Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 33 из 102)
Наиболее распространенными фотоприемниками с внутренним усилением являются фототранзисторы и фототиристоры. Фототранзисторы чувствительнее фотодиодов, но менее быстродействующие. Для большего повышения чувствительности фотоприемника применяют составной фототранзистор, представляющий сочетание фото- и усилительного транзисторов, однако он обладает невысоким быстродействием.
В оптронах в качестве фотоприемника можно использовать фототиристор (полупроводниковый прибор с тремя p-n-переходами, переключающийся при освещении), который обладает высокими чувствительностью и уровнем выходного сигнала, но недостаточным быстродействием.
Многообразие типов оптронов определяется в основном свойствами и характеристиками фотоприемников. Одно из основных применений оптронов – эффективная гальваническая развязка передатчиков и приемников цифровых и аналоговых сигналов. В этом случае оптрон можно использовать в режиме преобразователя или коммутатора сигналов. Оптрон характеризуется допустимым входным сигналом (током управления), коэффициентом передачи тока, быстродействием (временем переключения) и нагрузочной способностью.
151
Отношение коэффициента передачи тока к времени переключения называется добротностью оптрона и составляет 105 – 106 для фотодиодных и фототранзисторных оптронов. Широко используют оптроны на основе фототиристоров. Оптроны на фоторезисторах не получили широкого распространения из-за низкой временной и температурной стабильности. Схемы
а) б)
Рисунок 1.13.12. Схемы оптронов с фотодиодом (а), фототиристором
(б), фототранзистором (в), составным фототранзистором (г) и разрез оптрона (д):
вместо традиционных линий передачи информации – кабельных и некоторых оптронов приведены на рис.
1.13.12, а – г.
В качестве когерентных источников излучения применяют лазеры, обладающие высокой стабильностью, хорошими энергетическими характеристиками и эффективностью.
В оптоэлектронике для конструирования компактных устройств используют полупроводниковые лазеры – лазерные диоды, применяемые, например, в волоконно-оптических линиях связи
Рисунок 1.13.13. Структура волоконно-оптического кабеля.
1, 3 – защитная и стекловолоконная оболочки, 2 – пластмассовое
4
проводных. Они обладают высокой пропускной способностью (полоса пропускания единицы гигагерц), устойчивостью к воздействию электромагнитных помех, малой массой и габаритами, полной электрической изоляцией от входа к выходу, взрыво- и пожаробезопасностью. Особенностью ВОЛС является использование специального волоконно-оптического кабеля, структура которого представлена на рис. 1.13.13. Промышленные образцы таких кабелей имеют затухание 1 – 3 дБ/км и ниже. Волоконно-оптические линии связи используют для построения телефонных и вычислительных сетей, систем кабельного телевидения с высоким качеством передаваемого изображения. Эти линии допускают одновременную передачу десятков тысяч телефонных
152
разговоров и нескольких программ телевидения.
В последнее время интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные схемы (ОИС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов.
Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, широко используемые в качестве индикаторов в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью.
Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокую разрешающую способность, сравнительно дешевы, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.
Жидкие кристаллы со свойствами, схожими с монокристаллами (нематики, наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагревании (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации.
Инжекционный лазер
Инжекционный лазер, полупроводниковый (ПП) лазер, в котором генерация когерентного излучения осуществляется в результате инжекции носителей заряда через электронно-дырочный переход (р–n-переход). Возможность создания лазера на р–n-переходе предсказана в 1961 сов. учѐным Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым, а первый экспериментальный эффект генерации на GaAs получен американским физиком Р. Холлом (1962). Важнейшие отличительные особенности инжекционного лазера: непосредственное преобразование электрической энергии в лазерное излучение; рабочие (лазерные) квантовые переходы происходят между разрешѐнными энергетическими уровнями для электронов и дырок зоны проводимости и валентной зоны ПП. Эти особенности определяют следующие основные свойства инжекционного лазера: очень малые габаритные размеры (для ПП кристалла, используемого одновременно в качестве как активного элемента, так и оптического резонатора, они обычно составляют: длинна 200-400 мкм, ширина
153
Рисунок 1.13.14. Изображение активного элемента инжекционного лазера: 1 – п/п подложка; 2 – эмиттер электронов; 3 – активная излучательная область; 4 – эмиттер дырок; 5 – подконтактный полупроводниковый слой; 6-7 – металл; 8-9 – токопроводящие электроды;
Рисунок 1.13.15. Энергетическая диаграмма лазерной полупроводниковой гетероструктуры: 1 – эмиттер электронов (n-эмиттер); 2 – активная (излучающая) область; 3 – эмиттер дырок (р-эмиттер); 4 – валентная зона; 5 – запрещѐнная зона; 6 – зона проводимости; 7 – электроны; 8 – дырки; 9 – лазерное излучение;
g – ширина запрещѐнной зоны.154
Рисунок 1.13.16. Ватт-амперная характеристика инжекционного лазера: Р – мощность; I – сила тока накачки; Iинв – сила тока, соответствующая возникновению инверсии
Рисунок 1.13.17. Пример конструкции инжекционного лазера непрерывного действия.
200-400 мкм, высота 60-100 мкм); простота конструкции; возможность осуществлять непосредственную (прямую) модуляцию лазерного излучения током накачки; высокое быстродействие, обусловливающее широкую полосу частот прямой модуляции (св. 109 Гц); высокий КПД (до 30-50%); возможность создания лазерных ИС.
Активный элемент инжекционного лазера (рис. Рисунок 1.13.14) содержит активную область (напр. ПП с проводимостью р-типа) и примыкающие к ней слои ПП n- и р-типа, выполняющие роль эмиттеров (инжекторов) соответственно электронов и дырок. Оптический резонатор И. л. Образуется, как правило, двумя
155
зеркальными параллельными гранями ПП структуры. При приложении к активному элементу прямого внешнего напряжения U из зоны проводимости nэмиттера (рис.2) в зону проводимости активной зоны поступает (инжектируется) некоторое количество электронов, а из валентной зоны р-эмиттера в валентную зону активной области – такое же количество дырок (что эквивалентно уходу электронов из валентной зоны активной области в валентную зону р-эмиттера). Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют между собой с излучением фотонов (рекомбинационное излучение). Длинна волны λ рекомбинационного излучения определяется шириной запрещѐнной зоны
ПП активной области: λ=1,24/εg. При малых значениях тока, протекающего через ПП структуру, рекомбинационное излучение является спонтанным. С увеличением тока, начиная с I=Iинв, в активной среде создаѐтся инверсия населѐнностей носителей заряда для межзонных состояний. При дальнейшем возрастании тока излучение сначала усиливается (за счѐт индуцированных излучательных квантовых переходов), а затем (когда приращение энергии в результате усиления превысит суммарные потери в оптическом резонаторе) возникает генерация на соответствующей длине волны. Ток iпор, при котором начинается генерация, называется пороговым током генерации. Зависимость выходной мощности излучения Р от I (ватт-амперная характеристика инжекционного лазера; рис.3) после достижения порога генерации выражается соотношением: 
P (I Iпор) Uгде
– коэффициент, характеризующий эффективность преобразования электрической мощности, приложенной к активной области, в мощность лазерного излучения.Первые инжекционные лазеры создавались на структурах с р – n-переходами главным образом на основе GaAs. Они обладали высокой плотностью порогового тока генерации (св. 20кА/см2). Существенное снижение плотности порогового тока (до 0,12–1 кА/см2) и непрерывный режим работы инжекционного лазера стали возможны в результате создания инжекционного лазера на основе гетероперехода (Ж.И. Алфѐров и др.; СССР, 1962). В инжекционном лазере на основе ПП гетероструктур активную область выполняют из ПП с меньшей чем у эмиттеров шириной запрещѐнной зоны. Наличие потенциальных барьеров на границах активной области с эмиттерами обеспечивает высокую эффективность инжекции носителей заряда в активную область даже при очень малой еѐ толщине (вплоть до 0,006 – 0,2 мкм, что много меньше диффузионной длинны инжектируемых неравновесных носителей заряда). Кроме того, существует разность значений диэлектрической проницаемости гетерослоѐв и малое поглощение генерируемого излучения в широкозонных эмиттерах позволяют образовать на основе таких ПП структур качественный диэлектрический волновод и тем самым снизить потери на поглощение и повысить КПД инжекционного лазера. Наиболее распространены лазерные гетероструктуры, выращенные на подложках GaAs и InP. В первом случае широкозонные эмиттеры выполняются из твѐрдых растворов AlxGa1-xAs,