Модуляционная характеристика светоизлучающего диода

Модуляционной характеристикой называется зависимость промодулированной мощности светоизлучающего диода от частоты модуляции. Модуляция интенсивности излучения светодиодов осуществляется путем модуляции тока инжекции, а полоса модуляции ограничивается временем жизни инжектированных носителей.

Промодулированная мощность оптического излучения светоизлучающего диода выражается как: (8.7)

где P_m(0) –мощность немодулированного излучения, t -рекомбинационное время жизни носителей, f –частота модуляции. На рис.8.7. представлен пример модуляционной характеристики светоизлучающего диода:

Рис.8.7. Вид модуляционной характеристики светоизлучающего диода.

Под полосой модуляции подразумевается верхняя граничная частота модуляционной характеристики f_гр на рис.8.7. Полоса модуляции обычно определяется по частоте, на которой обнаружительная способность уменьшается вдвое, т.е. из (8.7.) получим:

, (8.8)

где t_сп и t^* - времена излучательной и безызлучательной рекомбинаций.

Излучательная рекомбинация 1/t_сп выражается формулой:

(8.9)

где р₀ -концентрация легирующей примеси, n -концентрация инжектированных носителей, B=(5×10^-11¸2×10^-10) см^-3/с - коэффициент рекомбинации.

При концентрациях р₀³10¹⁹ см^-3 быстродействие светоизлучающего диода достигает несколько сотен мегагерц. Однако при этом возрастают безызлучательные рекомбинации, и уменьшается КПД светового излучения.

8.6 Параметры и электрические характеристики
светоизлучающего диода

К основным параметрам светоизлучающего диода относятся:

l_max - длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики; Р - мощность излучения; Dl -ширина спектральной характеристики по уровню 0,5 максимума мощности; t_ф, t_с –времени нарастания и спада импульса излучения, определяют быстродействие светоизлучающего диода; U_пр - постоянное прямое напряжение; I_пр - постоянный прямой ток; Ф(q) -диаграмма направленности.

Светоизлучающий диод как элемент электрической цепи постоянного тока характеризуется вольт - амперной характеристикой (рис.8.8.). Различные светоизлучающие диоды имеют различные вольт - амперные характеристики.

Различия прямых ветвей вольт - амперной характеристики связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов.

Рис 8.8. Вольтамперные характеристики светоизлучающих диодов:

1 – GaAs, 2 – GaP, 3 – SiC.

Параметры светоизлучающего диода сильно зависят от температуры. С ростом температуры l_max смещается в сторону длинных волн, что связано с уменьшением ширины запрещенной зоны Е_g. Сила света светоизлучающего диода I_c(T) изменяется с ростом температуры по экспоненциальному закону: I_c(T)=I_c0 exp[-TKI(T-T₀)], (8.10)

где I_с0 -сила света при комнатной температуре, TKI -температурный коэффициент силы света.

8.7 Конструкции излучающего диода и эффективность связи
с волоконным световодом

Излучающие диоды в соответствии с частотным диапазоном подразделяются на инфракрасные излучающие диоды и на светоизлучающие диоды. Рассмотрим некоторые конструкции светоизлучающих диодов.

По способу вывода излучения излучающие диоды подразделяются на диоды с поверхностными излучателями и на диоды с торцевыми излучателями.

В светоизлучающем диоде с поверхностным излучателем свет излучается в направлении, перпендикулярном поверхности перехода и его конструкция имеет вид, приведенный на рис.8.9:

Рис. 8.9. Конструкция диода Барраса: 1 –эпоксидная смола, 2 –омический кониакт, 3 –излучение, 4 –волоконный световод, 5 – подложка n-GaAs, 6 –активный слой, выращенный p –слой, 8 –омический контакт, 9 –теплоотвод.

Для вывода излучения через поглощающую подложку на арсениде галлия в GaAs светоизлучающего диода в подложке вырезается круглое отверстие и вводится оптическое волокно. Такую конструкцию диода называют диодом Барраса. Область светового излучения обычно представляет собой круг диаметром 50¸75 мкм. Плотность тока накачки лежит в пределах 5¸15 кА¤ см².

В светоизлучающем диоде с торцевыми излучателями вывод излучения осуществляется непосредственно с торца через активный слой. Так как в активном слое имеет место сильное самопоглощение, то его КПД ниже, чем у диодов Барраса.

Спонтанное оптическое излучение светоизлучающего диода является изотропным, поэтому пучок света имеет форму, расширяющуюся в плоскости и для заданного угла q может быть представлена законом Ламберта. Интенсивность падает вдвое при угле q=120⁰. При таких углах расходимости эффективность связи с оптическим волокном мала и появляются потери связи светоизлучающего диода с оптоволокном. Эти потери снижаются пропорционально квадрату числовой апертуры оптоволокна (числовая апертура NA=n₁ =n₁Sinq_c, D=(n₁-n₂)/n₁ - удельная разность показателей преломления сердцевины (n₁) и оболочки (n₂), q_с- максимальный угол, при котором происходит полное отражение - при q >q_c свет не передается по световоду).

Поэтому в оптических системах с использованием излучающих диодов применяется оптическое волокно с большой числовой апертурой.

Если диаметр источника излучения d₁ будет больше диаметра сердцевины волокна d_f, то потери связи будут расти пропорционально (d_f/d₁)² и оптимальным является d₁£d_f.

Эффективность связи можно увеличить, используя линзы. Если сначала сделать d₁<d_f, а затем, используя линзу с кратностью увеличения М=d_f/d₁ увеличить диаметр светового пучка до диаметра сердцевины, то эффективность связи является максимальной и представляется в следующем виде: h_f=M²NA² - для волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и h_f=(1/2)М²NA² - для волокна с градиентным профилем показателя преломления.

Таким образом, эффективность связи в этом случае возрастает пропорционально квадрату кратности увеличения линзы М.

В заключение следует отметить, что излучающий диод – основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной оптоэлектроники. Это обуславливается следующими его достоинствами:

-высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую;

-относительно узкий спектр излучения Dl 10 50 нм для одного типа диодов;

-возможность перекрытия почти всего оптического диапазона диодами различных типов;

-относительно высокая для некогерентного излучателя направленность излучения;

-малые значения прямого падения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость светоизлучающего диода с интегральными схемами;

-высокое быстродействие;

-малые габариты, т.е. возможность технологической совместимости с микроэлектронными устройствами;

-высокая надежность и долговечность.

8.8 Принцип работы
полупроводниковых фотоприемников

Физической основой работы полупроводниковых фотоприемников является поглощение оптического излучения в полупроводниках.

Различают пять основных типов оптического поглощения:

- собственное (фундаментальное) поглощение;

- примесное поглощение;

- поглощение свободными носителями заряда;

- экситонное и решеточное поглощение.

Рассмотрим их подробнее.

a) Собственное поглощение. Собственным называется поглощение, при котором электроны под действием излучения приобретают дополнительную энергию, превышающую или равную ширине запрещенной зоны E_g, и переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Для прямозонных полупроводников коэффициент поглощения a у края собственного поглощения полупроводника имеет вид:

a=A(hn-E_g)^1/2, (8.11)

и для непрямозонного полупроводника a=A^¢(hn-E_g)^3/2 , (8.12)

где А и А^¢ - коэффициенты, зависящие от эффективных масс носителей.

б) Примесное поглощение. При наличии в запрещенной зоне энергетических уровней примесей, обмен носителями заряда между этими уровнями осуществляется фотонами с малой энергией, т.е hn<E_g. Примесные уровни подразделяются на мелкие и глубокие. Глубокими называются уровни, вероятность термической ионизации которых при комнатной температуре мала. Они играют большую роль в определении свойств фотоприемников. Коэффициент примесного поглощения равен:

a=8.3·10^-17 m₀N/m_n*nE_a , (8.13)

где N - концентрация атомов примесей; n - показатель преломления; E_a - энергия активизации примесного уровня; m_n*- эффективная масса электрона.

в) Поглощение свободными носителями. Поглощение свободными носителями обусловлено электронными переходами внутри разрешенных зон, т.е. внутри зоны проводимости и валентной зоны. Это поглощение неселективное. Для фотонов, энергия которых намного меньше, чем ширина запрещенной зоны, т.е. hn << E_g, коэффициент поглощения равен:

(8.14)

где n – концентрация электронов, m_n – подвижность электронов.

Выражение (8.14) справедливо и для случая поглощения свободными дырками.

г) Экситонное и решеточное поглощение. В некоторых полупроводниках наблюдается поглощение экситонами - квазичастицами, состоящими из связанных кулоновским взаимодействием электрона и дырки. Энергия возбуждения экситона меньше ширины запрещенной зоны.

Для полупроводниковых соединений, состоящих из атомов различных типов, например GaAs, наблюдается, так называемое решеточное поглощение. Оно обуславливается поглощением диполями, образуемыми атомами различных типов. Спектр поглощения состоит из ряда пиков и накладывается на поглощение свободными носителями.