№1)ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В П/П.ЗОННАЯ ДИАГРАММА СОБСТВ. И ПРИМЕС. П/П РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ.ВЫРОЖДЕННЫЕ П/П

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и образование дырки на освободившемся энергетическом уровне — процесс генерации носителей. Но наряду с генерацией происходит и рекомбинация носителей — переход электронов из зоны проводи­мости обратно в валентную зону на свободный уровень. При динамическом равновесии оба процесса идут непрерывно, их скорости равны Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где E_g — ширина запрещённой зоны, — постоянная Планка.

Зонные диаграммы собственного (а), примесного n-типа (б) и примесного p-типа (в) полупроводников показаны на рис.2.7.

Рис. 2.7. - Зонные диаграммы полупроводников

Вырожденный полупроводник — это полупроводник, концентрация примесей в котором настолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются в основном свойства примеси. У вырожденного полупроводника уровень Ферми лежит внутри разрешённых зон или внутри запрещённой зоны на расстояниях не более kT от границ разрешённых зон. Вырожденные полупроводники получают путём сильного легирования собственных полупроводников.

№ 2)ПРЯМОЗОННЫЕ И НЕПРЯМОЗОН.КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТ

прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны.Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры.

Рассмотрим собственный полупроводник. В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Предположим, что на полупроводник падает поток квантов электромагнитного излучения, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны hv>Eg. Падающее излучение поглощается в веществе, так как образуются электронно-дырочные пары. Одновременно с процессом образования электронно-дырочных пар протекает процесс их рекомбинации, сопровождающийся образованием кванта электромагнитного излучения. Согласно правилу Стокса - Люмм е ля энергия излученного кванта меньше по сравнению с энергией генерирующего кванта. Разница между этими энергиями преобразуется в энергию колебательного движения атомов кристаллической решетки. В условиях термодинамического равновесия вероятность перехода с поглощением фотона (валентная зона - зона проводимости) равна вероятности излучательного перехода (зона проводимости - валентная зона)

В излучательной рекомбинации происходит возбуждение одного фотона с энергией, равной ширине запрещенной зоны. Излучательная рекомбинация электронно-дырочной пары, сопровождающаяся возбуждением фотона с энергией hv—Eg(а):рис1

В ходе безызлучательной рекомбинации энергия электрона расходуется на возбуждение колебаний атомов кристаллической решетки, т. е. преобразуется в тепло. В безызлучательной рекомбинации энергия, высвобождаемая при рекомбинации электронно- дырочной пары, передается фононам (б):рис1

рис1 рис2

Рис. 2. Зонные диаграммы, иллюстрирующие разные типы люминесценции: а — безызлучательная рекомбинация через примесные центры, б —безызлуча- тельная Оже-рекомбинация, в — излучательная рекомбинация.«Красная» грани́ца фотоэффе́кта — минимальная частота или максимальная длина волны света, при которой еще возможен внешний фотоэффект, то есть начальная кинетическая энергия фотоэлектронов больше нуля. Частота зависит только от работы выхода электрона:

где  — работа выхода для конкретного фотокатода, h — постоянная Планка, а с — скорость света . Работа выхода зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой или с длиной волны

№3) р-n-переход.Зонная диаграмма несмещенного и смещенного р-n-перехода

р -n-переход, смещаемещается внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

Рис. 2. Зонная диаграмма (н) и концентрации электронов и дырок (б) в области р - п-перехода; - дно зоны проводимости, - вершина валентной зоны; - уровень Ферми

Для того чтобы создать в полупроводнике условия генерации индуцированного излучения, нужно нарушить равновесное распределение по энергетическим уровням, т. е. перераспределить их так, чтобы на более высоких уровнях оказалось больше электронов, чем на нижних. В полупроводниковых материалах возможны различные переходы, электронов, такие как «зона—зона», «зона—примесь», и переходы между уровнями примеси. Переход электрона на

более высокие энергетические уровни сопровождается поглощением энергии извне. При переходе на более низкие уровни энергия выделяется. При этом выделяющаяся энергия излучается в виде электромагнитных колебаний, либо расходуется на нагрев кристаллической решетки.

Для перехода   «зона—зона»   инверсия   населенности энергетических уровней имеет место, если число электронов в зоне проводимости больше, чем в валентной зоне. Инверсию населенности в полупроводниковых материалах можно реализовать лишь путем создания неравновесной концентрации электронов и дырок.

№4) инжекционный лазер на ГОМОПЕРЕХОДЕ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ

 В инжекционных лазерах используется p-n-переход, образованный вырожденными полупроводниками с разным типом электропроводности. С увеличением внешнего напряжения U₀ растут концентрации электронов и дырок в области  перехода, увеличивается инверсия населенности. При некотором пороговом напряжении, когда вынужденное излучение, вызванное спонтанным излучением, достаточно для компенсации потерь света в материале полупроводника и в отражающих поверхностях, наступит генерация. Таким образом, p-n переход при малых токах является источником спонтанного (рекомбинационного) излучения (светодиод), а при токах более порогового – источником когерентного излучения (лазер).

Рис. 10.11. Конструкция инжекционного лазера на основе вырожденного арсенида галлия

инжекционный лазер на основе вырожденного арсенида галлия (GaAs), конструкция которого показана на рис. 10.11. Две грани полупроводника перпендикулярны плоскости p-n-перехода и образуют после полировки зеркала резонатора. Две другие грани наклонены к плоскости р-n-перехода, чтобы не создавать в этом направлении условий для самовозбуждения. Размеры сторон полупроводника порядка нескольких десятых долей миллиметра. Излучение выходит из узкой области p-n-перехода перпендикулярно параллельным граням полупроводника.

Основным достоинством инжекционных лазеров является возможность модуляции излучения изменением напряжения на p-n переходе. Коэффициент полезного действия инжекционных лазеров ограничивается в основном следующими причинами. Во-первых ,часть электронов, двигающихся в p-n переходе вследствие большой длинны свободного пробега проходит активную область, не участвуя в создании вынужденного излучения. Во-вторых, генерируемое световое излучение распространяется не только в активной области, но и рядом с ней, где отсутствует инверсия населённости, и, следовательно, происходит поглощение излучения. Кроме этих причин имеется потеря мощности источника питания, связанная с прохождением тока, через области и контакты. Поэтому КПД инжекционных лазеров, на основе GaAs обычно составляет несколько процентов, хотя при оптимальных условиях может достигать десятки процентов.

Недостаток полупроводниковых лазеров – невысокая степень когерентности излучения, плохая температурная и радиационная устойчивость и пока ещё низкая долговечность

№5) инжекционныЙ лазер НА ДВОЙНОМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ

Инжекционнный  лазер  представляет  собой  полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом,в котором  генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей  заряда  при протекании прямого тока через p-n-переход.

двойная (двусторонняя)  гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная  область  "зажата" между двумя гетерограницами (рис. 4,б):  именно  она  позволяет получать малые пороговые плотности тока и  значительные  выходные мощности. Четырех и пятислойная структуры, являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой  области накачки W иметь толщину волновода Wопт, оптимальную с  точки зрения модовых соотношений. В пятислойных   GaAlAs - структурах  удается  получать Jпор=102 A/см2    и Рвых d 0,1 Вт.  Отметим,  что технологические  соображения  требуют  создания  ряда  переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры  значительно  сложнее, чем физические модели.

Достоинства:

Высокий КПД преобразования энергии .  Это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери - вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов

Микроминиатюрность

Удобство управления: низкие напряжения и  токи  возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами

Возможность генерации требуемой спектральной линии

пригодность для массового производства, низкая стоимость, долговечность

Недостатки:

невысокая когерентность излучения (в сравнении, например,  с газовыми лазерами)  -  значительная  ширина  спектральной  линии, большая угловая расходимость, эллиптический астигматизм;

  относительно малая генерируемая мощность  (некоторые  оптоэлектронные устройства, например голографические ЗУ, требуют лазеры большой мощности)

№6) ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ П/П ЛАЗЕРОВ.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ П/П ЛАЗЕРОВ

. Ватт-амперная характеристика, определяющая зависимость мощности излучения лазера от величины тока накачки. Типичная ватт-амперная характеристика полупроводникового гетеролазера приводится на рис. 3.23

На этой характеристике можно выделить три участка. Первый участок -светодиодный, т.е. участок, на котором преобладает спонтанное излучение и инверсная населенность не достигнута. На втором участке доля индуцированных переходов уже сравнима с величиной спонтанного излучения.. И, наконец, третий участок, соответствующий режиму лазерной генерации. Мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, и зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна.

2. Спектральная характеристика определяет мощность излучения в зависимости от длины волны. Рассмотрим зависимость спектральной характеристики от тока накачки (рис. 3.25). Спектральная характеристика (см. рис. 3.25, а) соответствует светодиодному режиму. Ширина спектра в этом случае максимальна, а сама кривая имеет гладкий непрерывный характер. Спектр на рис. 3.25, б характерен при приближении величины тока накачки к /пор и соответствует режиму суперлюминесценции. Ширина спектра в этом случае существенно меньше. И, наконец, спектральная кривая на рис. 3.25, в характерна для режима лазерной генерации

Энергетические параметры и характеристики:

Энергия Дж Энергия, переносимая лазерным излучением W….Мощность Вт Энергия, переносимая лазерным излучением в единицу времени P….Интенсивность -- Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания J… Спектральная плотность энергии (мощность) ДжЧГц^-1ВтЧГц^-1W_l, W_n(P_l,P_n)…. Средняя мощность импульса Вт P_u,ср…Максимальная мощность импульса Вт P_{u, max…}Спектральные параметры и характеристики Длина волны l,Частота n,Ширина спектральной линии dn dl,Степень хроматичности

Пространственно-временные параметры и характеристики:

Диаграмма направленности --Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения ,Диаметр пучка м--Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности лазера d,Расходимость рад,ср--Плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению Q_P

Энергетическая расходимость рад,ср--Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения q_S

Относительное распределение плотности энергии (мощности) --Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности) q_W,P,q_W,S

Частота повторения импульсов Гц-- Отношени числла импульсов лазерного излучения ко времени F ,Длительность импульсов с t_u

Измерение мощности и энергии лазерного излучения:

Существующие средства измерения (СИ) энергетических параметров лазерного излучения содержат приемный (первичный) измерительный преобразователь (ПИП), измерительное устройство, а также отсчетное, или регистрирующее устройство. В ПИП энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую или в механическую энергию или в электрический сигнал, доступные для дальнейшего преобразования и измерения.

Тепловой метод

Сущность этого метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом приемного преобразователя превращается в тепловую энергию, которая впоследствии измеряется тем или иным способом

№8) динамически одномодовыми п/п лазеры  

Лазер с распределенной обратной связью (РОС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser). Рабочей считается длина волны 1550 нм. Может работать со стандартом CWDM с шагом 20 нм в диапазоне длин от 1310 до 1610 нм. Данный вид лазера возникает в связи с  периодической пространственной модуляцией параметров структуры, которые оказывают непосредственное влияние на условия распространения излучения.

Лазер с распределенной обратной связью

 

Данный вид лазера применяется в системах, со скоростью передачи данных от 2,5 Гбит/с, в отдельных случаях применим для систем со скоростью более 10 Гбит/с. Если модуляция происходит в диапазоне 0,25-2 Ггц, то сдвиг очень небольшой (примерно 0,2 нм), при этом прекрасно сохраняется подавление побочных мод. В этой связи, данный вид лазеров называют динамически одномодовыми.

Основа принципа работы этой технологии такая же, как и в лазерных диодах Фабри-Перо. Это означает то, что на входе и выходе усилителя устанавливается пара параллельных полупрозрачных зеркал, сигнал многократно отражается и возникает усиленный оптический сигнал. Таким образом, произошло преобразование энергии накачки в энергию сигнала.

динамические свойства, которые проявляются в зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения путем изменения тока накачки. У одномодового лазерного диода с резонатором Фарби - Перо увеличение скорости передачи сопровождается изменением модового состава, что характеризуется динамическим расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой порядка 1....2 Ггц .Для РОС- и РБО-лазерных диодов при модуляции в диапазоне 0,25...2 Ггц имеет место лишь незначительный сдвиг (порядка 0,2 нм) при сохранениии высокой степени подавления побочных мод.Поэтому эти лазерные диоды часто называют динамически одномодовыми.

№10) ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ В П/П

освобождение электронов из освещаемой поверхности вещества и переходе их в другую среду, в частности в вакуум-- Такое испускание электронов называют фотоэлектронной эмиссией, а само явление внешним фотоэффектом. Наряду с ним известен также и широко используется в практических целях внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света.

В полупроводниках наряду с изменением проводимости наблюдается также образование разности потенциалов (фото – э.д.с.). Это явление (фотогальванический эффект) обусловлено тем, что в силу однородностей проводимости полупроводников происходит пространственное разделение внутри объема проводника оптически возбужденных электронов, несущих отрицательный заряд и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны, и подобно частицам несущих положительный элементарный заряд. Электроны и дырки концентрируются на разных концах полупроводника, вследствие чего и возникает электродвижущая сила, благодаря которой и вырабатывается без приложения внешней э.д.с. электрический ток в нагрузке, подключенной параллельно освещенному полупроводнику. Таким образом достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую. Именно по этой причине фотогальванические приемники света и используются не только для регистрации световых сигналов, Нои в электрических цепях как источники электрической энергии.

13)P-I-n-фотодиод

— разновидность фотодиода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный) полупроводник (i-область).

Принцип работы:

i-слой называется обеднённым слоем, поскольку в нём нет свободных носителей. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, поэтому всё напряжение падает на i-слое и в нём создаётся максимальное значение электрического поля.

Фотон входит в i-область, порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле ОПЗ, начинают двигаться к высоколегированным областям, создавая электрический ток, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

Параметры:

• чувствительность (в современных p-i-n-фотодиодах чувствительнось составляет величину от 10 нВт до 100 пВт , что соответствует -50 дБм - -70 дБм);

• квантовая эффективность (в p-i-n-фотодиодах обычно достигает 80%, для фотодиодов, сконструированных для применения в оптоволоконных линиях, емкость перехода равна 0,2 пФ при рабочей поверхности диода 200 мкм);

• время отклика (фотогенерированные носители в i-слое будут разделяться в сильном электрическом поле, и фотоотклик таких диодов будет быстрым).

• Достоинства: есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области;

• высокая квантовая эффективность и быстродействие;

• малое рабочее напряжение Uраб.

• НЕДОСТАТКИ:

• сложность получения высокой чистоты i-области

14) Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики.

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения (рисунок 5.7).

Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Е_см до величины, близкой к пробойному. При этом на p - n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки). Процесс увеличения числа носителей зарядов развивается лавинообразно и характеризуется коэффициентом G

Рисунок 5.7 Конструкция ЛФД

Одной из характеристик ЛФД, определяющих динамический диапазон оптических сигналов, является линейность детектирования

Главное достоинство ЛФД заключается в высоком коэффициенте усиления и быстродействии, что позволяет использовать приборы с арсенидгалиевой основой на скоростях передачи данных до 10 Гбит/с и выше.

Недостатками ЛФД принято считать высокое напряжение смещения (до 400 В) и сложность схемы управления регулируемым источником Е_см