FOTOREZISTORI

Este o placă sau o peliculă de semiconductor cu două contacte ohmice.

Semnalul optic este absorbit şi fotonii generează purtători de sarcină în rezultatul actelor de tranziţie „bandă-bandă” sau prin intermediul nivelelor energetice ale impurităţilor.

Conductibilitatea fotorezistorilor este descrisă de relaţia:

.

Pragul roşu al fotosensibilităţii este determinat de relaţia:

.

Dacă fluxul de lumină are atunci el este absorbit de semiconductor.

Funcţionarea fotorezitorilor este determinată de trei parametri:

Eficienţa cuantică sau de amplificare; Timpul de fotorăspuns; Fotosensibilitatea sau detectivitatea.

Să examinăm procesul de funcţionare al fotorezistorului. Fie că în primul moment de timp numărul purtătorilor de sarcină ce au fost generaţi într-o unitate de volum este . În momentul de timp următor numărul lor se va micşora din cauza procesului de recombinare după legitatea:

- timpul de viaţă al purtătorilor de sarcină

- viteza de recombinare.

Dacă fluxul de lumină este constant în timp şi este distribuit uniform pe toată suprafaţa , atunci numărul total de fotoni incidenţi va fi:

, - puterea fluxului optic.

Viteza de generare a purtătorilor de sarcină este:

(2)

- grosimea fotorezistorului; - eficienţa cuantică, care este egală cu raportul numărului de perechi generate la numărul de fotoni incidenţi; - numărul de purtători de sarcină într-o unitate de volum.

Fotocurentul dintre contacte este:

, (3)

- intensitatea câmpului electric în semiconductor; - viteza de derivă a purtătorilor de sarcină.

Determinăm din relaţia (2) şi o introducem în relaţia (3). Obţinem:

.

În momentul iniţial fotocurentul este:

.

Coeficientul de amplificare a curentului este:

unde

- timpul de tranziţie al purtătorilor de sarcină,

- timpul de viaţă al purtătorilor de sarcină.

Pentru cu un timp de viaţă al purtătorilor de sarcină mare şi o distanţă mică dintre contactele ohmice coeficientul de amplificare este cu mult mai mare ca 1. Timpul de fotorăspuns este egal cu timpul de tranziţie .

Din cauză că la fotorezistori distanţa dintre contactele ohmice este mare, iar câmpurile electrice prezente sunt mici, timpul de fotorăspuns este mult mai mare ca la fotodiode.

Capacitatea de detecţie (detectivitatea) se determină de relaţia:

; ,

unde - gradul de modulare al frecvenţei, - intensitatea semnalului optic; - aria

suprafeţei fotorezistorului; - banda de transparenţă a frecvenţelor.

Exemplu: Pentru cea mai mare sensibilitate o posedă CdS. Pentru se utilizează HgCdTe.

În tabelul 1 de mai jos sunt prezentate lărgimile benzilor energetice interzise şi pragul roşu a fotoconducţiei (fotosensibilităţii) pentru cele mai utilizate materiale semiconductoare.

Tabelul 1

Materialul , eV , µmGeSi

CdSeCdTeCdS

GaAsInPPbSPbSe

0,671,111,741,52,421,431,280,290,15

1,851,120,710,830,510,870,974,288,27

Caracteristicile fotorezistoarelor

1. Caracteristica curent-tensiuneSunt simetrice în raport cu originea axelor de coordonate, deoarece rezistenţa lor nu

depinde de polaritatea tensiunii aplicate. De obicei, se construiesc fotorezistoare numai pentru o polaritate a tensiunii aplicate.

,

unde , , - respectiv curentul total, curentul de întuneric, fotocurentul; , - constante ce sunt determinate de proprietăţile fizice ale semiconductorului la întuneric şi la iluminare; - coeficientul de neliniaritate a caracteristicii energetice; - tensiunea aplicată.

2. Caracteristica energetică a fotorezistorilor

Sunt neliniare datorită dependenţei timpului de viaţă al purtătorilor de sarcină de fluxul incident. Forma matematică a caracteristicii este:

, pentru ,

unde .

Pentru majoritatea fotorezistorilor caracteristicile energetice posedă două regiuni distincte:

Regiunea liniară ( ) la intensităţi slabe ale radiaţiei incidente; Regiunea subliniară ( ) la intensităţi mari ale radiaţiei incidente.

3. Caracteristicile spectralePrezintă un maxim pronunţat în regiunea absorbţiei fundamentale, unde .

Caracteristica spectrală este puternic influenţată de prezenţa impurităţilor în semiconductor. Impurităţile se introduc cu scopul sporirii sensibilităţii şi a lărgimii spectrului spre lungimi de undă mai mari.

4. Dependenţa sensibilităţii de frecvenţă

- este constantă de creştere a fotocurentului sau timpul în care fotocurentul creşte până la

valoarea ; - valoarea staţionară a fotocurentului; - constanta de

timp a descreşterii fotocurentului, în care fotocurentul creşte până la valoarea .

Pentru majoritatea fotorezistoarelor , unde - este constanta de timp a fotorezistorului.

Dacă radiaţia incidentă este modulată după o lege sinusoidală atunci funcţia de generare a purtătorilor de sarcină se poate scrie sub forma:

, - frecvenţa pulsaţiilor radiaţiei incidente.

Atunci componenta variabilă a fotocurentului este:

, unde - este defazajul dintre radiaţia incidentă şi fotorăspuns.

Amplitudinea fotocurentului va fi:

.

Odată cu creşterea frecvenţei fluxului luminos, amplitudinea componentei variabile a fotocurentului scade. Constanta de timp este o măsură a inerţiei fotorezistorilor la acţiunea radiaţiei incidente. Cu cât sensibilitatea este mai mare cu atât constanta de timp este mai mică.

Pentru: CdS, CdSe avem , iar pentru PbS, PbSe avem

JONCŢIUNEA p – n

Joncţiunea p – n – este contactul ideal dintre două semiconductoare de tip „n” şi „p”.

Datorită gradientului de concentraţie al purtătorilor de sarcină majoritari, va avea loc difuzia lor prin hotarul metalic al joncţiunii.

Electroneutralitatea în regiunea hotarului dintre semiconductoarele „p” şi „n” se va fi afectată, şi, deci, va avea loc redistribuirea purtătorilor de sarcină liberi.

În semiconductorul de tip – p apar atomi ai impurităţilor fără electroni, adică ioni încărcaţi pozitiv. În semiconductorul de tip – n vor apărea electroni, adică atomii sunt ionizaţi negativ.

În urma acestui fapt, apare un strat local de sarcină spaţială a sarcinilor ne compensate, ceea ce duce la apariţia câmpului electric intern.

Apariţia câmpului electric intern opreşte difuzia purtătorilor de sarcină majoritari şi, la un moment dat, se stabileşte o balanţă dinamică.

unde - intensitatea câmpului electric, - diferenţa barierei de potenţial. Între semiconductorii

tip – n şi tip – p se produce o diferenţă de potenţial .

unde - lucrul de ieşire din regiunea „p” (afinitatea electronilor), - lucrul termodinamic de

ieşire din semiconductor.

Joncţiunea p – n este regiunea de trecere dintre semiconductoarele de tip – n şi tip – p unde se localizează stratul de sarcină spaţială, respectiv, câmpul electric intern.

.

Pentru impurităţile total ionizate obţinem:

.

Grosimea stratului de sarcină spaţială se determină după relaţiile:

,

unde - concentraţia invers proporţională a purtătorilor de sarcină majoritari.

Rezultă:

.

Capacitatea unei unităţi de suprafaţă se numeşte capacitatea de barieră a joncţiunii p – n şi este determinată de relaţia:

.

;

;

.

Curentul de scurgere se micşorează odată cu creşterea concentraţiei purtătorilor de

sarcină majoritari şi , adică odată cu creşterea nivelului de dopare a regiunilor şi şi cu

creşterea timpului de viaţă al purtătorilor de sarcină minoritari şi creşte şi curentul .

Caracteristica volt-amperică (CVA) are forma:

.

În cazul când regiunea „p” este mai puternic dopată ca regiunea „n”, atunci , şi,

prin joncţiunea p – n curge primordial curentul creat de goluri.

HETEROJONCŢIUNI. NOŢIUNI GENERALE.

În decurs de mulţi ani microelectronica se dezvolta bazându-se pe joncţiunile p–n în

materialele cu constant, deci pe baza homojoncţiunilor. Aici, elementul de bază era controlul

cu impurităţile ce trebuiau introduce în cristal în cantităţi din timp preconizate. Structurile semiconductoare se obţineau prin varierea tipului şi concentraţiei impurităţilor dopante.

O nouă fază în tehnologia dispozitivelor semiconductoare este elaborarea şi utilizarea pe larg a heterojoncţiunilor. Heterojoncţiune – contactul a două semiconductoare, diferite după compoziţia chimică, într-un singur monocristal.

În acest contact variază, nu numai structura zonelor energetice, dar şi masa efectivă a purtătorilor de sarcină, mobilitatea lor, limita absorbţiei şi alţi parametri. Posibilitatea varierii acestor parametri permite realizarea unor dispozitive unice cu parametri record.

Heterojoncţiune ideală – heterojoncţiunea fără stări energetice superficiale la graniţa metalurgică.

Heterojoncţiune reală – stările energetice superficiale modifică poziţia nivelului Fermi, dacă concentraţia lor este mai mare ca sarcina sumară a impurităţilor în tratul de sarcină spaţială. Aici înălţimea barierei de potenţial poate fi determinată de concentraţia stărilor energetice superficiale, iar redresarea şi injecţia curentului pot lipsi definitiv.

Cum se aleg materialele care vor forma un heterocuplu?

Parametrii de bază ce se iau în consideraţie la alegerea cuplului sunt:

Constanta reţelei cristaline

;

Coeficientul dilatării termice; şi afinitatea electronică (energia egală cu distanţa de la până la nivelul energetic al

vidului); constanta dielectrică şi coeficientul de refracţie.

Au fost realizate toate cuplurile posibile în sistemele şi , şi selectate următoarele (ca cele mai cu perspectivă): AlSb – GaSb, AlAS – GaAs, AlP – GaP, InP – InAs.

Cel mai important factor ce vorbeşte despre perspectiva cuplurilor alese este faptul că ele formează un şir continuu de soluţii solide în tot domeniul de concentraţii. Şi, deci, se

confecţionează semiconductori cu într-un domeniu larg de valori, având constanta reţelei

cristaline practic neschimbată. Astfel de structuri semiconductoare au o densitate mică de defecte, deci sunt de o înaltă calitate.

Cele mai importante heterostructuri utilizate pentru confecţionarea dispozitivelor optoelectronice sunt: InP – InGaAs, InP – InGaAsP, GaAs – AlGaAs, GaAs – AlGaAsP etc.

CONSTRUCŢIA DIAGRAMEI ENERGETICE

O să studiem diagrama energetică a heterojoncţiunii GaAs – Ge.

Presupunem că proprietăţile acestor semiconductori nu variază în volum până la graniţa metalică a heterojoncţiunii.

, ;

- lucrul de ieşire (extracţie) al electronilor, fiind egal cu energia necesară pentru a transfera

un electron de pe nivelul Fermi pe nivelul energetic al vidului.

- afinitatea electronică, fiind energia necesară pentru transferul electronului de pe pe

nivelul vidului (nu depinde de poziţia nivelului Fermi, de gradul de dopare).

Se vede că energia electronilor pe nivelul este mai mică ca pe . Deci, la contactul

acestor semiconductori nivele Fermi vor coincide şi un număr de electroni din GaAs vor trece în Ge. Aceasta face ca zonele energetice în GaAs să se coboare în jos, iar cele din Ge să se ridice în sus. Numai capetele zonelor energetice rămân nemişcate.

Curbura zonelor o însemnăm prin şi .

Diferenţa dintre nivelele Fermi care a fost lichidată în urma contactului va fi:

. (1)

Însemnăm prin „ ” şi „ ” – grosimea regiunii de sarcină spaţială în semiconductorul „n” şi

„p”. Atunci obţinem:

;

Din ecuaţia lui Poisson:

; ;

;

; .

Aflăm valorile discontinuităţii benzilor energetice în regiunea contactului:

.

În ultima relaţie introducem relaţia (1) şi obţinem:

.

Analogic se poate calcula:

.

De aici rezultă:

.

Acestea sunt expresiile pentru discontinuitatea zonelor energetice pentru orice nivel de dopare al semiconductorului.

Analogic se construieşte diagrama energetică pentru pGaAs – nGe.

Dacă este mare, atunci este limitată injecţia golurilor din „p” în „n”. Atunci curentul

prin joncţiune este format prin recombinarea purtătorilor de sarcină la graniţa metalurgică a joncţiunii.

Discontinuităţile (rupturile) benzilor energetice generează următoarele particularităţi proprii ale heterojoncţiunilor:

1. La polarizarea directă a heterojoncţiunii poate avea loc injecţia unilaterală a purtătorilor de sarcină (din semiconductorul cu bandă energetică interzisă în cel cu banda energetică interzisă îngustă).

2. În heterojoncţiuni este posibilă situaţia când în semiconductorul cu mică concentraţia purtătorilor de sarcină injectaţi este mai mare ca concentraţia purtătorilor de sarcină majoritari în semiconductorul cu largă. Acest efect se numeşte „superinjecţie” şi se foloseşte în structurile laser şi a diodelor luminescente.

3. În cazul când bariera de contact este destul de îngustă ( ) proprietăţile barierei vor depinde de constantele dielectrice ale semiconductorilor şi, deci, de curenţii de întuneric.

4. În heterojoncţiunile ideale, la graniţă, poate apărea reflectarea purtătorilor de sarcină şi variaţia maselor efective ale purtătorilor de sarcină. Aceasta, iarăşi, influenţează curentul prin joncţiune.

La proiectarea dispozitivelor optoelectronice pe bază de heterojoncţiuni este necesar să se ia în consideraţie:

Constantele dielectrice; Coeficienţii de refracţie; Coeficienţii de transparenţă; etc.

De exemplu, în heterolaser, stratul activ (mijlociu) trebuie să aibă coeficientul de refracţie „ ” mai mare ca în regiunile emitorului.

Neajunsul principal: La heterograniţă există o cantitate mărită de defecte, care sunt generate de:

difuzia reciprocă a materialelor ce contactează;

formarea fazelor intermediare dintre materialele ce contactează; defecte ale reţelei cristaline din cauza ; defecte din cauza , ( - raza atomilor).

. FOTODIODE P-I-N

Este cel mai răspândit fotodetector. Conţine 3 straturi semiconductoare. Straturile „p” şi „n”, de regulă, sunt puternic dopate ( ).

Stratul „i” cu grosimea „d” este foarte puţin dopat şi posedă o concentraţie foarte mică de impurităţi donoare ( ).

Structura fotodiodelor p – i –n are structura următoare:

unde: - puterea optică incidentă; - puterea optică reflectată;

- puterea optică absorbită; - grosimea stratului de sarcină spaţială; -

intensitatea câmpului electric fără polarizare inversă şi la polarizarea cu tensiunea respectiv.

Aplicând fotodiodei tensiunea , în stratul „i” se formează o regiune de sarcină spaţială lărgită cu intensitatea câmpului electric . De regulă, tensiunea se alege în aşa mod ca stratul de sarcină spaţială să acopere toată grosimea stratului „i. Deci:

.

Semnalul optic incident se absoarbe de structura semiconductoare conform legii:

Distribuţia puterii optice

absorbite

. (1)

Sunt generaţi purtători de sarcină care sunt separaţi de câmpul electric .

Fotocurentul diodei este compus din curentul de drift (derivă) şi curentul de difuzie:

,

este format de purtătorii de sarcină generaţi în interiorul stratului de sarcină spaţială;

este generat de purtătorii de sarcină din stratul „n” şi „p”. Deoarece, stratul frontal „p” este foarte subţire ( ), sau este transparent pentru semnalul incident, neglijăm purtătorii de sarcină generaţi în el.

Viteza de generare a purtătorilor de sarcină este:

, (2)

- fluxul fotonilor incidenţi pe o unitate de suprafaţă.

, (3)

unde - coeficientul de reflexie, - suprafaţa fotoactivă.

Curentul de derivă se determină după relaţia:

. (4)

Pentru densitatea purtătorilor de sarcină minoritari (goluri) în volumul de tip „n” a semiconductorului se determină din ecuaţia de difuzie:

, (5)

unde - coeficientul de difuzie al golurilor; - timpul de viaţă al purtătorilor de sarcină

minoritari; - concentraţia de echilibru a golurilor în stratul .

Soluţia ecuaţiei (5) pentru condiţiile iniţiale pentru ( ) şi pentru (

) ne permite deducerea relaţiei pentru :

. (6)

Din relaţiile (4) şi (6) determinăm curentul total:

. (7)

În condiţiile normale de funcţionare a fotodiodei p – i – n al doilea termen al relaţiei (7) este mult mai mic ca primul termen. Deci:

. (8)

Eficienţa cuantică a fotodiodei se determină:

. (9)

Deoarece am presupus că absorbţia optică în stratul „p” practic lipseşte, atunci:

. (10)

Concluzii: Pentru a primi eficienţă cuantică înaltă este necesar ca coeficientul de reflexie să fie cât mai mic ( ) şi să se îndeplinească condiţia .

În semiconductorii cu structură directă a zonelor energetice (A3B5) coeficientul de

absorbţie al radiaţiei cu este mai mare ca , deaceea, pentru a asigura absorbţia

completă a semnalului optic în regiunea de sarcină spaţială a joncţiunii p–n, este necesar ca (sau câţiva ).

Practic pentru toate materialele semiconductoare, ce se folosesc pentru confecţionarea fotodiodelor p – i – n, coeficientul de refracţie a radiaţiei la graniţa „aer–semiconductor ” este

, iar coeficientul de reflexie . Deci, coeficientul de reflexie micşorează eficienţa

cuantică până la . Însă, aceste pierderi optice pot fi micşorate utilizând pelicule antireflex.

În calitate de straturi antireflex se folosesc pelicule din Si3N4, Al2O3, SiO2, ZnS, etc, cu

coeficientul de refracţie care îndeplineşte condiţia:

, unde .

Grosimea straturilor antireflex trebuie să fie:

.

Absorbţia optică în exteriorul stratului de sarcină spaţială micşorează eficienţa cuantică a fotodiodei p-i-n, deoarece purtătorii de sarcină trebuie să difundeze spre stratul de sarcină spaţială pentru a fi separaţi. Spre exemplu, în structura prezentată, la iluminarea din partea

stratului „p”, electronii generaţi în stratul „p” nu ajung toţi la stratul de sarcină spaţială (SSS), deoarece recombinează sau în volumul stratului „p” sau la suprafaţa lui.

Aici eficienţa cuantică este determinată de geometria fotodiodei şi de viteza de recombinare superficială şi de volum. Însă, pierderile prin recombinare, la iluminarea din partea startului „p” sunt mici, deoarece viteza de difuzie a electronilor (purtători de sarcină minoritari în stratul „p”) este destul de mare.

La iluminarea structurii din partea stratului „n”, pierderile prin recombinare sunt mult mai mari, deoarece viteza de difuzie a golurilor (purtători de sarcină minoritari) este mult mai mică. În acest caz şi rapiditatea fotodiodei este mult mai mică.

Absorbţia optică în straturile „n” şi „p” poate fi exclusă, confecţionând straturile din

materiale cu mai mari ca energia cuanţilor incidenţi. Aceasta devine posibil utilizând

heterostructurile cu banda energetică a straturilor componente de valorile:

sau .

În acest caz contează numai viteza de recombinare superficială.

Cel mai important parametru al fotodiodei p-i-n este sensibilitatea, care are următoare expresie:

, fiind funcţie de .

Amintim că:

; .

Deci:

.

Dacă se măsoară în , iar - în eV, atunci:

, (11)

În caz ideal când :

. (12)

Diferenţa dintre sensibilitatea spectrală a unui fotoreceptor ideal calculată după relaţia (12) şi a unei fotodiode ideale din Ge:

Cauzele sunt:

Dependenţa . Acest efect se ia în consideraţie prin formula:

;

Dependenţa care rezultă din relaţia (10), ( ). Această dependenţă predomină.

RAPIDITATEA FOTODIODEI P-I-N

Rapiditatea fotodiodei este determinată de constanta de timp a circuitului electric şi de timpul de selectare a purtătorilor de sarcină fotogeneraţi.

Constanta de timp ( ) este egală cu produsul dintre rezistenţa sarcinii fotodiodei

egală cu şi capacitatea fotodiodei . Capacitatea este compusă din capacitatea

joncţiunii p–n şi capacitatea parazită (capacitatea straturilor semiconductoare şi

conductorilor metalici).

Capacitatea joncţiunii p–n este:

; (13)

unde - constanta dielectrică a vidului; - constanta dielectrică a semiconductorului ( );

- aria joncţiunii p–n; - grosimea stratului de sarcină spaţială.

Deci, pentru a micşora capacitatea fotodiodei este necesar:

Micşorarea suprafeţei joncţiunii p–n; Sporirea , prin micşorarea concentraţiei impurităţilor de fond în stratul „i”.

Suprafaţa joncţiunii p–n se realizează prin două metode:

1. formarea joncţiunii meza a fotodiodei;

2. formarea joncţiunii p–n prin difuzie locală, utilizând măşti din SiO2.

Stratul de sarcină spaţială poate fi mărit polarizând invers fotodioda cu o tensiune . În joncţiunea p–n abruptă dependenţa este următoarea:

(14)

unde - tensiunea inversă de polarizare; - potenţialul de contact al joncţiunii.

Pentru fotodioda cu concentraţia purtătorilor de sarcină în statul „i” şi

grosimea stratului de sarcină spaţială este . Joncţiunea p–n cu diametrul

posedă capacitatea de şi constanta de timp pentru egală cu

.

Timpul total necesar pentru selectarea purtătorilor de sarcină fotogeneraţi se determină prin suma timpului de derivă a purtătorilor de sarcină prin şi a timpului de difuzie a purtătorilor de sarcină generaţi în afara .

Viteza de derivă a purtătorilor de sarcină pentru intensitatea câmpului electric egală cu

constituie . În aşa mod, pentru , timpul de derivă este egal

cu .

Pentru electronii ce difuzează din stratul „p” în timpul de difuzie va fi:

, (15)

unde - lungimea de difuzie a electronilor; - coeficientul de difuzie a electronilor care este

proporţional cu mobilitatea lor.

În cazurile tipice pentru timpul de difuzie este . În aşa mod,

pentru a realiza o înaltă rapiditate a fotodiodei este necesar de a micşora considerabil grosimea

stratului „p” sau de a exclude absorbţia semnalului optic în acest strat. Aceasta se realizează

utilizând heterostructurile semiconductoare cu stratul frontal având .

În acest caz, însă, poate exista absorbţia în stratul „n”, iar golurile au o viteză de difuzi mult mai mică ca electronii, ceea ce micşorează rapiditatea fotodiodei. Pentru a exclude

absorbţia şi în stratul „n”, el este confecţionat cu .

În acest caz:

, şi .

CURENTUL DE ÎNTUNERIC

Curenţii de zgomot generaţi de fotodioda p-i-n se exprimă prin relaţia:

, (16)

- intervalul de transparenţă al frecvenţelor ( ). Aceasta este şi relaţia pentru zgomotele de alice a curentului fotodiodei.

Pentru a minimaliza nivelul zgomotelor este necesar ca curentul de întuneric ,

care este compus din componentele de volum şi de suprafaţă, să fie mult mai mic ca fotocurentul

.

În fotodiode este determinat de defectele în domeniul joncţiunii p–n şi de

scurgerile de curent pe suprafaţa fotodiodei. Deci, curentul de întuneric sumar se compune din:

Curentul de întuneric generat în stratul de sarcină spaţială de procesele de generare-recombinare ( );

Curentul de întuneric cauzat de difuzia purtătorilor de sarcină minoritari din domeniile cuazineutre ( ).

, (17)

- concentraţia purtătorilor de sarcină proprii:

, (18)

- concentraţia purtătorilor de sarcină proprii la .

Deci, pentru ca să fie cât mai mic este necesar:

Materialul semiconductor să fie fără defecte de structură ( cât mai mare), unde - timpul de viaţă al purtătorilor de sarcină;

Aria joncţiunii să fie cât mai mică; cât mai mic posibil, însă, destul de mare pentru a asigura absorbţia totală a semnalului

optic în interiorul stratului de sarcină spaţială; temperatura de lucru cât mai mică; banda energetică interzisă ( ) să fie cât mai mare.

Curentul de întuneric de difuzie are expresia:

, (19)

unde - curentul de difuzie de saturaţie care constă din două componente, pentru electroni

şi goluri:

, (20)

- coeficienţii de difuzie a electronilor şi golurilor; - timpul de viaţă al electronilor

şi golurilor.

Pentru compuşii :

şi - suprafeţele straturilor „p” şi „n” ce contactează cu stratul de sarcină spaţială; şi

- concentraţia impurităţilor acceptore şi donore.

Deoarece componenta curentului de întuneric este proporţională cu (cauzată de

difuzie), iar componenta cauzată de procesele de generare-recombinare este proporţională cu ,

este considerabil în semiconductorii cu bandă energetică mică şi la temperaturi înalte.

La intensităţi mari ale câmpului electric în curentul de întuneric se determină de procesele de tunelare şi de multiplicare prin avalanşă a purtătorilor de sarcină. Această componentă a curentului de întuneric este determinată pentru fotodioda cu avalanşă.

La proiectarea fotodiodei cu avalanşă este necesar de minimizat această componentă a

curentului de întuneric. Ea depinde de: a materialului, tensiunea de poalrizare, nivelul de

dopare al regiunilor „p” şi „n” şi de temperatură (deoarece ).

NOŢIUNI NEP, D, D*

Fotodioda se elaborează pentru a recepţiona semnalele optice de mică intensitate, care generează fotocurenţi mici, şi pentru aceasta, fotodioda trebuie să posede curenţi de întuneric foarte mici.

Fotodioda se caracterizează prin trei parametri importanţi:

1. NEP – puterea echivalentă a zgomotelor;2. D – detectivitatea;3. D* - detectivitatea specifică.

; .

Puterea echivalentă zgomotelor se determină ca puterea optică (pentru o anumită sau ) necesară pentru formarea unui fotocurent egal cu pătratul

mediu al curentului de zgomot în intervalul frecvenţelor .

Determinăm valoarea NEP pentru o anumită lungime de undă. Reamintim:

;

(21)

;

Deoarece am spus că , atunci când :

< (22)

Introducem relaţia (22) în relaţia (21), pentru :

. (23)

Pentru primim expresia pentru NEP a fotodiodei reale:

. (24)

Pentru fotodiodele reale, în condiţii când primim:

,

iar pentru :

. (25)

Detectivitatea fotodiodei este:

. (26)

Pentru radiaţia monocromatică:

.

Detectivitatea specifică este:

; (27)

unde - suprafaţa fotodiodei.

Are loc atunci când prevalează radiaţia de fond şi generarea termică a purtătorilor de

sarcină.

FOTODIODE CU BARIERĂ SCHOTTKY

Fotodiodele cu barieră Schottky posedă o eficienţă înaltă şi o tehnologie simplă. Structura este următoarea:

posedă Ǻ, posedă Ǻ, . Se utilizează semicondctorii Si, GaAs, GaP.

Fotodioda Schottky funcţionează în diferite regimuri în dependenţă de energia fotonilor incidenţi.

a) ;

unde - înălţimea barierei de contact; - tensiunea aplicată; - tensiunea de străpungere

prin avalanşă.

b) , .

c) , .

Cazul a): ; .

Absorbţia semnalului optic are loc în metalul superficial (Au). Electronii fotogeneraţi au

o energie mai mare ca şi depăşesc bariera de potenţial, trecând în semiconductor.

Acest efect este folosit pentru determinarea înălţimii barierei de potenţial Schottky.

Cazul b): , .

Absorbţia optică are loc în semiconductor unde are loc şi generarea purtătorilor de sarcină. În acest caz caracteristicile fotodiodei sunt asemănătoare cu caracteristicile fotodiodei p-i-n.

Cazul c): , .

Fotodioda cu barieră Schottky lucrează ca o fotodiodă cu multiplicare prin avalanşă.

Fotodiodele Schottky sunt efective în domeniile spectrale vizibil şi UV. Pentru aceste radiaţii coeficientul de absorbţie în semiconductorii tradiţionali este foarte înalt şi constituie

, şi lungimea de absorbţie este . De aceea, efectiv lucrează anume bariera de potenţial superficială şi nu joncţiunea p–n (ce se formează în volum).

Este important ca grosimea peliculei de Au să nu admită absorbţie în ea, deci să fie transparentă pentru semnalul optic incident.

În figura de mai jos sunt fixate dependenţele coeficienţilor de transparenţă, de reflexie şi pierderile optice în pelicula de Au în dependenţă de grosimea ei.

Eficienţa cuantică externă teoretic posibilă pentru , .

Distribuţia spectrală a şi pentru structura (n)Si –Au

SENZORI DE RADIAŢIE UV

Senzorii de radiaţie ultravioletă (UV) se utilizează în diferite domenii ale ştiinţei, tehnicii, medicinii, agriculturii pentru determinarea intensităţii şi dozei radiaţiei UV din spectrul solar sau al altor surse de radiaţie. Aceasta este foarte important, deoarece radiaţia UV are şi efecte curative (omoară bacteriile, sub acţiunea ei se formează vitamina „D”), şi nocive (distruge ţesuturile vii). Domeniul spectral al radiaţiei UV este .

Pentru confecţionarea senzorilor de radiaţie UV se utilizează cei mai diverşi semiconductori, însă, cei mai eficienţi sunt semiconductorii cu bandă energetică interzisă

( ). În special compuşii: (GaAs, GaP, AlGaAs); (SiC –

carbura de siliciu, GaN – nitrura de galiu, C – diamantul).

Pentru a realiza un senzor de radiaţie UV eficient este necesar de a îndeplini următoarele condiţii:

Eficienţă înaltă de separare a purtătorilor de sarcină generaţi de radiaţia UV; Deoarece radiaţia UV în compuşii este absorbită la suprafaţă ( ) este

necesar de a forma o barieră de potenţial superficială, deci de a confecţiona senzorul pe baza structurilor Schottky sau MOS;

Sensibilitate minimă sau nulă pentru domeniul vizibil şi infraroşu.

Cu toate, că Si posedă el este utilizat pentru costul său ieftin şi are o

tehnologie bine pusă la punct. În calitate de barieră de potenţial se utilizează joncţiunea p–n superficială (cu grosimea stratului frontal ).

Structura senzorului de radiaţie UV pe bază de Si

Distribuţia sensibilităţii spectrale absolute

Deoarece coeficientul de difuzie al electronilor este mai mare ca cel al golurilor (la fel ca şi lungimea de difuzie), în regiunea spectrală vizibilă şi IR (aproape de pragul roşu) sensibilitatea

structurii este mai mică. Aceasta se explică prin faptul că , şi, deci,

absorbţia radiaţiei vizibile are loc în volumul structurii.

Pentru a mări eficienţa de conversie a radiaţiei UV a senzorilor din Si se formează structuri cu joncţiune p–n profilată.

;

unde - stratul de sarcină spaţială, - distanţa dintre regiunile , - lungimea de difuzie a

golurilor.

Concluzie: Si nu este cel mai optimal material pentru confecţionarea senzorilor de UV.

SENZOR CU STRUCTURĂ GaP – SnO2

Diagramele energetice:

SENZORI DE UV CU BARIERĂ SUPERFICIALĂ DUBLĂ

Structura: GaAs – AlGaAs – SnO2

unde - grosimea stratului de sarcină spaţială, iar - grosimea stratului din AlGaAs.

1 -

2 -

3 -

4 -

SENZORI DIFERENŢIALI DE RADIAŢIE UV

Structura:

BETERII SOLARE. CELULE SOLARE

Actual, bateriile solare sunt unul din cele mai importante surse de energie pentru sateliţi. Utilizarea pe pământ este legată cu utilizarea intensă a resurselor de energie tradiţionale şi cu utilizarea ecologică a lor. Bateriile solare au un viitor impunător, deoarece Soarele este o sursă de energie cu un potenţial major.

Prima celulă solară a fost creată de Chapen, Fuller şi Pearson în anul 1954 pe baza joncţiunii p–n pe Si.

Radiaţia solară este rezultatul unei reacţii termoatomice. În fiecare secundă, aproximativ

de sunt transformate în . De facto, masa constituie .

Conform relaţiei lui Einstein se degajă o energie de . Partea majoritară a acestei energii este degajată sub forma radiaţiei electromagnetice în diapazonul de la ultraviolet până la infraroşu ( ).

Masa totală a Soarelui constituie . Aceasta va asigura o vieţuire stabilă cu

emiterea continuă a energiei mai mult de 10 miliarde de ani ( ).

Intensitatea radiaţiei solare în spaţiu este de pe distanţa Soare-Pământ se numeşte constanta solară şi este egală cu .

În atmosferă, radiaţia infraroşu este absorbită de vaporii de apă, iar ultraviolet – de către ozon. O parte a radiaţiei se reflectă de la atmosferă, o altă parte este disipată pe particulele de praf şi aerosol.

Indicele influenţei atmosferei asupra intensităţii radiaţiei solare este determinat de masa atmosferică (AM).

, unde - unghiul dintre Soare şi zenit;

; - soarele este în zenit; ;

.

Pentru celula solară, energia caracteristică este energia . Dacă - lumina nu

influenţează la puterea de ieşire. Fiecare foton cu aduce un aport la puterea de ieşire, egal

cu . Cealaltă doză de energie este transformată în căldură.

Determinăm eficacitatea de transformare.

Caracteristica volt-amper a celulei solare este determinată de relaţia:

,

unde - curentul de scurgere al diodei.

.

La selectarea rezistenţei de sarcină puterea de ieşire poate ajunge până la 80% .

De regulă:

;

.

Respectiv, în cazul fotocurentului dat, tensiunea mersului în gol creşte logaritmic la

micşorarea curentului .

Puterea de ieşire este:

.

Condiţia pentru puterea maximă o vom obţine considerând:

.

Eficienţa cuantică a celulei solare este:

.

Dependenţa eficienţei cuantice a celulei solare de al semiconductorului:

- radiaţia solară directă, - cu concentrator.

Eficienţa cuantică poate maximum să constituie 31% în cazul . Deci, este

necesar de utilizat compuşii .

SENSIBILITATEA SPECTRALĂ

Joncţiunea p–n confecţionată prin metoda difuziei.

Sensibilitatea spectrală – este numărul de electroni colectaţi, care revin unui foton incident cu lungimea de undă dată .

Viteza de generare a perechilor electron-gol pe distanţa de la suprafaţa semiconductorului va fi:

,

unde - coeficientul de absorbţie; - densitatea fluxului de fotoni incidenţi într-o unitate de

interval spectral; - fotonii ce se reflectă de la suprafaţă.

Densitatea curentului pentru electroni şi goluri este:

unde şi - curenţii colectaţi de la suprafaţă şi din stratul „n”.

,

unde - este curentul de derivă.

Fotocurentul total este determinat de expresia:

.

Sensibilitatea spectrală este egală cu această sumă raportată la valoarea , dacă merge vorba de sensibilitatea spectrală reală (externă), sau la valoarea , dacă merge vorba de sensibilitatea spectrală internă.

.

Sensibilitatea spectrală internă calculată a celulei solare din Si cu baza de tip-p, şi pentru diferite viteze de recombinare superficială.

Influenţa rezistenţelor şi

- micşorează puterea de ieşire mai mult de 30%; - nu influenţează asupra

caracteristicii volt-amperice (CVA). Deaceea, influenţa rezistenţei de şunt poate fi exclusă. Atunci, curentul în circuitul extern şi puterea de ieşire sunt determinaţi de relaţia:

,

.

Rezistenţa serie a celulei solare depinde de:

Adâncimea joncţiunii p–n; Concentraţia impurităţilor în regiunile „p” şi „n”; Conctrucţia contactului ohmic de la suprafaţă.

Celulele solare pe bază de Si trebuie să posede:

pentru elementele cu baza de tip–p; pentru elementele cu baza de tip–n.

Alţi parametri:

1. Fill Factor ;

2. .

Diagrama energetică a celulei solare cu barieră în partea din spate.

Element cu textură piramidală

EMIŢĂTOARE DE LUMINĂ

Categoriile surselor de radiaţie. Caracteristicile de bază.

Sursele de radiaţie pot fi de două categorii:

- surse termice;- surse luminescente.

Radiaţia termică este generată de corpurile încălzite. Intensitatea radiaţiei termice şi distribuţia spectrală se determină după relaţia lui Planc, conform căreia:

1. energia totală a radiaţiei emise de un corp în timp de 1s este ;2. - lungimea de undă în maximumul spectrului de emisie, unde -

constantă, iar .De regulă, sursele termice emit în domeniul infraroşu şi puţin în vizibil.

În optoelectronică se utilizează sursele luminescente (sau efectul luminescenţei reci). Aici energia necesară pentru apariţia luminescenţei poate fi transmisă corpului prin orice metodă, în afară de metoda termică.

Luminescenţa posedă următoarele forme:

fotoluminescenţă; bioluminescenţă; catodoluminescenţă; electroluminescenţă; etc.

Luminescenţa are loc la temperatura camerei sau la temperaturi mai joase. Aici, radiaţia termică, practic, lipseşte şi toată radiaţia este cauzată de procesul de luminescenţă.

Definirea lui Vavilov: „Luminescenţa este radiaţia ne termină la temperaturi relativ joase, care are loc sub acţiunea factorilor externi şi după încetarea excitării externe, într-un timp mai

mare ca perioada undei de lumină ”.

Luminescenţa are loc pe baza recombinării electronilor cu cedarea energiei sub formă de fotoni.

Practic toate tranziţiile inverse ale electronilor în corpul solid (după cer electronul a căpătat o energie din exterior) pot fi urmate de emiterea cuanţilor de lumină.

Tranziţiile de bază în semiconductor:

1 – tranziţii „zonă – zonă” („bandă – bandă”);

2 – „zonă – zonă” cu participarea purtătorilor de sarcină fierbinţi;

3 – tranziţii „bandă – nivel acceptor”;

4 – tranziţii „nivel donor – banda de valenţă”;

5 – tranziţii „nivel donor – nivel acceptor”;

6 – tranziţii prin intermediul centrelor adânci;

7 – tranziţie interzonă (cu purtători fierbinţi).

Utilizând semiconductori cu diferite valori ale şi cu diferite impurităţi se poate de

obţinut radiaţie în tot spectrul vizibil şi infraroşu.

Însă, nu toate tranziţiile inverse sunt însoţite de emiterea cunaţilor de lumină. Se consideră material de perspectivă pentru confecţionarea surselor de lumină, materialul (semiconductorul) în care tranziţiile cu emiterea fotonilor prevalează asupra tranziţiilor ne iradiante.

- Impurităţile şi defectele ce participă la emiterea fotonilor se numesc centre de iradiere.- Impurităţile şi defectele ce participă la recombinarea purtătorilor de sarcină fără generarea

fotonilor, se numesc centre de stingere.

Raportul dintre numărul tranziţiilor iradiante (numărul fotonilor emişi) şi numărul

electronilor ce au recombinat prin tranziţii se numeşte eficienţă cuantică internă .

Deoarece nu toţi fotonii generaţi pot ieşi din material (fenomene de reflexie internă, de

reabsorbţie, etc) este introdus parametrul eficienţă cuantică externă ce caracterizează

emiţătorul real.

,

- coeficient ce reflectă procesele de reabsorbţie şi reflexie în cristal (pierderile optice interne).

Randamentul emiţătorului este:

,

unde - energia electronului; - energia fotonului emis; - tensiunea aplicată;

sau

,

unde - fluxul de radiaţie emis; - puterea consumată de dispozitiv; - densitatea

spectrală a fluxului emis; , - lungimile de undă limită (maximă şi minimă) ale spectrului

emis.

Dacă în dispozitiv au loc tranziţii iradiante de mai multe categorii şi procesul de iradiere are loc spontan (o tranziţie radiantă nu influenţează altă tranziţie), atunci frecvenţa , faza , vectorul de polarizare al fotonilor emişi vor fi feluriţi. Astfel de radiaţie se numeşte ne coerentă.

În cazul când o tranziţie stimulează altă tranziţie, iar parametrii fotonilor emişi sunt aceeaşi atunci radiaţia emisă se numeşte coerentă.

În optoelectronică se utilizează şi surse de lumină coerentă - laseri, şi surse ne coerente – diode luminescente.

DIODE LUMINESCENTE PE BAZA JONCŢIUNII p–n

Dioda luminescentă este cea mai utilizată sursă de radiaţie în optoelectronica modernă.

Dioda luminescentă – este o joncţiune p–n polarizată direct, încare electronii şi golurile recombinează iradiant (cu emiterea fotonilor) în regiunea de sarcină spaţială şi la o distanţă de la

regiunea de sarcină spaţială egală cu lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină ( , ).

Polarizarea directă micşorează bariera de potenţial şi înlesneşte injecţia purtătorilor de sarcină dintr-un domeniu în altul.

Expresia matematică a caracteristicii volt-amperice (CVA) este:

.

Fluxul de lumină iradiat, adică numărul fotonilor iradiaţi în 1s este:

.

Aici eficienţa cuantică internă este:

,

unde - coeficientul injecţiei (partea electronilor ce nimeresc în regiunea „p”); - partea tranziţiilor iradiante.

Dependenţa grafică a este:

La valori mici ale curentului de injecţie, prevalează recombinaţia în stratul de sarcină spaţială, unde probabilitatea tranziţiilor iradiante este mai mică. Pentru densităţi mari ale

curentului scade din cauza încălzirii diodei luminescente.

Eficienţa cuantică externă tot timpul este mai mică ca eficienţa cuantică internă,

din cauza pierderilor luminii la ieşirea ei din diodă. Cauzele sunt:

Reflexia internă totală; Reabsorbţia fotonilor generaţi.

Din structură vor ieşi fotonii ce se propagă într-un unghi spaţial mai mic decât unghiul reflexiei interne totale ( ).

Pierderile provocate de reflexia internă se determină de coeficientul de reflexie:

,

unde - indicele de refracţie al aerului; - indicele de refracţie al semiconductorului.

Iar este unghiul conului spaţial.

Pentru GaAs , iar pentru GaP . Suprafaţa de ieşire a este la pătrat cu dimensiunea

, unde - grosimea ghidului de undă.

Pentru a îmbunătăţi condiţiile de ieşire ale luminii din semiconductor se formează suprafeţe sferice, cu o anumită curbură.

Cea mai mare eficienţă cuantică o au diodele luminescente din GaAs:

, . Pentru suprafeţe sferice ,

timpul de reacţie fiind .

O problemă este confecţionarea diodelor luminescente în albastru. Ele se confecţionează din GaP:N, însă, posedă o eficienţă cuantică foarte mică şi au o tehnologie complicată de fabricare.

O altă soluţionare a problemei este utilizarea traductorilor „antistocks”.

Dioda din GaAs ce emite în infraroşu se acoperă cu o peliculă din material „antistocks”. Spre deosebire de materialele obişnuite care emit fotoni cu energie mai mică decât energia

fotonilor absorbiţi pentru excitarea lor, materialele antictocks emit fotoni cu .

Este evident, că pentru a păstra legea conservării energiei este necesar să fie absorbiţi doi sau mai mulţi fotoni cu energie mică pentru a emite un foton cu energie mai mare, deci 2 fotoni infraroşii pentru a emite 1 foton albastru.

În calitate de luminofori antistocks pot servi:

Compuşii F (fluor); Oxisulfid de lantan activat cu iterbiu sau cu erbiu ( ).

Randamentul diodelor cu material antistocks este de . Însă, şi diodele din GaP:N, care emit în verde, la fel, posedă randamentul de .

Rapiditatea diodelor cu material antistocks este scăzută din cauza proceselor de absorbţie şi reemisie a luminii.

Eficienţa cuantică poate fi mărită utilizând heterostructuri.

La polarizarea directă, aici, are loc injecţia unilaterală a electronilor din semiconductorul cu bandă largă în cel cu bandă îngustă, deoarece bariera de potenţial pentru goluri este prea mare. Aici, coeficientul injecţiei este mult mai mare, şi, deci, creşte brusc eficienţa cuantică

internă. Fotonii emişi în semiconductorul cu bandă îngustă cu pot fi scoşi din structură

prin semiconductorul cu fără pierderi suplimentare la absorbţie.

Dacă , atunci semiconductorul cu este absolut transparent pentru .

Diodele luminescente în vizibil se folosesc ca: indicatoare, în display, în optocupluri. Se utilizează lentile speciale pentru a îmbunătăţi diagrama directivităţii.

După cum am spus, eficienţa cuantică internă este raportul numărului purtătorilor de sarcină ce recombinează cu emisie de fotoni la numărul total de purtători de sarcină de exces.

Acest parametru mai poate fi exprimat ca raportul vitezei de recombinare a purtătorilor de sarcină care generează fotoni către viteza de recombinare a tuturor purtătorilor de sarcină.

,

unde

- pentru semiconductor de tip–n;

- pentru semiconductorul de tip–p.

,

unde - timpul de viaţă mediu al purtătorilor de sarcină; - timpul de viaţă al purtătorilor

de sarcină ce generează fotoni; - timpul de viaţă al purtătorilor de sarcină ce

recombinează fără emisie de fotoni.

.

Raportul lor este:

.

Deoarece atunci:

.

Frecvenţa limită (maximă) cu care poate fi modulată emisia radiaţiei de către o diodă luminescentă este:

, unde .

Dacă atunci şi

.

Diodele luminescente din GaAs posedă:

; fiabilitatea - ; puterea de emisie – până la ; curentul de injecţie - ; ; unghiul diagramei directivităţii .

Diodele luminescente din InGaAsP posedă:

; fiabilitatea - ; ceilalţi parametri sunt la fel ca cei pentru diodele luminescente din GaAs.

SURSE DE LUMINĂ COERENTĂ

Tranziţie cuantică se numeşte trecerea bruscă a unui sistem cuantic (electron) de pe un nivel energetic pe altul cu emisia sau absorbţia unui cuant de lumină:

.

Tranziţiile cu emisie de fotoni pot fi spontane sau stimulate.

Pentru tranziţiile spontane, timpul de tranziţie a electronilor de pe un nivel pe altul nu coincide, deoarece are loc superpoziţia radiaţiei. Cu late cuvinte, lumina emisă integrală nu posedă aceeaşi amplitudine şi fază. Ca rezultat apare neomogenitate şi la frecvenţă.

Frecvenţa cuanţilor de lumină se schimbă şi dacă apar fluctuaţii ale .

Intensitatea câmpului electric a luminii emise se schimbă cu timpul după relaţia:

,

unde - variaţia amplitudinii (zgomotul modulării amplitudinii); - variaţia frecvenţei (zgomotul modulării frecvenţei).

Valoarea lărgimii spectrului frecvenţei caracterizează monocromatismul sursei de lumină. Radiaţia spontană nu este monocromatică. Ea este numită lumină necoerentă. Radiaţia necoerentă posedă o diagramă largă a directivităţii.

Dacă avem un sistem cuantic cu purtători de sarcină de neechilibru şi ea este luminată cu

un flux de lumină cu , atunci la recombinarea purtătorilor de sarcină are loc emisia

fotonilor cu aceeaşi energie, frecvenţă şi fază ca şi a fotonilor incidenţi, iar lumina emisă se numeşte coerentă. Acest efect are loc în laseri.

Să examinăm sistemul cu două nivele energetice şi . Cantitatea purtătorilor de

sarcină pe ambele nivele le notăm cu şi . Numărul tranziţiilor spontane în timpul

este:

,

unde - este probabilitatea tranziţiei într-o unitate de timp; semnul „-” înseamnă că

pe nivelul numărul purtătorilor de sarcină se micşorează.

Integrăm:

; ,

dacă - timpul mediu de viaţă a purtătorilor de sarcină pe nivelul .

caracterizează timpul în care numărul iniţial de purtători de sarcină se micşorează de ori. Acesta este şi timpul de relaxare a purtătorilor de sarcină.

.

Aici . Dacă atunci nivelul energetic se numeşte metastabil.

Într-un sistem izolat la distribuţia de populaţie pe ambele nivele va fi în echilibru. Dacă are loc o tranziţie cu emisie de un foton, atunci fotonul este absorbit de un electron ce ocupă un nivel superior.

GENERATOARE CUANTICE – LASERI

Avem un mediu cu grosimea . Pe el cade un flux de lumină cu intensitatea .

1. Dacă atunci avem un mediu obişnuit (energia este absorbită): ;

2. Dacă atunci avem un mediu activ (lumina este generată): . Astfel de mediu se numeşte mediu cu populaţie inversată a purtătorilor de sarcină;

3. Dacă atunci avem un mediu transparent.

Analizăm cazul 2 ( ):

; ;

Dacă şi sunt fixate absolut, atunci şi radiaţia este absolut monocromatică.

În realitate nivelele energetice şi nu sunt fixate absolut, şi depind de temperatură.

Deaceea şi

.

Deci şi , şi avem un interval de frecvenţe ale fotonilor emişi .

Din teoria oscilaţiilor se cunoaşte, că:

,

unde - timpul de emisie a semnalului; - banda frecvenţelor.

Dar: , şi, deci, - relaţia lui Heizemberg.

De aici reiese, că instabilitatea nivelelor energetice generează nedeterminalitatea timpului de emisie (de tranziţie a purtătorilor de sarcină).

Pentru radiaţia monocromatică . Aceasta are loc numai când . Atunci .

Cu alte cuvinte, timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină pe nivelul este infinit.

Aceasta nu este posibil, deci . Şi, deci, orice radiaţie nu este absolut monocromatică.

este determinat de timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină pe nivelul superior.

După forma stratului activ (mediului activ) generatoarele cuantice se divizează în 4 tipuri:

Cu gaze; Pe corp solid; Cu lichide; Pe semiconductori.

1. În toate laserele elementul principal este formarea stării de populaţie inversată. Pentru formarea stării cu populaţie inversată sunt utilizate mai multe metode de pompare a structurii laser.

Cea mai răspândită metodă este metoda pompajului optic (utilizarea unui câmp electromagnetic suplimentar, cu frecvenţa ce coincide cu frecvenţa tranziţiilor electronice).

Metoda injecţiei purtătorilor de sarcină (polarizarea directă a joncţiunii p–n)

2. Formarea stării de rezonanţă optică. Cu alte cuvinte, asigurarea condiţiilor pentru propagarea multiplă a luminii prin structură, ceea ce provoacă recombinarea stimulată.

REZONATOR OPTIC

Rezonator al undelor electromagnetice se numeşte sistemul optic, format din două plane reflectoare (oglinzi), pe pereţii cărora unda electromagnetică, ce se propagă în interiorul acestui sistem, posedă componenta vectorului câmpului electric egală cu zero. În cazul a două oglinzi plane, rezonatorul se numeşte rezonator Fabri – Perot.

Numărul de intersecţii a vectorului câmpului electric cu axa , , , determină

ordinul modei (a undei cu lungimea de undă stabilă).

Dacă atunci moda este de ordinul zero, iar în caz dacă atunci moda

este de ordinul 1 pe axele x şi z.

În dependenţă de ordinul modei undei electromagnetice, intensitatea radiaţiei optice în secţiune se repartizează în felul următor:

x

LxNx=1

Nx=3Nx=0

x

zy

Lx

Ly

Lz

Să presupunem că în laser pereţii perpendiculari cu axa z sunt formaţi cu proprietăţi de oglindă semitransparentă. Pereţii semitransparenţi formează aşa-numitul rezonator Fabri – Perot.

În astfel de rezonatoare, condiţii stabile există numai pentru radiaţia cu lungimea de undă

cu frecvenţa . Aceasta reiese din relaţiile undelor staţionare:

; .

unde n – coeficientul de refracţie a mediului de propagare a luminii; - lungimea şi

frecvenţa undei staţionare în rezonator.

Câmpul electric ce reprezintă moda de ordinul are forma:

Frecvenţele modelor longitudinale sunt aranjate pe axa frecvenţelor cu intervalul:

.

Lărgimea spectrului la fiecare frecvenţă depinde de pierderile optice în rezonator,

adică de absorbţie, disiparea luminii, de coeficientul de reflexie a luminii de la oglinzi.

Suma tuturor pierderilor este:

,

x

y

(1,1)(0,1)(1,0)(Nx, Ny)=(0,0)

E

x

Undă staţionară de ordinul

Nx

zc

1

ZNZN

1

ZN... ...

unde: - pierderile la absorbţie; - pierderile cauzate de transparenţa oglinzilor

rezonatorului.

Lărgimea spectrului se exprimă astfel:

,

unde Q este factorul de calitate, exprimat prin relaţia:

.

Factorul de calitate determină calitatea rezonatorului şi caracterizează pierderile lui.

LASERI PE BAZĂ DE CORP SOLID

- În calitate de element activ se folosesc substanţa cristaline sau amorfe;- Primele lasere au fost confecţionate pe baza rubinului sintetic;- Un progres mare a fost apariţia laserelor din sticlă cu neodim (simplu şi ieftin).

Aici generarea luminii are loc datorită folosirii tranziţiilor electronice dintre nivelele energetice ale atomilor (ionilor) elementelor „pământuri rare” şi metalelor, introduşi în cristale sub formă de impurităţi în materialul activ. Factorul excitant, care formează starea de populaţie inversată este un flux puternic de lumină. Elementele active sunt: rubin ( ), sticlă cu neodim ( ), aluminiu-itriu-granat ( ). Elementele pentru pompaj optic (elementele excitante) sunt folosite becurile optice cu impuls sau continue, cu un spectru de emisie ce acoperă spectrul de absorbţie al elementului activ.

Pentru a primi putere mare în impuls scurt cu o mică frecvenţă se folosesc lasere din sticlă cu neodim. Aici frecvenţa impulsurilor este mică (milisecunde) din cauza conductibilităţii termice mici a sticlei. O frecvenţă mai mare şi o putere medie mai mare poate fi obţinută utilizând rubinul, care are o conductibilitate termică foarte bună. Dacă este necesară o mică putere de consum, frecvenţe foarte înalte şi gabarite mici atunci se utilizează granat cu Al şi Y. Aici obţinem o eficienţă de conversie mult mai mare.

1. Element activ: ; + neodim; sticlă + neodim.2. Lampa de pompaj: Lămpi cu . Spectrul de emisie al lămpilor cu este mult mai

larg. Se foloseşte numai 30% din spectru. Cealaltă energie încălzeşte fără folos laserul.3. Reflector: Pentru focusarea luminii lămpii de pompaj. Se folosesc suprafeţe plane sau

curbe acoperite cu Ag, Au. Se mai folosesc pelicule interferenţiale ce reflectă selectiv numai lumina absorbită de elementul activ.

4. Rezonator: Plane sau sferice cu o rază de curbură mare.5. Blocul de alimentare al lămpii de pompaj.6,7 Sistemă de răcire: Pe bază de apă ( ) sau alt agent cu o capacitate termică înaltă.

8. Element de reglare.

CARACTERISTICILE DE BAZĂ

Puterea de emisie; Ordinul coerenţei luminii emise; Directivitatea;

Coeficientul de calitate.

,

unde - energia acumulată în rezonator; - energia pierdută într-o unitate de timp;

- frecvenţa oscilaţiilor în rezonator.

,

unde - lungimea rezonatorului, iar

- pierderile la reflexie.

REGIMURILE DE LUCRU ALE LASERILOR PE CORP SOLID

Depind de metoda de pompaj şi de metoda de reglare cu pierderile în rezonator.

Utilizând metoda de impulsuri pentru pompajul optic, laserul generează în regim liber, în regim cu modularea calităţii şi în regim de sincronizare a modelor.

1. Regimul liber de generare:Aici impulsurile de lumină coerent se încep în momentul depăşirii pragului de generare şi

durează tot timpul impulsului de pompaj cât nivelul de pompaj este mai mare ca cel de generare.

. Impulsul de lumină generat posedă un front lung de creştere şi o formă complicată a impulsului. Se utilizează atunci când avem nevoie de mari puteri optice.

2. Regim de modulare a calităţii:

Se utilizează pentru a primi impulsuri de lumină cu o durată mică – ( ) şi cu un

front abrupt. Acest regim este asigurat introducând între oglinda rezonatorului ( ) şi

elementul activ un opturator optic, care în intervalul de timp „începutul impulsului de excitare (de pompaj) – momentul realizării stării de inversie maxime” introduce în rezonator mari pierderi optice. Deci, aici are loc modularea coeficientului de transparenţă al rezonatorului.

În dependenţă de metoda de dirijare cu coeficientul de transparenţă (pierderile optice) în rezonator există câteva tipuri de comutatoare a calităţii rezonatorului:

Comutator de calitate opto-mecanic (CCOM); Comutatoare de calitate pasive sau fototrope (CCP) – cere îşi schimbă

transparenţa sub acţiunea luminii; Comutatoare de calitate electro-optice (CCEO); Comutatoare de calitate acusto-optice.

PRINCIPIILE DE FUNCŢIONARE A COMUTATOARELOR DE CALITATE

Comutatoarele de calitate trebuie să fie absolut transparente în stare deschisă şi să introducă pierderi maxime în rezonator în stare închisă.

Parametrii comutatoarelor de calitate:

% de pierderi în stare deschisă; % de pierderi în stare închisă; timpul de comutare.

Comutatoare de calitate optico-mecanice(CCOM):

1 – prismă cu reflexie internă totală. Se roteşte cu o viteză de turaţii pe minută. Frecvenţa de lucru ; 2 – element activ; 3 – oglindă semitransparentă.

Comutatoare de calitate pasive sau fototrope (CCP):

1 – element activ; 2 – coloranţi organici. Efectul se bazează pe schimbarea bruscă a coeficientului de transparenţă după absorbirea unei cantităţi de energie optică.

Comutatoare de calitate electro-optice (CCEO):

1 – element Pockels (electro-optic); 2 – analizator.

În dependenţă de tensiunea aplicată elementului Pockels se schimbă vectorul de polarizare al undei de lumină. Când vectorii de polarizarea ai elementului Pockels şi al

analizatorului coincid, coeficientul de transparenţă al rezonatorului se schimbă brusc, deci, creşte brusc coeficientul de calitate al rezonatorului.

Comutatoare de calitate acusto-optice (CCAO):

Utilizat pentru frecvenţe mai mari ca .

Aici se utilizează un element acusto-optic. Lumina ce cade sub unghiul Brag faţă de reţeaua de difracţie formată de ultrasunet se abate sub un unghi dublu, dacă se îndeplineşte condiţia:

,

unde - lungimea cristalului; - lungimea de undă a undei ultrasunet.

Regimul de sincronizare a modelor: se foloseşte un piezoelement pe oglinda ,

deci se schimbă lungimea rezonatorului .

LASERI PE GAZE. CONSTRUCŢIA ŞI PARAMETRII

- Emite lumină de culoare roşie ;- Lungimea rezonatorului ;- Tubul subţire are lungimea şi diametrul ;

- Tensiunea parţială a gazului ;- Tensiunea electrică aplicată ;- Curentul ce apare în tub ;- Dimensiuni mici, zgomot mic; utilizat în telemetrie.

Deoarece nivelele energetice superioare sunt îndepărtate mult de la cel de bază, inversia de populaţie apare între nivele superioare. Generarea luminii are loc cu sau

.

La sfârşitul tubului cu He:Ne sunt încleiate două sticle poleite sub un unghi

numit unghiul Brewster, unde - indicele de refracţie aş sticlei. Sub un astfel de unghi de

reflexie, doar radiaţia polarizată liniar poate ieşi în exterior, deci pentru ea, coeficientul de reflexie este zero. Astfel este generată numai lumina liniar polarizată.

Oglinzile şi formează rezonatorul Fabry-Perout. Coeficienţii .

Deoarece nivelul energetic de bază este relativ departe de cele superioare, absorbţia

luminii în He şi Ne lipseşte, deci . Lipsa pierderilor optice provoacă generarea luminii

chiar dacă coeficientul de amplificare este mic. Sunt generate 2 – 3 mode longitudinale.

Puterea laserului cu He:Ne ; Eficienţa ;

Unghiul de disipare a luminii ;

Raza spotului de lumină, adică distanţa de la centru până la punctul unde amplitudinea vectorului câmpului electric constituie de la mărimea lui în centru,

.

Dacă pe oglinda rezonatorului este încleiat un element piezoelectric, atunci, prin intermediul lui, este modulată frecvenţa laserului (ci nu a luminii). Frecvenţa maximă de modulare este .

Lărgimea spectrului luminii laser depinde de fluctuaţiile radiaţiei spontane, de

factorul de calitate al rezonatorului.

- relaţia Şavlov–Taunas,

unde - lărgimea spectrului luminii spontane; - puterea luminii.

LASERI PE SEMICONDUCTORI

Se utilizează următoarele materiale semiconductoare:

Nr. Stratul activ Stratul de inveliş BazaGrupul III - V

1 AlxGa1-xAs AlyGa1-yAs GaAs2 GaInAsP GaInP GaAs3 GaInAsP AlGaAs GaAs4 GaInAsP InP InP5 AlGaAsSb AlGaAsSb GaSb

Grupul IV – VI6 PbSnSeTe PbSnSeTe PbTe

Grupul II - VI7 ZnSSe GaAs

Intervalul de lungimi de undă ale radiaţiei laserului

Rezonatorul Fabry – Perout este creat prin aşchierea cristalului din ambele părţi. Structura laserului este cu mai multe straturi. Stratul activ se găseşte între alte două straturi cu coeficient de refracţie mai mic.

- Lungimea rezonatorului ;- Grosimea stratului activ ;- Lăţimea stratului activ ;- Coeficientul de reflexie al oglinzilor ,

,

unde - coeficientul de refracţie al stratului activ.

Pentru GaAs: ; . Atunci .

- Factorul de calitate ;- Curentul de prag .

- ; .

Spectrul de amplificare al diodei laser pe semiconductori este de 100 ori mai larg ca lărgimea unei mode. Deci sunt amplificate mode longitudinale.

REGLAREA CU NUMĂRUL DE MODE

Reglarea cu modele transversale.

Din cauza generării modelor transversale se măreşte valoarea curentului de prag, apare o instabilitate în diagrama directivităţii, se înrăutăţeşte caracteristica de modulare. De aceea, este necesar de a lichida aceste mode, sau de ignorat numai modele de ordin mic.

Aceasta se efectuează constructiv. Sunt micşorate gabaritele secţiunii transversale ale

laserului. Dacă stratul activ posedă coeficientul de refracţie , straturile vecine - , iar

diferenţa lor relativă este:

,

atunci pentru a excita o singură modă transversală sunt necesare condiţiile: ; . Este uşor de primit , însă, a primi ste destul de

complicat. Ca regulă .

Pentru a rezolva problema dată a fost inventat un ghid de unde cu efect de refracţie.

Esenţa: ghidul de unde posedă o diferenţă a coeficientului de refracţie în ambele direcţii (X şi Y).

Cristalizare dublă şi izolarea stratului activ

Efectuate prin epitaxie selectivă

În astfel de construcţii modele transversale sunt absorbite, iar unda longitudinală poartă caracter unimod.

Reglarea cu modele longitudinale.

Exploatând dioda laser a fost observat următorul efect. În timpul modulării emisiei laser are loc trecerea de la o modă la alta instantaneu. Deci, este necesar de a forma un rezonator, care, spre deosebire de rezonatorul Fabry – Perout, posedă pierderi mici numai pentru o singură modă longitudinală.

Deci se foloseşte o structură cu legătură inversă distribuită.

Aici, în ghidul de unde este formată o reţea de difracţie. Lungimea de undă pentru care coeficientul de reflexie va fi maximal este:

,

unde - lungimea de undă Brag;

,

unde - perioada reţelei de difracţie; - număr întreg ce reflectă ordinul difracţiei; -

constantă ce caracterizează adâncimea reţelei, lungimea rezonatorului etc.

Se mai utilizează şi structuri ale diodelor laser cu reflector Brag.

Aici, reţeaua de difracţie Brag se formează de o parte a stratului activ sau pe ambele părţi. Materialul reţelei este diferit de materialul stratului activ. Aici este generată doar o singură modă, chiar şi în regim de modulare la frecvenţe înalte. Astfel de lasere se formează din soluţii solide de InGaAsP. Lungimea de undă a luminii generate este .

Pentru sistemul GaAs–AlGaAs este necesară o reţea de difracţie cu o perioadă ( ) mult mia mică, ceea ce este destul de dificil de efectuat. În afară de aceasta, prezenţa Al complică tehnologia confecţionării (el se oxidează).

CARCATERISTICILE DIODELOR LASER ŞI A LUMINII EMISE

1. Puterea luminii emise şi eficienţa cuantică.2. Curentul de prag depinde de eficienţa cuantică internă, pierderile optice în rezonator,

grosimea şi lăţimea stratului activ etc. Valoarea lui minimă pentru generare în continuu este (teoretic). Practic, pentru laserii pe bază de AlGaAs el constituie

.3. Puterea luminii în regim continuu şi la temperatura camerei constituie . În

cele mai bune lasere pe baza soluţiilor solide AlGaAs .4. Eficienţa cuantică: .

Eficienţa diferenţială este raportul numărului de cuante de lumină la creşterea numărului de electroni injectaţi este . Pentru frecvenţa curentului de modulare predomină efectul de temperatură. Pentru predomină efectul purtătorilor de sarcină, deci, efecte de rezonanţă şi relaxare.

5. Caracteristicile de temperaturăToate caracteristicile laserului depind mult de temperatură. Cu mărirea temperaturii ( )

se măreşte curentul de prag , se micşorează eficienţa cuantică diferenţială.

,

unde - curentul de prag pentru temperatura etalon; - constantă, caracteristică

pentru materialul laserului şi se numeşte temperatură caracteristică.

Pentru GaAs , iar pentru InGaAsP .