ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Внешний квантовый выход и потери излучения

Инжекционная электролюминесценция служит физической основой работы излучающих полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватываются диоды, работа­ющие в диапазоне видимого излучения, — это СИД (используются для визуального отобра­жения информации) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излуче­ния, — инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды).

Излучающий диод — основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обусловливает следующие его достоинства: высокое значение кпд преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излуче­ния (квазимонохроматичность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекрытие почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов — с другой; высо­кая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого па­дения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными схемами; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с мик­роэлектронными устройствами, высокая надежность и долговечность.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом

Л = УПэПопт, (2.77)

Где у— коэффициент инжекции; т]-,— внутренний квантовый выход; г)опт — оптическая эф­фективность, или коэффициент вывода света.

Произведение уг|э определят эффективность инжекционной электролюминесценции. Однако даже при большом значении угъ внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду. При выводе излучения из активной (излучающей) области диода имеют место потери энергии (рис. 2.16).

1. Потери на самопоглощение (излучение /). При поглощении полупроводником фо­тонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фото­нов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное погло­щение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической ре­шеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетичес­кий уровень и некоторые другие виды поглощения.

2. Потери на полное внутреннее отражение (излучение 2). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной среды (полупроводник) с оптически менее плот­ной (воздух) для частиц излучения выполняется условие полного внутреннего отражения. Эта часть излучения, отразившись внутри кристалла, в конечном счете теряется за счет са- мопоглощения.

Излучение, падающее на поверхность раздела под углом 6, превышающим критический угол 0кр, претерпевает полное внутреннее отражение; при 0 < Вкр излучение частично отра­жается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщи­ны и показателями преломления, то она будет оказывать просветляющее действие, и коэф­фициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменится.

3. Потера на обратное и торцевое излучение (3 и 4). Генерация в активной области по­лупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Излучение 3, распространяющееся в сторону эмиттера, быстро поглощается.

Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от со­седних областей. Поэтому излучение 4 вследствие многократных отражений фокусируется вдоль активной области, так что интенсивность торцевого излучения выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.

Эффективность выхода оптического излучения из диода характеризуется коэффициен­том выхода г]опт и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности излучения, генерируемого внутри кристалла

Л ОПТ = Л. зл/Лен - (2.78)

Таким образом, внешний квантовый выход г) — это интегральный показатель излуча - тельной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции V, электролюми­несценции Г|э и вывода излучения Г]опт в создании оптического излучения.