Clasificación de dispositivos optoelectrónicos semiconductores.
Los dispositivos optoelectrónicos se pueden dividir en dispositivos optoelectrónicos a granel, dispositivos optoelectrónicos de unión directa e inversa, dispositivos optoelectrónicos de heterounión y multiunión.
Dispositivo optoelectrónico a granel
Es el tipo de dispositivo optoelectrónico más simple en estructura. Los materiales semiconductores absorben fotones incidentes con energía mayor que el ancho de banda prohibido y excitan pares electrón-hueco que no están en equilibrio (lo que se denomina excitación intrínseca). Participan en la conducción bajo campos externos y producen fotoconductividad. Si se trata de una excitación superficial no uniforme, la difusión de portadores fotogenerados bajo un gradiente de concentración conducirá al establecimiento de un campo interno, es decir, el efecto eléctrico fotovoltaico. La corriente de difusión es desviada por el campo magnético, produciendo un efecto magnetoeléctrico óptico. Sobre la base de estos efectos físicos, se han producido varios fotodetectores de banda de ondas (especialmente de banda infrarroja), como los fotodetectores de InSb y HgCdTe, que han sido ampliamente utilizados en el ejército.
Los fotodetectores a granel también se pueden fabricar dopando impurezas de nivel profundo. Por ejemplo, los detectores de Ge dopados con Au y Hg son detectores de infrarrojos muy sensibles. Los portadores fotogenerados son excitados por centros de impurezas de nivel profundo, que se denominan excitaciones extrínsecas. La mayoría de estos detectores funcionan a temperaturas muy bajas (como la temperatura del helio líquido 4,2 K).
Dispositivos optoelectrónicos de unión directa
Bajo una gran polarización directa, se inyectará una gran cantidad de portadoras en desequilibrio cerca de la región de unión PN del semiconductor, y se pueden fabricar varios tipos de dispositivos utilizando El efecto de luminiscencia de recombinación. Las luces indicadoras semiconductoras rojas y verdes y los tubos digitales comúnmente utilizados en instrumentos electrónicos están hechos de GaAsP, GaP, AlGaAs y otros materiales. Los tubos emisores de luz de estado sólido tienen bajo consumo de energía, tamaño pequeño y larga vida útil, y han reemplazado gradualmente a los tubos de vacío. Los tubos luminosos hechos de GaAs tienen una alta eficiencia luminosa y una longitud de onda de emisión de aproximadamente 9.000 Angstroms, que pertenece a la banda del infrarrojo cercano donde el ojo humano es insensible y se usa ampliamente como fuente de luz para el control fotoeléctrico y las primeras comunicaciones ópticas. El primer láser semiconductor se fabricó con una unión PN de GaAs altamente dopado. Aunque los láseres semiconductores modernos han sido reemplazados por dispositivos de heterounión, siguen siendo básicamente estructuras de unión directa.
Dispositivos optoelectrónicos de unión inversa
Debido a la transferencia de cargas en ambos lados de la unión PN, se establece un fuerte campo interno (hasta más de 104 voltios/cm) en el área de unión, lo que resulta en la flexión de la banda, formando una barrera de unión PN. Una vez que los portadores fotogenerados se difunden en la región de unión, el campo interno los barre hacia ambos lados para formar una corriente fotogenerada. Los fotovoltaicos y fotodiodos de silicio son dispositivos que utilizan características de unión inversa. Las células fotovoltaicas de silicio se han utilizado como fuente de energía solar en satélites artificiales. El satélite artificial "Dongfanghong" 2 de China utilizó células fotovoltaicas de silicio. En la actualidad, la eficiencia de conversión de energía de las células fotovoltaicas de silicio se acerca al valor teórico del 15%. Los fotodiodos son dispositivos de detección de luz ampliamente utilizados. Para mejorar la eficiencia cuántica y la velocidad de respuesta, la región de agotamiento (es decir, la región del campo eléctrico) debe expandirse tanto como sea posible. Por lo tanto, los fotodiodos semiconductores prácticos tienen polarización inversa y la eficiencia cuántica. puede alcanzar más del 80%, el tiempo de respuesta puede ser inferior a nanosegundos y el detector Si-PIN utilizado en sistemas de comunicación de fibra óptica es uno típico.
Si se aplica una polarización inversa lo suficientemente grande, los portadores fotogenerados se aceleran bajo un fuerte campo eléctrico en un área determinada cerca de la unión, y su energía puede alcanzar el umbral que causa la ionización por colisión reticular. Este proceso de ionización actúa como una reacción en cadena de avalancha, lo que resulta en una ganancia interna. Este proceso se puede utilizar para producir un fotodetector rápido y sensible, llamado fotodiodo semiconductor de avalancha (APD). Se utiliza en sistemas de comunicación de fibra óptica de larga distancia y gran capacidad.
Dispositivos optoelectrónicos de heterounión
Desde la década de 1960, la tecnología de crecimiento epitaxial de semiconductores se ha desarrollado rápidamente. La tecnología de crecimiento epitaxial se puede utilizar para controlar el crecimiento de diferentes películas semiconductoras monocristalinas juntas para formar una heterounión o heteroestructura. La selección adecuada de heteroestructuras puede obtener algunas propiedades eléctricas nuevas, como propiedades de inyección unidireccional, efectos de confinamiento de localización del portador, afinidad electrónica negativa, etc., y ópticamente tener efectos de ventana, propiedades de guía de ondas ópticas, etc. Las nuevas características de las heterouniones no solo mejoran en gran medida el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos originales, sino que también permiten el desarrollo de muchos dispositivos funcionales nuevos (como láseres de pozo cuántico, dispositivos ópticos biestables, etc.). La invención del láser de doble heterounión es un logro importante en la investigación de la heterounión. Después de usar la heteroestructura, el área activa del láser se puede controlar con precisión al nivel de 0,1 micras. Confinar los portadores inyectados y la luz en esta fina capa reduce la densidad de corriente umbral del láser de 2 a 3 órdenes de magnitud a menos de 103 A/cm2, logrando así un bajo consumo de energía (milivatios) y una larga vida útil (empuje externo de millones de horas). , funcionamiento de onda continua a temperatura ambiente y otros fines. Otro logro de la heterounión en optoelectrónica es el fotocátodo semiconductor que apareció en la década de 1970.
Los materiales de fotocátodo utilizados anteriormente son materiales con afinidad por positrones (como Cs3Sb-CsO, etc.), cuyo rendimiento cuántico es muy bajo y está determinado básicamente por el tiempo de relajación de los electrones calientes (del orden de 10-12 segundos). Utilizando la afinidad electrónica negativa de las heterouniones de semiconductores (como GaAs, InGaAsP-CsO, etc.) para aumentar el rendimiento cuántico en más de 3 órdenes de magnitud, el rendimiento cuántico está determinado por la vida útil del portador fuera de equilibrio (del orden de 10-8 segundos); la selección adecuada de materiales puede extender la longitud de onda de respuesta a la banda infrarroja. Este tipo de fotocátodo de afinidad electrónica negativa es particularmente adecuado para la visión nocturna militar. El efecto de ventana de heterounión se utiliza para mejorar la eficiencia de conversión de energía de las células solares. En comparación con el límite teórico de las células fotovoltaicas de silicio, la eficiencia de conversión de energía mejora exponencialmente. Entre los más de 20 tipos de células fotovoltaicas de heterounión desarrolladas, la eficiencia de conversión más alta es la de AlGaAs/GaAs, alcanzando el 23%. Aunque las células solares de heterounión son más caras, son adecuadas para fines especiales (como aplicaciones espaciales).
Dispositivos optoelectrónicos multiunión
Según las necesidades del diseño funcional del dispositivo, se pueden cultivar continuamente dos o más heterouniones multicapa. Este dispositivo optoelectrónico de múltiples uniones puede ser de dos terminales, de tres terminales o de múltiples terminales. El láser de resistencia negativa AlGaAs/GaAsPNPN es un dispositivo de dos terminales de unión múltiple. Es un dispositivo funcional compuesto que combina un tiristor PNPN ordinario y un láser doble heterogéneo. Para tener en cuenta los requisitos de conducción eléctrica total y un umbral bajo del láser, generalmente se fabrica la estructura NpPpnP. Las letras mayúsculas representan materiales de banda prohibida ancha y las letras minúsculas representan materiales de banda prohibida estrecha. Este láser de resistencia negativa es adecuado para el control automático fotoeléctrico.
El fototransistor es un dispositivo multicapa de doble unión y tres terminales. También es un fotodetector con ganancia de corriente interna. No está limitado por el ruido de ionización por impacto y, por lo tanto, es comparable a los fotodiodos de avalancha semiconductores para aplicaciones de detectores de bajo ruido y longitud de onda larga.
El dispositivo de múltiples uniones más típico es el láser de pozo cuántico. La región activa de un láser de pozo cuántico está compuesta por múltiples capas de materiales de superred. En la estructura de superred, el material de banda prohibida estrecha forma un pozo de potencial de electrón (o hueco, o ambos) bidimensional extremadamente delgado y un cuasi-electrón (. o hueco) potencial bien en la banda de conducción El estado electrónico continuo se cuantifica y la emisión de recombinación de huecos de electrones se produce entre estos estados discretos cuantificados, por lo que puede superar la debilidad del funcionamiento en banda de los láseres semiconductores en una medida considerable. Las líneas espectrales se vuelven más estrechas, el coeficiente de temperatura se vuelve más pequeño y la longitud de onda de emisión también se puede sintonizar cambiando la densidad de corriente inyectada. Ampliará los campos de aplicación de los láseres semiconductores.