Главная  Оптические магистрали 

[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] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [ 72 ] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

щая мощность оптического излучения, генерируемого в полупроводнике

Ф = ЛФ еф= Пвнут Лс Ч = нут и/е) Вф, (8.4.5)

где бф = hclX - энергия фотона.

Примесные атомы, а также дислокации и другие дефекты кристаллической решетки, способствуют росту безызлучательной доли рекомбинации. В результате "Пр изменяется обратно пропорционально концентрации этих ловушек Л/д. Ловушечные уровни локализуются вблизи середины запрещенной зоны. Если безызлучательное время жизни носителей определяется наличием ловушек, то его по порядку ве.-чичины можно оценить

,,1е,«Л1Й11, (8.4.6)

Т. е. концентрации ловушек менее 10* м"* достаточно, чтобы снизить Tg до 100 НС.

Скорость прямой зона - зонной рекомбинации пропорциональна концентрациям электронов и дырок, т. е.

Скорость излучательной рекомбинации 1м-*-с"Ч = тр, (8.4.7)

где г1м*/с1 - коэффициент рекомбинации, характеризующий материал. В равновесном состоянии эта скорость рекомбинации уравновешивается скоростью тепловой генерации носителей G, которая также является характеристикой материала и экспоненциально зависит от (еУ /кТ). Таким образом,

rnpoppo = rnf = G. (8.4.8)

При наличии избыточных носителей общая скорость излучательной рекомбинации

- {dn/dt)„ = гпр-0 = г{Про + Ап) (Про -Ь Ар)--гПроРро- (8.4.9) Поскольку An == A/J,

-{dn/d% = г (Про + Рро + п) An. (8.4.10) По определению

T„=.An/-(dn/d/)„, (8.4.2)

т„= 1/г(Про + Рро + А«). (8.4.11)

До сих пор предполагали, что Тр и Ти - константы. Действительно, такой вывод следовал из (7.4.12) и § 7.5. Формула (8.4.11) показывает, что это справедливо только при условии умеренной инжекции, т. е. при АпС рро.

Согласно (8.4.11) значение Ти значительно выше в собственном полупроводнике, когда Про == Рро = «1 > Тогда

(ти)собств = 1/2тг (8.4 J 2)



но этот случай для нас не представляет интереса. В материале р-тина - Про € Рро и Лп <

Ти=1/гРро=1/гпл. (8.4.13)

При этих условиях т„ действительно не зависит or концентрации избы-. точных носителей. Однако при высоких уровнях инжекции можно считать An > Рро, т. е.

Ывыс.ииж= l/-An. (8.4.14)

В этом случае т„ становится зависящим от п и поэтому может меняться во времени и пространстве, а анализ становится существенно сложнее.

В непрямозонном материале значение г составляег 10"* м/с. В прямозоином материале г значительно больше - около 10"*"* м-с. Это дает возможность увидеть, как характер запрещенной зоны во.здей-ствует на внутреннюю квантовую эффективность. При слабой инжекции в р-материале формула (8.4.6) определяет безызлучательное время жизни носителей, а формула (8.4.13) - излучательное. Предположим, что Тд = 100 нс, а Рро = Па 10 м~. Тогда в непрямозонном полупрводнике, таком как кремний, т„ ж 10 мс и

г1внуп=1/(Н-т„/тг,) «1/(1 +10-/10-) 10- (8.4.15)

С другой стороны, в прямозоином полупроводнике, таком как арсенид галлия, т„ = 100 нс и

Г] ж 1/(1+ 1010-); 0,5. (8.4.16)

Такое высокое значение характерно для светоизлучающих диодов на основе прямозонных материалов.

Знание времени жизни носителей позволяет оценить диффузионную длину Lp = yDep- Коэффициент диффузии De растет с температурой при высоких концентрациях примеси. Для арсенида галлия при комнатной температуре и степени легирования около IOmD составляет 10"" mVc. Если т„ и Тд равны 100 не, то Тр = 50 не, а

Lp= /DTp =22 мкм. (8.4.17)

Нендеальность кристаллической решетки вблизи границы полупроводника приводит к большому числу локальных энергетических состояний в запрещенной зоне. В особенности это относится к гетерострук-туре (см. гл. 9), так как в ней имеются неоднородности внутри кристалла. Эти неоднородности приводят к большому числу энергетических уровней, которые действуют как центры рекомбинации. Через эти энергетические состояния идет в основном безызлучательная рекомбинация, поэтому наличие поверхности или границ раздела может существенно снизить внутреннюю квантовую эффективность прибора. Так же, как и при рассмотрении рекомбинации в материале, можно рассматривать суммарную скорость рекомбинации носителей на поверх-



РекомБинационна/! поверхность раздела, (снорость реномЬимации, 5)


Рнс. 8.7. Изменение плотности тока неосновных носителей в результате поверхностной рекомбинации (ДУ = -esAn)

НОСТИ, пропорциональную концентрации избыточных носителей Лп. Эта скорость определеляется потоком носителей, которые исчезают вследствие рекомбинации на поверхности. В простом случае, показанном на рис. 8.7, на границе раздела, перпендикулярной потоку носителей, происходит изменение АУ плотности потока:

AJ.-esAn, (8.4.18)

где величина s, имеющая размерность скорости, называется скоростью поверхностной рекомбинации. Величина s может изменяться в широких пределах, принимая значения от 1 до 10* м/с для границы полупроводник- воздух в зависимости от физических и химических условий. В случае хорошо пассивированной поверхности кремния она может быть снижена до 0,01 ...0,1 м/с.

S.5. ВНЕШНЯЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Получение высокой внутренней квантовой эффективности еще недостаточно для достижения высоких параметров полупроводникового оптического источника. Основная часть, рекомбинации излучения генерируется в пределах одной-двух диффузионных длин от перехода и характеризуется отсутствием направленности. Отношение числа фотонов, вышедших из полупроводника, к числу носителей, прошедших через переход, называется внешней квантовой эффективностью Пвнеш-Четыре основных эффекта приводят к тому, что Лвнеш всегда меньше Лвнут- Во-первых, излучение выходит из полупроводника через поверхность полупроводник - юздух. Во-вторых, только та часть излучения, которая подходит к поверхности под углом мейьше критического 9с, может выйти из полупроводника. В-третьих, часть и этого излучения отражается от поверхности полупроводник - воздух. В-четвертых, происходит поглощение между точкой генерации излу-



[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] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [ 72 ] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012