Реферат: Мощные силовые диоды

Вступление

Полупроводниковый диод, двухэлектродныйэлектронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяетразличные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразноеназначение. Система классификации Полупроводниковыйдиод соответствует общей системе классификации полупроводниковыхприборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных Полупроводниковый диод различают: выпрямительные диоды,импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы,смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные,переключательные). Среди оптоэлектронных Полупроводниковыйдиод выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовыегенераторы.
  Наиболее многочисленны Полупроводниковыйдиод, действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочногоперехода (р—n-перехода).Если к р—n-переходу диода (рис. 1)приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. податьна его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующийпереходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области вn-область и электронов из n-области в р-область — течёт большойпрямой ток (рис. 2).Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), топотенциальный барьер повышается и через р—n-переход протекает лишь очень малый ток неосновныхносителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентнаясхема такого Полупроводниковый диод. Нарезкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работавыпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др.сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные Полупроводниковый диод, имеющиедопустимый выпрямленный ток Iвдо 300 а и максимальноедопустимое обратное напряжение U*оброт 20—30 в до 1—2 кв. Полупроводниковый диод аналогичного применения дляслаботочных цепей имеют Iв< 0,1 а и называютсяуниверсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p,ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n-перехода, приводящий к выходу Полупроводниковый диод из строя. Сцелью повышения U*обрдо нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которыхнесколько одинаковых выпрямительных Полупроводниковыйдиод соединены последовательно и смонтированы в общемпластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем,что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники)составляет > 10-5—10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычнообластью частот 50—2000 гц).
  Использованиеспециальных технологических приёмов (главным образом легирование германияи кремниязолотом)позволило снизить время переключения до 10-7—10-10секи создать быстродействующие импульсные Полупроводниковыйдиод, используемые, наряду с диодными матрицами,главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.
  При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, аобратимый лавинный пробой р—n-перехода— резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называетсянапряжением стабилизации Ucт.На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковыхстабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucтот 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом встабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения;прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементовдостигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт (до 1×10-5—5×10-6 К-1), — в качестве источников эталонного иопорного напряжений.  В предпробойной областиобратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n-перехода используют для созданиягенераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n-переходе (характеризующаяся временем 10-9—10-10сек)обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде,вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь)генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётныхполупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторыс частотами до 150 Ггц.
  Для детектирования ипреобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные Полупроводниковый диод и видеодетекторы,в большинстве которых р—n-переход образуется под точечнымконтактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис. 3),а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформлениеобеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ски возможность монтажа диода в волноводных системах.
  При подаче на р—n-переход обратного смещения, непревышающего U*обр,он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Свзависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественнодля электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрическихполупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧколебаний, в варикапах и множительных диодах, служащих для умножения частотыколебаний в диапазоне СВЧ. В этих Полупроводниковыйдиод стремятся уменьшить величину сопротивления rб(основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Свот напряжения Uo6p.
  У р—n-перехода на основе очень низкоомного(вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда,оказывается очень тонкой (~ 10-2мкм), и для неёстановится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок черезпотенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующихимпульсных устройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенногодиода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧколебаний. Их ВАХ (рис. 4) существенно отличаются от ВАХ других Полупроводниковый диод как наличиемучастка с «отрицательной проводимостью», ярко выраженной у туннельного диода,так и высокой проводимостью при нулевом напряжении.
  К полупроводниковый диодотносят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойнуюр—n—р—n-структуру и называют динисторами(см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменнойнеустойчивости в ПП структурах без р—n-перехода— Ганна диоды. В Полупроводниковый диод используют идр. разновидности ПП структур: контакт металл — полупроводник (см. Шоткиэффект, Шоткидиод)ир—i—n-структуру, характеристики которых во многомсходны с характеристиками р—n-перехода.Свойство р—i—n-структурыизменять свои электрические характеристики под действием излучения используют,в частности, в фотодиодах и детекторах ядерныхизлучений, устроенных т. о., что фотоны или ядерные частицымогут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р—n-переходу, и изменять величинуобратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок,проявляющийся в свечении некоторых р—n-переходовпри протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах.К Полупроводниковый диодмогут быть отнесены также и полупроводниковыелазеры.
  Большинство Полупроводниковый диодизготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременнополучать до нескольких тысяч Полупроводниковыйдиод В качестве полупроводниковыхматериалов для Полупроводниковыйдиод применяют главным образом Si,а также Ge, GaAs

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">, GaP<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"> и др., вкачестве контактных материалов — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Длязащиты кристалла <span Times New Roman"; color:black;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA;font-weight:normal;mso-bidi-font-weight:bold">полупроводникового диода<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"> его обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический,стеклянный или пластмассовый корпус (<span Times New Roman";color:black; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA; font-weight:normal;mso-bidi-font-weight:bold;mso-bidi-font-style:italic">рис. 5<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">).
  В СССР для обозначения <span Times New Roman";color:black; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA; font-weight:normal;mso-bidi-font-weight:bold">Полупроводниковый диод<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"> применяют шестизначный шифр, первая буква которогохарактеризует используемый полупроводник, вторая — класс диода, цифрыопределяют порядковый номер типа, а последняя буква — его группу (например,ГД402А — германиевый универсальный диод; КС196Б — кремниевыйстабилитрон).
  От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикаторагазоразрядного, <span Times New Roman";color:black; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA; font-weight:normal;mso-bidi-font-weight:bold">Полупроводниковый диод<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"> отличаются значительно большими надёжностью идолговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками,меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения.
  С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду сдискретными <span Times New Roman";color:black;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA;font-weight:normal;mso-bidi-font-weight: bold">Полупроводниковый диод<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA"> диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональныхустройствах, где <span Times New Roman";color:black;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA;font-weight:normal;mso-bidi-font-weight: bold">полупроводниковый диод<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA"> неотделим от всей конструкции устройства. 

<span Times New Roman";color:#111111;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Выпрямительные диоды

В настоящее время, вкачестве выпрямительных диодов используют твердотельные устройства, онихарактеризуются малыми габаритами, малым падением напряжения и высокойнадежностью. Но во многих публикациях отмечалось, что усилитель, снабженныйвыпрямителем на твердотельных диодах, звучит хуже, чем этот же усилитель с выпрямителемна вакуумных диодах.

Одной из причин этогоявляется возникновение высокочастотных колебаний с широким спектром во времяпроцесса запирания диода при смене на нем полярности приложенного напряжения.

Упрощенно, неуглубляясь в физику работы полупроводникового диода (процессы коммутации диодомтока весьма сложны), механизм возникновения помех объясняется протеканием черездиод обратного тока и резким его прерыванием в момент запирания.

На рисунке 7 показанавременная диаграмма тока, текущего через диод при его запирании.

При протекании черездиод прямого тока (диод открыт) в области базы происходит накопление избыточныхзарядов. По мере уменьшения разности потенциалов на выводах диода ток черезнего уменьшается и в точке А становится равным нулю. Но диод еще не заперся, ипри смене полярности на его электродах через диод будет протекать реверсныйток, рассасывающий избыточный заряд в области базы, падение напряжения на диодеприблизительно равно прямому падению. Когда базовый заряд станет равным нулю,прямое напряжение на диоде резко изменяется на обратное. Этот момент запираниядиода соответствует точке В на диаграмме. Как видно из диаграммы, процессустановления обратного сопротивления происходит очень быстро (~0.3 µS) исопровождается прерыванием тока, что и вызывает возникновение паразитныхколебаний.

<table cellpadding=«0» ">

<img src="/cache/referats/27714/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

<img src="/cache/referats/27714/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Рисунок 1

Рисунок 2

Амплитуда реверсноготока существенно зависит от избыточного заряда базы, который, в свою очередь,зависит от величины прямого тока через диод и конструктивных параметров диода,связанных с площадью кристалла [2]. Поэтому, часто встречающаяся в литературе рекомендацияиспользовать для выпрямителя мощные низкочастотные диоды совершенно справедливаи позволяет уменьшить паразитные колебания. Это происходит за счет сниженияизбыточного заряда базы, то есть снижения амплитуды реверсного тока и болеемедленного процесса восстановления обратного сопротивления. Однако, используямощные, низкочастотные полупроводниковые диоды следует учитывать, что они имеюточень большую барьерную емкость, которая может, как уменьшить величинупаразитных колебаний, так и привести к их возрастанию. Характер ее влияниязависит как от режима работы диода, так и от цепей, к которым он подключен.

Существует еще одинспособ демпфирования паразитных колебаний, очень часто использующийся вимпульсных преобразователях. Это шунтирование диода демпфирующей RC цепью(рисунок 8), обеспечивающей подавление паразитных колебаний и их быстроезатухание. Точный расчет значений R и C довольно сложен, величина C, лежит впределах 100 ÷ 10000 pF, R – 10 ÷ 100Ом. Чем меньше величина выпрямленного напряжения, тем больше величина C именьше R.

Для источников питанияламповых усилителей средней мощности в качестве выпрямительных диодовцелесообразно использовать вакуумные диоды.

Их основнымпреимуществом является отсутствие эффекта протекания реверсного тока [4], чтообеспечивает полное отсутствие паразитных колебаний в моменты коммутации тока.Высокое динамическое сопротивление вакуумного диода, которое часто определяетсякак его недостаток, в нашем случае, становится достоинством, так как эффективнодемпфирует импульсы тока, потребляемого емкостным фильтром. Возможно, именноразличием динамических сопротивлений можно объяснить некоторое различие взвучании усилителя с разными типами вакуумных диодов.

Если Вы используететвердотельные диоды, то при небольших выпрямленных токах и высоких напряженияхцелесообразно включить последовательно с каждым из них активное сопротивлениевеличиной 30 ÷ 100 Ом. Это не только уменьшит амплитуду импульсапотребляемого тока, но и существенно улучшит режим коммутации диода, естественноценой этому будет снижение КПД.

Еще одним достоинствомвакуумного диода является очень маленькая (4 ÷ 6 pF)и практически независимая от обратного напряжения проходная емкость.

Также немаловажнымфактором является плавное нарастание анодного напряжения при включении схемы.

Недавно появившиесявысоковольтные диоды на основе карбида кремния [5] обладают временемвосстановления обратного сопротивления равным нулю, и по этому параметрусравнялись с вакуумными диодами. Возможно, это поставит точку в затянувшемсяспоре, какой тип лучше использовать в высоковольтных выпрямителях аудиоаппаратуры, но пока нет какой- либо информации об использовании этого типадиодов в аудио аппаратуре и влиянии их на качество звука.

Пример научного исследования оптимизации и повышения мощности в одномодовом режиме генерации для лазерных диодовмезаполосковой конструкции, выполненныхна основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктурраздельного ограничения.

В предыдущем пункте было немного сказано одиодах, выполненных на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктур раздельногоограничения. Группа ученных провела ислледование, сязаное с повышением качества работы этих диодов.

Экспериментально и аналитически исследованывозможности достижения максимальной оптической мощности излучения водномодовом режиме генерации для лазерных диодов мезаполосковой конструкции, выполненныхна основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетероструктурраздельного ограничения.

Показано, что основным требованиемобеспечения одномодового режима работы в широкомдиапазоне токов накачки для лазерных диодов является точный выбор значенийскачка эффективного показателя преломления AnLв плоскости, параллельнойр-nпереходу.

Методом МОС-гидриднойэпитаксии разработана InGaAsP/InP-гетероструктурараздельного ограничения со ступенчатым волноводом с пороговойплотностью тока 180 А/см2 и внутренним квантовым выходом стимулированногоизлучения 93-99%.

Проведена оптимизация мезаполосковойконструкции лазерного диода для разработанной InGaAsP/InP-ге-тероструктуры,с целью достижения максимальной оптической мощности в одномодовом режимегенерации.

Достигнута выходная непрерывная мощностьизлучения 185 мВт при одномодовом режиме работы лазерного диода сшириной мезаполоска W= 4.5мкм (2 = 1480 нм), максимальная непрерывная мощность составила300 мВт. Полуширина излучения параллельного дальнего поля возросла на 1°относительно пороговогозначения.

1.   Введение

В последнее время резко возрос интерес к мощ­ным лазерным диодам,излучающим в диапазоне длин волн 1300-1600 нм в нулевой продольнойоптической моде. В первую очередь это связано с их применени­ем вволоконно-оптических линиях связи, в качестве источников накачкиволоконно-оптических усилителей, легированныхEr3+, ирамановских волоконных усилите­лей в диапазоне длин волн1400-1500 нм [1]. Для таких применений лазерных диодов необходимыпостоянная выходная рабочая мощность на уровне сотен милли­ватт, точная пиковаядлина волны излучения, высокая излучательнаяэффективность лазерного диода и эф­фективность ввода в одномодовоеоптическое волокно. Все эти требования необходимо учитывать в разработке одномодовых лазерных диодов.

До настоящего момента в мире лишь несколько компаний (FurukawaElectric, JDS-Uniphase, PrincetonLightwave) заявили о достиженииболее 300 мВт макси­мальной выходнойоптической непрерывной мощности в одномодовом режиме [2–4]. При этомосновным крите­рием одномодовости являлось сохранениеполуширины и формы поля в дальней зоне излучения, начиная с порога генерации ивыше. В связи с этим достижение значениймаксимальной выходной мощности одномодо-вого излучения в непрерывнымрежиме генерации более чем 300 мВт (комнатная температура) для лазерных диодов,излучающих в диапазоне длин волн 1.3-1.6 мкм, являетсяактуальной задачей.

Цель данной работы состояла в исследовании, раз­работке иизготовлении мощных одномодовых лазеров на основе квантово-размерных InGaAsP/InP-гетерострук-тур, излучающих в диапазоне длин волн 1300-1600нм.

Разработка конструкции и изготовление одномодовых лазерных диодов, т.е. диодов, излучающих нанулевой поперечнойоптической моде, представляет комплекс­ную задачу. Для ее решения необходимовыполнение многих требований. Во-первых, это использование тща­тельно проработанного дизайна лазерной гетерострукту-ры,обеспечивающего минимальные значения внутрен­них оптических потерь (аг), напряжения отсечки (Uc) имаксимального внутреннего квантового выхода стиму­лированного излучения (д). Как показали наши преды­дущие исследования [5,6], квантово-размерная двойная гетероструктура раздельного ограничения (КР РО ДГС) InGaAsP/InPявляется оптимальной для достижения мак­симальнойоптической мощности излучения лазерного диодас одиночной апертурой (Я = 1.3 -1.6 мкм). Ис­пользованиеступенчатого волновода в КР РО ДГС InGaAsP/InPпозволяет достичь близких к 100% значе­ний внутреннего квантового выходастимулированного излучения. Это связано с уменьшением компоненты тока утечекэлектронов за порогом, обусловленной уходом носителей из области квантовой ямык гетерогранице волновода с /-эмиттером [6,7].

КР двойные гетероструктурыраздельного ограниче­ния InGaAsP/InP, схематическое изображение типичной зонной диаграммы которых приведено на рис. 1,изготав­ливались методом МОС-гидриднойэпитаксии [8]. <img src="/cache/referats/27714/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис.1. Схематическая энергетическая зонная диаграмма квантово-размернойгетероструктуры раздельного ограничения InGaAsP/InP(сплошная линия),расчетные профили легирова­ния для донорной примесикремния (пунктирная) и акцептор­ной примеси цинка (штрих-пунктирная).

Гетероструктуры состоялииз широкозонных, сильно легиро­ванныхэмиттеров, роль которых играли слои п — и/?-InP; ступенчатого волновода, выполненногона основе чет­верных твердых растворов In-Ga-As-P(Е w1= 1.03 эВ, Е w2= 1.24 эВ) с общейтолщиной 0.65 мкм; активной области, образованной двумя напряженными InGaAsP-квантовыми ямами (cIqW— <st1:metricconverter ProductID=«65 A» w:st=«on»>65 A</st1:metricconverter>) с InGaAsP-барьерным слоем между ними (Е ъ = 1.03 эВ, db= <st1:metricconverter ProductID=«200 A» w:st=«on»>200 A</st1:metricconverter>).В верх­нем /?-InP-эмиттере выращивался стоп-слой InGaAsPтолщиной <st1:metricconverter ProductID=«70 A» w:st=«on»>70 A</st1:metricconverter>, который служилдля остановки хими­ческого травления гетероструктурыпри изготовлении мезаполосковой конструкции лазерного диода.

Второй основной задачей для достижения режима работы лазерного диода на фундаментальнойоптической моде является выбор его конструкции, обеспечивающейвозможность формирования волновода в плоскости, па­раллельной р-^-переходу. Из всего многообразия кон­струкцийлазерных диодов наиболее эффективными для достижения волноводного эффекта вгоризонтальном направлении являются мезаполосковаяконструкция и конструкция „зарощенная меза“ [2,3]. Мезаполосковая конструкция лазерного диодаотличается своей надеж­ностью, простотойизготовления и малыми дополнитель­ными внутренними потерями, вносимыми приформиро­вании мезаполоска [9]. Одно изпреимуществ зарощен-нойконструкции — это возможность достижения сверх­низкихпороговых токов и лучшие частотные характери­стики [2]. Однако еесерьезным недостатком являются технологические трудности, связанные спрактической реализацией [2]. Это в основном и предопределило наш выбор впользу мезаполосковой конструкции.

Формированиегоризонтального волновода в плоско­сти,параллельной р-/7-переходу лазерной гетерострук­туры,достигается за счет создания скачка эффектив­ного показателя преломления AnLмежду активной ипассивной областями мезаполоска. Для обеспечения од-номодовогорежима работы лазерного диода необходимо выбратьвполне определенное значение AnL. В мезапо­лосковой конструкции лазерного диода на основе КРРО ДГС AnLвосновном зависит от следующих параметров: длины волны излучения (Я), ширины мезаполоскового контакта (W), глубины травления (Ah), толщины (Dw) иширины запрещенной зоны (Е™) волноводных слоев. Концентрация свободныхносителей в слоях гетеро­структуры и реальнаятемпература в области активного слоя также влияют на значение AnL.

Расчет профиля эффективного показателя прелом­ления AnLв мезаполосковойконструкции лазерного диода на основе КР РО ДГС InGaAsP/InPвыпол­нялся с помощью модели пассивноговолновода [10]. В основании используемоймодели лежит представление волноводных свойств в горизонтальномнаправлении через эффективные показатели преломления отдельно активной ипассивных областей лазера мезаполосковой конструкции. Расчет проводился дляразных значений параметров Я, Е™, Dwи ДА гетероструктуры. Условия сохранения оптимальныхзначений параметров г, atи Ucгетеро структуры также учитывались в расчетах. На рис. 2приведена одна из полученных расчетных зависи­мостей ширины меза-полоска,соответствующей условию одномодовойотсечки, от величины перепада эффектив­ногопоказателя преломления для выбранного дизайна лазерной гетеро структуры (Я =1480 нм) (рис. 1).

<img src="/cache/referats/27714/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">


Рис. 2. Расчетная зависимость ширины мезаполоска Wот скачка эффективного показателя преломления Aweff, соответ­ствующего условию отсечки первой моды.


На основании проведенных вычислений из вы­ращенной гетероструктуры партия (КР 1439-1), зон­ная диаграммакоторой приведена на рис. 1, были изготовлены гетеролазерымезаполосковой конструк­ции со следующими параметрами: W= 4.5мкм и AnL= (3.8-4.5)• 10-3.

Для формирования мезаполоска наносилась маска из фоторезиста,через которую проводилось химическоетравление [11]. В процессе травления по обе стороны от мезаполоскавытравливались канавки, глубина которых определялась положением стоп-слоя, сформированногов процессе роста в p-InP-эмиттере.

Для достижения максимальной выходной мощности лазерного диоданеобходимо стремиться к увеличению ширины мезаполоска,что позволяет снизить плотность оптической мощности на выходном зеркале, азначит, повысить величину рабочего тока. Однако поскольку максимальная ширина мезаполоскаWmaxодномодовыхлазеровопределяется также эффективностью ввода из­лучения в одномодовоеволокно, верхний предел был выбран Wmax= 5мкм.

<img src="/cache/referats/27714/image008.jpg" v:shapes="_x0000_s1030">

Рис. 3. Ватт-ампернаяхарактеристика внепрерывном ре­жиме генерации с температурой теплоотвода20◦C во всем диапазоне токов накачки для лазерныхдиодов: a— партии КР1439-1 сдлиной резонатора L = 1000 мкм, с естественными зеркалами на граняхрезонатора; b— партии КР1439-2 сдлиной резонатора L = 1500 мкм, с высокоотражающим(95%) и низкоотражающим (5%) покрытием на граняхрезонатора.

2.   Экспериментальные результаты

Все изготовленные лазерные гетероструктурымеза-полосковой конструкции раскалывались наотдельные лазерные чипы с длиной резонатора L= 0.3-3мм, ко­торые напаивались на медные теплоотводыполосковым контактом вниз с помощью индиевого припоя.

Типичная ватт-амперная характеристикапри непре­рывном режиме накачки лазерных диодов, изготовлен­ных на основе гетероструктуры партии КР1439-1, изоб­ражена на рис. 3,a.Видно, что уже при достаточно малых плотностях тока накачки происходит срыв ватт-амперной характеристики. Важно отметить, что этот срывгенерации имеет обратимый характер гистерезис-ноготипа и, естественно, не связан с катастрофической оптической деградациейзеркал. Наблюдаемый эффект объясняется тем, что результаты расчетов,приведенные на рис. 2, в полной мере не отражают всех процессов, происходящих вреальных приборах. Так, известно, что увеличение концентрации свободныхносителей заряда понижает коэффициент преломления полупроводнико­вого материала[12]. Таким образом, с увеличением тока инжекции вплоть до порогового значения Ithпа­дает коэффициентпреломления активной области за счет накопления инжектированных носителей вобласти квантовых ям до величины пороговых концентраций nthи pth. Дальнейшее увеличениетока накачки приводит к повышениюконцентрации свободных носителей в волноводных слоях, что вызвано какпроцессом инжек­ции, так и выбросом электронов из квантовой ямы в барьерные слои [7,13]. Суммарный вкладинжектирован­ных носителей в пределе может привести к коллапсувстроенного волновода или образованию антиволново­да[14]. Срыв генерации наблюдался нами практически у всех лазерных диодов, изготовленных из гетероструктурпартии КР 1439-1. Зависимость значений плотности тока накачки, прикоторых происходил срыв генерации, от длины резонатора лазерного диода имеет сублинейный характер.Данный факт может быть связан с нелинейным характером поведениязависимости пороговой концен­трации носителей заряда от суммарных потерь [15].

В связи с тем что кпд лазерного диода не 100%, часть мощностирассеивается в виде тепла, что ведет к повышению температуры рабочей областилазерного диода. Величина перегр

еще рефераты
Еще работы по технолигии, радиолектронике