Элементы оптоэлектроники. Гетеропереходы. Сверхрешётки

Оптоэлектроника — научно-техническое направление, в котором исследуются и используются эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. К основным элементам оптоэлектроники относятся полупроводниковые источники некогерентного (светодиоды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупроводниковые фотоприемники. В основе действия многих вариантов перечисленных приборов лежат p–n переходы. При прямом включении в p–n переходе происходит инжекция носителей тока, например электронов.

Инжектированные электроны являются неравновесными; в слое толщиной L_n они рекомбинируют с дырками, которых в р области достаточно много. Каждый акт рекомбинации связан с уменьшением энергии электрона на величину Eg. Эта энергия может преобразоваться в энергию кванта электромагнитного излучения hν = Eq. Следовательно, прямо включенный p–n переход способен испускать электромагнитную волну.. Описанный эффект лежит в основе действия светодиодов.

Светодиод испускает некогерентное излучение. Однако существует режим, в котором p–n переход испускает когерентное, лазерное излучение. Соответствующие лазеры называются инжекционными полупроводниковыми лазерами.

Лазерное излучение может возникать в среде с так называемой «инверсной населенностью» энергетических уровней.

В полупроводниковом квантовом генераторе инверсная населенность создается инжекцией носителей заряда в область, где они являются неравновесными. Их индуцированный переход в равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазерное излучение. Лазерное излучение в полупроводниковом квантовом генераторе наступает лишь при определенной величине прямого тока. Этот ток называется пороговым i _пор P–n переход способен преобразовывать не только

электрическую энергию в световую (светодиод), но и световую в электрическую. Этот эффект лежит в основе действия фотодиодов и различных фотопреобразователей, например элементов полупроводниковых солнечных батарей.

. Более эффективными для оптоэлектроники являются гетеропереходы.

Гетеропереходы образуются на границах раздела полупроводников с различной шириной запрещенных зон. Особенно широко используются в оптоэлектронике гетеропереходы на основе соединений элементов III и V групп таблицы Менделеева.

В гетеропереходе претерпевают скачки многие параметры полупроводников: ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда, их эффективные массы и т. д. Скачкообразное изменение свойств полупроводника на гетеропереходе дает возможность целенаправленно управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых полупроводниковых материалов. Поэтому гетеропереходы используются для совершенствования существующих полупроводниковых приборов и создания принципиально новых приборов различного электронного и оптоэлектронного назначения. Гетероструктуры находят широкое применение и в наноэлектронике

Сверхрешетка — это кристаллическая структура, обладающая помимо периодического потенциала, свойственного кристаллической решетке, дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут создаваться в проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах. Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. В этом случае сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные системы потенциальных ям, разделенных сравнительно узкими потенциальными барьерами с заметной туннельной прозрачностью. На основе сверхрешеток созданы приборы с отрицательной (N_образной) вольт-_амперной характеристикой способные усиливать и генерировать электромагнитные колебания, а также эффективные светоизлучающие приборы и приборы другого назначения (см. гл. 7).

В сверхрешетках может проявляться так называемый резонансный туннельный эффект. Этот эффект состоит в резком увеличении вероятности прохождения микрочастиц, например электронов, сквозь двух или многобарьерную структуру, когда исходная энергия частицы совпадает с энергетическим уровнем в смежной потенциальной яме (резонансный уровень). Этот эффект широко используется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродействующих приборов.