54. Лазери з періодичною структурою зворотнього зв'язку.

К лазерам с периодической модуля­цией оптических характеристик относят­ся РОС- и РБО-лазеры ( с распределенной обратной связью и рас­пределенным брэгговским отражателем ) . Про­странственной периодической модуля­ции могут быть подвергнуты любые па­раметры этих лазеров, влияющие на ус­ловие распространения в них электро­магнитной волны: полупроводниковые среды, коэффициент затухания или уси­ления, размеры сечения волновода, фор­ма граничной поверхности и т. д. В ИЛ периодическая структура может быть или совмещена с усиливающим слоем, или расположена за его пределами, вы­полняя по существу роль селективных по частоте многослойных концевых зеркал обычного резонатора. В первом случае — это РОС-лазеры, во втором — РБО-лазе­ры. Лазерные структуры с периодиче­ской модуляцией оптических характе­ристик различаются порядком дифрак­ции, равным целому числу полуволн ла­зерного излучения, укладывающихся на периоде неоднородности. Наиболее удоб­ным методом осуществления РОС явля­ется создание на границе соответствую­щих монокристаллических слоев ди­фракционных решеток с необходимыми параметрами.

В одномодовых лазерах с резонатором Фабри — Перо при изменении темпера­туры всего на несколько градусов длина волны лазерной генерации скачкообраз­но меняется, причем величина скачка равна межмодовому интервалу (1 — 1,5 нм). Лазеры с периодической струк­турой обратной связи характеризуются более слабой (по сравнению с резонато­ром Фабри — Перо) температурной за­висимостью длины волны излучения. При изменении температуры в РБО-лазерах генерируемая мода скачком смеща­ется в другую РБО-моду, а в РОС — из­лучающая мода остается той же.

Важнейшим преимуществом РОС- и РВО-лазеров является способность со­хранять одномодовость и одночастот-ность излучения при высокоскоростной модуляции (f>1 ГГц) и практически 100 %-ную глубину модуляции — такие ИЛ называются «динамически- одномодовыми», что делает их перспек­тивными для высокоинформативных ВОЛС.

55. Р-i-n діоди, лавинно- пролітні діоди.

Благодаря своей относительной простоте и большому числу замечательных свойств полупроводниковые p-i-n структуры нашли применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямительных до фотодиодов и гетеролазеров. Наиболее уверенно pin-диоды заняли свою нишу в ВЧ- и СВЧ-диапазонах для управления уровнем и (или) фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ-мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности , а также в аттенюаторах ВЧ-диапазона.

Структура типичного pin-диода характеризуется тем, что между двумя сильно легированными областями очень низкого сопротивления n+ и p+ находится активная базовая i-область с высоким удельным сопротивлением (типично ri > 100 омсм, и в ряде приборов вплоть до ri = 200–4000 омсм) и относительно большим временем жизни (электронов и дырок) заряда tэфф(~0,1–1,0 мкс). Толщина базы лежит в пределах wi=3–30 мкм, диаметр меза-структур ai=0,05–2,0 мм. В диодах pin-типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к об­разованию одной электронно-дырочной пары, которая в свою очередь при­водит к возбуждению тока в виде смещения одного электрона во внешнем контуре.

Слаболегированный промежуточный слой разделяет более сильно легированные слои n- и р- типа. Промежуточный слой легирован в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочной проводимостью. Поскольку внутренний слой не содержит свободных носителей заряда, то электрические силы в нем будут значительными. При этом образуется обед­ненная зона, сравнимая по ширине с размером диода. Принципиального раз­личия в работе диода p-i-n-типа и диода p-n-типа не существует. Широкий внутренний слой приводит к большей эффективности поглощения фотонов внутри обедненной зоны. В результате падающие фотоны возбуждают ток во внешнем контуре более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, образующиеся внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к соответственно р- и n- областям диода.

Для более эф­фективного протекания процесса преобразования падающих фотонов в но­сители заряда требуется по возможности более широкий внутренний слой. С другой стороны, скорость срабатывания диода уменьшается с ростом ширины этого слоя, поскольку при этом увеличивается время смещения носителей к краям обедненной зоны. В устройстве диода учитывается баланс этих двух конфликтующих факторов для достижения большей эффективности с максимальной скоростью.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p+-n-n+, p+-n-i-n+, m-n-n+ (m-n — переход металл-полупроводник), n+-n-p-p+ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Принцип работы лавинно-пролетного диода рассмотрим на примере p+-n-n+ структуры. Центральная слаболегированная n-область называется базой.

При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой p+-n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n+-перехода к p+-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p+-область, а электроны дрейфуют к n+-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов.

При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3.

Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в направлении n+-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой.

В этом режимое можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p+-области, а электроны — к n+-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза.

Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. Поэтому при работе в режиме с захваченной плазмой контур настраивают на меньшую частоту. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5.

Рассмотрим принципы работы фотоприемика на примере p-i-n фотодиода, для которо­го характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+-и п+-типа (+ означает сильное легирование), рис. 4.7 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением Uo (по сравнению со светоизлучающим диодом). Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку нет свободных носителей в i-слое, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодейст­вие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в р+- и п+-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность и ухудшает быстродействие. По­этому при изготовлении фотодиодов стремятся делать р+- и п+-слои как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.

Принцип работы. Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодио­да является внутреннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+, то у ЛФД добавляет­ся р-слой (p+-i-p-n+), рис. 4.7 б. Причем профиль распределения легирующих примесей вы­бирается так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряжен­ность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются элек­тронно-дырочные пары. Благодаря небольшому полю, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам. При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р-слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффи­циент умножения составляет несколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувствительности p-i-n фотодиодов. Коэффициент умножения М определяется по эмпирической формуле М = l/(l-(U/Ub)n) , где U - напряжение внешнего обратного смещения, Ub - напряжение обратного смещения, при котором наступает, электри­ческий пробой (breakdown) фотодиода - обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, п -число в диапазоне от 3 до 6, рис. 4.11.

ЛФД имеют высокое быстродей­ствие, однако случайная природа ла­винного тока приводит к шуму. В отли­чие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М21'). В результате этого выбира­ется оптимальное значение коэффици­ента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД яв­ляются более высокое рабочее напря­жение по сравнению с p-i-n фотодио­дами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умно­жения. Это требует использования специальной электрической цепи, вы­рабатывающей необходимое рабочее напряжение, а также системы термо­стабилизации.