Оптоэлектроника
Оптоэлектроника — это раздел физики полупроводников, изучающий
взаимодействие света с полупроводниковыми материалами и создание
устройств, использующих это взаимодействие. Основная идея
оптоэлектроники заключается в преобразовании электрических сигналов в
оптические и обратно, что лежит в основе лазеров, фотодиодов,
светодиодов и оптических систем передачи информации.
Электронные переходы в
полупроводниках
В оптоэлектронике ключевую роль играют электронные переходы между
энергетическими зонами:
- Прямые переходы — электроны переходят из валентной
зоны в зону проводимости без изменения квазимомента, характерны для
полупроводников типа GaAs, InP.
- Непрямые переходы — электроны требуют
взаимодействия с фононами для соблюдения закона сохранения импульса,
типичны для кремния и германия.
Энергия фотонов должна быть равна или превышать ширину запрещённой
зоны Eg,
чтобы вызвать электронное возбуждение.
hν ≥ Eg
где h — постоянная Планка,
ν — частота света.
Светоизлучающие
полупроводники
Светодиоды (LED) — устройства, преобразующие
электрический ток в свет. Работа светодиода основана на рекомбинации
электронов и дырок в активной зоне полупроводника.
Ключевые моменты работы LED:
- При приложении прямого напряжения электроны инжектируются в зону
проводимости, дырки — в валентную зону.
- Рекомбинация электронов и дырок сопровождается излучением фотонов с
энергией, соответствующей ширине запрещённой зоны.
- Цвет излучения определяется материалом полупроводника и его шириной
запрещённой зоны.
Лазеры на полупроводниках (LD) — устройства,
обеспечивающие когерентное излучение света. Отличие от LED в наличии
резонатора и механизма вынужденного излучения.
- Активная зона инжекции носителей высокой плотности.
- Вынужденное излучение приводит к генерации когерентного света.
- Используются для оптической связи, систем считывания данных и
сенсорики.
Фотоприемники и детекторы
света
Фотодиоды — полупроводниковые устройства,
преобразующие световую энергию в электрический ток. Работа основана на
фотоэффекте в pn-переходе.
Основные характеристики:
- Спектральная чувствительность — диапазон длин волн,
при которых происходит эффективное поглощение фотонов.
- Время отклика — скорость, с которой фотодиод
реагирует на изменение интенсивности света.
- Темновой ток — ток, протекающий через диод в
отсутствие освещения.
Фотодиоды могут работать в режимах
фотовольтаического (генерация напряжения при освещении)
и фотопроводящего (увеличение тока через устройство под
действием света).
Фототранзисторы — устройства, усиливающие фототок,
обладают высокой чувствительностью, применяются в системах
автоматического контроля и оптоэлектронной сигнализации.
Оптические волноводы
и интегральные схемы
В современной оптоэлектронике важное значение имеют
оптические волноводы, обеспечивающие направленное
распространение света:
- Волноводы создаются за счёт различий показателей преломления слоев
полупроводников.
- Используются для передачи сигналов на микросхемном уровне и в
оптических коммуникациях.
- Интеграция волноводов с источниками и детекторами света позволяет
создавать оптоэлектронные интегральные схемы (OEIC),
где обработка сигналов выполняется на оптическом уровне.
Фотопроводимость и
оптическая модуляция
Фотопроводимость — изменение электрической
проводимости полупроводника под действием света. Этот эффект лежит в
основе:
- Оптических сенсоров.
- Элементов управления интенсивностью света.
- Модуляторов светового потока в оптической связи.
Оптическая модуляция — процесс изменения
характеристик светового излучения (амплитуды, фазы, частоты)
электрическим сигналом, обеспечивающий передачу информации через
оптические каналы.
Ключевые материалы
оптоэлектроники
Материалы выбираются в зависимости от ширины запрещённой зоны и
спектральной области работы:
- Кремний (Si) — непрямозонный полупроводник,
применяемый для фотодиодов видимого и инфракрасного диапазона.
- Германий (Ge) — используется для инфракрасных
фотоприемников.
- Галлий-арсенид (GaAs) — прямозонный, эффективен для
светодиодов и лазеров видимого и ближнего инфракрасного диапазона.
- Индий-фосфид (InP) — для телекоммуникационных длин
волн 1.3–1.55 мкм.
Температурные и квантовые
эффекты
- Температурная зависимость ширины запрещённой зоны
влияет на излучение и фотопроводимость.
- Квантовые точки и квантовые ямы позволяют создавать
устройства с заданной длиной волны излучения, повышая эффективность LED
и лазеров.
- Эффект Старкa и другие полевые эффекты используются
для модуляции энергии фотонов в интегральных устройствах.
Основные области применения
- Оптическая связь и волоконные линии передачи данных.
- Светодиодное освещение и дисплеи.
- Сенсорные системы и фотометрия.
- Лазерная техника и измерительные приборы.
- Медицинская диагностика и спектроскопия.