чения 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 9с. Предположим, что мощность, излученная в единичный телесный угол со всей излучающей площади по направлению нормали к излучающей поверхности, есть Iq. Тогда мощность в единичном угле, излученная в направлении 9 относительно нормали к поверхности, есть /{, cos 9, а общий поток с обеих сторон излучающего слоя

Ф = 2 Г /ocos92nsin9d9=:2n/o. (8.5.1)

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

«с

/ =-- Г /aCos92nsinede = -i-sin2ee=-. (8.5.2)

где «о - коэффициент преломления окружающей среды, п - коэффициент преломления полупроводника. В случае светоизлучающего диода на арсениде галлия при излучении в воздух «о = 1 и п = 3,7, так что 9е = 16 и / = 0,036.

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

излучение

J\y.Ui(Kpumu4ecHuu д

ris А i /\ Полупроводник

\в/р> Полное внутрен- Поглощаюшая Френеледсное \Ц нее отражение область отражение \ /

К\ Ti t/ f/ 11" /Оснодной слой

•,twf/fff t/iiiiiiiii/i-ч/ •11гг/",у,у/ггг.М/,ч-ы г/гг/г!/г/,ОптичесНОи > 1 "А генерации

Переизлучение

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

♦

Даже те лучи, которые идут в пределах приемлемых углов (9 < 9с), 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 t I - R испускается. Значение t определяется выражением:

=--4поП/(По + п) = 4п/{1+«Л (8.5.3)

когда «0=1.

При более наклонном падении лучей испускаемая доля меняется мало и становится равной нулю при критическом угле 9с. В случае границы GaAs - воздух t = 0,67 и

f tx 2/п(\ + пУ = 0,024. (8.54)

Коэффициент пропускания t 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 (Попу/, при этом t-l. Просветление мало влияет иа 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 (hf > Eg) 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 безызлуча-тельноговремени жизни и снижение внутренней квантовой эффективности. Ясно, что необходимо принимать компромиссное решение.

S.6. КОНСТРУКЦИИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ диодов для ОПТИЧЕСКОЙ связи

Типичная структура светоизлучающего диода показана на рис. 8.9. Она применяется, например, в источниках видимого диапазона на основе GaAsP или Ga Р, легированных N или ZnO. Другой вариант конструкции диода с небольшой излучающей поверхностью и высокой яркостью показан на рис. 8.10. Эта конструкция, разработанная Баррасом, хорошо приспособлена для систем оптической связи. Из сравнения с обычным светоизлучающим диодом видно, что здесь излучающая поверхность отнесена ближе к подложке. При этом удается свести к минимуму расстояние .между активным слоем и излучающей поверхностью. Изолирующий оксидный слой отделяет положительный

Диффуэивмный р-слой

Соединение с золотой проволокой

р-п - переход I

Зпитансиольнаш слой n-Gafls

Пвдлвтна легированного nGafls Ноптант ЛаОе

Ялюминиевый

Верхний

контакт

Рис. 8.9. Типичная конструкция светоизлучающего диода: U - поперечное сечение; б - вид сверху jHewelett-Packard Optoelectronics Applications Manual, Hewlett-Packard Co.]

Излучающая nodepxHocmt

,Mc Graw-Hill, 1977,