Параметры и характеристики СИД

В случае излучательного перехода излучается квант света с энергией W_ф примерно равной ширине запрещенной зоны полупроводниковой структуры W_g. Длина волны излучения l₀ связана с энергией фотона W_ф соотношением

. (5.5)

Значения величин W_g для используемых на практике материалов ИИ и соответствующие им средние длины волн излучения приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

В правой части величина (3kT) подставляется в эВ, тогда Dl получится в мкм. При комнатной температуре kT = 0.026 эВ и тогда:

для l = 0,85 мкм Dl » 45 нм;

для l = 1,3 мкм Dl » 100 нм;

для l = 1,55 мкм Dl » 150 нм.

Рис. 5.9. Относительные спектральные характеристики излучения p-n переходов

Относительные спектральные характеристики излучения различных p-n переходов (рис. 5.9) могут быть приближенно описаны выражением

. (5.7)

С ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника и увеличивается средняя длина волны излучения l₀ СИД. Смещение l₀обычно составляет 0.2 нм/ºС.

Важной характеристикой СИД, как элемента электрической цепи, является его вольтамперная характеристика, которая аналогична характеристике диода и имеет вид

, (5.8)

где I₀ - тепловой обратный ток; - температурный потенциал; e = 1.602×10^-19 - заряд электрона, Кл; k = 1.38×10^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К; m - коэффициент рекомбинации, зависящий от электрофизических свойств полупроводника. (для Ge m = 1, для Si m = 2, для GaAs m = 3).

На рис. 5.10 приведены вольтамперные характеристики p-n переходов для наиболее распространенных материалов.

Рис. 5.10. ВАХ p-n переходов

Ток I₀ называют тепловым обратным током в соответствии с механизмом его образования и сильной зависимостью от температуры. Функцию I₀(T) характеризуют температурой удвоения T_y, то есть приращением температуры, вызывающим удвоение тока

, (5.9)

где - средняя температура перехода, K; W_g - ширина запрещенной зоны, эВ. Для заданной температуры тепловой ток определяется из выражения:

, (5.10)

где - изменение температуры.

Ваттамперная, излучательная или модуляционная характеристика ИИ - зависимость мощности излучения от его прямого тока. Типичная статическая излучательная характеристика СИД приведена на рис. 5.11 (экспериментальные данные).

Рис.5.11. Излучательная характеристика СИД.

Излучательная характеристика СИД линейна в рабочей области. При малых и больших токах наблюдаются отклонения от линейности. Поток излучения с ростом температуры уменьшается. Мощность излучения уменьшается примерно на 1% при увеличении температуры на 1⁰С. Для стабилизации мощности излучения и длины волны излучения можно использовать стабилизацию температуры с помощью микрохолодильников на основе эффекта Пельтье[1].

Рис. 5.12. Использование СИД для аналоговой системы передачи.

СИД обычно используют прямую модуляцию током накачки. Благодаря практически линейной модуляционной характеристике их можно использовать для аналоговых систем передачи, выбрав ток I₀ в рабочей точке примерно в середине линейного участка модуляционной характеристики (рис. 5.12).

Упрощенная эквивалентная схема излучающего p-n перехода показана на рис.5.13. В схему входит r_б - сопротивление базы диода, которое определяется сопротивлением материала полупроводника, контактов и выводов, r_диф - дифференциальное сопротивление p-n перехода, которое может быть определено из выражения (5.8)

. (5.11)

С увеличением тока через СИД r_диф быстро уменьшается. При токе 10 мА r_диф = 2.6 Ом.

Рис. 5.13. Упрощенная эквивалентная схема излучающего p-n перехода.

В схему также входит С_дф - диффузионная емкость, для которой при справедливо

, (5.12)

где k = 0.5 ‑ 1 - коэффициент, зависящий от толщины базы W_Б (k_x = 0.5 для и k_x = 1.0 для ), где L_p – длина диффузии; t_эфф - эффективное время диффузии (время жизни, с) неосновных носителей в базе, которое можно определить по выражению:

, (5.13)

где e - заряд электрона, d – толщина активного слоя, см; j – плотность инжектируемого тока, А/см²; B – коэффициент излучательной рекомбинации, см³/с; значения которого для различных материалов приведены в табл. 5.2. Эффективное время диффузии уменьшается с увеличением тока накачки

Таблица 5.2

Рис. 5.14. Семейство амплитудно-частотных характеристик СИД при малых входных сигналах

Для определения АЧХ при малых сигналах найдем из (5.11-5.13) постоянную времени источника излучения t_ии, полагая, что выходная мощность излучения пропорциональна току, протекающему через в эквивалентной схеме рис. 5.13:

, (5.14)

где S – площадь поперечного сечения базы, см², I₀– среднее значение тока через p-n переход.

В первом приближении амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) СИД при малых сигналах может быть представлена в виде

. (5.15)

На рис.5.14 показано семейство АЧХ СИД при малых сигналах для различных значений среднего тока через p-n переход. Видно, что с увеличением среднего тока через СИД его полоса пропускания возрастает.

Конструкции СИД

а)
б)

Рис. 5.15. Конструкции светодиодов:
а – с поверхностным излучением (светодиод Барраса), б - с торцевым излучением

По конструкции различают СИД с поверхностным излучением и торцевым излучением. Конструкция поверхностного излучателя Барраса показана на рис. 5.15а. Путем создания углубления в кристалле оптическое волокно, в которое вводится излучение, может быть вплотную приближено к активной области СИД. Это повышает эффективность ввода излучения в ОВ. Для дальнейшего увеличения эффективности необходимо уменьшать площадь активной излучающей области, уменьшать расходимость выходящих лучей с помощью фокусирующих элементов, наносить антиотражающие покрытия. Следует знать, что фокусирующие элементы (линзы, фоконы, граданы) могут улучшить эффективность ввода излучения в ОВ за счет уменьшения расходимости лучей от СИД только в том случае, когда диаметр сердцевины волокна больше чем излучающая поверхность СИД.

Уровень мощности света, вводимого в ОВ, обычно не превышает 20 мкВт для градиентного волокна и 2 мкВт для одномодового волокна.

Лучшей эффективностью ввода излучения в волокно характеризуется СИД с торцевым излучением, обеспечивающим ввод до 50 мкВт в градиентное ОВ и до 20 мкВт в одномодовое ОВ. Конструкция торцевого СИД приведена на рис. 5.15б.

Недостатки СИД

При использовании СИД для передачи цифровых сигналов они характеризуются рядом недостатков, основными из которых являются:

1) низкое по современным понятиям быстродействие, ограничивающее максимальную скорость передачи на уровне 100- 500 Мбит/с.

2) широкий спектр излучения, что резко снижает скорость передачи по одномодовым ОВ вследствие хроматической дисперсии;

3) низкая эффективность ввода излучения в оптическое волокно, даже для диодов с торцевым излучением.

Одной из разновидностей СИД являются суперлюминесцентные СИД, которые отличаются большей по сравнению с ЛД стабильностью, линейностью, имеют меньший уровень шумов, но уступают по мощности, эффективности ввода излучения, ширине спектра излучения. По своим характеристикам они занимают промежуточное место между обычными СИД и ЛД.

Лазерные диоды

Когерентность

Главной особенностью ЛД является когерентный характер его излучения. Когерентность характеризует согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени – пространственная когерентность или между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени – временная когерентность. Абсолютно когерентным является монохроматический точечный источник излучения. Степень когерентности реального источника характеризуется временем когерентности t_к и длиной когерентности L_к:

. (5.16)

Излучение СИД является спонтанным. Атомы независимо друг от друга излучают фотоны при переходе электронов с верхних энергетических уровней (из зоны проводимости) на нижние (в валентную зону). Источник излучения состоит из множества атомов. Если каждый атом излучает независимо от остальных, то частота, фаза и направление поляризации различно для всех излучающих атомов, и имеет место некогерентное излучение. Поэтому СИД является некогерентным источником излучения.

Если же колебания всех излучающих атомов протекают согласованно имеет место когерентное излучение. Это возможно только при вынужденной люминесценции.