книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

ББК 32.86 - 5 Л 38

УДК 621.37а 826

зируются характеристики полупроводниковых лазеров, светодиодов при действии совокупности дестабилизирующих факторов и определяются требования к Гене­

раторам их накачки. Исследованы переходные процессы, происходящие в раз­ личных по принципу действия ключевых коммутаторах, приводятся инженерные расчеты по выбору основных параметров оптических передатчиков, а также схемотехнические решения, обеспечивающие требуемые параметры модуляции с применением различных по быстродействию и по принципу действия ключевых элементов. Приведены данные исследований по стабилизации и измерению параметров светового излучения оптических передатчиков.

Рецензент : член-керр. АН СССР В.П.Чеботаев

Томский редакционно-издательскии отдел

ISBN 5 -2 5 6 -0 0 5 1 4 -6 (§ ) Издательство ’’Радио и связь”, 1990

ПРЕДИСЛОВИЕ

Бурное развитие квантовой электроники и широкое внедрение полупровод­ никовых лазеров, светодиодов в системах автоматики, дальнометрии, ближней светолокации потребовали более глубоких исследований по созданию оптических передающих трактов, в которых наибольшее применение получил инжекционный метод накачки, как наиболее простой, обеспечивающий реализацию передатчиков в минимальных габаритах.

Необходимость исследований по выработке конкретных инженерных решений в процессе создания оптических передатчиков связана с решением ряда противоречивых требований к лазерам: обеспечения широкого диапазона изме­ нения тока возбуждения (до 100 А); высокого быстродействия с временем нарастания фронта 5 -10 нс при длительности излучения 1-200 нс; стабильности уровня излучаемой мощности; надежности, минимальных габаритов и веса и т.д. В этом плане задача создания малогабаритных генераторов накачки является одной из определяющих в развитии полупроводниковых лазеров.

В данной книге впервые в систематизированном виде излагаются основные характеристики полупроводниковых излучателей, приводятся различные схемо­ технические реализации с применением разнообразных ключевых элементов и с учетом различных видов модуляции. Рассматриваются физические процессы, происходящие в ключевых элементах, и пути устранения различных деста­ билизирующих факторов в условиях расширенного температурного диапазона их работы. Особое внимание здесь уделено созданию импульсных генераторов инжекционной накачки, в том числе и при длительностях 1-3 нс.

Развитие оптических передатчиков с использованием полупроводниковых излучателей идет по двум основным направлениям. Первое связано с созданием новых, более скоростных малогабаритных токовых ключей, второе - с разра­ боткой схемотехнических решений, позволяющих получить удовлетворительные параметры инжекционной накачки на несовершенной, но относительно недорогой элементной базе. В книге представлены оба эти направления.

Приведенный материал является в основном результатом многолетней работы авторов по созданию малогабаритных генераторов накачки полупровод­ никовых лазеров и других излучателей. Рекомендации по расчету основных узлов опираются как на теоретические и экспериментальные исследования, так и на опыт внедрения их в разработку различной измерительной аппаратуры и систем светолокации. Книга содержит справочный'материал по современной элементной базе: полупроводниковым излучателям, ключевым элементам, фотоприемникам. При изложении материала предполагалось, что читатель знаком с основными положениями светолокации.

Авторы будут признательны за замечания, предложения и отзывы по содер­ жанию книги, которые следует направлять по адресу: 634055, Томск, а/я 2211, Томский редакционно-издательский отдел издательства ”Радио и связь”.

3

Г Л А В А 1

ИНСПЕКЦИОННЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ И ФОРМИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Полупроводниковые излучатели из-за’ малого тела свечения, габаритов, узкого спектра излучения, высокой надежности и долговечности, технологической совместимости с микроэлектронными устройствами и т.д. являются идеальными источниками для большинства передающих устройств, используемых в технике связи, ближней светолокации, системах автоматики и т.д.

Возможность усиления света за счет явления вынужденного излучения указана впервые ВАФабрикантом. Пионерные работы по использованию полу­ проводников для создания лазера были опубликованы Н.Г. Басовым, Б.М.Вулом, Ю.П.Поповым, О.Н.Крохиным в 1959-1960 гг. Бурное развитие по^проводниковых излучателей за прошедший период [1-21] позволило поднять уровёнь мощности на несколько порядков и увеличить температурный диапазон их работы от -1 80 °С до +100 °С.

В настоящее время проблема расширения области применения полупро­ водниковых излучателей связана с обобщением опыта практических разработок

иво многом определяется исследованиями, относящимися к реальному проек­ тированию оптических передатчиков. К последним следует отнести и вопросы, связанные с изучением характера изменения мощности, спектра излучения, длины волны, плоскости поляризации, динамического внутреннего сопротивления

ит.д. при действии совокупности дестабилизирующих факторов, а также с опре­ делением требований к форме излучаемых световых импульсов, условием

формирования диаграмм излучения, согласования его с линией передачи, т.е. с аэрозольной средой, световодами и т.д. Данные исследований позволяют сформировать требования к генераторам накачки, являющимся неотъемлемой частью оптического генератора

Естественно, что без короткого изложения физических процессов, проте­ кающих в полупроводниковых излучателях, невозможно провести анализ поставленных проблем. Передающие устройства нельзя рассматривать без формирующих элементов (фоконов, фоклинов, граданов, оптических объективов, дефлекторов и т.д.), а также среды передачи оптической информации (световоды, системы с изотропным коэффициентом преломления и т^ц).Поэтому, несмотря на многочисленные работы в данном направлении [1-21], коротко остановимся на современном понимании физических процессов в полупроводниковых излу-

чателях, освещая в большей степени практическую сторону. I

1.1. СВЕТОДИОДЫ

Светоизлучающий диод представляет собой некогерентный полупровод­ никовый излучатель, использующий инжекционную электролюминесценцию, объединяющую два процесса - инжекцию носителей и электролюминесценцию.

Под люминесценцией обычно понимают явление электромагнитного нетеп­

4

лового оптического излучения. В светодиодах в основном используется электролюминесценция примесных полупроводников С широкой запрещенной зоной. При электролюминесценции источником энергии возбуждения является элект­ рическое поле. Существует два вида электролюминесценции: инжекционная, которая возникает в р-л переходе, находящемся под прямым напряжением; предпробойная, которая развивается в сильных полях, близких тем, при которых появляется электрический пробой р-л перехода, смещенного в обратном направлении.

Наибольшее применение находит инжекционная электролюминесценция. Рассмотрим в упрощенном виде процесс инжекции при наличии контакта одно­ родных полупроводников с разными типами электропроводности. Воспользуемся моделью работы светодиодов, изложенной в [15]. В обычном состоянии в полу­ проводнике имеет место равновесное распределение носителей (электронов и дырок). Количество электронов на нижних энергетических уровнях всегда превышает количество электронов, находящихся на верхних (возбужденных) уровнях энергии.. Поскольку нижние уровни "заселены” электранами более "плотно”, в такой системе вероятность поглощения падающей извне энергии больше, чем вероятность излучения энергии при обратном переходе на более низкий уровень. Отсюда следует, что квантовая система, находящаяся в состоя­ нии теплового равновесия, не может усиливать падающее на нее излучение.

Рис.1.1. Энергетические зоны полупроводника л-типа и p-типа (в), р-л переход без приложения напряжения (б)

Рис.1.1 Процесс излучения р-л перехода в светодиоде: а - схема включена, б -составляющие электролюминесценции и токов в р-л переходе

Чтобы заставить полупроводник усиливать электромагнитное излучение, нужно нарушить равновесное распределение электронов по уровням и искус­ ственно создать такое распределение (инверсную заселенность уровней), когда число электронов на верхних уровнях больше, чем на нижних.

Применение электронной инжекции предполагает использование р-л пере­ хода В кристалле такого полупроводника* л-область имеет избыток электронов, а р-область - избыток дырок (рис. 1.1,а). При наличии контакта уровень Ферми ц должен быть единым, а это приводит к неизбежному искривлению зон, различию электростатических потенциалов, образованию потенциального барьера

5

(рис. 1.1,6). Равновесие неосновных носителей нарушается при приложении к переходу напряжения в прямом направлении: высота потенциального барьера понижается, р-n переход исчезает. Вследствие исчезновения потенциального барьера электроны и дырки попадают в смежные р- и n-области, где рекомби­ нируют друг с другом, испуская квант электромагнитного излучения. Практически излучающей делают одну из областей р-n перехода Обычно количество инжек­ тированных носителей максимально в излучающей p-области. Соответственно в л-область вводят больше донорной примеси, чем акцепторной в р-область. Поэтому слабогенерированная p-область имеет высокое сопротивлений.. Эта область называется базой. Сильнолегированнал л-область имеет низкое сопро­ тивление и назывется эмиттером, т.е. в излучающей структуре инжекция прак­ тически односторонняя (рис. 12, а,б) с излучением в базовой плоскости [16]. Рекомбинация носителей и соответственно люминесценция происходят в местах нарушения правильной кристаллической решетки - атомах примеси, пустых узлах решетки и т.д., которые называется центрами рекомбинации.

Одно из основных требований к полупроводниковым материалам связано с реализацией широкой запрещеннрй зоны, поскольку максимальная энергия фотонов, излучаемых с базовой (р-областн) плоскости, пропорциональна ширине запрещенной зоны. Поэтому для светодиодов используют такие материалы* как фосфид галлия, карбид кремния, арсенид галлия и т.д. с шириной запрещенной зоны 1,45-5,9 эВ.

Так как материалы излучающих структур имеют широкую запрещенную зону, то в таких структурах преобладающим является ток, вызванный процессами рекомбинации непосредственно в области объемного заряда р-л перехода. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем больше потенциальный барьер, и значи­ тельнее рекомбинация электронов в р-n переходе (рис. 12,6). Эта рекомбинация происходит на глубоких центрах люминесценции с излучением фотона (hv2) и является для светодиодов нежелательной, так как рекомбинационный ток снижает эффективность инжекции электронов, участвующих в излучении со стороны базы.

Будем считать, что рекомбинация обусловлена в p-области током инжекции (диффузная составляющая), а в области объемного заряда связана с реком­ бинационным током. Кроме того, существуют дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией дырок в р-эмиттер,туннельный ток, связанный с переходом носителей через потенциальный барьер, ток утечки по поверхности р-n перехода.Световая генерация из активной p-области, в свою очередь, огра­ ничена потерями, связанными с самопоглощением фотонов (гашением на центрах люминесценции) в n-области, полным внутренним отражением, а также торцевым излучением. Поэтому КПД преобразования электрической энергии в оптическую в светодиодах с учетом совокупности всех потерь не превышает 10%.

Изготовление светодиодов на основе гетероструктур (гетеропереходов) позволяет поднять коэффициент преобразования электрической энергии в опти­ ческую за счет уменьшения токовых и оптических потерь. Гетеропереходом называется переходной слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждая пара полупроводников может образо­ вывать гетероструктуры рш-Пу,* пш-п у; пш-р у; рш-Ру, где ш - полупроводник с широкой запрещенной зоной, у - с узкой.

Энергетическая диаграмма излучающей односторонней гетероструктуры в равновесном состоянии показана на рис. 1.3. При приложении прямого напря­ жения происходит односторонняя инжекция электронов из широкозонного слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу), где и происходит их рекомбинация с дырками.

6

PfSaja п-эмиптер

М«

Рис. 1.3

о оо о

о о О о

• ♦ • •

Основные характеристики светодиодов, выпускаемых промышленностью, представлены в табл. 1.1. Излучаемая мощность колеблется от долей до сотен милливатт, с временем нарастания фронта светового импульса от 10 нс до 1 мкс.

Конструктивные параметры светодиодов, представленные на рис.1.4, должны учитываться при разработке малогабаритных генераторов накачки и передатчиков в целом. Зависимость мощности излучения от прямого тока (излучательная характеристика) представлена на рис. 1.5. При малом токе /„ его основная доля определяется рекомбинационной составляющей. С ростом прямого тока поток излучения быстро увеличивается до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузная составляющая. Дальнейшее увеличение 1Нприводит к

постепенному насыщению центров люминесценции. При очень высоких кон­ центрациях свободных носителей заряда (/ 1щ ^) в полупроводнике увели­

чивается вероятность ударной рекомбинации, т.е. вероятность столкновения трех частиц (например, двух электронов и одной дырки). Энергия рекомбинирующей электронно-дырочной пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которая постепенно теряется при соударении с решеткой. Поэтому излучательная характеристика имеет максимум, положение которого зависит от геометрических характеристик светодиодов (площади и геометрии излучающего р-n перехода, размеров электрических контактов, тепло­ отвода и т.д,)«

Важной особенностью светодиодов является возможность увеличения излучаемой мощности при импульсной накачке. Очевидно, что предельные значения импульсной мощности излучения, импульсного тока накачки опре­ деляются эффектами ударной ионизации, действие которой, в свою очередь, определяется качеством теплоотвода, скважностью и длительностью токовых импульсов. Результаты экспериментальных исследований (рис. 1.6) показывают, что максимум излучаемой мощности зависит от скважности токовых импульсов. Основные зависимости параметров одного из самых мощных светодиодов ЗЛ123А приведены на рис. 1.7.

Повышение тока накачки вместе с увеличением мощности излучения приво­ дит к изменению дифференциального Динамического) сопротивления Яд в соответствиии с вольт-амперными характеристиками (рис. 1.8). Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик и соответственно динамических сопро­ тивлений связано с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых мате­ риалов в рассматриваемых светодиодах. Для обратной ветви вольт-амперных характеристик характерно малое допустимое обратное напряжение (табл. 1.1).

7

Электрод! Электрод2

ЗЛ107А(Б)

C\J

АЛ№А,БУВ

5 <£Г

ЗЛ115А

Рис. 1.4