8. Зависимость мощности оптического

излучения ПКГ и СИД от тока инжекции

Для ПКГ характерно наличие порогового тока Jпор. При увели чении тока инжекции J выше Jпор начинается процесс генерации оптического излучения. Это связано с тем, что при падении световой волны на полупрозрачное зеркало лишь часть ее отразится обратно. Поэтому усиление света при двойном проходе через полупроводник должно быть таким , чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая волна не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет нарастать от прохода к проходу. Это условие выполняется при J > Jпор. В противном случае световая волна будет затухать. Увеличение J выше Jпор приводит к линейному увеличению мощности излучения.

ВСИД оптическое излучение возникает при спонтанной рекомбинации электронов и дырок в области р-n-перехода сразу после включения тока инжекции, и его мощность линейно растет с увеличением J (рис.4.9). При достаточно большом значении J начинает сказываться тепловой разогрев полу-проводника. Это приводит к движению квазиуровней Ферми в сторону запрещенной зоны, к уменьшению степени вырождения электронов и дырок и соответствующему уменьшению мощности излучения.

9.Спектр излучения

Ширина спектра излучения СИД определяется степенью вырождения носителей заряда в полупроводнике (рис.4.10).

ВПКГ спектр излучения значительно уже. Причина этого заключается в том, что усиление в полосе частот Δν

неодинаково (рис.4.10, кривая 1). На частоте максимального усиления «рождается» большее число фотонов, и при каждом проходе через полупроводник световая волна этой частоты усиливается больше, чем свет других частот. Поэтому при большом числе проходов спустя сравнительно короткое время подавляющее число фотонов будет обладать очень близкими значениями энергии, соответствующей частоте максимального усиления, т.е. происходит сужение спектра индуцированного излучения ПКГ (рис.4.10, кривая 2). На практике спектральные графики строят в зависимости от длины волны излучения. Переход от частоты к длине волны осуществляют, используя соотношение λ = с/ν, где с – скорость света.

10. Расходимость излучения

Расходимость излучения ПКГ определяется соотношением

где λ – длина волны излучения ПКГ; d – характерный размер излучающей области. Так как размер излучающей области в плоскости p-n-перехода составляет примерно 20 мкм, то расходимость излучения в этой плоскости по уровню 0,5 мощности излучения составляет около 20⁰. Расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода, больше и составляет примерно 60⁰, так как размере излучающей области в этой плоскости ≈ 0,5 мкм (рис.4.11).

В СИД спонтанное излучение направлено в разные стороны, поэтому его можно считать изотропным и подчиняющимся закону Ламберта: Ризл ≈ Р_MAXcosφ. Расходимость СИД без применения специальной фокусирующей оптики по уровню 0,5 составляет примерно 60⁰и не зависит от ориентации СИД в пространстве.

П р а к т и ч е с к а я ч а с т ь

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из двух частей: блока управления и блока излучателей с оптическими приборами, которые собраны на одном основании.

На основании, помимо блока излучателей, размещены: подвижная стойка с ручкой для ее перемещения; спектрограф; фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). На подвижной стойке закреплены линза и фотодиод. Блок излучателей с помощью винтов может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Угол поворота в градусах определяется по соответствующим шкалам.

Спектрограф – оптический прибор, предназначенный для спектрального анализа оптического излучения. Излучение фокусируется линзой подвижной стойки на дифракционную решетку, которая отклоняет его на выходную щель. Угол отклонения зависит от длины волны света, поэтому за выходной щелью будет оптическое излучение с длиной волны, определяемым угловым положением дифракционной решетки. Вращение решетки осуществляется винтом, на поверхности которого нанесена шкала в относительных единицах. Градуировочный график перевода показаний шкалы в длины волн (в мкм) прилагается к лабораторной установке.

Излучение после спектрографа поступает в ФЭУ, где оно преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения.

Фотодиод (ФД) на подвижной стойке используется при исследовании расходимости излучения и исследования мощности излучения ПКГ и СИД от тока инжекции.

На лицевой панели блока управления размещены ручки управления установкой и индикаторы. Индикатор «Сигнал» для регистрации электрических сигналов с ФЭУ или ФД, подключение которых осуществляется переключателем «ФЭУ» - «ФД». Так как электрические сигналы пропорциональны мощности излучения, то индикатор регистрирует мощность оптического излучения в относительных единицах.

Индикатор «Ток инжекции» служит для регистрации тока инжекции ПКГ или СИД. Изменение тока от 0 до 400 мА осуществляется ручкой «Ток». С помощью переключателя «ПКГ» - «СИД» с положениями «1»и «2» производится подача напряжения на СИД или ПКГ. Тумблер «ФЭУ вкл.» служит для включения блока питания ФЭУ. Включение ус-тановки в сеть производится тумблером «Сеть вкл.».

Исходное положение ручек управления: ручка регулировки «Ток» - в крайнем левом положении; тумблер блока питания ФЭУ – в положении «Выкл»; переключатель «ПКГ»-«СИД» - в положении «1»; переключатель «ФЭУ» - «ФД» - в положении «ФД». Винтами углового положения блока излучателей установить: угол в горизонтальной плоскости β=0⁰; угол в вертикальной плоскости γ=0⁰. Подвижная стойка сдвинута до упора «от себя». Винт настройки спектрографа в любом крайнем положении.

Порядок выполнения работы

1. Исследование мощности излучения ПКГ и СИД от тока инжекции.

Изменяя ток инжекции через 40 мА, регистрировать показания индикатора «Сигнал». Результаты занести в таблицу. Переключатель «ПКГ» - «СИД» перевести в положение «2». Повторить измерения.

Особо обратить внимание на те токи инжекции, при которых про- исходит резкое изменение мощности оптического излучения.

Переключатель «ПКГ» - «СИД» перевести в положение «1».

1. Исследование расходимости излучения ПКГ и СИД в горизонтальной плоскости.

Установить максимальный ток инжекции. Изменяя угол поворота блока излучателей β от -24⁰до 24⁰через 3⁰, регистрировать показания индикатора «Сигнал». Результаты занести в таблицу. Переключатель «ПКГ» - «СИД» перевести в положение «2». Повторить измерения. Установить угол β = 0⁰.

Переключатель «ПКГ» - «СИД» перевести в положение «1».

3. Исследование расходимости излучения ПКГ и СИД в вертикальной плоскости.

Выполнять аналогично п.2.

4. Исследование спектральной характеристики ПКГ и СИД.

Углы β и γ должны быть установлены на 0⁰. Включить питание блока ФЭУ. Переключатель «ФЭУ»-«ФД» установить в положение «ФЭУ».

Подвижную стойку выдвинуть до упора «к себе». Прогреть блок питания ФЭУ в течение пяти минут.

Вращая винт настройки спектрографа, установить по шкале область положения спектра. Разбить область на 10 равных интервалов. В найденных точках зарегистрировать показания индикатора «Сигнал». По градуировочному графику перевести показания шкалы винта настройки спектрографа в длины волн. Результаты занести в таблицу. Переключатель «ПКГ» - «СИД» перевести в положение «2». Повторить измерения. Выключить установку.

5. По результатам измерений построить четыре графика. Определить, какой из излучателей ПКГ, а какой СИД. Выводы обосновать.

6. Оформить отчет.

Содержание отчета

1. Цель и задачи исследования.

2. Результаты эксперимента в виде таблиц и графиков.

3. Анализ полученных данных и выводы по работе.

Контрольные вопросы

4. Что такое вырожденные полупроводники?

5. Почему вероятность излучательной рекомбинации выше в прямозонных полупроводниках?

60

3. Что такое индуцированная рекомбинация?

4. Принцип действия полупроводникового квантового генератора.

5. Отличия светоизлучающего диода от полупроводникового кван- тового генератора.

6. Почему мощность излучения полупроводникового квантового генератора и светоизлучающего диода падает с повышением темпе-ратуры?

7. Почему спектр излучения полупроводникового квантового ге-нератора уже спектра светоизлучающего диода?

Библиографичексий список

1. Е п и ф а н о в Г.И., М о м а Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. М.: Сов. радио, 1979. 350 с.

2. Ш а л и м о в а В.К. Физика полупроводников. М.: Энер-гоатомиздат, 1985. 391 с.

3. З и С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 т. М.: Мир, 1984. 455 с.

4. Специальный физический практикум / Под ред. А.А Харламова. М.: Изд-во МГУ, 1977. 376 с.

5. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Л.Л. Гольдина. М.: Наука, 1983. 704 с.

6. Л е б е д е в а В. В. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1977. 383 с.

7. Маленькая энциклопедия: Квантовая электроника. М.: Сов. Эн-циклопедия, 1969. 431 с.

8. Б о г д а н к е в и ч О. В., Д а р з н е к С. А., Е л и –

с е е в П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976. 415 с.