8.5. ВНЕШНЯЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Получение высокой внутренней квантовой эффективности еще недостаточно для достижения высоких параметров полупроводникового оптического источника. Основная часть, рекомбинации излучения генерируется в пределах одной-двух диффузионных длин от перехода и характеризуется отсутствием направленности. Отношение числа фотонов, вышедших из полупроводника, к числу носителей, прошедших через переход, называется внешней квантовой эффективностью Четыре основных эффекта приводят к тому, что всегда меньше Во-первых, излучение выходит из полупроводника через поверхность полупроводник — воздух. Во-вторых, только та часть излучения, которая подходит к поверхности под углом меньше критического может выйти из полупроводника. В-третьих, часть и этого излучения отражается от поверхности полупроводник — воздух. В-четвертых, происходит поглощение между точкой генерации

излучения и излучающей поверхностью. Эти четыре эффекта иллюстрируются рис. 8.8.

На этом рисунке светоизлучающая поверхность изображена в виде слоя, излучающего во всех направлениях. Характеристики такого двустороннего диффузного излучателя можно рассчитать методом, изложенным в § 2.1, и получить долю излученной мощности, которая пойдет к поверхности в пределах критического угла Предположим, что мощность, излученная в единичный телесный угол со всей излучающей площади по направлению нормали к излучающей поверхности, есть Тогда мощность в единичном угле, излученная в направлении 0 относительно нормали к поверхности, есть а общий поток с обеих сторон излучающего слоя

Доля общей мощности, которая может пройти через поверхность полупроводник — воздух

где коэффициент преломления окружающей среды, коэффициент преломления полупроводника. В случае светоизлучающего диода на арсениде галлия при излучении в воздух так что

Отметим, что если излучающая область представляется сферическим объемом, излучающим одинаково во всех направлениях, то и аналогичный расчет приводит к значению в 2 раза меньшему.

Рис. 8.8. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая четыре основных случая оптических потерь в светоизлучающих диодах: переизлучение, ограничение поверхностного допустимого угла, Френелевское отражение, поглощение

Даже те лучи, которые идут в пределах приемлемых углов испытывают некоторое отражение от поверхности раздела полупроводник — воздух. Этот эффект известен как френелевское отражение и обсуждается, например, в [2.1]. Из излучения, падающего перпендикулярно к поверхности, доля R отражается и только оставшаяся доля испускается. Значение определяется выражением:

когда

При более наклонном падении лучей испускаемая доля меняется мало и становится равной нулю при критическом угле В случае границы воздух и

Коэффициент пропускания может быть увеличен при «просветлении», когда на поверхность полупроводника наносят слой прозрачного материала толщиной в четверть длины волны. Величина коэффициента преломления этого материала занимает промежуточное положение между значениями коэффициентов преломления полупроводника и окружающей среды. В идеальном случае его значение равно при этом Просветление мало влияет на величину критического угла.

Значительно более серьезны потери обусловленные критическим углом. От них зависят ограничения на связь между яркостью источника и мощностью, переданной в оптическое волокно. Эти вопросы подробно обсуждаются в § 8.6 и Приложении 5, а практические примеры согласующих устройств светоизлучающий диод — волокно приводятся в § 8.6 и 9.3.

Потери, обусловленные механизмом самопоглощения, не могут быть так легко определены количественно. Это предел, обратный процессу излучательной зона — зонной рекомбинации. Внутри полупроводника излучение с энергией фотона больше ширины запрещенной зоны может взаимодействовать с электроном валентной зоны и возбудить его в зону проводимости. При этом образуется электрон-дырочная пара, а фотон поглощается. Этот процесс лежит в основе работы полупроводниковых детекторов, поэтому будет подробно рассматриваться в гл. 12. Здесь же только отметим, что появляющийся при зона — зонной рекомбинации фотон имеет энергию, достаточную для самопоглощения. Поэтому расстояние между областью генерации и излучающей поверхностью должно быть по возможности сокращено. При этом появляется опасность, что поверхность с ее высокой концентрацией ловушечных уровней может оказаться в пределах одной двух диффузионных длин от перехода, что вызовет изменение безызлучательного времени жизни и снижение внутренней квантовой эффективности. Ясно, что необходимо принимать компромиссное решение.