63359 (Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи), страница 6

а - структура фотодиода; б - распределение заряда в -структуре; в – распределение напряженности поля в структуре; г - распределение потенциала в обратносмещенной

структуре

образом, чтобы обеспечить практически полное поглощение падающего излучения, что позволяет получить высокую квантовую эффективность. Поперечное сечение фотодиода, а также распределение концентраций зарядов, напряженности электрического поля и потенциала в структуре при обратном смещении, представлено на рис. 2.20. Считая в первом приближении поле внутри слоя однородным, можно записать

где - напряжение обратного смещения, приложенное к электродам ФД;

- ширина слоя. Собственную емкость ФД можно представить как емкость плоского конденсатора и записать в виде

где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; го - диэлектрическая проницаемость вакуума; - площадь перехода; - ширина слоя, или, точнее, ширина слоя объемного заряда.

4.5.3 Режимы работы фотодиода

В зависимости от схемы подключения ФД к электрической цепи различают два режима работы ФД: фотогальванический и фотодиодный. Параметры и характеристики ФД в этих режимах имеют некоторые отличия. Режим включения, когда внешний источник питания смещает -переход ФД в обратном направлении, называется фотодиодным. Принципиальная схема включения диода в этом режиме представлена на рис. 2.21. Схема характеризуется наличием источника ЭДС С/Ип, напряжение которого приложено к диоду в обратном направлении и нагрузочным резистором с которого

снимается выходной сигнал При включении ФД в обратном смещении

ток, протекающий через фотодиод-, равен

где - напряжение, приложенное к

ФД (с учетом знака); - фототок

(см.(2.46)). При достаточно большом обратном напряжении экспоненциальный член становится достаточно малым и тогда

Описать электрическую схему (рис. 2.21) можно следующим соотношением:

Воспользовавшись формулами (2.51)—(2.53), легко построить нагрузочную прямую на графике семейства вольт-амперных характеристик ФД (см. рис. 2.22). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и соответствующей данному потоку ветви характеристики ФД. Максимальный поток излучения, который можно зарегестрировать при заданных определяется пересечением нагрузочной кривой с осью ординат. В аналитической форме это можно записать следующим образом:

где . - токовая чувствительность ФД; - максимальный поток излуче-

ния, который может зарегистрировать ФД в фотодиодном режиме.

Необходимо отметить, что фотодиодный режим работы является линейным, так как ток, протекающий через ФД и напряжение на нагрузке прямопропорциональны потоку излучения.

Если ФД не имеет внешнего источника питания, он работает как преобразователь энергии светового излучения в электрическую и эквивалентен генератору, характеризующемуся напряжением холостого хода или током короткого замыкания Схема включения ФД в фотогальваническом режиме приведена на рис. 2.23. Вольт-амперные характеристики для диода, включенного в фотогальваническом режиме, приведены на рис. 2.24. Чтобы получить основные соотношения для фотогальванического режима, вспомним формулу (2.46) для р-п-перехода под действиием потока излучения, которую можно переписать в следующем виде:

где - напряжение ненагруженного ФД, которое фактически равно изменению потенциала барьера -перехода Таким образом, получаем

Из формулы (2.56) следует, что пои малой облученности, т.е. пр! зависимость напряжения на ФД от фототока, а следовательно, и от потока излучения близка к линейной

При больших значениях облученности, когда , эта зависимость - логарифмическая

Нагрузочная прямая для фотогальванического режима описывается формулой

5 . ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1 Виды генерации оптического излучения

Можно выделить два основных вида: генерация в результате нагревания, иначе говоря, тепловое излучение; люминесцентное излучение.

Тепловое излучение присуще всем нагретым телам и хорошо изучено. Спектр излучения (светимость) физического тела, нагретого до определенной температуры описывается формулой Планка

Анализ формулы (3.1) показывает, что при температуре, близкой к комнатной, или при незначительном нагреве спектр излучения тела практически целиком лежит в ИК-области. При нагреве тела до значительной температуры (1000 К) происходит все большее смещение максимума теплового излучения в видимую область спектра при увеличении светимости.

Типичным примером теплового излучателя может служить электрическая лампа накаливания. Однако такие недостатки, как высокая инерционность, низкий КПД, отсутствие направленности, очень широкий спектр излучения, а также хрупкость и несовместимость с технологией ИС привели к тому, что тепловые излучатели находят ограниченное применение в опто-электронике, обычно в некоторых типах оптронов и оптронных схем.

Основу современной оптоэлектроники составляют люминесцентные генераторы оптического излучения. Явление люминесценции известно уже более полувека, однако лишь в последние два десятилетия наблюдалось бурное развитие приборов на ее основе. Существует несколько видов люминесценции, из которых наиболее важными представляются электро- и фотолюминесценция. В первом случае возбуждение атомов вещества происходит под действием электрического поля, а во втором - путем поглощения более коротковолнового оптического излучения. Электролюминесценцию можно, в свою очередь, разделить на два вида: катодолюминесценция, которая вызывается свечением люминофора под действием ускоренных в электрическом поле заряженных частиц и широко применяется в различных типах вакуумных и газоразрядных приборов; и инжекционная люминесценция, происходящая за счет излучения фотонов электронами при изменении их энергетического состояния, вызванного протеканием электрического тока. В этом разделе будет рассмотрена инжекционная люминесценция и приборы, работающие на ее основе, такие, как светодиоды и инжекционные лазеры.

5.2 Светодиоды

Светодиодом или светоизлучающим диодом (СИД) называется полупроводниковый прибор с переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение.

5.2.1 Основные параметры и характеристики светодиодов

Параметры и характеристики СИД можно разбить на две группы: к первой отнести величины, характеризующие светодиод как генератор оптического излучения, а ко второй - параметры, определяющие рабочие режимы. Кроме того, следует помнить, что в зависимости от назначения, например для индикаторных светодиодов, ИК-диодов, излучательных диодов для ВОЛС, может несколько изменяться система параметров и характеристик, приводимых в паспорте прибора. Рассмотрим последовательно основные параметры и характеристики СИД.

1. Сила света - обычно приводится при заданном значении прямого тока через диод и измеряется в канделах. Аналогичным параметром для ИК-диодов является мощность излучения которая опреде ляется как поток излучения определенного спектрального состава, излучаемый СИД при заданном прямом токе, и измеряемый в ваттах. Для быстро действующих ИК-диодов воз можно задание импульсной мощности излучения

2. Световая характеристика СИД - зависимость силы света от прямого тока, т.е. Графики зависимости для некоторых типов светодиодов приведены на рис. 3.6. Как видно из приведенных зависимостей, на начальном участке при малых токах зависимость силы свет

а

Рис. 3.7. Зависимости мощности излучения (а) и импульсной мощности излучения (б) в отн. ед. от протекающего прямого и импульсного прямого тока соответственно (показаны зоны разброса и усредненная кривая)

от протекающего тока существенно нелинейна из-за сильного влияния безиз-лучательных процессов. При значительных уровнях протекающего тока характеристика становится более линейной; обычно рабочая область выбирается именно на этом участке.

Для светодиодов ИК-диапазона аналогичную роль выполняет ватт-амперная характеристика, показывающая зависимость мощности, излучаемой диодом, от протекающего прямого тока , а для некоторьгх приборов приводится

также зависимость импульсной мощности излучения от амплитуды импульса прямого тока (рис. 3.7).

Как видно из рис. 3.7, ватт-амперные характеристики ИК-светодиодов более линейны по сравнению со световыми характеристиками диодов видимого спектрального диапазона. Линейность сохраняется, за исключением малого начального участка, вплоть до очень высоких импульсивных токов инжекции. Это объясняется тем, что для ИК-светодиодов подбирают исключительно материалы с прямозонной структурой, в то время как в светодиодах видимого спектра часто используют непрямозонные полупроводники с легирующими присадками.

3. Спектральная характеристика СИД - выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света. Вид спектральной характеристики обычно целиком определяется материалом активной области светодиода и характером легирующих примесей. Спектральные характери стики современных светодиодов, изготовленных из различных материалов,приведены на рис. 3.8 [44].