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 IвПолупроводниковый 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, GaP и др., вкачестве контактных материалов — Au, Al, Sn, Ni, Cu. Длязащиты кристалла полупроводникового диода его обычно помещают в металлостеклянный, металлокерамический,стеклянный или пластмассовый корпус (рис. 5).
В СССР для обозначения Полупроводниковый диод 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, Полупроводниковый диод 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 Полупроводниковый диод диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональныхустройствах, где полупроводниковый диод неотделим от всей конструкции устройства.
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.
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].
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— 65 A) с InGaAsP-барьерным слоем между ними (Е ъ = 1.03 эВ, db= 200 A).В верхнем /?-InP-эмиттере выращивался стоп-слой InGaAsPтолщиной 70 A, 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).
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.
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