Конструкция и параметры инжекционных лазеров

Инверсную населенность в инжекционном лазере с p – n переходом легче получить, если одна из областей диода вырождена, т.е. содержит большую концентрацию примеси. При прямом смещении p – n перехода ток через него состоит из электронной и дырочной составляющих. Чем больше величина тока через p – n переход, тем лучше выполняется условие инверсной населенности. Наименьший ток, при котором преобладает вынужденная рекомбинация, называется пороговым током.

Если ток через p – n переход превышает пороговый, то p – n переход становится лазерной активной средой, способной усиливать свет, распространяющийся в плоскости p – n перехода. Чтобы такой лазерный усилитель превратить в генератор излучения необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Таким звеном ПОС в лазере служит оптический резонатор, простейший из которых состоит из двух зеркал, обеспечивающих многократное прохождение волны излучения через активную среду. Для вывода излучения из полупроводника зеркала делают прозрачными. Обычно две противоположные грани монокристалла полупроводника делают строго параллельными и тщательно отполированными (рис. 10а). Необходимый коэффициент отражения от торцов можно получить без их металлизации, поскольку большой коэффициент преломления полупроводников обеспечивает отражение до 35% квантов света. После многократного отражения от полированных торцов и многократного прохождения вдоль p – n перехода свет выходит из полупроводника (рис.10б).

Рис.10: 1-активная среда с инверсной населенностью; 2 – отражающие поверхности полупроводника.

Кванты света, направленные строго перпендикулярно торцам кристалла, могут многократно пройти через активную область и создать большую лавину квантов света. Две другие грани полупроводника делают скошенными под некоторым углом, чтобы исключить появление генерации света между ними. Все кванты

света, которые начинают движение не перпендикулярно к торцам p – n перехода выходят из лазерной активной области и не участвуют в создании вынужденной рекомбинации.

Материалом для инжекционных лазеров служат арсенид галлия, твердые растворы арсенид – фосфид галлия GaAs_1-xP_x, арсенид индия, фосфид индия и другие полупроводники. Наибольшее распространение получил арсенид галлия.

Параметры лазера делятся на пространственно – временные и энергетические. В группе пространственно – временных выделяют следующие параметры:

1) частота лазерного излучения – средняя частота (или длина волны) спектра лазерного излучения;

2) ширина линии лазерного излучения d_n - расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;

3) расходимость лазерного излучения q_р – плоский или телесный угол, определяющий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;

4) время готовности лазера t_гот – время, необходимое для достижения лазером эксплуатационных (номинальных) параметров с момента его включения.

К энергетическим параметрам лазера относятся энергия и мощность лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера. Мощность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии во времени.

Еще один энергетический параметр – это порог генерирования лазера, или пороговая плотность тока, существенно зависящая от температуры лазера.

Фотоприемники

Фотоприемники – это ОЭПП для преобразования энергии оптического излучения в электрическую.

Два типа внутреннего фотоэффекта, - фоторезистивный и фотогальванический, - определяют и два типа фотоприемников. Первый из них используется в фоторезисторах, второй - в фотодиодах, фототранзисторах и фототиристорах, содержащих внутренние потенциальные барьеры.

Фоторезисторы

Фоторезисторами называют полупроводниковые резисторы, работа которых основана на фоторезистивном эффекте.

При облучении полупроводника фоторезистора фотонами в его фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него проходит дополнительный ток – фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей. Электронная составляющая фототока:

,

где: а – толщина фоточувствительного слоя полупроводника; b – его ширина; - расстояние между электродами; R – коэффициент отражения; a - показатель поглощения; h - квантовая эффективность генерации; N_ф – число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени.

Фототок создается прохождением через фоторезистор и внешнюю цепь электронов. Число электронов, созданных в объеме фоточувствительного слоя поглощенными им фотонами, равно . Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в полупроводнике электронов называется коэффициентом усиления фоторезистора:

Произведение подвижности электронов m_n на напряженность электрического поля Е есть скорость дрейфа электронов, которую можно представить отношением (расстояния между электродами к времени пролета t_прол носителей между электродами). Тогда

При наличии в фоточувствительном слое некоторых примесей, являющихся ловушками захвата для неосновных носителей, эффективное время жизни неравновесных основных носителей t_n может значительно превышать t_прол. В этом случае поглощение одного фотона станет причиной прохождения через фоторезистор многих электронов.

Основная часть фоторезистора – полупроводниковый фоточувствительный слой, выполненный в виде моно- или поликристаллической пластинки или пленки полупроводника нанесенной на диэлектрическую подложку. Материалом для фоторезисторов служат сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя между электродами называют рабочей площадкой. Площадь рабочей площадки различных фоторезисторов может составлять от десятых долей до десятков квадратных миллиметров. Подложку вместе с фоточувствительным слоем и электродами помещают в пластмассовый или металлический корпус.

Фотодиоды

Фотодиодом называется фотоприемник, работающий на основе фотогальванического эффекта и фоточувствительный элемент которого имеет обратносмещенный p – n переход.

При поглощении квантов света в p – n переходе или в прилегающих к нему областях образуются электронно – дырочные пары носителей. Неосновные носители в каждой из областей p – n структуры диффундируют к p – n переходу и проходят через него, если они возникли на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега от перехода. Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освеще нии. Аналогичный процесс происходит при поглощении света в самом p – n переходе. Приращение обратного тока диода при его освещении называют фототоком I_ф. Он имеет две составляющие: дырки, возникшие в n – области, пройдя p – n переход попадают в p – область и «заряжают» ее положительно относительно n – области, и электроны из p – области аналогично «заряжают» n – область отрицательно относительно p – области (рис.11).

Поэтому на первоначально созданное поле запертого p – n перехода Е₀ накладывается поле избыточных фотоносителей Е_ф, которое называют также фото ЭДС. Очевидно, что Е_ф должно быть меньше Е₀, так как разделение носителей возможно только при наличии некоторого потенциального барьера DЕ = Е₀ - Е_ф. Уменьшение высоты потенциального барьера ухудшает “разделительные свойства” p – n перехода.

Существует два режима работы фотодиода. В фотогальваническом режиме не используется источник внешнего напряжения (рис.12а), т.е. фотодиод является генератором фото ЭДС.

Выражение для тока фотодиода получается из схемы замещения фотодиода в фотогальваническом режиме рис.12б:

, (2.9)

При разомкнутой внешней цепи (R=¥, I_фд = 0) из (2.9) и схемы замещения имеем I_ф = I_pn. А из (2.9) легко получить напряжение на переходе при холостом ходе, равное фото ЭДС:

(2.10)

где: I_ф – фототок; R – сопротивление нагрузки; I_pn – ток p – n перехода; U – напряжение на диоде; I₀ – тепловой ток p – n перехода; j_Т – температурный потенциал; I₀(e^U/jT - 1) – уравнение ВАХ p – n перехода.

При коротком замыкании в нагрузке (R = 0) напряжение на фотодиоде U = 0, а ток фотодиода I_фд= I_к = I_ф.

В фотодиодном режиме (рис.12в) последовательно с фотодиодом включен источник обратного напряжения Е_обр. Потенциальный барьер при этом возрастает и ток через переход I_pn будет определятся током I₀, протекающем через переход, когда излучения нет. Ток фотодиода при этом

(2.11)