Ш2

 ш1.5

    1Министерство науки, высшей школы и технической политики РФ

   1Московский Государственный Институт Электроники и Математики
                                    1Факультет Электронной Техники
                                    1Кафедра - Материаловедение

                                              1электронной техники
                                1РЕФЕРАТ
             1на тему 3    Материалы   оптоэлектроники.

           3Полупроводниковые светоизлучающие структуры. 0
                              1Выполнил студент группы И-41

                                               1Офров С.Г
                              1Руководитель  Петров В.С.
                              1Реферат защищён с оценкой _________
                                   _____________________________

                                   (подпись преподавателя, дата)
                           1Москва 1994

 ш0

.


                             - 1 -
                   Материалы оптоэлектроники.

          Полупроводниковые светоизлучающие структуры.
             1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
                 1.1. Предмет оптоэлектроники.
     Оптоэлектроника представляет  собой раздел науки и техники,

занимающийся вопросами генерации,  переноса (передачи и приёма),

переработки (преобразования),  запоминания и хранения информации

на основе использования двойных (электрических и оптических) ме-

тодов и средств.

     Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК)  прибор,

чувствительный  к электромагнитному излучению в видимой,  инфра-

красной или ультрафиолетовой областях;  или прибор, излучающий и

преобразующий некогерентное  или когерентное излучение в этих же

спектральных областях;  или прибор,  использующий такое электро-

магнитное излучение для своей работы.

     Обычно подразумевается также  "твердотельность"   оптоэлек-

тронных приборов  и  устройств  или такая их структура (в случае

использования газов и жидкостей),  которая допускала бы реализа-

цию с  применением  методов  современной  интегральной техники в

микроминиатюрном исполнении.  Таким образом, оптоэлектроника ба-

зируется на  достижениях целого ряда достижений науки и техники,

среди которых должны быть выделены  прежде всего квантовая элек-

троника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и техно-

логия, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, во-

локонная оптика.




                             - 2 -
     Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связа-

ны с  тем,  что  в  качестве  носителя информации в них наряду с

электронами выступают  электрически  нейтральные  фотоны.   Этим

обуславливаются их основные достоинства:

     1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.

     2. Острая направленность излучения.

     3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только

временной, но и пространственной.

     4. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей.

     5. Возможность простого оперирования со зрительно восприни-

маемыми образами.

     Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными

приборами очень широкие возможности применения в  качестве  эле-

ментов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем са-

мым оптоэлектроника вносит  свою,  очень  значительную,  долю  в

комплексную   микроминиатюризацию  радиоэлектронной  аппаратуры.

Дальнейшее развитие и совершенствование средств  оптоэлектроники

служит  техническим  фундаментом разработки сверхвыскопроизводи-

тельных вычислительных комплексов,  запоминающих  устройств  ги-

гантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телеви-

дения и инфравидения.

     Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет

источник излучения:  именно его свойства и определяют,  в первую

очередь,  лицо этой системы.  А все источники можно подразделить

на две большие группы:  с когерентным (лазеры) и с некогерентным

(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использо-

ванием когерентного или некогерентного света обычно резко  отли-

чаются друг от друга по важнейшим характеристикам.




                             - 3 -
     Всё это оправдывает использование таких терминов как "коге-

рентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника".  Ес-

тественно,  что чёткую грань провести  невозможно,  но  различия

между ними очень существенны.

     История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия  опти-

ческого квантового генератора - лазера (1960 г.).  Примерно в то

же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распростране-

ние светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, уст-

ройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектро-

ники.
                     1.2. Генерация света.
     Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, дли-

ны которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон за-

мечателен тем,  что  именно в нём наиболее отчётливо проявляется

корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующие

ей частота  колебаний и длина волны света связаны следующими со-

отношениями:

 ш1 7

                                           7)

                     7n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2

                                           78

                     7e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2

                                           70

 ш0

     При известной удельной мощности P плотность фотонного пото-

ка N определяется выражением

           N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].
     Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому из-

лучению, либо к одному из видов люминесценции.  Спектр излучения




                             - 4 -
нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так на-

зываемого абсолютно чёрного тела имеет вид

           f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0,

где h, c, k  - известные универсальные константы; T - абсолютная

температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К)

часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

     Люминесценция представляет собой излучение, характеризующе-

еся тем,  что его мощность превышает интенсивность теплового из-

лучения при данной температуре ("холодное" свечение).

     Известно, что электроны в атоме  могут  находиться  в  ряде

дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они

занимают наинизшие уровни.  В люминесцирующем веществе  за  счёт

энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов пе-

реходит на более высокие энергетические уровни  E 42 0.  Возвращение

этих  электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испус-

канием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

 ш1

                            1,23

                     7l 0 = ───────────── [мкм]

                        (E 42 0 - E 41 0)[эВ]

 ш0
     Физика люминесценции предопределяет две примечательные осо-

бенности процесса:  узкий спектр излучения и возможность исполь-

зования большого числа способов возбуждения.  В  оптоэлектронике

главным образом  используются электролюминесценция (пробой и ин-

жекция p-n перехода в полупроводниках),  а также фото- и катодо-

люминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).
     При распространении  световых лучей важную роль играет диф-

ракция, обусловленная волновой природой света  и  приводящая,  в




                             - 5 -
частности, к  тому,  что выделенный с помощью оптической системы

параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходи-

мости близок к  7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности  оптических  систем

соизмерим с 7 l 0,  а плотность записи информации с помощью световых

потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

     В веществе с показателем преломления n скорость распростра-

нения светового луча становится c/n,  а поскольку величина n за-

висит от длины волны (как правило,  растёт с уменьшением 7 l 0),  то

это обуславливает дисперсию.
                   1.3. Источники излучения.
     Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучате-

лей: лазерах  (когерентное  излучение)  и светоизлучающих диодах

(некогерентное излучение).

     В оптоэлектронике  находят  применение  маломощные газовые,

твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового

наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монох-

роматичности,  одномодовость,  стабильность частоты,  острую на-

правленность и,  в конечном счёте, когерентность излучения. В то

же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки

газоразрядных приборов  не  позволяют рассматривать этот вид ОКГ

как универсальный оптоэлектронный элемент.

     Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обус-

лавливают перспективность применения этих генераторов в  дально-

действующих волоконнооптических линиях связи.

     Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных приме-




                             - 6 -
нений представляют  полупроводниковые  лазеры благодаря высокому

к.п.д., малым габаритам,  высокому быстродействию,  простоте уп-

равления. Особенно  выделяются  гетеролазеры  на основе тройного

полупроводникового соединения Ga Al As.  В их  структуре  тонкий

слой n-типа  проводимости  "зажат"  между областями n- и p-типов

того же материала,  но с большими значениями концентраций алюми-

ния и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В

роли резонатора может также выступать поверхностная  дифракцион-

ная решётка,  выполняющая  функцию распределённой оптической об-

ратной связи.

     Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупровод-

никовые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминес-

центные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в ре-

зультате рекомбинации дырок с инжектированными через  pn-переход

электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высве-

чивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меня-

ется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, си-

ний (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и

пр.,  см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышь-

яком генерируют невидимое излучение с  длиной  волны  0,9...0,92

мкм.  На  этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют макси-

мальную чувствительность.  Для светодиодов характерны малые раз-

меры (0,3 7& 00,3 мм),  большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быст-

родействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5

В) и токи (10...100 мА).
.


                             - 7 -
 ш1.5

 Л+

     Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.

  ╔════════════╤══════╤══════════╤═════════╤═════════════════╗

  ║  Полупро-  │    4o 0  5  0│  Цвет    │Эффектив-│ Быстродействие, ║

  ║  водник    │  7l 0,A  │          │ность, % │    нс           ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║   GaAs     │ 9500 │   ИК     │ 12; 50 5* 0 │ 10 5-7 0...10 5-6 0     ║

  ║            │ 9000 │          │   2     │ 10 5-9 0...10 5-8 0     ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║   GaP      │ 6900 │ Красный  │  7      │ 10 5-7 0...10 5-6 0     ║

  ║            │ 5500 │ Зелёный  │  0,7    │ 10 5-7 0...10 5-6 0     ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║   GaN      │ 5200 │ Зелёный  │  0,01   │                 ║

  ║            │ 4400 │ Голубой  │  0,005  │                 ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║ GaAs 41-x 0P 4x 0  │ 6600 │ Красный  │  0,5    │   3 77 010 5-8 0        ║

  ║            │ 6100 │ Янтарный │  0,04   │   3 77 010 5-8 0        ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║ Ga 41-x 0Al 4x 0As │ 8000 │   ИК     │  12     │   10 5-8 0          ║

  ║            │ 6750 │ Красный  │  1,3    │   3 77 010 5-8 0        ║

  ╟────────────┼──────┼──────────┼─────────┼─────────────────╢

  ║            │ 6590 │ Красный  │  0,2    │                 ║

  ║ In 41-x 0Ga 4x 0P  │ 6170 │ Янтарный │  0,1    │                 ║

  ║            │ 5700 │ Желто-   │  0,02   │                 ║

  ║            │      │ зелёный  │         │                 ║

  ╚════════════╧══════╧══════════╧═════════╧═════════════════╝

 ш0

 Л-
     Излучатели на основе люминофоров представляют собой  порош-

ковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной

прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор

на основе  соединения  цинка с серой,  который излучает свет под

действием сильного знакопеременного электрического  поля.  Такие

светящиеся конденсаторы  могут  изготовляться различных размеров

(от долей сантиметра квадратного до десяти  и  более  квадратных

метров), различной конфигурации,  что позволяет изготавливать из




                             - 8 -
них знако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, кар-

       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │ красный │       │      │         │       ║

║ АЛ307А │  GaAlAs  │ ─────── │   1   │   2  │  ────   │       ║

║        │          │   700   │       │      │  0,15   │       ║

╙────────┴──────────┴─────────┴───────┴──────┴─────────┴───────╜

.


                             - 14 -
╓────────┬──────────┬─────────┬───────┬──────┬─────────┬───────╖

║        │          │ красный │       │      │         │       ║

║ АЛ307Б │  GaAlAs  │ ─────── │   1   │   2  │  ────   │       ║

║        │          │   700   │       │      │   0,6   │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    6    │       ║

║ АЛ107А │   GaAs   │   920   │  100  │   2  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    1    │       ║

║ ЗЛ103А │   GaAs   │   900   │  50   │ 1,6  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │    2    │       ║

║ TIXL05 │   GaAs   │   900   │  750  │ 1,8  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╟────────┼──────────┼─────────┼───────┼──────┼─────────┼───────╢

║        │          │         │       │      │  0,05   │       ║

║ TIL01  │   GaAs   │   900   │  50   │ 1,3  │  ────   │       ║

║        │          │         │       │      │         │       ║

╚════════╧══════════╧═════════╧═══════╧══════╧═════════╧═══════╝

 ш0
                   3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.
     В рассмотренных до сих пор светодиодах для  получения  раз-

личного цвета  излучения  необходимо было использовать различные

полупроводниковые материалы.  Однако  можно  создать  монолитные

структуры на  основе  светодиодов,  которые  в зависимости от их

включения или соотношения токов в них будут излучать в различных

спектральных областях (рис. 6). Проще всего такие структуры реа-

лизуются на фосфиде галия,  который в зависимости от введённых в

него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для это-

го на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода,  один  из

которых излучает красный,  а другой зелёный свет. При смешивании

обоих обоих цветов получается жёлтый цвет.

     Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять

обеими полупроводниковыми системами.  Когда оба  основных  цвета

(красный и  зелёный) излучаются одновременно,  человеческий глаз




                             - 15 -
воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так

же путём изменения величины тока, текущего через элементы свето-

диода, удаётся изменять  цвет  излучения  от  жёлто-зелёного  до

красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелё-

ное - находятся на краях цветовой шкалы.  Когда требуется  полу-

чить излучение  определённого  цветового  восприятия,  лежащее в

данной цветовой области,  необходимо перед кристаллом GaP распо-

ложить соответствующие фильтры,  слабо поглощающие красные и зе-

лёные лучи.

     Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпози-

ционных (красный - жёлтый -  зелёный  -  выключенное  состояние)

сигнализаторов. Они  находят применение в многоцветных буквенных

и цифровых индикаторах,  а также в цветоаналоговых  сигнализато-

рах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую

электронику, с их помощью можно  контролировть  степень  зарядки

батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использо-

вать в качестве оптических индикаторов скорости.
                 4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.
     Для миниатюрных устройств отображения информации широко ис-

пользуются светодиоды  на основе арсенида-фосфида галия (GaAsP),

галия-алюминия-арсенида (GaAlAs),  а также фосфида галия  (GaP).

Все они  высвечивают в видимой области спектра,  характиризуются

большой яркостью,  большим  быстродействием  и  большим   сроком

службы.

     Для изготовления светодиодов,  цифровых  и  цифро-буквенных

дисплеев  из таких материалов используются технологические мето-




                             - 16 -
ды, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зави-

симости  от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по

монолитной,так и по гибридной технологии.  В первом  случае  это

интегральный блок светодиодов,  выполненный на одном полупровод-

никовом кристалле.  Так как размеры кристалла ограничены, то мо-

нолитные индикаторы - индикаторы малых размеров.  Во втором слу-

чае излучающая часть индикатора представляет собой сборку  диск-

ретных светодиодов на миниатюрной печатной плате.  Гибридный ва-

риант является основным для для средних и  больших  светодиодных

индикаторов.

     Для светодиодных индикаторов разработаны и  стандартизованы

схемы управления и согласования на серийных интегральных схемах,

что упрощает их схемотехнику и расширяет области применения.
     Размеры рабочего кристалла светодиода малы  (400 7& 0400  мкм).

Излучающий кристалл - это светящаяся точка.  Для того же,  чтобы

хорошо различать символы и цифры,  их размеры не должны быть ме-

нее 3  мм.  Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла в

дисплее применяют линзы, рефлекторы, фоконы. Размеры знаков - от

3 до 1,5 мм и от 25 до 50 мм,  что позволяет визуально контроли-

ровать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

     Индикаторы на  светодиодах  изготовляются двух типов:  сег-

ментные (цифровые) и матричные  (универсальные).  Семисегментный

индикатор позволяет  воспроизводить  все десять цифр (и точку) и

некоторые буквы.  Матричный индикатор содержит  7 7& 05  светодиодов

(светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и

знаки стандартного кода для обмена информацией.

     Оба типа  индикаторов могут выполняться как одноразрядными,




                             - 17 -
так и многоразрядными, что позволяет создавать на их основе сис-

темы отображения различной сложности.

.


                             - 18 -
                          Литература.
1. Нососв  Ю.Р.  Оптоэлектроника.  Физические основы,  приборы и

   устройства. М. 1978.

2. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической авто-

   матики. М. 1979.
                          Оглавление.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.                          1

1.1. Предмет оптоэлектроники.                                  1

1.2. Генерация света.                                          3

1.3. Источники излучения.                                      5

2. СВЕТОДИОДЫ.                                                 8

2.1. Конструкция светодиодов.                                 11

2.2. Свойства светодиодов.                                    12

3. ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ.                                    14

4. ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ.                                 15