Характеристики полупроводниковых материалов

При рассмотрении процесса излучения света источником либо его поглощения фотодиодом свет рассматривается с квантовой точки зрения. Частицы света называются фотонами.

Существует связь энергии фотона Еф и параметров световой волны: Еф= h*f, где h=6,626*10^-34 Дж*с – постоянная Планка, f – частота волны. Через связь длины световой волны и частоты энергия фотона:

, (1)

где с=3*10⁸ м/с – скорость света.

- длина волны – пространственный интервал при прохождении, которого электромагнитная волна меняет свою фазу на 2 .

Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic – собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей.

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рисунок 1).

Рисунок 1

При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рисунок 2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.

Рисунок 2

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется тепловой генерацией носителей заряда.

Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда.

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative – отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый («лишний») электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда.

Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

Рисунок 3

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive – положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей.

Рисунок 4

Согласно представлениям квантовой физики электроны в атоме могут принимать строго определенные значения энергии или, как говорят, занимать определенные энергетические уровни.

Твердое тело, каковым является полупроводниковый кристалл, состоит из множества атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности разрешенных дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью разрешенных энергетических зон, состоящих из большого числа близко расположенных энергетических уровней.

Заполненная электронами разрешенная зона называется валентной зоной (ВЗ), а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости (ЗП). У полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной (ЗЗ).

Рисунок 5 – Энергетическая модель материала

Электрон, обладающий энергией валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, он свободен от валентной связи и имеет возможность перемещаться в молекулярной структуре материала. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход.

Так как , то для перехода электрона в ЗП необходимо сообщить дополнительную энергию, например, в виде кванта , при этом наблюдается поглощение фотона с образованием носителей заряда.

При переходе электрона из ЗП в ВЗ могут наблюдаться явления спонтанного или стимулированного излучения фотонов при рекомбинации носителей заряда.

Спонтанное излучение возникает при переходе любого электрона с произвольного уровня в зоне проводимости на любой уровень валентной зоны. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон.

Под стимулированным излучением понимается излучение возбужденных электронов под действием падающего на них света. В рамках квантовой теории вынужденное излучение означает переход электрона из высшего энергетического состояния в низшее, но не произвольно, а под влиянием фотона. Возникающая при излучении световая волна не отличается от падающей на атом волны частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения.

Длина волны излучения зависит от ширины ЗЗ материала и определяется .

Рисунок 6 – Квантовые переходы

Исходя из используемых в ВОСП спектральных диапазонов волн l = 0,8…1,6 мкм определено, что им соответствуют энергии запрещенной зоны , которыми обладают полупроводники III, IV, V групп таблицы Менделеева.

Полупроводниковые материалы разделяются на прямозонные и непрямозонные. В прямозонных материалах процессы переходов носителей с уровня на уровень происходят без задержки и сопровождаются высокой квантовой эффективностью.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри ЗЗ могут создаваться дискретные энергетические уровни. Примесные полупроводники образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную.

Рисунок 7 – Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

Базовыми материалами для изготовления источников являются следующие прямозонные материалы: арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP, трех и четырехкомпонентные соединения на их основе – GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галия). Материалы пригодны для массового изготовления источников и безопасны при работе с ними.

На рисунке 8 изображена классификация источников ВОСП.

Рисунок 8 – Классификация источников излучения