8.3. ПРЯМОЗОННЫЕ И НЕПРЯМОЗОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

В источниках света необходимо добиваться максимального значения параметра, называемого внутренней квантовой эффективностью Он определяется отношением числа генерируемых фотонов к числу носителей, пересекающих переход. Ясно, что эта величина зависит от относительной вероятности излучательных и безызлучательных переходов. Эта вероятность в свою очередь зависит от структуры перехода, примесных уровней в полупроводнике и от типа полупроводника.

Такие полупроводники, как кремний, германий и фосфид галлия — это непрямозонные полупроводники. В общих чертах это означает, что электрон, находящийся вблизи дна зоны проводимости, имеет импульс, отличающийся от импульса электрона, находящегося вблизи потолка валентной зоны. Это иллюстрируется рис. 8.6, а, из которого видно, что в этом случае зона — зонный переход возможен только при условии компенсации различия импульсов. Это может происходить, если при рекомбинации излучается фонон высокой энергии. В таком процессе удается устранить избыточный момент, однако при этом поглощается и энергия рекомбинации до Еще более серьезной оказывается необходимость одновременности этих двух событий (рождение фотона и фонона), что приводит к снижению вероятности такого рекомбинационного перехода. В результате безызлучательные

процессы, в частности с участием ловушечных уровней вблизи центра запрещенной зоны, преобладают в непрямозонных полупроводниках, а внутренняя квантовая эффективность оказывается низкой.

Другие полупроводниковые материалы могут иметь прямую запрещенную зону, как показано на рис. 8.6, б. В этом случае электроны низших энергетических уровней зоны проводимости имеют почти такой же импульс, что и электроны высших энергетических уровней валентной зоны. Следовательно, имеется высокая вероятность прямых зона — зонных переходов и высокая внутренняя квантовая эффективность.

Характер вида запрещенной зоны бинарных смесей указан в табл. 7.2. При изменении состава некоторых тройных и четверных смесей вид запрещенной зоны может меняться и быть прямым и непрямым. Это было отмечено на рис. 7.3 и 7.4. Имеется общая тенденция к сужению запрещенной зоны в прямозонных структурах и к ее расширению в непрямозонных. Это удобно при разработке источников излучения ближнего инфракрасного диапазона для волоконных оптических Линий связи, но вызывает серьезные трудности при разработке эффективных светоизлучающих диодов. Для них часто применяют сильно легированный азотом и окисью цинка такой непрямозонный материал,

Рис. 8.6. Диаграммы для прямозоиных и непрямозонных полупроводников: а — непрямозонный материал — рекомбинация может происходить только при условии компенсации различных импульсов. Это требует или ловушечного уровня или, как показано, участия оптического или акустического фонона с энергией которая складывается или вычитается из шнрииы запрещенной зоны; б - прямозонный материал — ничто не препятствует прямому зона—зонному переходу с самых низких уровней зоны проводимости. Заселены только самые низкие уровни, поскольку концентрация электронов экспоненциально падает с ростом энергии

как фосфид галлия. Примесные ловушечные уровни вблизи края зоны способствуют излучательным переходам типа рис. При этом энергия излученного фотона оказывается менее Даже при этом эффективности оптического преобразования слишком низка, чтобы сделать хороший источник для оптической связи. Поэтому ограничимся рассмотрением материалов, имеющих прямую запрещенную зону.

Арсенид галлия — прямозонный материал, который на протяжении ряда лет используют в разнообразных полупроводниковых приборах. Он наиболее хорошо отработан технологически и проверен в работе из всех полупроводников Естественно, что именно этот материал был первым применен при разработке источника для оптической связи. Из формулы (8.2.2) следует, что максимум излучения соответствует длине волны

Максимум излучения часто сдвигается в длинноволновую область — примерно до (см. рис. 8.5, а) вследствие влияния легирования на форму края зоны и рекомбинационные процессы. Тройная система имеет прямую зону для при этом изменяется от 1,42 до Соответственно длина волны меняется от 0,87 до Одной из особенностей этого материала является очень малое различие между параметрами решетки GaAs и и соответственно), что дает возможность выращивать слой GaAlAs на подложке из GaAs. Поэтому в первых оптоволоконных системах связи использовались в основном источники на GaAlAs.

Для получения излучения с большей длиной волны (1,3 и 1,55 мкм) требуются полупроводники с меньшей шириной запрещенной зоны (0,95 и соответственно). Подходящие составы можно подобрать, воспользовавшись рис. 7.3. Наибольший интерес представляют два четверных соединения, показанные на рис. 7.4. В гл. 11 будут рассмотрены особенности приборов, изготовленных из этих материалов. Из рис. 7.4, а видно, что в соединении InGaAsP можно реализовать ширину запрещенной зоны от до . Приборы на основе этих материалов позволяют перекрыть диапазон длин волн Потенциально более важны материалы на основе Ширина запрещенной зоны в них меняется от до что позволяет перекрыть диапазон длин волн Некоторые спектры излучения таких соединений представлены на рис. 8.5, б. Бинарный материал может рассматриваться как подложка для системы GaAlAsSb, показанной на рис. а также для Ширина зоны изменяется от 0,73 до (прямой — непрямой переход), т. е. имеется возможность перекрыть диапазон При необходимости можно подобрать другие системы, позволяющие работать на длинах волн более 1,7 мкм.