescență prin injecție - emisia de lumină prin structuri semiconductoare sub acțiunea unui câmp electric.
Esența fizică a efectului electroluminescentei este după cum urmează. Conform legilor mecanicii cuantice, energia unui electron într-un atom și energia unui atom ca întreg nu sunt arbitrare. Poate avea doar o anumită serie de valori distincte, numite nivele. Totuși, în practică, această situație este valabilă pentru atomii sau atomii individuali localizați unul de celălalt la distanțe atunci când interacțiunea dintre acestea este practic absentă, de exemplu, în gazele evacuate.
In solide atomii aproape împreună, astfel încât acestea interacționează între ele și rezultatul acestei interacțiuni este că denaturarea nivelurilor de energie din sistem, ceea ce conduce la faptul că, ca urmare a nivelelor energetice discrete în banda de cristal format sau benzii de stări energetice permise separate prin zone interzise, adică. e. zone ale valorilor energetice, unde electronii nu pot fi localizați.
Figura 5.2 prezintă diagramele energetice ale solidelor caracterizate prin trei tipuri de conductivitate: un izolator, un conductor (metal) și un semiconductor de tip n și p. Zonele umbrite arată locația purtătoarelor de încărcături (electroni).
Figura 5.2 Diagrame energetice ale diferitelor materiale:
izolator; conductorul; un semiconductor de tip n și un semiconductor de tip p
Zonele care determină tipurile de conductivitate solide sunt valență și conducție benzi separate printr-un decalaj de bandă a cărei lățime determină cantitatea de energie care trebuie împărtășită unui electron care s-ar mutat din partea de jos a benzii de valență la banda de conducție.
În semiconductori, pe lângă banda de valență și banda de conducție, pot exista și benzi de impurități (donator și acceptor), care sunt o consecință a prezenței unei impurități în cristal.
În starea de echilibru (nici o influență externă), electronii din cristal tind să ocupe cele mai mici nivele de energie (nivel inferior). Ca urmare, statele energetice mai joase se dovedesc a fi umplute, în timp ce cele mai înalte sunt goale. Pentru anumite substanțe, numite izolatoare sau dielectrici (sticlă, ebonită, cuarț), fără excepție, toți electronii sunt la niveluri mai mici ale benzii de valență și banda de conducție este goală, ca urmare a acestei substanțe nu conduce curentul electric. Pentru metale altă situație apare atunci când electronii umple nu numai banda de valență, dar, de asemenea, o parte semnificativă dintre ele sunt în banda de conducție, care asigură proprietățile conductoare ale metalelor, acestea sunt conductoare de curent. Pe lângă aceste 2 x stări ale materiei există și o opțiune intermediară - semiconductori în care în anumite condiții pot exista purtatori de sarcina de a conduce curent atât în banda de conducție și banda de valență (și, de asemenea, în banda de impuritate) în funcție de tipul de impurități într-un semiconductor există conductivitatea în zona liberă (tip n), valența (tip p) și conductivitatea impurităților. Diferența de bandă determină cantitatea de energie care trebuie să fie împărtășită un electron, astfel încât acesta sa mutat din partea de jos a benzii de valență la banda de conducție.
În cazul în care sistemul de transport într-un neliniști semiconductor, de exemplu, sărind peste, prin curentul electric semiconductor, purtătorii de sarcină, electroni, pentru a primi energie suplimentară și se pot schimba de la inferior la stări superioare, adică de la banda de valență la banda de conducere. Pentru a trece din banda de valență la electronii benzii de conducție, cel puțin, ar trebui să primească mai mult bandgap energie egală cu lățimea = de exemplu datorită unui câmp electric aplicat la semiconductor. Astfel, sub influența câmpului electric propusă în semiconductor și un curent electric generat purtători de sarcină neechilibru: electronii din banda de conducție și pozițiile lor (sau gaura) în banda de valență. Purtătorii de neechilibru, în acest caz, electronii se pot întoarce într-o stare cu niveluri mai scăzute de energie sau, după cum se spune, se recombină cu găuri. În acest caz, energia eliberată de forța externă este eliberată de electron. Această energie poate fi transferată de un atom de zăbrele - aceasta este o recombinare nonradiativă; sau emise sub forma unei cuanții de radiații optice, este o recombinare directă prin radiație. Dacă aceste efecte apar sub acțiunea unui câmp electric, atunci acest fenomen se numește electroluminescență. Probabilitatea recombinării radiative directe devine semnificativă numai la concentrații suficient de mari ale purtătorilor de neechilibru și depinde de structura benzii materialului. Pentru semiconductori eficiente electroluminiscență trebuie selectate cu o structură de bandă directă în care pulsul de electroni, la trecerea de la zona la zona este menținută (de exemplu, GaAs, Gar). Astfel, sub acțiunea unui câmp electric, perechi de electron-gauri apar sau sunt generate în semiconductor. Simultan cu generarea, se poate produce și procesul invers - electronii spontan coboară spontan până la nivele neocupate ale benzii de valență cu emisia unui cuantum energetic. Acest tip de recombinare și radiație se numește spontan.
Emisiile spontane sunt tipice pentru diodele emițătoare de lumină semiconductoare.
În plus față de recombinarea spontană din semiconductori, se poate produce și o recombinare forțată a electronilor și a găurilor, ceea ce duce la o radiație stimulată sau indusă a sistemului. Forțată prin recombinare spontană diferă prin aceea că electronul scade din banda de conducție la banda de valență nu este arbitrară, dar este obligat sub actiunea cuantice sau de fotoni de energie lumina este aproape. În acest caz, este emis un foton secundar care este identic în frecvență, energie, direcție de propagare și polarizare cu un foton care a cauzat recombinarea. Aceasta înseamnă că într-o amplificare semiconductoare (sau structură) este posibilă amplificarea și generarea luminii, adică pe baza structurilor semiconductoare este posibil să se creeze lasere și amplificatoare de lumină.
Pentru a face materiale semiconductoare amplifica luminii incidente, mai degrabă decât a absorbi, trebuie să vă deranjeze foarte mult distribuția de echilibru a electronilor în acesta, astfel încât electronii sunt complet umplute regiunea adiacentă la partea de jos a benzii de conducție, și găuri sunt concentrate în partea superioară a benzii de valență. Această stare se numește semiconductor degenerat și este implementat folosind un dopaj suplimentar sau introducerea de impurități în poluprovdnik. Cu astfel de zone de umplere fotonica coeficient de absorbție într-o gamă de energie îngustă ce depășește nivelurile Fermi de electroni și găuri devine negativ, deoarece, înmulțire într-un foton mediu are probabilitate egală de a determina transferul electronilor din starea de energie mai mică în partea de sus și invers. Conform statisticilor cuantice, în funcție de distribuție a energiei de echilibru de electroni într-un semiconductor depinde de energia de electroni și are forma:
unde există un potențial termodinamic mediu per electron sau numit și potențialul chimic sau nivelul Fermi. Structura benzii unui astfel de semiconductor este prezentată în Fig. 5.3.
DIAGRAM DE SEMICONDUCTOR DE ZONĂ DE ENERGIE
Deoarece toate nivelurile din banda de conducție sunt umplute, acest efect va determina în mod predominant emisia stimulată de lumină. Acesta este procesul de amplificare optică a luminii, atunci când o parte a energiei stocate într-un semiconductor este transmisă câmpului de radiație, adică este transformat în lumină.
Dacă se introduce feedback pozitiv, de exemplu, pentru a plasa mediul activ între oglinzi, atunci este posibil să se prevadă o condiție când câștigul depășește pierderea și obținem generarea de lumină laser în semiconductor.
Metoda cea mai simplă și cea mai obișnuită de excitare a electronilor într-un semiconductor este injectarea transportatorilor minoritari prin joncțiunea pn. În acest scop, se formează o joncțiune pn din regiunile p și n puternic dopate ale semiconductorului. Dacă ambele regiuni ale joncțiunii pn sunt puternic dopate, atunci aplicarea la joncțiunea pn a deplasării directe determină injectarea de electroni în regiunea p. Astfel, în vecinătatea joncțiunii pn, se creează concentrații de purtătoare suficiente pentru generarea radiației induse și efectul laser în prezența oglinzilor (figura 5.4). Figurile 5.5 și 5.6 prezintă principiul generării într-un laser și un LED.
INJECȚIA MEDIULUI PRIN TRANZIȚIA P-N
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: