3. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В результате оптимизации эпитаксиального процесса получены p–n–p–n-ГС с узкозонным и широкозонным коллектором со следующими параметрами [91]:

–длина волны в максимуме спектра электролюминесценции

670 ± 5 нм;

–область спектральной чувствительности 670 ... 870 нм;

–сила света при токе через тестовый меза-элемент 1 мА в пределах 150 ... 50 мкКд;

– величина минимального тока удержания в пределах

100 ... 500 мкА;

– величина оптической мощности, необходимой для спрямления ВАХ меза-элемента, в пределах 5 ... 25 мкВт.

На основе этих ГС изготовлены приборы, конструкция которых упрощенно изображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Упрощенное изображение конструкции приборов, изготовленных на основе p–n–p–n-ГС

с узкозонным и широкозонным коллектором

47

Исследование ВАХ приборов проводилось на измерителе характеристик полупроводниковых приборов Л2-56А. В качестве источников входного излучения использовались СИД с длиной волны 665 нм и ИК-диод с длиной волны 865 нм. Они устанавливались на оптической оси исследуемого прибора на минимальном расстоянии от него (менее 1 мм). Можно считать, что вся излучаемая СИД оптическая мощность поглощается исследуемым прибором. Учитывая эффекты рассеивания и отражения оптической мощности на поверхности корпусов приборов, а также неточность центровки их оптических осей, значение поглощаемой прибором оптической мощности можно уверенно считать завышенным. Калибровка СИД, ИК-диода и исследуемых приборов по мощности выходного излучения проводилась с помощью кремниевого фотодиода.

Величина минимального тока удержания является наиболее важным параметром для рассматриваемых приборов. При создании матричных устройств оптической памяти и матричных устройств для преобразования длины волны излучения необходимо учитывать, что минимальный ток удержания определяет минимально возможную величину тока через каждый отдельный элемент матрицы в состоянии хранения записанной информации, а значит и величину потребляемой при этом энергии и рассеиваемой тепловой мощности.

Величина оптической мощности, необходимой для спрямления ВАХ приборов, характеризует верхний предел мощности оптического излучения, при котором прибор переходит в открытое состояние при минимально возможном напряжении внешнего смещения. Это особенно важно для матричных устройств оптической памяти, где минимально возможная величина напряжения смещения устройства будет определять минимальную мощность необходимого для него источника питания. Кроме этого, величина спрямляющей оптической мощности определяет такую важную характеристику устройств преобразования длины волны излучения, как рабочий диапазон уровней входной оптической мощности.

Взависимости от положения нагрузочной прямой на ВАХ наблюдаются три режима работы прибора.

Вслучае, когда нагрузочная прямая имеет меньший угол наклона к оси абсцисс, чем участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и проходит ниже точки минимального удержания на ВАХ, прибор работает в режиме линейного усилителя света.

48

Когда нагрузочная прямая имеет больший угол наклона к оси абсцисс, чем участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, но проходит ниже точки минимального удержания на ВАХ, прибор работает в режиме оптического бистабильного элемента.

Когда нагрузочная прямая имеет больший угол наклона к оси абсцисс, чем участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением и проходит выше точки минимального удержания на ВАХ прибора, прибор работает в режиме оптического ключа.

На рис. 3.4. показана работа прибора в трех режимах:

–режим оптического ключа (зависимость "a" на рис. 3.4, а и нагрузочная прямая "a" на рис. 3.4, б);

–режим оптического бистабильного элемента (зависимость "b" на рис. 3.4, а и нагрузочная прямая "b" на рис. 3.4, б);

–режим линейного усилителя света (зависимость "c" на рис. 3.4, а и нагрузочная прямая "c" на рис. 3.4, б).

а

б

Рис. 3.4. Зависимость мощности выходного излучения от мощности входного излучения (a) и ВАХ с нагрузочными прямыми (b) в области малых токов, иллюстрирующие работу прибора в трех режимах

49

Гистерезисная зависимость рабочей точки прибора в режимах оптического переключателя и оптического бистабильного элемента представлена на рис. 3.4, а, обусловлена наличием ПООС в приборе и проявляется на ВАХ (см. рис. 3.4, б) различным положением кривых, соответствует включению и выключению прибора при постоянном уровне входной оптической мощности.

На рис. 3.5 приведена зависимость входной оптической мощности, необходимой для переключения приборов #1 и #2 в открытое состояние, от величины прикладываемого к приборам напряжения для входного излучения с различной длиной волны. Эта зависимость является характеристикой управления приборов и имеет важное значение для оценки возможности работы приборов как в устройствах оптической памяти, так и в устройствах для преобразования длины волны излучения.

а

б

Рис. 3.5. Зависимость входной оптической мощности, необходимой для переключения приборов #1(а) и #2(б) в открытое состояние, от величины прикладываемого к приборам напряжения для входного излучения с различной длиной волны

Рис. 3.5 дает возможность видеть, что при соответствующем уровне внешней засветки и определенной величине напряжения смещения прибора, уровень входной оптической мощности, необходимой для переключения прибора в открытое состояние, может быть сколь угодно малым, а соответствующее ему значение коэффициента

50

усиления оптической мощности прибора (как отношение Pвых/Pвх) может превышать 105.

При исследовании характеристик прибора #1 зафиксировано переключение прибора в открытое состояние при входной оптической мощности, равной 5 нВт. Соответствующая величина коэффициента усиления оптической мощности составляет 2,5·104 при токе через прибор в открытом состоянии, равном 10 мА.

При исследовании прибора #2 было зафиксировано его переключение в открытое состояние при воздействии оптического излучения мощностью 1 нВт. Соответствующая величина коэффициента усиления оптической мощности при токе через прибор, равном 20 мА составила 5·105.

Время включения и выключения прибора определяет его быстродействие в устройствах оптической памяти и устройствах для преобразования длины волны излучения. В рассматриваемой работе прямое измерение времени включения и выключения приборов не проводилось. Тем не менее авторами установлено, что при работе прибора в режиме оптического ключа (ток через прибор в открытом состоянии равен 20 мА) под воздействием импульса напряжения внешнего смещения прямоугольной формы (амплитуда импульса превышает напряжение темнового включения, а время нарастания и спада импульса не превышает 2 нс), время нарастания тока через прибор не превышает 5 нс, а время спада находится в пределах 300 ... 600 нс. При этом использовались стробоскопический осциллограф С7-13 и генератор импульсов напряжения Г5-72.

Связь между длительностью и мощностью импульса входного излучения прямоугольной формы, необходимыми для переключения прибора #1 в открытое состояние, при различных напряжениях внешнего смещения показана на рис. 3.6. Произведение этих величин определяет энергию оптического излучения, необходимую для переключения прибора в открытое состояние, и также является важной характеристикой для матричных устройств оптической памяти и устройств для преобразования длины волны излучения. Как видно из рис. 3.6, величина энергии оптического излучения, необходимая для переключения прибора #1 в открытое состояние, зависит от напряжения смещения и находится в диапазоне значений 0,4 ... 8 нДж.

51