1. Контрольные вопросы

   1. Объясните физический принцип работы инжекционного лазера.

   2. Укажите основные отличия инжекционного лазера от других типов лазеров.

   3. Приведите основные характеристики и параметры инжекционного лазера и укажите их сущность.

   4. Объясните зависимость порогового тока инжекционного лазера от температуры.

1. Лабораторная работа “Измерение фотоэлектрических характеристик p-I-nфотодиода”

1. Задачи лабораторной работы

Измерить вольт-амперную характеристику p-i-nфотодиода при разных мощностях оптического излучения и его энергетическую характеристику, определить монохроматическую токовую чувствительность фотодиода и критическую мощность излучения.

2. Основные характеристики и параметры p-i-nфотодиодов в стационарном режиме

В стационарном режиме p-i-nфотодиод описывается вольт-амперной, энергетической и спектральной характеристиками.

1. Вольт-амперная характеристикаотражает зависимость общего токаI_PDчерезp-i-nфотодиод (фототокаI_phи темнового токаI_d) от приложенного напряжения смещенияU_bias(Рис. 2.2.).

Темновой ток– постоянный ток, протекающий через фотодиод в отсутствие оптического излучения. Темновой ток определяет минимальную мощность оптического излучения, детектируемуюp-i-nфотодиодом.

Пробивное напряжение U_br– значение напряжения обратного смещения, при котором происходит пробойp-i-nфотодиода.

2. Вольт-амперные характеристики p-I-nфотодиода при различных уровнях мощности оптического излучения

3. Энергетическая характеристикаотражает зависимость фототокаp-i-n фотодиода от мощности оптического излучения (Рис. 2.4.).

Монохроматическая токовая чувствительностьS_Iопределяется отношением изменения электрического тока на выходеp-i-nфотодиода к величине изменения мощности монохроматического оптического излучения:

1. . (3.1)

Теоретически максимально возможная токовая чувствительность p-i-nфотодиода определяется по формуле.

2. (3.2)

где e– заряд электрона,h– энергия фотона,λ– длина волны в микрометрах.

Критическая мощность излучения P_max– максимальная мощность оптического излучения, при которой отклонение энергетической характеристикиp-i-nфотодиода от линейного закона достигает заданного уровня (обычно на уровне 0.8).

4. Энергетическая характеристика p-I-nфотодиода

5. Спектральная характеристикаотражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны оптического излучения (Рис. 2.6.).

Длина волны максимума спектральной чувствительности₀– длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики.

Спектральный диапазон– диапазон длин волн оптического излучения_min_max, в котором значение чувствительности фотодиода составляет не менее 10% от его максимальной чувствительности. Современныеp-i-nфотодиоды на основе кремния, германия или гетероструктур А^IIIB^Vперекрывают спектральный диапазон длин волн от 0.3 мкм до 3.0 мкм.

6. Относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности p-I-nфотодиода

3. Фотоэлектрические процессы в p-i-nфотодиоде

Благодаря высокой квантовой эффективности и надежности, планарной технологии изготовления и относительно низкой цене p-i-nфотодиоды на основе кремния, германия и соединений А^IIIB^Vявляются наиболее распространенными фотодетекторами. Работаp-i-nфотодиода основана на преобразовании оптического сигнала в электрический сигнал при поглощении фотонов в результате внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Под действием излучения, энергия кванта которого превышает ширину запрещенной зоны, в полупроводнике образуется пара свободных носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Под действием электрического поля, сформированного потенциальным барьеромp-nперехода или напряжением обратного смещения, происходит разделение генерированных оптическим излучением носителей заряда (фотоносителей), в результате чего черезp-i-nфотодиод протекает фототок.

Рис. 3.1. показывает структуру и зонную диаграмму p-i-nфотодиода на основе гетероструктурыp⁺-InP /n⁰-In_0.47Ga_0.53As / n⁺-InP. Широкозонныеp⁺-InP иn⁺-InP (E_{g InP}= 1.35 эВ) слои сильно легированы, а поглощающийn⁰-In_0.47Ga_0.53As (E_{g InGaAs}= 0.74 эВ) слой нелегирован и имеет низкую остаточную концентрацию фоновой донорной примеси 5·10¹⁴5·10¹⁵см^-3. При попадании в фоточувствительную область фотодиода оптического излучения с энергией кванта большей ширины запрещенной зоны In_0.47Ga_0.53As, но меньшей ширины запрещенной зоныInP, что соответствует длинам волн от 0.95 мкм до 1.65 мкм, в InGaAs слое происходит поглощение фотонов и генерация электронно-дырочных пар. Генерированные оптическим излучением в области пространственного заряда электроны и дырки разделяются электрическим полемp-nперехода, причем в обедненной области перенос носителей заряда осуществляется с помощью дрейфового механизма, а носители, появившиеся на расстояниях порядка диффузионной длины по обе стороны отp-nперехода вне области пространственного заряда – с помощью диффузионного механизма.