P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

L

ABORATORIUM

O

PTOELEKTRONIKI

"wiczenie 4

Badanie emiterów promieniowania

optycznego

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

1. Wst p teoretyczny

1.1 Model pasmowy
Teoria pasmowa kryszta#ów t#umaczy ró$nice mi%dzy metalami,
izolatorami oraz pó#przewodnikami. Pozwala nam ona zrozumie& sk'd
wynikaj' ró$nice we w#asno(ciach elektrycznych wy$ej wymienionych
materia#ów. W modelach pasmowych wyró$nia si% 2 podstawowe poziomy
energetyczne: górn' granic% pasma walencyjnego oraz doln' granic%
pasma walencyjnego. Mi%dzy nimi znajduje si% pasmo zabronione co
wida& na Rys.1.

Rys.1 Model pasmowy

Warto(& W

g

, zwana jest szeroko(ci' przerwy zabronionej, okre(la

minimaln' warto(& energii, która musi by& dostarczona elektronom, aby
zosta#y one wyrwane z wi'za) atomowych sieci krystalicznej i mog#y
przej(& z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Szeroko(& t%
mierzy si% w elektronowoltach (eV).

1.2 Pó!przewodniki

Pó!przewodnik samoistny

Pó#przewodnik samoistny to monokryszta# pozbawiony domieszek, czyli
obcych atomów w sieci krystalicznej. W wyniku dostarczenia energii do
takiego materia#u, np. przez podgrzanie, cz%(& elektronów pasma
walencyjnego, buduj'cych wi'zania walencyjne, zyskuje energi%, która
pozwala im pokona& przerw% zabronion' i przedosta& si% do pasma
przewodnictwa. Energia ta musi by& wi%ksza od W

g

. Elektrony te staj' si%

swobodnymi no(nikami #adunku i mog' tworzy& pr'd elektryczny.
W miejscach opuszczonych przez elektrony, które przedosta#y si% do
pasma przewodnictwa powstaj' dziury. Najpro(ciej t#umacz'c s' to
dodatnie no(niki #adunku, wynikaj'ce z braku elektronu w pa(mie

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

walencyjnym w wyniku jego przej(cia do pasma przewodnictwa (ca#kowity
#adunek pó#przewodnika pozostaje neutralny).

Pó!przewodniki domieszkowane

Domieszkowanie pó#przewodników samoistnych, zbudowanych zazwyczaj
z atomów czterowarto(ciowych (np. krzem, german), polega na umy(lnym
wprowadzeniu w ich sie& atomów innych ni$ sam kryszta#. Pozwala to na
modyfikacj% w#a(ciwo(ci materia#ów. Rozró$niamy dwa podstawowe
rodzaje domieszek: akceptorowe i donorowe. Domieszki akceptorowe to
pierwiastki trójwarto(ciowe. Taki atom ma trzy atomy walencyjne, którymi
wi'$e si% z sieci' krystaliczn'. Do wype#nienia czwartego wi'zania
s'siaduj'cego brakuje mu jednego elektronu. Zostaje on uzupe#niony
poprzez pobranie elektronu z s'siaduj'cego wi'zania. W wi'zaniu tym
powstaje dziura. W ten sposób powstaje pó#przewodnik akceptorowy, czyli
pó#przewodnik typu p (Rys.2).
Domieszki donorowe powstaj' w wyniku wprowadzenia do pó#przewodnika
samoistnego pierwiastków pi%ciowarto(ciowych. Poprzez cztery elektrony
walencyjne wi'$' si% one z sieci' krystaliczn'. Niewykorzystany pi'ty
elektron staje si% swobodnym no(nikiem #adunku ujemnego. Tak
domieszkowany kryszta# nazywamy pó#przewodnikiem donorowym, czyli
pó#przewodnikiem typu n (Rys.3).
Konsekwencj' domieszkowania jest wprowadzenie do modelu pasmowego
nowych

poziomów,

odpowiednio

poziomu

donorowego

(Rys.4)

i akceptorowego (Rys.5).

Rys.2 Pó przewodnik akceptorowy („p”)

Rys.3 Pó przewodnik akceptorowy („n”)

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Rys.4 Pó przewodnik akceptorowy („p”).

Poziom akceptorowy.

Rys.5 Pó przewodnik donorowy („n”).

Poziom donorowy.

1.3 Rekombinacje
W pó#przewodnikach samoistnych i domieszkowanych zachodz'
rekombinacje. Zjawiska te polegaj' na #'czeniu si% elektronów i dziur,
w wyniku czego oba no(niki #adunku zanikaj'. Opisane s' one przez
odpowiednie równania matematyczne i parametry. Z procesami tymi
zawsze zwi'zane jest wydzielenie si% pewnej energii, której ilo(& i forma
zale$na jest od charakteru tych zjawisk. W pó#przewodnikach wyró$niamy
nast%puj'ce rodzaje rekombinacji:

Rekombinacja fononowa - wydzielona energia przekazana jest
drganiom sieci krystalicznej.

Rekombinacja Augera - energia przekazywana jest swobodnemu
no(nikowi #adunku, w wyniku czego powstaje „gor'cy no(nik”
(gor'cy elektron lub gor'ca dziura).

Rekombinacja promienista – zwi'zana z wydzieleniem si%
promieniowania elektromagnetycznego w postaci fotonu.

Rekombinacja powierzchniowa - zwi'zana ze zjawiskami
zachodz'cymi przy powierzchni kryszta#u pó#przewodnika.

Najwa$niejsza z punktu widzenia diod LED i LD jest rekombinacja
promienista. Sposób w jaki zachodzi to zjawisko jest (ci(le uzale$niony od
ukszta#towania pasm energetycznych kryszta#u oraz charakteru przerwy
zabronionej.

Pod

tym

wzgl%dem

rozró$niamy

dwa

rodzaje

pó#przewodników: z prost' (Rys.6) oraz skro(n' (Rys.7) przerw'
zabronion'. W przypadku prostej przerwy minimum pasma przewodnictwa
i maksimum pasma walencyjnego przypadaj' dla tej samej warto(ci
wektora falowego k. W przeciwnym przypadku mamy do czynienia
z przerw' zabronion' skro(n'. Obydwa uk#ady pasm przedstawiaj'
poni$sze rysunki 6 i 7.

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Rys.6 Prosta przerwa zabroniona

Rys.7 Skro!na przerwa zabroniona

Do budowy diod emituj'cych promieniowanie (wietlne wykorzystywane s'
jedynie pó#przewodniki o prostej przerwie zabronionej. Spo(ród wszystkich
zjawisk rekombinacyjnych proces promienisty ma dominuj'ce znaczenie.
W jego wyniku uwolniona energia powsta#a w trakcie #'czenia si%
elektronu i dziury pozwala na wyemitowanie fotonu. Cz%stotliwo(&
promieniowania elektromagnetycznego, czyli barwa (wiat#a diody, (ci(le
zale$y od warto(ci W

g

. W przypadku przerwy skro(nej rekombinacje

promieniste zachodz' bardzo rzadko i pó#przewodniki takie nie daj' efektu
emisji (wiat#a.

Mechanizm rekombinacji promienistej mo$e przechodzi& na kilka
sposobów:

Rekombinacja pasmo-pasmo - elektron z pasma przewodnictwa
rekombinuje bezpo!rednio z dziur" z pasma walencyjnego, w wyniku
czego wytwarzany jest foton o energii równej lub wi#kszej od energii
przerwy energetycznej EG pó przewodnika.

Rekombinacja

przez

p ytkie

poziomy

donorowe

lub

akceptorowe - elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje
z dziur' przetrzymywan' na poziomie zwi'zanym z akceptorem, lub
elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziur' z pasma
walencyjnego.

Rekombinacja donor-akceptor - elektron z poziomu donorowego
rekombinuje z dziur' przetrzymywan' na poziomie akceptorowym.
Energia odpowiadaj'ca temu przej(ciu zale$y od przestrzennej
odleg#o(ci donora i akceptora.

Rekombinacja poprzez g !bokie poziomy - w tym przypadku
energia fotonu jest znacznie mniejsza ni$ warto(& przerwy
energetycznej.

1.4 Dioda LED
Dioda

elektroluminescencyjna

jest

*ród#em

promieniowania

elektromagnetycznego widzialnego (diody LED – light emiting diod) jak

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

i niewidzialnego (diody IR – infra red). Emisja fotonów zachodzi w trakcie
przep#ywu pr'du elektrycznego przez diod% w kierunku przewodzenia
(czyli od warstwy P do warstwy N).
Zjawisko promieniowania jest (ci(le powi'zane z mechanizmem
rekombinacji promienistej. W trakcie przewodzenia no(niki s'
wstrzykiwane przez z#'cze PN, przy czym elektrony z obszaru N do P, a
dziury z P do N. Swobodne no(niki rekombinuj' z no(nikami przeciwnego
rodzaju. Sprawno(& procesu elektroluminescencyjnego w diodach mo$e
si%ga& nawet 50%. Energia wypromieniowana w postaci fotonu ma
warto(& szeroko(ci przerwy zabronionej W

g

. D#ugo(& fali jest okre(la

poni$szy wzór:

g

W

h

c !

"

#

gdzie:
c – pr%dko(& (wiat#a,
h – sta#a Planck’a,
W

g

– szeroko(& przerwy zabronionej.

Rys.8 Zasada dzia ania diody LED

Charakterystyka pr'dowo-napi%ciowa diody LED jest zbli$ona do diod
prostowniczych. W uk#adach elektronicznych dzia#aj' one zazwyczaj
z szeregowo po#'czonym rezystorem ze wzgl%du na wysoki przyrost pr'du
przewodzenia diody przy niewielkim wzro(cie jej napi%cia przewodzenia.
Spadek napi%cia na diodzie, przez któr' p#ynie pr'd jest wy$szy ni$
w przypadku zwyk#ych diod i w zale$no(ci od barwy promieniowania
wacha si% w przedziale 2-3V. Napi%cie zaporowe diod LED jest dosy&
niskie i wynosi od 2 do 5V. Maksymalny pr'd przewodzenia wynosi 20 –
50mA i zale$y od typu diody.

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Rys.9 Charakterystyka U-I diody LED

Tabela 1 Zestawienie diod w zale$no!ci od zastosowanego materia u

Materia!

W

g

Domieszka

Zakres

GaAs

1.443

Si

IR

GaP

2.26

N

Zielony

GaP

2.26

N,N

+ó#ty

GaP

2.26

Zn,O

Czerwony

GaAs0.6P0.4

2.1

N

Czerwony

GaAs0.35P0.65

2.1

N

Pomara)czowy

GaAs0.15P0.85

2.1

N

+ó#ty

Ga0.6Al0.4As

2.1

Zn

Czerwony

GaxAl1%xAs(1 < x < 0.7)

2.1

Si

IR

Rys.10 Przyk adowe charakterystyki widmowe diod LED

Najcz%(ciej spotykan' i zarazem najprostsz' w budowie jest dioda
powierzchniowa. W zastosowaniach telekomunikacyjnych stosuje si% tzw.
diod% Burrusa, która posiada specjalne wg#%bienie, powoduj'ce
polepszenie emisji fotonów do w#ókna (wiat#owodowego. Wg#%bienie to
zmniejsza d#ugo(& na której promieniowanie mo$e by& absorbowane oraz

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

przybli$a emituj'ce z#'cze PN do (wiat#owodu. Struktur% powierzchniowej
diody Burrusa i sposób #'czenia jej z medium transmisyjnym przedstawia
rysunek 10.

Rys.11 Powierzchniowa dioda elektroluminescencyjna (typu Burrusa)

1.5 Dioda LD (laserowa).
Najwa$niejsz' ró$nic' mi%dzy diodami LD i LED jest to, $e diody laserowe
posiadaj' w swojej strukturze rezonator optyczny. Tworz' go dwie
przeciwleg#e, wzajemnie równoleg#e i wypolerowane kraw%dzie diody
laserowej. Kraw%dzie te s#u$' jako zwierciad#a, przy czym jedno lub
obydwa maj' pewn' przepuszczalno(& dla (wiat#a. Od tego Zale$y, czy
dioda LD promieniuje w jednym, czy w obydwu kierunkach.

Rys.12 Struktura diody LD

Przy przep#ywie pr'du o nat%$eniu ni$szym od tzw. nat%$enia progowego
dioda LD dzia#a jak normalna dioda LD. Gdy pr'd przekroczy t' warto(&
zaczyna zachodzi& akcja laserowa. Obecno(& du$ej ilo(ci no(ników przy
wysokim nat%$eniu pr'du stwarza dobre warunki do zachodzenia
rekombinacji promienistej. Rezonator optyczny sprawia, $e wyemitowane
fotony mog' si% porusza& jedynie wzd#u$ z#'cza. Mog' one powodowa&
tzw. przej(cia wymuszone. Polegaj' one na wymuszeniu przez foton
przej(cia elektronu do pasma walencyjnego i po#'czenia si% z dziur',
a w efekcie emisj% promieniowania. Powsta#y w ten sposób foton ma taki

P

OLITECHNIKA

ÓDZKA

K

ATEDRA

P

RZYRZ!DÓW

P

Ó PRZEWODNIKOWYCH I

O

PTOELEKTRONICZNYCH

Badanie emiterów promieniowania optycznego

sam kierunek propagacji, d#ugo(& fali i faz%, co foton który przyczyni# si%
do zaj(cia rekombinacji promienistej. Emisja wymuszona jest zjawiskiem
które decyduje o najwa$niejszych cechach diod LD, czyli du$ej g%sto(ci
mocy, spójno(ci oraz w'skim zakresie spektralnym.

Rys.13 Zjawisko rezonansu optycznego

Rys.14 Zasada dzia ania diody LD: a) ma y pr"d diody,

b) !redni pr"d diody, d) du$y pr"d diody