Исходя из используемых спектральных диапазонов волн оптического излучения (0,8 ¸ 1,6 мкм) и некоторых перспективных участков от 1,6 мкм до 50 мкм можно отметить, что им соответствуют энергии запрещенной зоны 0,1 ¸ 5 эВ, которыми обладают полупроводниковые материалы. Энергетическая модель материала представлена на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13. Энергетическая модель материала

Материал, у которого значение Eg = 0, называют проводником. Если Eg > 5 эВ, то материал называют изолятором.

В процессах взаимодействия излучения с материалом играет роль прежде всего энергетическая структура внешних электронных оболочек, а именно верхнего валентного уровня (Ev) и уровня ионизированного (Ес) – свободного электрона. Электрон, обладающий энергией, соответствующей одному из уровней валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, то он не связан с решеткой и может свободно перемещаться по кристаллу. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход. Наиболее существенными являются переходы из одной зоны в другую, т.к. они сопровождаются качественными изменениями состояния кристалла. Закономерности перехода электронов в разные энергетические состояния и определяют процессы взаимодействия излучения с веществом. В состоянии термодинамического равновесия вероятность нахождения электрона на том или ином уровне (Ес или Ev) определяется функцией распространения Ферми – Дирака

(1.11)

где E_F - уровень Ферми, совпадающий с энергетическим уровнем, для которого эта вероятность составляет 0,5;

К – постоянная Больцмана 1,38 х 10^–23 Дж/К,

Т- температура по Кельвину.

Электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить энергию в виде кванта

(1.12)

где h и f определены в (1.1).

По скорости протекания процессов перехода электронов из одних состояний в другие материалы условно подразделяют на прямозонные и непрямозонные. Это принципиальное разделение материалов на два класса обусловлено тем, что в прямозонных материалах процессы перехода электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность, т.е. выделение или поглощение квантов энергии, а в непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят. Типичными прямозонными материалами являются GaAs, InAs, ZnS, GdS, а непрямозонными – Si, Ge, GaP, SiC. Эти материалы – полупроводники. Прямозонные материалы идут на изготовление прежде всего излучателей, а непрямозонные – на изготовление приемников и волноводов оптического излучения.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри запрещенной зоны могут создаваться дискретные энергетические уровни.

Примесные полупроводники характеризуются измененными энергетическими диаграммами и образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную (рисунок 1.13).

Наибольший интерес для изготовления источников и приемников оптического излучения представляет соединение разнородных примесных полупроводников и образующийся при этом переход между электронной и дырочной областями (рисунок 1.14).

Известно, что прибор, изготовленный из соединения p – n, представляет собой одностороннюю токопроводящую среду – диод. При прямом и обратном смещении p – n перехода за счет внешнего источника напряжения могут наблюдаться явления излучения фотонов при рекомбинации носителей зарядов и поглощения фотонов с образованием носителей зарядов (электронов и дырок).

Рисунок 1.13. Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

В таблице 1.2 представлены характеристики некоторых материалов, применяемых для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов.

Таблица 1.2. Характеристики материалов

I – непрямозонный, D – прямозонный.

Необходимо отметить, что материалы могут иметь и более сложный состав элементов, например: InGaAs, GaAlAs, LiNdP₄O₁₂, InGaAsP и другие.

Для изготовления приборов применяют материалы с шириной запрещенной зоны, соответствующей диапазонам прозрачности стекловолокна (0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм) или оптическим диапазонам (таблица 1.1) и высокой квантовой эффективностью для источников излучения, низкой эффективностью для световодов. При этом предпочтение отдается материалам, пригодным для массового изготовления приборов и безопасных при работе с ними.

Рисунок 1.14. Энергетические состояния полупроводниковых приборов на основе p – n перехода