2.2.1.  Виды генерации оптического излучения

Прежде чем перейти к изучению отдельных оптоэлектронных приборов, рассмотрим физические явления, приводящие к генерации некогерентного оптического излучения.

Генерация оптиче­ского излучения осуществляется либо с помощью нагрева (тепловое излучение), либо в результате одного из видов люминесценции (лю­минесцентное излучение). Спектральная характеристика энергетической светимости различных тел, нагретых до некоторой температуры, описывается формулой Планка:

,

где f – cпектральная характеристика энергетической светимости тела, Вт/см²;  – длина волны излучения, мкм; Т – температура, К;  h – по­стоянная Планка;  – скорость света в вакууме; k – постоянная Больцмана.

Кривые  при Т = 6000 и 300 К (рис. 2.2) характеризуют соответственно излу­чение Солнца и человека. При достаточно высоких температурах (Т > 2500 К) часть спектра теплово­го излучения приходится на види­мую область. При этом, однако, всегда значителен длинноволновый «хвост». Для то­чек максимумов теплового излу­чения (соединены штриховой ли­нией) справедливо:

;              .

Тепловое оптическое излучение слабонагретых тел, например тела человека, могут регистрировать специальные приборы – тепловизоры и инфракрасные приборы ночного видения.

Миниатюрные лампочки нака­ливания используют тепловое излу­чение вольфрмовой нити нака­ливания, нагретой электрическим током до 2100 – 2300 К. Излучающая нить заключена в стеклянный вакуумируемый баллон. Такой излучатель имеет сплошной, очень широкий спектр, низкий кохэффициент полезного действия (КПД), высокую инерционность и полное отсутствие на­правленности излучения, Другие недостатки – невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная дол­говечность, большие габариты, несовместимость с интегральной тех­нологией – в сумме с уже указанными привели к тому, что излучатели на основе теплового излучения нашли ограниченное применение в оптоэлектронике.

Основой современных излучателей является люминесцентное излу­чение и, соответственно, люминесцирующие вещества.

Люминесценция как физическое явление известна до­статочно давно, свыше 50 лет. Примером природной лю­минесценции является свечение светлячков, сырой древеси­ны и т.п. В настоящее время под люминесценцией обычно понимают электромагнитное нетепловое

излучение, обла­дающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Таким образом, в определении под­черкивается тот факт, что в отличие от свечения накален­ных тел для люминесценции не требуется нагревания тела, хотя, конечно, подведение энергии в том или ином виде необходимо. Кроме того, в отличие от рассеяния све­та люминесценция продолжается некоторое время после отключения возбуждающей энергии.

Люминесценция, которая продолжается время, большее пример­но 10 ^-8 с после окончания возбуждения, называется фосфоресценцией; если время люминесценции меньше 10 ^-8 с, то это флюоресценция. Иначе говоря, поглощенная люминесцирующим телом энергия на некото­рое время задерживается в нем, а затем частично превра­щается в оптическое излучение, частично – в теплоту.

В зависимости от вида энергии, возбуждающей люми­несценцию, различают фото-, электро- и другие виды лю­минесценции. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные тела. В оптоэлектронике используется в основном люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Рассмотрим простейший механизм люминесценции – фотолюминесценцию, которая возникает под действием излучения.

Квант возбуждающего излучения (рис. 2.3) поглощается центром люминесценции (переход 1) или кри
сталлической решеткой основного веще­ства (переход 2). При этом говорят, что полупроводник запасает «светосумму», т.е. в нем появляется некоторое количество разделенных зарядов, которые при рекомбина­ции могут дать соответствующее число фотонов. Рекомби­нация происходит в местах нарушения правильной кри­сталлической решетки – атомах примеси, пустых узлах решетки и т.п., которые называются центрами рекомбина­ции. В люминесцирующих полупроводниках центры реком­бинации делят на центры излучения и центры гашения. Центры излучения способны превращать в излучение выде­ляющуюся при рекомбинации энергию (переходы 3 и 5). На центрах гашения энергия рекомбинации превращается обычно в теплоту, т.е. теряется для люминесценции (переход 4).

Таким образом, люминесценция включает в себя два основных этапа. На первом из них под воздейст­вием возбуждающей энергии происходит генерация носите­лей и полупроводник запасает «светосумму». Именно этот этап – этап разделения носителей – определяет тип люми­несценции. На втором этапе – этапе рекомбинации – полупроводник отдает запасенную «светосумму». Этот этап является общим для всех видов люминесценции.

Таким образом, на примере фотолюминесценции видно, что для того чтобы полупроводник получил некоторую «светосумму», необходимо вывести атомы полупроводника из термодинамического равновесия, т.е. возбудить. При фотолюминесценции переход полупроводника в возбужден­ное состояние происходит с помощью освещения.

На втором этапе люминесценции, когда полупроводник отдает запасенную «светосумму», излучение квантов про­исходит в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень либо непосредственно, либо через рекомбинационную ловушку.