5.3. Светоизлучающие диоды

В связи используется два типа источников излучения – светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) или лазеры. СИД представляет собой диод, конструкция которого позволяет выводить излучение из p-nперехода.

5.3.1. Параметры и характеристики сид

В

Оптические характеристики сид

случае излучательного перехода излучается квант света с энергиейW_фпримерно равной ширине запрещенной зоны полупроводниковой структурыW_g.Длина волны излученияl₀связана с энергией фотонаW_ф соотношением

. (5.5)

В последнем выражении l₀получается в мкм, еслиW_фвыражена в электрон-вольтах.

Значения величин W_gдля используемых на практике материалов ИИ и соответствующие им средние длины волн излучения приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Материал	Ширина запрещенной зоны	Диапазон длин волн излучения
GaAs	1,42 эВ	0,87 мкм
Ga1-xAlxAs	1,42 - 1,92 эВ	0,65 - 0,87 мкм
In1-xGaxAsyP1-y	0,74 - 1,35 эВ	0,92 - 1,67 мкм

Излучение СИД носит спонтанный характер (подробнее о спонтанном излучении в 5.4.1-5.4.2). Ширина спектра излучения p-nперехода приблизительно определяется соотношением

(5.6)

В правой части величина (3kT) подставляется в эВ, тогдаDlполучится в мкм. При комнатной температуреkT= 0.026 эВ и тогда:

для l= 0,85 мкмDl»45 нм;

для l= 1,3 мкмDl»100 нм;

для l= 1,55 мкмDl»150 нм.

Рис. 5.9. Относительные спектральные характеристики излучения p-n переходов

Относительные спектральные характеристики излучения различных p-nпереходов (рис. 5.9) могут быть приближенно описаны выражением

. (5.7)

С ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника и увеличивается средняя длина волны излучения l₀СИД. Смещениеl₀ обычно составляет 0.2 нм/ºС.

В

Характеристики сид как элемента электрической цепи

ажной характеристикой СИД, как элемента электрической цепи, является еговольтамперная характеристика, которая аналогична характеристике диода и имеет вид

, (5.8)

где I₀- тепловой обратный ток;- температурный потенциал;e = 1.60210^-19- заряд электрона, Кл;k = 1.3810^-23- постоянная Больцмана, Дж/К;m- коэффициент рекомбинации, зависящий от электрофизических свойств полупроводника. (дляGem = 1, дляSim = 2, дляGaAsm = 3).

На рис. 5.10 приведены вольтамперные характеристики p-nпереходов для наиболее распространенных материалов.

Рис. 5.10. ВАХ p-n переходов

Ток I₀называют тепловым обратным током в соответствии с механизмом его образования и сильной зависимостью от температуры. ФункциюI₀(T) характеризуют температурой удвоенияT_y, то есть приращением температуры, вызывающим удвоение тока

, (5.9)

где - средняя температура перехода,K;W_g- ширина запрещенной зоны, эВ. Для заданной температурытепловой ток определяется из выражения:

, (5.10)

где - изменение температуры.

Ваттамперная, излучательная или модуляционная характеристикаИИ - зависимость мощности излучения от его прямого тока. Типичная статическая излучательная характеристика СИД приведена на рис. 5.11 (экспериментальные данные).

Рис.5.11. Излучательная характеристика СИД.

Излучательная характеристика СИД линейна в рабочей области. При малых и больших токах наблюдаются отклонения от линейности. Поток излучения с ростом температуры уменьшается. Мощность излучения уменьшается примерно на 1% при увеличении температуры на 1⁰С. Для стабилизации мощности излучения и длины волны излучения можно использовать стабилизацию температуры с помощью микрохолодильников на основе эффекта Пельтье¹.

Рис. 5.12. Использование СИД для аналоговой системы передачи.

СИД обычно используют прямую модуляцию током накачки. Благодаря практически линейной модуляционной характеристике их можно использовать для аналоговых систем передачи, выбрав токI₀в рабочей точке примерно в середине линейного участка модуляционной характеристики (рис. 5.12).

Упрощенная эквивалентная схема излучающего p-nперехода показана на рис.5.13. В схему входитr_б- сопротивление базы диода, которое определяется сопротивлением материала полупроводника, контактов и выводов,r_диф- дифференциальное сопротивлениеp-nперехода, которое может быть определено из выражения (5.8)

. (5.11)

С увеличением тока через СИД r_дифбыстро уменьшается. При токе 10 мАr_диф= 2.6 Ом.

Рис. 5.13. Упрощенная эквивалентная схема излучающего p-n перехода.

В схему также входитС_дф- диффузионная емкость, для которой присправедливо

, (5.12)

где k= 0.5 ‑ 1 - коэффициент, зависящий от толщины базыW_Б(k_x = 0.5 для иk_x = 1.0 для ), гдеL_p– длина диффузии;_эфф- эффективное время диффузии (время жизни, с) неосновных носителей в базе, которое можно определить по выражению:

, (5.13)

где e- заряд электрона,d – толщина активного слоя, см;j –плотность инжектируемого тока, А/см²;B – коэффициент излучательной рекомбинации, см³/с; значения которого для различных материалов приведены в табл. 5.2. Эффективное время диффузии уменьшается с увеличением тока накачки

Таблица 5.2

Материал	В, см3·с-1
GaAs	2.7·10-10
GaSb	2.4·10-10
InP	1.3·10-9
InAs	8.5·10-11
InSb	4.6·10-11
InGaAsP	3·10-10

Рис. 5.14. Семейство амплитудно-частотных характеристик СИД при малых входных сигналах

Для определения АЧХ при малых сигналах найдем из (5.11-5.13) постоянную времени источника излучения t_ии, полагая, что выходная мощность излучения пропорциональна току, протекающему черезв эквивалентной схеме рис. 5.13:

, (5.14)

где S– площадь поперечного сечения базы, см²,I₀ – среднее значение тока черезp-nпереход.

В первом приближении амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) СИД при малых сигналах может быть представлена в виде

. (5.15)

На рис.5.14 показано семейство АЧХ СИД при малых сигналах для различных значений среднего тока черезp-nпереход. Видно, что с увеличением среднего тока через СИД его полоса пропускания возрастает.