sáng từ bên ngoài chiếu vào có năng lượng của photon là EP=hν=E2 – E1(ev) thì ngay lập tức dịch chuyển trở về mức ổn định E1 để tái hợp với một lỗ trống và bức xạ ra một photon ánh sáng. Bức xạ này gọi là bức xạ kích thích hay cưỡng bức. Sự bức xạ ánh sáng kích thích được Eistein phát hiện ra đầu tiên nên được gọi là bức xạ kích thích của Eistein. Ở đậy ν là tần số của photon kích thích. Các photon bức xạ kích thích có tần số bằng đúng tần số ν của photon chiếu vào được tính theo
1 2 . E E C h − = λ . Chúng có
cùng hướng và đồng pha với nhau nên ánh sáng của bức xạ kích thích gọi là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng kết hợp có cường độ mạnh hơn nhiều lần cường độ của ánh sáng tự phát. Ánh sáng của LED phát ra là ánh sáng tự phát, còn ánh sáng của LD phát ra là ánh sáng kích thích.
2.4.2.Các chất bán dẫn chế tạo nguồn phát quang
a. Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp và gián tiếp
Khi nghiên cứu kỹ quá trình hấp thụ ánh sáng của chất bán dẫn và sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống, người ta rút ra kết luận sau:
Sự bức xạ ánh sáng do tái hợp xảy ra dễ hơn và có xác suất lớn trong chất bán dẫn có vùng cấm loại trực tiếp, khó xảy ra hơn và có xác suất nhỏ hơn trong chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp.
- Bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp: là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất vùng hóa trị tương ứng cùng một giá trị xung lượng P hoặc vectơ sóng k của điện tử. Đại đa số các vùng cấm loại trực tiếp đều là bán dẫn hợp chất như: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP. Chúng là các chất chủ yếu để chế tạo các LED và LD.
Hình2. 12: Vùng năng lượng bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp
- Bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp: bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp là bán dẫn trong giản đồ vùng năng lượng của nó, có đáy thấp nhất của vùng dẫn và đỉnh cao nhất của vùng hóa trị ứng với các giá trị khác nhau của xung lượng P hay vectơ sóng k của điện tử. Các bán dẫn loại này có thể là bán dẫn đơn chất như Ge, Si hay hợp chất AlAs, GaP. Chúng không dùng để chế tạo các nguồn phát quang.
Hình2. 13: Vùng năng lượng bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp
Chất bán dẫn Loại vùng cấm Hệ số tái hợp Bth Si Ge GeP Gián tiếp Gián tiếp Gián tiếp 1,79.10-15 5,25.10-14 5,37.10-14 GaAs InAs GaSb Trực tiếp Trực tiếp Trực tiếp 7,21.10-10 5,8.10-11 2,39.10-10 Bảng2. 7: Hệ số tái hợp Bth
Từ bảng trên cho thấy hệ số tái hợp của bán dẫn vùng cấm trực tiếp lớn hơn gấp hàng trăm lần đến hàng nghìn lần bán dẫn vùng cấm loại gián tiếp.
b. Trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử
- Chất bán dẫn trong điều kiện thường, khi hấp thụ năng lượng từ nguồn bơm ngoài, có số điện tử N2 nằm ở trạng thái bị kích thích (mức E2). Vì vậy bức xạ tái hợp của nó rất yếu và bị tổn hao lớn trong bản thân chất bán dẫn nên bức xạ tái hợp không phát sáng ra ngoài được. Bán dẫn như vậy gọi là bán dẫn không nằm ở trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử.
- Để cho bức xạ tái hợp phát sáng được ra ngoài thì bán dẫn phải tạo được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử, tức là cho N2 > N1. Để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử, người ta áp dụng phương pháp phun các hạt dẫn bằng cách đặt thiên áp điện thuận lên lớp chuyển tiếp P-N của bán dẫn với hàng rào thế năng thích hợp.
c. Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép
- Để nâng cao hiệu suất bức xạ ánh sáng do tái hợp trong lớp chuyển tiếp P-N của bán dẫn chế tạo nguồn phát quang như LED và LD, người ta sử dụng dạng cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép nhiều lớp kết hợp với hiệu ứng giam ánh sáng trong ống dẫn sóng điện môi.
- Nếu cấu trúc chuyển tiếp P-N được xây dựng từ cùng một chất bán dẫn thì được gọi là chuyển tiếp đồng nhất (homo-junction). Trong cấu trúc chuyển tiếp đồng nhất độ rộng vùng cấm EG và chiết suất n của 2 vùng P và N của chuyển tiếp có giá trị
xấp xỉ nhau, có hiệu suất bức xạ ánh sáng tái hợp nhỏ, nên không sử dụng để chế tạo các nguồn phát quang.
- Nếu cấu trúc chuyển tiếp P-N được xây dựng từ hai chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm EG khác nhau thì được gọi là chuyển tiếp dị thể. Cấu trúc chuyển tiếp dị thể có thể là dạng P-N, N-P hoặc P-P.
Trong cấu trúc chuyển tiếp dị thể độ rộng vùng cấm EG và chiết suất n trong hai vùng P và N có giá trị khác nhau. Người ta xây dựng cấu trúc chuyển tiếp dị thể nhiều lớp để tăng hiệu suất bức xạ tái hợp và giam ánh sáng trong vùng hoạt tính theo hiệu ứng ống dẫn sóng điện môi. Vì cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép bao gồm 3 vùng là: vùng kẹp giữa hai chuyển tiếp gọi là vùng hoạt tính, hai vùng hai bên gọi là vùng vỏ.
- Vùng hoạt tính của chuyển tiếp dị thể kép làm từ bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp như GaAs (cho dải sóng 0,7 – 0,87 μm) và InGaAsP (cho dải sóng 1,2 – 1,7 μm) chọn sao cho có độ rộng vùng cấm EG nhỏ hơn so với EG của hai vùng vỏ, nhưng chiết suất n của nó lại lớn hơn chiết suất của hai vùng vỏ, để cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép ba lớp này tạo ra dạng giống như ống dẫn sóng điện môi. Nhờ sự phản xạ toàn phần tại mặt phân chia giữa vùng hoạt tính và vùng vỏ hai phía trên và dưới cho phép giam ánh sáng bức xạ tái hợp phát ra chỉ truyền dọc trong vùng hoạt tính (bị giam) mà không truyền ra hai vùng vỏ, giảm được tổn hao, nên nâng cao hiệu suất bức xạ.
Ngoài ra do độ rộng vùng cấm EG của vùng hoạt tính chạn nhỏ hơn so với độ rộng vùng cấm của hai vùng vỏ nên cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép này tạo ra dạng hàng rào thế năng thích hợp cho phép phun được một số lượng rất lớn các hạt dẫn đi vào trong vùng hoạt tính nhờ đặt thiên áp thuận, nên tạo ra được trạng thái nghịch đảo nồng độ điện tử cao, làm tăng đáng kể hiệu suất bức xạ ánh sáng do tái hợp. Độ dày của vùng hoạt tính rất mỏng cỡ từ 0,3 - 1 μm.
- Hai vùng vỏ của chuyển tiếp có thể chế tạo từ bán dẫn vùng cấm loại trực tiếp hoặc gián tiếp nhưng có cấu trúc mạng tinh thể thích hợp với bán dẫn làm vùng hoạt tính.
- Để tạo sự tiếp xúc điện tốt sát hai bên vùng vỏ của chuyển tiếp dị thể người ta còn làm thêm hai vùng dẫn khác phù hợp gọi là lớp tiếp xúc và lớp nền. Hình dưới đây
mô tả cấu trúc tiết diện và giàn đồ năng lượng của chuyển tiếp dị thể kép gồm 5 lớp có vùng hoạt tính là bán dẫn GaAs.
Hình2. 14: Cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép
2.4.3.LED (Light Emitting Diode) – Diode bức xạ ánh sáng
a. Cấu trúc và nguyên tắc làm việc
- Các diode bức xạ ánh sáng LED dùng làm nguồn quang trong thông tin quang được cấu tạo từ chất bán dẫn với cấu trúc chuyển tiếp dị thể kép 5 vùng như ở hình 2.14.
- Nguyên tắc phát ánh sáng của LED là bức xạ ánh sáng do tái hợp tự phát trong vùng hoạt tính khi lớp chuyển tiếp dị thể kép đặt dưới một thiên áp thuận (dương đặt lên Anot).
- LED bao gồm hai loại chính là SLED (Surface emitting LED) – LED mặt và ELED (Edge LED) – LED cạnh.
+ SLED còn được gọi là LED Burrus, ánh sáng phát ra của LED này đi từ vùng hoạt tính qua lớp vỏ ra phía mặt và được ghép vào sợi quang gắn liền với nó qua vùng lòng chảo của lớp nền và chất keo gắn có cùng chiết suất với lớp nền.
Hình2. 15: Cấu trúc tiết diện của một SLED
+ ELED có cấu trúc dạng khối chữ nhật giống như Diode Laser. Ánh sáng của nó phát ra truyền dọc vùng hoạt tính và đi ra một cạnh, còn cạnh đối diện sẽ phản xạ toàn phần ánh sáng.
Hình2. 16: Cấu trúc khối của một ELED b. Các đặc trưng kỹ thuật của LED
Giản đồ cường độ bức xạ ánh sáng của LED mô tả đặc trưng hướng của ánh sáng bức xạ của nó được ký hiệu là J(θ). θ là góc lập từ hướng nhìn với pháp tuyến mặt lớp chuyển tiếp. Độ rộng giản đồ bức xạ là góc lập bởi hai đường thẳng nối từ gốc tọa độ đến các điểm có giá trị bằng ½ giá trị cực đại.
+ Giản đồ bức xạ của SLED có dạng cosθ (dạng Lambertian), nên có độ rộng θ=1200.
+ ELED có giản đồ bức xạ hẹp hơn, độ rộng của giản đồ bức xạ trong hai mặt phẳng song song J(θss) và vuông góc J(θvg) có giá trị khác nhau.
- Phổ bức xạ
Phổ bức xạ của LED có dạng liên tục vì ánh sáng phát ra của nó là ánh sáng bức xạ tự phát không kết hợp. Mật độ phổ công suất của LED phân bố liên tục trong một vùng bước sóng khá rộng. Độ rộng đường phổ là khoảng bước sóng Δλ ứng với giá trị bằng ½ giá trị cực đại của đường mật độ phổ công suất.
Độ rộng phổ của LED có giá trị khác nhau ứng với bước sóng làm việc khác nhau. Bước sóng đỉnh của phổ bức xạ của LED được tính theo biểu thức sau:
( ) ( )ev m E E hC G G µ
λ = ≈ 1,240 . Nói chung phổ của SLED rộng hơn phổ bức xạ của ELED.
Hình2. 17: Độ rộng phổ bức xạ của ELED và SLED