Ватт-амперная характеристика (ВтАх) и её производные

ВтАХ лазера (рис. ) является его основной характеристикой, т.к. позволяет судить о возникновении генерации, определить пороговый ток I_п (по отсечки на оси токов, получаемой экстраполяцией после пороговой части p-i – зависимости от пересечения с осью I), эффективность , _ex = dP/dI (по наклону ВтАХ в послепороговой области), а так же коэффициент нелинейности ВтАХ.

Для изучения допороговой части излучения ВтАХ целесообразно представить в виде lgP-U(рис. ) и lgP-lgI (тис. ).

Зависимость dP/dI – I

Степень нелинейности ВтАХ при наличии на ней одного излома удобно характеризовать с помощью коэффициента , определяемого из соотношения =(₁-₂)/ ₁ (рис. ).

Однако более удобно его определить по зависимости dP/dI от I : если отсутствует градуировка шкал, то  = h/H (смысл величин h и H ясен из рис. ). Если градуировка имеется, эта зависимость позволяет определить значения ₁ и ₂ непосредственно по шкале dP/dI. Ясно, что в этом случае ₁ =H, , а ₂ =H-h.

Зависимость d2p/dI2 – I

Вторая производная ВтАХ по току, вернее положение ее максимума относительно шкалы токов, используется главным образом для наиболее точного определения величины порогового тока (рис. )

Вольт-амперная характеристика и ее производные

Прямая ветвь ВАХ диодной структуры, содержащей р-n-переход, описывается соотношением , где I₀ – ток насыщения, U – приложенное к контактам диода напряжение, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, U_j – падение напряжения на p-n- переходе.

При больших токах, когда напряжение на p-n-переходе приближается к _к , оно как бы стабилизируется. Тогда ВАХ принимает вид U = _k + IR_n . По прямой ветви ВАХ, представленной в виде зависимости I –U, можно определить: 1) _k (по величине напряжения отсечки U_отс , получаемой экстраполяцией прямолинейного участка ВАХ в области больших токов до пересечения с осью напряжений U (рис. ), причем с большой степенью достоверности предполагается, что _k = U_отс), 2) сопротивление R_n (по наклону этого прямолинейного участка ВАХ, см.рис.1, 7, б).

Если соотношение * представить в виде зависимости lgI-U, то по его наклону можно определить значение n см. рис.

Производные вах по току и напряжению

Электрическая модель инжекционного лазера следует из рассмотрения его физической структуры. Результирующая эквивалентная схема по постоянному току ( рис. ) состоит из идеального p-n-перехода, соединённого последовательно с сопротивлением R_n, величина которого зависит от проводимости и толщины слоёв гетероструктуры, а также от качества контактов. Токи утечки представлены шунтирующим p-n-переход сопротивлением R_ш.ВАХ этой схемы описывается следующим соотношением:

Для иллюстрации влияния Rп и Rш на поведение ВАХ на рис…. приведены результаты численного моделирования соотношения …… при нескольких значениях Rп и Rш .

Вопросы.

1. Чем отличатся лазер от светодиода?

2. Почему полупроводниковые лазеры делаются на основе прямозонных полупроводников?

3. Что такое резонатор Фабри-Перо?

4. Чем определяется величина порогового тока в инжекционных лазерах?

5. Какая геометрия лазера называется полосковой и какие преимущества она даёт?

6. В чём заключаются преимущества инжекционного лазера с квантовыми ямами перед инжекционными лазерами без них?

7. Чем определяется коэффициент полезного действия инжекционного лазера?

8. Что представляет из себя спектр излучения лазера?

9. Чем определяется угол расходимости излучения лазера?

10. Как выглядит диаграмма направленности излучения полупроводникового лазера?

11. Как зависит квантовая эффективность и плотность порогового тока лазера от длины резонатора?

12. Из каких соображений следует выбирать длину резонатора лазера, чтобы получить максимальную мощность излучения?

13. Оцените, как измениться квантовая эффективность лазера (с 1 зеркала) после нанесения на грани отражающего и просветляющего покрытий, если _i=5 см^-1, L=1 мм, до нанесения покрытий R₁=R₂=30%, после нанесения R₁=3%, R₂=95%. Изменится ли при этом пороговый ток лазера?

15. Допустимо ли в исследуемой конструкции лазеров не учитывать влияние на распространение оптической волны и электрические свойства лазера краёв активной области? Обосновать.

16. Как изменятся характеристики лазера, если предположить, что p-n переход имеет токи утечки?

17. Что представляет из себя измерительная установка и каково назначение отдельных её частей?