1.5. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с составом лабораторной установки.

2. Включить приборы в указанном выше порядке.

3. Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

4. Установить при помощи интерфейсной программы температуру лазерного диода 20°С и напряжение питания фотодиода -5 В.

5. Установить при помощи интерфейсной программы ток накачки 0 мА. Подождать пока не установится постоянное значение напряжения на сопротивлении нагрузки фотодиода.

6. Подставив измеренное вольтметром напряжение на сопротивлении нагрузки фотодиода в формулу (1.2), рассчитать мощность излучения лазерного диода.

7. Повторить измерение по пп. 5-6 для различных токов накачки в диапазоне от нуля до максимального значения, установленного интерфейсной программой.

8. Повторить измерения по пп. 5-7 для значений температур 30, 40 и 50°С.

9. Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не менее 5 раз.

10. Произвести расчет ошибок измерений.

11. Построить семейство ватт-амперных характеристик лазерного диода для различных температур.

12. Определить крутизну ватт-амперной характеристики для каждой температуры.

13. С помощью семейства ватт-амперных характеристик лазерного диода для различных температур, построить зависимость порогового тока лазерного диода от температуры.

6. Содержание отчета

Отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать:

• название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

• таблицы с экспериментальными данными;

• расчет ошибок измерений;

• ватт-амперные характеристики лазерного диода при различных температурах;

• значения крутизны ватт-амперной характеристики для каждой температуры;

• график зависимости порогового тока лазерного диода от температуры;

• выводы.

1.7. Контрольные вопросы

1. Объясните физический принцип работы инжекционного полупроводникового лазера.

2. Укажите основные отличия лазерного диода от других типов лазеров.

3. Приведите основные характеристики и параметры лазерного диода и укажите их сущность.

4. Объясните зависимость порогового тока лазерного диода от температуры.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ

ЭПИТАКСИИ P-I-N ФОТОДИОДА И ИЗМЕРЕНИЕ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Задачи лабораторной работы

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

2.2. Теоретическая часть

2.2.1. Фотоэлектрические процессы в p-I-n фотодиоде

Работа p-i-n фотодиода основана на непосредственном преобразовании оптического сигнала в электрический сигнал при поглощении квантов опти­ческого излучения за счет явления внутреннего фотоэффекта в полупровод­никах. Под действием излучения, энергия кванта которого превышает шири­ну запрещенной зоны полупроводника (>E_g), в полупроводнике образует­ся пара свободных носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне (Рисунок 2.1, межзонный переход 1). Под действием элек­трического поля, сформированного потенциальным барьером р-п перехода либо с помощью приложенного внешнего обратного смещения, происходит разделение возбужденных светом носителей заряда (фотоносителей), в ре­зультате чего генерируется фототок.

1 - межзонный;

2 - акцептор - зона проводимости;

3 - донор - зона проводимости;

4 - валентная зона - донор;

5 - валентная зона - акцептор;

6 - акцептор - донор;

7 - экситонный;

8 - внутризонный;

9 - с участием ловушек

Рисунок 2.1. - Механизмы переходов с поглощением света в полупроводнике.

Благодаря высокой квантовой эффективности и надежности, планарной технологии изготовления и относительно низкой цене p-i-n фотодиоды на ос­нове твердых растворов Ini_1-хGa_xAs_уPi_1-у, работающие в спектральном диапазо­не 0.81.65 мкм, являются наиболее распространенными высокоскоростными фотодетекторами в волоконно-оптических системах, где они используются для детектирования и преобразования оптических сигналов, генерации СВЧ колебаний, а также для оптического управления СВЧ устройствами.

Р исунок 2.2 схематически показывает структуру и энергетическую диа­грамму типичного p-i-n фотодиода с гетеропереходом на основе фосфида ин­дия InP. Фотодиод представляет собой гетероструктуру р⁺-InР/п⁰- In_0,47Ga_0,53 As/n⁺-InP. Широкозонные p⁺-InP и n⁺-InP (E_gInP = 1.35 эВ) слои сильно легированы, а поглощающий In_0,47Ga_0,53As (E_gInGaAs = 0.74 эВ) слой не легирован и имеет низкую остаточную концентрацию фоновой донорной примеси 510¹⁴510¹⁵ см^-3. При попадании оптического излучения с энергией кванта hv  E_gInGaAs и hv < E_{g lnP} (что соответствует длинам волн от 0.95 мкм до 1.65 мкм) на фоточувствительную поверхность фотодиода в InGaAs слое происходит поглощение фотонов и генерация электронно-дырочных пар. Ге­нерированные оптическим излучением в области пространственного заряда электроны и дырки разделяются электрическим полем р-п перехода, причем в обедненной области перенос носителей заряда осуществляется с помощью дрейфового механизма, а носители, появившиеся на расстояниях порядка диффузионной длины по обе стороны от р-п перехода вне области простран­ственного заряда - с помощью диффузионного механизма. При этом неос­новные носители заряда проходят через р-п переход, а основные остаются в той же области структуры, где они были созданы светом.

Рисунок 2.2. - Типичная структура p-i-n фотодиода с гетеропереходом фотодиода с гетеропереходом и его зонная диаграмма

Обычно к p-i-n фотодиоду прикладывается обратное напряжение сме­щения, достаточное для полного обеднения поглощающего i-слоя. В резуль­тате исключается более медленный диффузионный механизм переноса носи­телей заряда, снижается емкость перехода, расширяется область поглощения падающего излучения, что в совокупности приводит к увеличению чувстви­тельности и рабочей полосы частот фотодиода. Рисунок 2.3 показывает ти­пичную схему включения p-i-n фотодиода в СВЧ диапазоне и на низких или высоких частотах.

Р исунок 2.3. - Типичная схема включения p-i-n фотодиода:

а) на низких и высоких частотах, б) - в СВЧ диапазоне