POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI
wiczenie 4
Badanie emiterów promieniowania
optycznego
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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 Wg, 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 Wg. 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
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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 )
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
Rys.4 Pó przewodnik akceptorowy ( p ). Rys.5 Pó przewodnik donorowy ( n ).
Poziom akceptorowy. 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.
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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 Wg. 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
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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 Wg. D ugo fali jest okre la
poni szy wzór:
c h

Wg
gdzie:
c  pr dko wiat a,
h  sta a Planck a,
Wg  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.
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
Rys.9 Charakterystyka U-I diody LED
Tabela 1 Zestawienie diod w zale no ci od zastosowanego materia u
Materia Wg 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
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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
Badanie emiterów promieniowania optycznego
POLITECHNIKA ÓDZKA
KATEDRA PRZYRZ DÓW PÓ PRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH
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
Badanie emiterów promieniowania optycznego