Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 182 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

182 4. Оптоэлектронные приборы

комбинирует с испусканием фотонов (ин-

ИК (880 нм)

ИК (950 нм)

жекционная люминесценция).

В отличие от лампы накаливания их

p-GaAs:Si

спектр излучения ограничен в узком интер-

вале длин волн, который, в первую очередь,

n-GaxAl1-xAs:Si

n-GaAs:Si

определяется шириной запрещённой зоны

p-GaxAl1-xAs:Si

Eg (6 = (h·c)/Eg) полупроводника. Исполь-

n-GaAs

зуемыми материалами являются соедине-

прозрачный

ния AIIIBV, так как они обладают необходи-

мой шириной запрещённой зоны, а также

ЖФЭ

ЖФЭ

потому, что, в отличие от непрямозонных

GaAlAs ИК-диод

GaAs ИК-диод

500 нс

500 нс

полупроводников Si и Ge, их зонная струк-

тура обеспечивает эффективную излуча-

Полупроводник

Контакт

тельную рекомбинацию.

Рис. 4.8. Структура чипа излучающего диода

Излучающие диоды (Рис. 4.8) в основ-

ном изготавливаются из GaAs (Eg = 1.43 эВ)

ИК-диапазона.

или GaAlAs, и они генерируют излучение в

излучательной рекомбинации пар носите-

ближней инфракрасной области спектра

между 800 и 950 нм вблизи максимума спек-

лей заряда в полупроводнике с энергией

тра чувствительности фотоприёмников на

квантов, примерно соответствующей ши-

основе Si. Они используются в системах

рине запрещённой зоны Eg.

дистанционного контроля и управления, а

При изготовлении СИД используются

также в датчиках. К преимуществам этих

структуры на подложках из GaAs (поглоща-

приборов относятся компактность, механи-

ющих свет), а также на подложках GaP, SiC

ческая надёжность, способность работать

и сапфира (прозрачных для света). В зави-

при низких температурах, простота модуля-

симости от желаемой длины волны излуче-

ции, а также совместимость с ТТЛ-микро-

ния активная область структур выполняется

схемами и высокая эффективность в не-

на основе GaAsP с различным содержанием

сколько процентов.

GaP.

Часть излучения выводится непосред-

Более

современными полупроводнико-

ственно вверх из кристалла или через его

выми материалами являются InGaN и

боковые грани, но даже та часть излучения,

InGaAlP. С использованием этих соедине-

которая направлена к подложке кристалла,

ний определённого

состава

оказывается

может быть использована, если подложка

возможным перекрыть весь видимый диа-

прозрачна и излучение частично отражает-

пазон спектра. В Табл. 4.2 приведены раз-

ся от обратной стороны кристалла.

личные

полупроводниковые

материалы.

Вновь подчеркнём, что в случае диодов,

В зависимости от конкретного применения

излучающих в видимой области спектра

длина боковой стороны кристалла может

(СИД), излучение генерируется вследствие

варьироваться от 150 мкм до 1 мм.

Таблица 4.2. Наиболее распространённые материалы для СИД (TSN соответствует прозрачной подложке и легированию азотом)

Диапазон	6 [нм]	Подложка	Eg [эВ]	Активная область
Инфракрасный	950	GaAs	1.3	GaAs:Si
	800…900	GaAs	1.4	GaAlAs
Красный	700	GaP	1.8	GaP:Zn, O
	660	GaAs	1.9	GaAs0.6P0,4
	635	GaP	2.0	GaAs0.35P0.65:N, TSN
Жёлтый	590	GaP	2.1	GaAs0.15P0.85:N, TSN
Зелёный	565	GaP	2.2	GaP:N
Голубой	465	SiC	2.7	InGaN
	405	сапфир
Красный-зелёный	560…640	GaAs	2.0	InGaAlP
Синий-зелёный	450…540	SiC или сапфир	2.7	InGaN

		INFSEMI_2-Text.fm, стр. 183 из 589 (September 3, 2010, 17:04)
		4.1. Физика оптического излучения 183
	С точки зрения максимально возможного
вывода излучения из кристалла первосте-
пенное значение приобретает геометрия		SiC-подложка
кристалла. Значительная часть излучения,
генерируемого в полупроводнике, отражает-
ся от поверхности обратно вглубь кристалла
вследствие полного внутреннего отражения
под критическим углом. На Рис. 4.9 показан

	кристалл на основе InGaAlP.		Рис. 4.10.	Чип на основе InGaN с торцевыми
	Поверхностное	Контактная	сторонами пирамидальной формы (вид сбоку).
	текстурирование
		площадка	монтируется на основании рефлектора так,
			что даже боковое излучение отражается
			вверх. В случае приборов с куполообразным
			корпусом (Рис. 4.11) его искривлённая по-
			верхность действует как линза, коллимиру-
			ющая излучение вдоль оптической оси.
			Кристалл			Пластмассовый купол
						Золотая проволочка
			Рефлектор
						Анод
			Катод
	Контактная рамка

Рис. 4.9. Поверхность чипа на основе InGaAlP.

Используемое текстурирование поверхности ослабляет отражение вглубь кристалла, что обеспечивает увеличение выхода света через поверхность. Более того, контактная рамка распределяет электрический ток таким образом, чтобы свет не генерировался в областях, где его выход экранировался бы контактной площадкой. Аналогичным образом, геометрия кристалла на основе структур InGaN на подложках SiC выбирается таким образом (Рис. 4.10), что значительная часть генерируемого излучения направляется вглубь кристалла и выводится через боковые грани подложки. В дальнейшем эта часть генерируемого излучения может быть направлена вверх за счёт использования внешнего рефлектора.

Для защиты полупроводникового кристалла от воздействия окружающей среды и упрощения использования приборов при монтаже схемы кристаллы в основном устанавливаются в пластмассовые корпуса. Дополнительным преимуществом в этом случае является то, что пластмассовый корпус уменьшает критический угол полного отражения и, таким образом, обеспечивает усиление вывода света из кристалла. Кристалл

Рис. 4.11. СИД в куполообразном пластмассовом корпусе.

В настоящее время доминируют другие типы приборов, предназначенные для поверхностного монтажа (SMT), при этом приборы не встраиваются в печатную плату, а устанавливаются на её поверхности. Среди данного класса приборов имеется множество различных типов, в зависимости от области применения (Рис. 4.12). В частности,

TOPLED® : 3.2×2.8×1.9 мм

SmartLED™ : 2.0×1.4×1.3 мм

DRAGON: 7.0×6.0×1.8 мм,

для размеров чипа вплоть до 1 мм2

Рис. 4.12. Различные типы СИД в SMT-корпусах.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 184 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

184 4. Оптоэлектронные приборы

существует тенденция разработки приборов								Общей для всех излучающих полупро-
как с малыми, так и с большими (с кристал-							водниковых приборов является деградация
лами площадью 1 мм2) размерами, обеспе-							их функциональных характеристик (умень-
чивающими большую мощность излучения.							шение эффективности по мере наработки).
Светоизлучающие диоды используются							Параметром надёжности, который исполь-
преимущественно			в системах		подсветки		зуется в этом случае, служит время эксплуа-
приборных панелей, навигационных сис-							тации, в течение которого эффективность
тем и т.д., в автомобильной электронике							излучения при постоянном токе падает
или подсветке ЖК-дисплеев, например в							вдвое. Это явление не получило своего пол-
мобильных телефонах. За последнее время							ного объяснения. В то же время представ-
яркость СИД выросла настолько, что про-							ляется разумным предположение, что де-
должают открываться всё новые области их							градация связана с миграцией и распро-
применения вплоть до использования в							странением дефектов в кристалле.
системах внешнего освещения. Уже на про-								Относительное спектральное распреде-
тяжении нескольких последних лет повто-							ление прибора определяет, каким образом
рители стоп-сигнала (CHMSL) в автомоби-							интенсивность излучения СИД зависит от
лях изготавливаются на основе СИД. По-							длины волны. Как правило, для пользовате-
мимо их большей долговечности, эти при-							ля эта зависимость не очень полезна, пос-
боры обеспечивают и другой фактор безо-							кольку процедура измерения		достаточно
пасности,		поскольку СИД			обладают		сложна и занимает много времени. В связи
намного более высоким быстродействием							с этим ориентированными на потребителя
по сравнению с			лампами	накаливания.			параметрами, связанными со спектрами из-
В индикаторных			мигалках	и	габаритных		лучения, являются следующие:
фарах также используются некоторые типы							6peak — длина волны в максимуме спект-
СИД. Другими областями применения яв-								ра излучения;
ляются полноцветные дисплеи, содержа-							6 — ширина спектра излучения, изме-
щие от нескольких тысяч вплоть до милли-								ренная по уровню 50%;
она СИД, а также системы подсветки рек-								6Sp — длина волны в центре тяжести
ламы.								спектра излучения, имеющая важное
В характеристике, отражающей зависи-								значение для спектроскопических при-
мости мощности и светового потока от тока								менений;
для излучающих диодов и СИД, имеется об-							6Dom — доминирующая длина волны, оп-
ласть, в которой доминирует безызлучатель-								ределяющая цветовой оттенок, воспри-
ная рекомбинация, линейная область, а так-								нимаемый человеческим зрением.
же область, в которой начинает проявляться
насыщение вследствие эффектов нагрева и							4.2. Полупроводниковые лазеры
насыщения		излучательных			переходов			За последние 20 лет значение полупро-
(Рис. 4.13). По мере увеличения температу-
ры кристалла возрастает длина волны излу-							водниковых лазеров быстро возросло. Не-
чения и падает эффективность излучения.							смотря на то что газовые лазеры продолжа-
							ют использоваться благодаря их высокой
	Φe, Φv		Насыщение				мощности и когерентности, а также воз-
							можности генерации коротковолнового из-
							лучения, во многих областях применения
							их достоинства перевешиваются преиму-
							ществами лазерного диода:
								низкая стоимость;
								малые размеры;
								высокая эффективность;
								большой срок службы.
								В телекоммуникационной	технологии
		0.1 мА	100 мА		IF
							лазерные диоды стали основным элемен-

	Рис. 4.13. Типичная зависимость величины	том, и даже в устройствах, где требуется вы-
		сокая оптическая эффективность, полупро-
	светотехнических парaметров СИД от тока.
		водниковые лазеры завоёвывают всё новые

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 185 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

4.2. Полупроводниковые лазеры 185

сферы применения. Использование крис-

В рассматриваемом случае электрон мо-

таллов с удвоением частоты показывает, что

жет перейти вертикально из зоны проводи-

в этом случае функционирование приборов

мости в валентную зону с испусканием фо-

с излучением от видимой до УФ-области

тона. Энергия испускаемого фотона соот-

спектра более не является технической про-

ветствует ширине запрещённой зоны полу-

блемой.

проводника, что и определяет длину волны

4.2.1. Основы функционирования

излучения.

В случае таких полупроводников, как

полупроводникового лазера

германий и кремний, эффективная излуча-

Основным физическим механизмом, от-

тельная

рекомбинация

невозможна из-за

того,

что собственного

импульса фотона

ветственным за генерацию излучения в по-

недостаточно для выполнения закона со-

лупроводниках, является

взаимодействие

хранения импульса. Когда имеет место из-

фотонов с носителями заряда в валентной

лучательная рекомбинация, баланс импуль-

зоне и зоне проводимости. Для проявления

са может быть реализован лишь за

счёт

излучательной рекомбинации полупровод-

третьего

участника

процесса, такого

как

ник должен иметь зонную структуру, пока-

фононы

(колебания

кристаллической

ре-

занную на Рис. 4.14.

шётки) или дефекты. Подобный процесс

E

GaAs

называется спонтанным излучением, и он

используется в светоизлучающих диодах

(СИД) и излучающих диодах.

Зона

Принцип работы лазера основан на эф-

E2

проводимости

фекте стимулированного излучения. Этот

hν

процесс имеет место, когда фотон с длиной

E = E2 – E1

волны,

соответствующей E, взаимодей-

Генерируемое

ствует с электроном зоны проводимости с

излучение

E1

энергией E . В этом случае фотон стимули-

Валентная

2

зона

рует электронный переход, как показано на

Рис. 4.14, б. Особенностью данного процес-

са является то, что генерируемый фотон об-

–k

0

+k

ладает той же длиной волны, фазой, поля-

Амплитуда импульса

ризацией и направлением распростране-

а)

ния, что и стимулирующий фотон. Стиму-

лированное излучение соответствует режи-

му усиления падающих фотонов. Отсюда и

E

GaAs

происходит термин «лазер» — усиление све-

та за счёт стимулированного излучения.

В тепловом равновесии число электро-

Зона

нов валентной зоны с энергией E1 значи-

E2

проводимости

hν

тельно больше числа электронов зоны про-

водимости с энергией E2. В этих условиях

Генерируемое

hν

вероятность того, что падающий фотон бу-

излучение

Стимулированное

E1

Валентная

излучение

дет поглощён, намного больше, чем вероят-

ность

возникновения

стимулированного

зона

излучения. Для увеличения вероятности

процесса стимулированного излучения не-

обходима инверсия заселённости носите-

–k

0

+k

лей заряда в валентной зоне и зоне прово-

Амплитуда импульса

димости, при которой число электронов зо-

б)

ны проводимости с энергией E2 резко уве-

личится. В случае полупроводниковых ла-

	Рис. 4.14. Зонная энергетическая модель, ил-	зеров такая инверсия заселённости достига-
	люстрирующая процессы генерации и реком-
		ется за счёт инжекции носителей заряда в
	бинации в арсениде галлия: а — спонтанная
		активную область кристалла, содержащего
	эмиссия; б — стимулированное излучение.
		p-n-переход. Для того чтобы добиться до-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 186 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

186 4. Оптоэлектронные приборы

статочно высокой заселённости зоны проводимости, необходим определённый минимальный ток, называемый пороговым током. На Рис. 4.15 показана зависимость мощности излучения лазера от тока. При превышении порогового тока Ith происходит переход от изначального режима спонтанного излучения ,e к режиму стимулированного излучения. IF — это прямой ток, протекающий через лазерный диод.

Φe	Стимулированное	излучение
		Φe
		IF
Спонтанное	излучение
	Ith	IF

Рис. 4.15. Зависимость мощности излучения лазера от тока.

Вобласти ниже порогового тока лазерный диод функционирует как светоизлучающий диод. В этом случае имеет место лишь спонтанное излучение. При превышении порогового тока запускается механизм стимулированного излучения, при этом мощность излучения линейно возрастает. Другим важным параметром полупроводникового лазера, как это следует из Рис. 4.15, является так называемая диффе-

ренциальная эффективность ,e/ IF, определяющая крутизну характеристики.

Взависимости от требуемого спектрального диапазона полупроводникового лазера

внастоящее время в основном используются две полупроводниковые системы. В лазерных диодах на спектральный диапазон 1300…1550 нм (в основном для волоконнооптических систем связи, см. раздел 4.4) активная область структур выполняется на основе InGaAsP на подложках InP. В лазерных диодах на спектральный диапазон 600…880 нм (для пластиковых волноводов и мощных лазерных диодов, рассматриваемых в подразделе 4.2.3) активная область выполняется на основе GaAlAs, а при длине волны более 880 нм используется InGaAlAs, при этом подложкой для таких структур яв-

ляется GaAs.

4.2.2.Структура полоскового лазера с оксидной изоляцией

Для обеспечения надёжной работы даже при повышенной температуре окружающей среды чрезвычайно важными являются следующие условия:

для обеспечения достаточно высокой плотности носителей заряда, вызывающей инверсию заселённости, необходима вертикальная локализация инжекции носителей заряда;

активная область должна быть сконструирована в виде диэлектрического волновода, обеспечивающего высокую плотность фотонов;

активная область кристалла должна быть сконструирована как оптический резонатор, в котором распространяющаяся волна частично отражается и всё больше усиливается;

для получения высокой плотности мощности генерируемого излучения (МВт/см) на лазерных зеркалах при обеспечении высокой надёжности и продолжительного срока службы лазерные зеркала должны иметь оптимальные покрытия;

эффективная генерация излучения и малая скорость деградации приборов требуют высокого кристаллического совер-

шенства используемых структур. Вертикальная локализация реализуется

за счёт использования так называемой двойной гетероструктуры, в которой активная область толщиной 0.1…0.2 мкм заключена между двумя ограничивающими слоями с большей шириной запрещённой зоны, как показано на Рис. 4.16. В этом случае формируются энергетические барьеры, локализующие инжекцию электронов и дырок в активную область. Б=ольшая ширина запрещённой зоны обуславливает уменьшение коэффициента преломления таким образом, что структура приобретает вид полоскового волновода, аналогичного волоконному волноводу (без начальных ограничений на поперечную ширину). Существует много различных способов обеспечения поперечного ограничения. В случае полоскового лазера с оксидной изоляцией область протекания тока ограничена полосковой областью шириной около 3 мкм, сформированной с использованием изолирующего окисного слоя, как это показано на

Рис. 4.16.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 187 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

4.2. Полупроводниковые лазеры 187

Зеркало

	Активная	Вертикальный
		размер
	область
		Продольный
		размер
		Зеркало
		Поперечный размер

а)

Активная поверхность полоскового зеркала

Металлизация Оксидная изоляция

Гетерослой p-GaAlAs
Активная область		Y
Гетерослой n-GaAlAs
Подложка		X
Металлизация
		Z
	D	X

б)

Рис. 4.16. Структура оксидного полоскового лазера на основе GaAlAs/GaAs.

Концентрация носителей заряда в пределах узкой области приводит к такому профилю мнимой части коэффициента преломления, который поддерживает стабильную поперечную фундаментальную моду (распространение волны в анизотропной среде). Волны могут распространяться и усиливаться только в пределах этой области. Любая волна, которая не распространяется параллельно границам данной области, поглощается и затухает. Этот тип волновода соответствует эффекту волноводного усиления. Лазерные диоды подобного типа называются также лазерами с волноводным усилением.

Для рассеяния выделяемого тепла используются различные типы металлических корпусов. На Рис. 4.17 показана возможная конструкция прибора, предназначенного для телекоммуникации и передачи данных. В рассматриваемом случае лазерный кристалл на основе InGaAsP припаивается на технологическую подложку на основе Si таким образом, чтобы теплоотвод осуществлялся через область с большим поперечным сечением. Стеклянная призма направляет боковое излучение кристалла вертикально

Линза

Лазерный кристалл

Контролирующий

фотодиод

Кремниевая

прокладка

Рис. 4.17. Кремниевая подложка с лазерным кристаллом, линзой и контролирующим фотодиодом.

вверх. Смонтированная на призме линза может сфокусировать излучение в одномодовый волновод. С другой стороны от лазерного кристалла монтируется контролирующий фотодиод, который регистрирует очень слабое излучение от тыльного зеркала. С помощью этого фотодиода можно управлять мощностью излучения лазерного диода. Вся микросборка может быть смонтирована в металлическом корпусе, при этом приёмный световод может быть отъюстирован по оптическому пути излучения (Рис. 4.18).

Рис. 4.18. Сборка на кремниевой подложке в металлическом корпусе TO46 с волоконным соединителем (приёмная часть).

4.2.3. Лазерные матрицы

Лазерные матрицы представляют собой конфигурацию из нескольких лазерных диодов одного типа, монолитно интегрированных в одном кристалле и предназначенных для увеличения мощности излучения. Последующее рассмотрение относится к 12-полосковой конфигурации (структура типа GRINGSCHSQW).

На Рис. 4.19 представлена фотография лазерного модуля на основе GaAlAs. Лазерный кристалл (выделенный кружком) монтируется в корпус типа ТО-3 вместе с контролирующим фотодиодом, термистором с отрицательным температурным коэффици-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 188 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

188 4. Оптоэлектронные приборы

В постоянном (CW) режиме функциони-

рования 12-полосковая квантово-размер-

ная лазерная матрица обеспечивает мощ-

ность излучения в 250 мВт при типичном

пороговом токе всего 280 мА, при этом

дифференциальная эффективность состав-

ляет примерно 0.7 Вт/А. В сочетании с ма-

лым

последовательным

сопротивлением

(приблизительно 0.5 Ом) это обеспечивает

эффективность свыше 20%. При увеличе-

нии мощности вплоть до области, когда на-

чинает проявляться насыщение (приблизи-

тельно 600…800 мВт),

полная

эффектив-

ность может составлять вплоть до 40%.

Рис. 4.19. Мощный лазер на основе GaAlAs.

Лазерные диоды выпускаются также в

виде модулей в герметичных металлических

ентом (NTC-термистор)

и охлаждающим

корпусах. Схемы соединений соответству-

ют DIL-конфигурации.

элементом Пельтье. Контролирующий фо-

В Табл. 4.3 представлены основные ха-

тодиод (ФД) регистрирует излучение от

рактеристики лазерных матриц.

тыльного

зеркала

лазерного

кристалла

Мощные лазерные диоды пригодны для

(около 10% от полной мощности излуче-

функционирования в постоянном режиме,

ния) для того, чтобы по его сигналу можно

что открывает новые области применения,

было контролировать и

управлять мощ-

в число которых входит накачка лазеров на

ностью излучения лазера. Лазерный крис-

алюмо-иттриевом гранате). Вплоть до пос-

талл монтируется на элемент Пельтье вмес-

леднего времени накачка подобных лазе-

те с NTC-термистором, применяющимся в

ров

осуществлялась

с

использованием

качестве

датчика температуры,

благодаря

мощных ламп. Однако спектр излучения

чему лазер работает в условиях постоянной

таких ламп очень широк, в то время как

температуры за счёт использования вне-

спектр поглощения кристалла

алюмо-ит-

шней регулирующей цепи. Данный режим

триевого граната (YAG)

очень

узок, что

особенно важен в том случае, когда необхо-

приводит к очень малой эффективности та-

димо обеспечить постоянную длину волны

кой системы. В то же время за счёт оптими-

излучения (например, при накачке лазеров

зации структуры и конфигурации активной

на основе алюмо-иттриевого граната), при

области длина

волны

лазера

на основе

этом подбор оптимального температурного

GaAlAs может быть настроена в точности на

режима позволяет

прецизионно подстро-

положение максимума спектра поглощения

ить длину волны излучения и поддерживать

лазера на основе YAG. Это обеспечивает це-

её постоянной. Регулирующая цепь, пред-

лый ряд преимуществ:

назначенная для этих целей, рассматрива-

ется в соответствующем подразделе ниже.

Таблица 4.3. Характеристики 12-полосковой лазерной матрицы

Тип

SFH 4801

SFH 48E1

SFH 48R1

Предельно допусти-

,CW

мВт

200

200

1000

мые режимы

,peak

мВт

300

300

1200

VR

В

3

3

3

Tsub

°С

+10…+65

–10…+65

+10…+65

Характерные пара-

6peak

нм

805

805

805

метры при

6

нм

2

2

4

Tsub = 25°С

5

Вт/А

0.35

0.35

0.35

tp 10 мкс

Ith

мА

400

400

2000

D 0.01

,CW

мВт

150

150

800

,peak

мВт

250

250

1000

Особенности

12-полосковая

12-полосковая

Матрица форматом 5 12

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 189 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

							4.2. Полупроводниковые лазеры		189
		Эффективность системы накачки очень					менения. В то же время большая мощность
		высока, что обусловлено высокой эф-					излучения определяется током, протекаю-
		фективностью полупроводникового ла-					щим через лазерный диод.
		зера (более 20%) и точным согласовани-					Лазерная матрица вместе с контролиру-
		ем длины волны излучения и максимума					ющим ФД, элементом Пельтье и прецизи-
		поглощения.					онным NTC-термистором встраивается в
Малая тепловая нагрузка кристалла YAG							корпус типа ТО-3. Лазерная матрица мон-
		позволяет	в	рассматриваемом		случае	тируется на охлаждающий элемент Пельтье.
		обеспечить лучшие оптические характе-					Элемент Пельтье переносит тепло с одной
		ристики излучения, уменьшить ширину					стороны на другую в зависимости от вели-
		линии излучения и использовать более					чины и направления тока, протекающего
		простую схему охлаждения.					через него. Вместе с интегральным NTC-
		Полупроводниковые лазеры используют					термистором через внешнюю регулирую-
		простые источники питания, в то время					щую цепь он обеспечивает поддержание
		как лампы накачки требуют применения					системы при постоянной температуре.
		мощных высоковольтных систем воз-					Для функционирования лазерного дио-
		буждения.					да требуются две цепи управления током,
		Благодаря высокой эффективности ис-					работающие независимо: одна цепь предна-
		пользование мощных лазеров на основе					значена для регулировки температуры и
		GaAlAs в качестве источников накачки					поддержания её постоянной, в то время как
		обеспечивает		более длительный		срок	вторая — для управления мощностью излу-
		службы системы в целом. При этом					чения. Описанная схема обеспечивает та-
		очень маловероятным является внезап-					кой режим работы, при котором ни при ка-
		ный катастрофический отказ			системы,		ких обстоятельствах величины тока и на-
		что, как правило, происходит при при-					пряжения, подводимых к модулю, не пре-
		менении ламп накачки. Единственное,					высят допустимых значений даже на корот-
		что происходит при использовании ла-					кий промежуток времени.
		зерных диодов, так это плавное ухудше-					Как показано на Рис. 4.20, два операци-
		ние оптических характеристик системы.					онных усилителя действуют непосредствен-
Регулирующая схема для лазерной							но на лазерный диод и элемент Пельтье. На-
							пряжения,	пропорциональные их	выход-
матрицы SFH48EI
							ным токам, подаются обратно через токовые
		В мощную лазерную матрицу типа					шунты к каждому из отрицательных входов.
SFH48EI интегрируются контролирующий							Это означает, что схема действует как конт-
ФД для управления и регулирования лазе-							роллер пропорциональности (Р). Потенцио-
ром, элемент Пельтье для охлаждения и							метры позволяют установить заданные зна-
NTC-термистор в качестве датчика темпе-							чения температуры и мощности излучения.
ратуры. Вместе с регулирующей схемой эти							NTC-термистор, интегрированный в
компоненты			обеспечивают оптимальные				корпус лазера, измеряет температуру, зна-
условия работы прибора.							чение которой можно отобразить с помо-
		Мощный	операционный		усилитель		щью вольтметра. Встроенная линия задерж-
TCA 2465 (2 усилителя в одном корпусе) вы-							ки подводит к лазеру ток только через 1 с
даёт выходной ток вплоть до 2.5 А. Таким							после включения. Это обеспечивает воз-
образом, прибор идеально подходит для							можность охлаждения в необходимый мо-
рассматриваемого применения. Описывае-							мент времени.
мая схема поддерживает стабильный режим							Экстренное выключение осуществляется
работы лазерной матрицы, предохраняет её							разрывом линий подачи питания при сра-
от инверсии полярности, перегрузки по то-							батывании переключателей в операцион-
ку и напряжению.							ных усилителях. Схема спроектирована и
		Длина волны излучения зависит от рабо-					рассчитана на постоянный режим работы
чей температуры. Благодаря этому она мо-							лазера. В том случае, когда требуются более
жет быть подстроена в определённых пре-							высокие уровни тока в импульсном режи-
делах и поддерживаться постоянной на							ме, может	быть использован	прибор
уровне, необходимом для конкретного при-							TCA 1365 OP (с выходным током 4 А).

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 190 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

190 4. Оптоэлектронные приборы

1N 5401

V

10 кОм

15 кОм

Экстренное

4.7 кОм

0.18 Ом

выключение

6.7 В

3

BZX85

Элемент

VCC

+

C3V6

Пельтье

1

2.2 кОм

2

V

Темпе-

–

1 Ом

VCC

Тер-

VCC

ратура

4.7

2.2 кОм

мистор

3

220

кОм

Точная

6

Установка

установка

нФ

Фото-

+

температуры

лазера

TCA 2465

диод

1.2

4

220

25 кОм

кОм

мкФ

220

Грубая

220

установка

нФ

нФ

Лазер

VCC

температуры

7

Мощность

1 Ом

+

9

A

2.2 Ом

0.47

8.2

BZX55

мкФ

1 кОм

–

BZX85

1N 4004

кОм

C2V4

SFH 48E1

1 кОм

C3V0

4

BSS

100

BC 237

		1							33 Ом
		МОм

Рис. 4.20. Схема управления мощным лазером.

4.2.4.Другие применения полупроводниковых лазеров

Благодаря своей когерентности и высокой частоте модуляции (возможна прямая модуляция) описываемые мощные лазеры пригодны для оптической связи через открытое пространство.

Благодаря большой мощности излучения, которое может быть введено в многомодовое волокно, полупроводниковые лазеры на основе GaAlAs пригодны также для передачи энергии с гальванической развязкой. При помощи современных фотодиодов может быть реализовано эффективное обратное преобразование оптической энергии в электрическую.

Ещё одно применение связано с практически мгновенным включением высоковольтных тиристоров через волоконнооптическую сеть.

Большая мощность излучения делает возможным реализацию режима удвоения частоты в нелинейно-оптических кристаллах. За счёт генерации второй гармоники можно получить когерентное синее излучение, используя инфракрасное излучение.

Как было описано выше, полупроводниковые лазеры используются для накачки лазеров на основе YAG, предназначенных для обработки материалов, например для сварки панелей при изготовлении автомашин.

Благодаря своим преимуществам (компактность, эксплуатационный ресурс, модуляционные характеристики, стоимость) по сравнению с газовыми и твёрдотельными лазерами, лазеры на основе GaAlAs оптимальны для использования в лазерных принтерах.

Другим известным применением является лазерный пойнтер (указка). Более 10 лет назад предпочтение отдавалось хорошо различимому красному излучению преимущественно от гелий-неонового лазера с типичной длиной волны 633 нм. С тех пор оказалось возможным разработать лазерные диоды с длиной волны около 600 нм, генерирующие очень яркое излучение, сфокусированное практически в точку и имеющее мощность 1 мВт, что достаточно мало по сравнению с безопасным порогом для человеческого зрения.

Уже на протяжении многих лет импуль-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 191 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

					4.3. Оптроны и твердотельные реле				191
	сные лазерные диоды используются для				стоящего времени (если это позволяет спе-
	измерения расстояния и скорости, на-				цифика	применения)	—	использование
	пример в автомобильной		электронике		корпусов меньшего размера, таких как
	для измерения расстояния до впереди				SOIC-8 и SOT223.
	идущего транспорта. Импульсные лазер-				При приложении высокого напряжения
	ные диоды реагируют на очень короткие,				между входом и выходом оптрона, возника-
	но мощные импульсы тока (длительнос-				ет внутреннее электрическое поле с напря-
	тью 50…200 нс и амплитудой вплоть до				жённостью вплоть до 104 В/см. Из-за такой
	100 А), что сопровождается столь же ко-				высокой напряжённости поля становится
	роткими и мощными (вплоть до 100 Вт)				возможной миграция ионов на чип фото-
	импульсами	инфракрасного		излучения	транзистора, в результате происходит изме-
	(800…1000 нм). Скважность			импульсов	нение характеристик транзистора за счёт
	достаточно мала (несколько тысяч), но, с				полевого эффекта. В отдельных случаях это
	другой стороны, возможно использова-				может приводить к полной потере работо-
	ние частот повторения в диапазоне кГц.				способности оптрона. В оптронах Infineon
Существуют импульсные лазерные дио-					удалось практически полностью устранить
	ды, которые хотя и не могут генерировать				этот эффект за счёт нанесения слегка про-
	излучение такой мощности, но способны				водящего	прозрачного	ионного		экрана
	обеспечивать импульсы излучения дли-				(TRansparent IOn Screen — TRIOS®) на по-
	тельностью вплоть до 100 мкс. Импульсы				верхность. Для улучшения			характеристик
	указанной	длительности	несут такую		поверхности под слоем TRIOS формируется
	энергию, которая способна вызывать де-				дополнительный слой		нитрида кремния,
	тонацию взрывчатых веществ. Возможен				интегрированный в структуру фототранзис-
	перенос оптической мощности по волно-				тора (Рис 4.21). Этот дополнительный слой
	воду, а также дистанционные подрывы				действует как пассиватор против чужерод-
	без опасности ложного подрыва из-за				ных атомов, а также выполняет функцию
	влияния электромагнитных полей.				оптического покрытия.

В разделе 4.4 более подробно рассматрива-
ется использование лазерных диодов в об-	Si3N4 SiO2	TRIOS
ласти связи и передачи данных при проек-
тировании волоконно-оптических систем.

4.3. Оптроны и твердотельные реле

Конструкция

Оптроны способны передавать постоянные и переменные сигналы с частотой вплоть до нескольких МГц при обеспечении электрической изоляции. С этой целью источник излучения преобразует входной электрический сигнал в оптическое излучение (видимое или инфракрасное). Внутри корпуса прибора указанное излучение падает на фотодетектор (фототранзистор, фотоэлектрическую ИС, фототриак), который преобразует оптический сигнал обратно в электрический. Твердотельные реле (SSR) используются для замены миниатюрных механических реле, при этом в фотодетекторной секции они содержат набор фотодиодов и два мощных MOSFET.

Наиболее популярным является пластмассовый корпус типа DIL с 4/6/8/16 выводами. В таком корпусе может быть интегрировано вплоть до 4 каналов. Тенденция на-

n+

B

E n+

n+

K

Рис. 4.21. Фототранзистор с TRIOS.

Применение

Сферы применения оптронов очень разнообразны, при этом наиболее популярными являются следующие:

импульсные источники питания для промышленных и бытовых целей;

программируемые логические контроллеры (PLC);

системы связи (модемы, средства доступа к данным, устройства передачи данных);

периферийное оборудование ПК;

силовая электроника (контроллеры IGBT);

медицинские технологии.