moglobi.ru Другие Правовые Компьютерные Экономические Астрономические Географические Про туризм Биологические Исторические Медицинские Математические Физические Философские Химические Литературные Бухгалтерские Спортивные Психологичексиедобавить свой файл
страница 1


УДК 535:621.373.8; 535:621.375.8

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАЗЕРНОГО ДИОДА
С КВАНТОВОРАЗМЕРНОЙ АКТИВНОЙ ОБЛАСТЬЮ

Матюхин С.И., Макулевский Г.Р.

Россия, г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»
Представлена математическая модель прямой ветви вольтамперной характеристики лазерного диода на основе AlGaAs с раздельным ограничением и квантоворазмерной активной областью, позволяющая изучить факторы, определяющие пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление таких диодов.
A mathematical model of the forward I-V characteristics of the AlGaAs laser diode with separate confinement and quantum-well active region for determining the threshold voltage and differential resistance of the diodes is presented.
Одной из фундаментальных проблем лазерной техники является проблема повышения эффективности преобразования электрической энергии в энергию когерентного лазерного излучения. Возможным способом решения этой проблемы является понижение тепловых потерь лазерных диодов, обусловленное снижением их порогового напряжения UT и дифференциального сопротивления r. В настоящей работе построена математическая модель прямой ветви ВАХ лазерного диода на основе AlGaAs с раздельным ограничением и квантоворазмерной активной областью, позволяющая изучить все факторы, определяющие эти характеристики диодов.

Исходя из структуры лазерного диода, можно сделать вывод, что прямое падение напряжения на диоде равно:



, (1)

где первое слагаемое в правой части отвечает сумме падений напряжения на гетеропереходах, второе – падению напряжения на слаболегированной n-базе, а третье – суммарному падению напряжения на сильно легированных слоях полупроводниковой структуры, которое определяется их омическим сопротивлением и током IF:



. (2)

В выражении (2) – это активная площадь переходов, равная в случае полосковых контактов произведению длины лазерного резонатора на ширину полоска ; – толщины соответствующих слоёв, а – удельные сопротивления этих слоев, определяемые подвижностью соответствующих носителей заряда [1] и уровнем легирования слоёв :



. (3)

Падение напряжения на n-базе при высоких уровнях инжекции равно [2]:



, (4)

где – равная ширине волновода толщина n-базы, а – амбиполярная диффузионная длина дырок в волноводе, которая выражается через амбиполярный коэффициент диффузии . Величины и в этом последнем выражении – это подвижности электронов и дырок, а и – соответственно, коэффициент диффузии и среднее время жизни дырок в волноводе. Исходя из соотношения Эйнштейна, , а среднее время жизни дырок в AlxGa1-xAs мы принимаем равным 1 нс ( нс).

Первое слагаемое в выражении (4) учитывает тот факт, что сопротивлением квантоворазмерной активной области при высоких уровнях инжекции можно пренебречь, а удельная электропроводность волновода из-за роста концентрации электронов и дырок увеличивается с ростом тока пропорционально току. Вследствие этого падение напряжения на базе остается постоянным. Однако с ростом концентрации носителей в базе возрастает инжекция неосновных носителей в p+- и n+-эмиттеры, коэффициенты инжекции этих эмиттеров падают; кроме того, начинает проявляться взаимное рассеяние электронов и дырок, что приводит к уменьшению их подвижности. Вследствие этого проводимость базы, несмотря на рост концентрации электронов и дырок, остается примерно постоянной, а падение напряжения на базе возрастает пропорционально току.

Это обстоятельство учитывает второе слагаемое в выражении (4). Входящее в это слагаемое удельное сопротивление , обусловленное взаимным рассеянием носителей, является в нашей модели феноменологическим параметром и уменьшается с температурой как вследствие роста определяемой рассеянием подвижности [2 – 3]:



, (5)

где = 300 K, – диэлектрическая проницаемость [4], а и – эффективные массы электронов и дырок в волноводе [5]. в данном случае – это подгоночная постоянная; сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными [6] дает для этой постоянной величину 114 Омсм.

Сумму падений напряжения на гетеропереходах лазерной структуры согласно существующей теории гетеропереходов [7] можно представить в виде:

, (6)

где – так называемый фактор идеальности, а – обратный ток насыщения.

Если ток через диод ограничивается процессами термоэлектронной эмиссии на
p+-n-гетеропереходе [8],

, (7)

, (8)

где и – диэлектрическая проницаемость и уровень легирования p-эмиттера, – возникающая на p+-n-гетеропереходе контактная разность потенциалов [7], а – постоянная, определяемая, в основном, проницаемостью барьера на гетерогранице. Сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными [6] дает для величину 2.210–16 Асм.

Таким образом, вольтамперная характеристика лазерного диода в прямом направлении имеет вид:

. (9)





Рисунок 1 – ВАХ лазерного диода на основе AlGaAs, излучающего на длине волны 808 нм.
Сплошные кривые – результаты теоретических расчетов по формуле
(37); маркеры –
результаты компьютерного моделирования в пакете Sentaurus TCAD фирмы Synopsys
.

Степень согласия теоретических расчетов по формуле (9) [сплошные кривые]


с результатами компьютерного моделирования лазерного диода [8 – 9] (маркеры) демонстрирует рисунок 1.

Работа выполнена в НОЦ ОрелНано [10] при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Орловской области. Грант №12-02-97512.



Литература


1. Sotoodeh M., Khalid A.H., Rezazadeh A.A. Empirical low-field mobility model for III–V compounds applicable in device simulation codes // Journal of Applied Physics. 2000. V.87. N. 6. P. 2890 - 2900.

2. Евсеев Ю.А., Дерменжи П.Г. Силовые полупроводниковые приборы. - М.: Энергоиздат, 1981. - С. 9 - 50.

3. Отблеск А.Е., Челноков В.Е. Физические проблемы в силовой полупроводниковой электронике. - Л.: Наука, 1984. С. 8 - 11.

4. Samara G.A. Temperature and pressure dependence of the dielectric constants of semiconductors // Phys. Rev. B. 1983. V. 27. P. 3494 - 3505.

5. New Semiconductor Materials. Characteristics and Properties.- Electronic archive of the Ioffe Institute: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/AlGaAs/index.html (или http://www.matprop. ru/AlGaAs).

6. Мощные лазеры ( = 808 нм) на основе гетероструктур раздельного ограничения AlGaAs/GaAs /Андреев А.Ю., Зорина С.А., Лешко А.Ю., Лютецкий А.В., Мармалюк А.А., Мурашева А.В., Налет Т.А., Падалица А.А., Пихтин Н.А., Сабитов Д.Р., Симаков В.А., Слипченко С.О., Телегин К.Ю., Шамахов В.В., Тарасов И.С.//ФТП. - 2009. - Т. 43. - Вып. 4. - С. 543 - 547.

7. Шарма Б.Л., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы. - М.: Советское радио, 1979. 232 с.

8. Зависимость характеристик полупроводникового ДГС РО лазера на основе AlGaAs от концентрации алюминия в области волновода и эмиттеров /Матюхин С.И., Козил З.Ж., Магомедов Г.Р., Малый Д.О., Ромашин С.Н. //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - №3 (287). - C. 26 - 35.

9. Матюхин С.И., Козил З.Ж. Зависимость характеристик полупроводникового ДГС РО лазера на основе AlGaAs от ширины квантоворазмерной активной области // Наноинженерия. - 2012. - № 5. С. 14 - 17.

10. Степанов Ю.С., Барсуков Г.В., Степанова Е.Ю. Научно-образовательный центр нанотехнологий в структуре учебно-научно-производственного комплекса // Наноинженерия. - № 5. – 2012. – С. 3 – 6.


Матюхин Сергей Иванович, д.ф.-м.н., доцент, ФГОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», декан Естественнонаучного факультета, тел. (4862) 41-98-8, e-mail: sim1@mail.ru

Макулевский Гаджи Рашидович, ФГОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», аспирант,

тел. (4862) 41-98-89, e-mail: maggadr@gmail.com.
страница 1
скачать файл


Смотрите также: