ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ
Раздел 1. Источники и приемники оптического излучения для оптоинформатики
Введение
В устройствах оптоинформатики широко используются оптоэлектронные приборы на основе полупроводников.
Оптоэлектронные приборы – это приборы, преобразующие электрическую энергию в оптическое излучение (например, светодиоды и лазеры) или наоборот (например, солнечные батареи), и приборы, детектирующие оптические сигналы с помощью электронных процессов (например, фотодиоды).
Полупроводники – это вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками. Полупроводники отличаются от металлов не только меньшей величиной электропроводности, но и тем, что их электропроводность возрастает с ростом температуры. Полупроводники обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям: к изменению температуры и давления, к свету, а также к содержанию примесей. Эта особенность полупроводников дают возможность управлять их свойствами.
Свойства полупроводников хорошо описывает зонная теория твёрдого тела. Возможные значения энергий E и энергетические зоны типичных полупроводников приведены на рис. 1. Зонная структура полупроводника, не имеющего примесей, представлена на рис. 1.а. Такие полупроводники называются собственными полупроводниками или полупроводниками i-типа.
Рис. 1. Зонная структура полупроводников: а – собственный полупроводник, б – полупроводник n-типа, в – полупроводник p-типа. F – уровень Ферми.
В образовании электрического тока в собственном полупроводнике участвуют как электроны, переведённые из валентной зоны в зону проводимости, так и образовавшиеся дырки в валентной зоне, которые определяют собственную проводимость. Как было отмечено выше, на электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси, которые обуславливают примесную проводимость. Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решётки некоторое количество атомов основного вещества. Независимо от конкретной природы, примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные. Энергетические уровни электронов примеси располагаются внутри запрещённой зоны: донорные ближе к зоне проводимости (рис. 1.б), а акцепторные – ближе к валентной зоне (рис. 1.в). Основными носителями тока в полупроводнике, имеющем только донорные примеси, являются электроны в зоне проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. А при наличии в полупроводнике только акцепторной примеси наиболее вероятным является переход электронов из валентной зоны на уровень акцептора. При этом в валентной зоне образуются дырки, которые и будут являться основными носителями тока в данном полупроводнике. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа. В реальных полупроводниках добавление в германий сурьмы или мышьяка превращает германий в полупроводник n-тип, а добавление индия – в полупроводник p-типа.
Если в полупроводнике имеется область с двумя типами проводимости, то это приводит к существованию особых условий на границе их раздела, называемом p-n переходом (рис. 2). Так как концентрация электронов и дырок по обе стороны p-n
Рис. 2. Движение электронов и дырок в области p-n перехода: а – внешнее электрическое поле отсутствует, б – внешнее электрическое поле приложено в прямом направлении, в – внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении.
перехода различна, то электроны из n-полупроводника будут диффундировать в p-полупроводник, а дырки из p-полупроводника – в n-полупроводник. Таким образом, область p-полупроводника вблизи границы раздела зарядится отрицательно, а область n-полупроводника – положительно. Образовавшееся контактное электрическое поле будет удалять электроны и дырки в глубь соответствующих полупроводников. Этот тонкий слой (несколько десятков микрон) носит название обеднённого слоя или запирающего слоя (рис. 2-а). Если к системе
приложить внешнее электрическое поле: плюс к p-полупроводнику, а минус к n-полупроводнику, то толщина запирающего слоя уменьшается или становится равной нулю. В этом случае через p-n переход потечёт ток (рис. 2-б). Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Если направление внешнего электрического поля совпадает с направлением образовавшегося контактного поля, то толщина запирающего слоя значительно увеличивается, и ток через p-n переход не течёт (рис.2-в). Такое направление внешнего электрического поля называется обратным или запирающим.
Существует две важные области применения полупроводников с p-n переходом: 1) источники оптического излучения - лазеры и 2) приёмники оптического излучения – фотодиоды..астоящего раздела экспериментального практикума по оптоинформатике Лабораторные работы настоящего раздела экспериментального практикума по оптоинформатике посвящены исследованию основных параметров полупроводниковых лазеров и полупроводниковых фотодиодов.
Лабораторная работа 1-1
Исследование основных параметров полупроводникового лазера
Цель работы: изучить принципы работы полупроводникового лазера и провести измерение его основных параметров.
Объект исследования: полупроводниковый инжекционный лазер на основе лазерного модуля KLM-650.