Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2010 №3

Источник мощных оптических импульсов на диодах инфракрасного диапазона длин волн

Авдоченко Борис

Вилисов Анатолий

Пушкарев Владимир

Тепляков Константин

Юрченко Василий


Источники мощных оптических импульсов используются в оптических системах связи, активно-импульсном телевидении, мониторинге экологического состояния атмосферы, охранных системах и др. Построенные на базе твердотельных полупроводниковых лазеров, они имеют высокую стоимость и малый временной ресурс работы. В статье представлены результаты исследования возможности построения импульсных источников на основе светоизлучающих диодов ИК-диапазона.

Развитие указанных систем предъявляет к характеристикам импульсных оптических генераторов всевозрастающие требования, что вызывает необходимость проведения исследований с целью усовершенствования оптических излучателей и источников их накачки. Одним из важнейших элементов в источниках мощных оптических импульсов являются излучающие диоды, например ИК-диапазона.

Тенденцией современного развития излучателей является увеличение генерируемой мощности, которое достигается за счет увеличения прямого тока, улучшения технологии изготовления, повышения эффективности генерации и вывода излучения из кристалла диода и т. п. Повышение мощности ИКизлучения светодиодами обеспечивается за счет увеличения прямого тока.

Общеизвестно, что с ростом прямого тока интенсивность излучения мощных ИК-диодов растет сублинейно. Для режимов постоянного прямого тока в подавляющем большинстве случаев эта сублинейность является следствием разогрева активной области протекающим током. Однако в случае квазихолодного режима, т. е. при большой скважности импульсного режима работы, разогрев диода практически исключен. Для гетероструктур InGaAsP/InP эта сублинейность интерпретируется как результат конкуренции безызлучательных потерь вследствие Оже-рекомбинации и утечки избыточных носителей из активной области в эмиттерные слои [4, 5]. При рассмотрении стационарного баланса рекомбинационных процессов в активной области кристалла расчетным путем и экспериментально были определены коэффициенты основных рекомбинационных процессов и установлены их зависимости от концентрации инжектированных носителей заряда и состава активной области. Коэффициент Оже-рекомбинации увеличивается более чем на порядок с переходом от структур с . = 1,06 мкм к структурам с . = 1,55 мкм.


Рис. 1. Внешний вид излучающего диода АЛ148А

Исследование характеристик светодиодов в режиме одиночных токовых импульсов больших амплитуд имеет большую актуальность.

Излучающие диоды (ИД) АЛ148А (.. 870 нм) разработаны для систем связи с открытыми атмосферными каналами передачи информации [2]. В «нормальных», паспортных режимах такой ИД (рис. 1) имеет мощность излучения при прямом постоянном токе 1 А не менее 150 мВт (типовые значения 170–200 мВт), импульсную мощность излучения при токе 6 А не менее 700 мВт (типовые значения 800–1000 мВт), полуширину диаграммы направленности 20–30°. Диод собран на медном держателе, обеспечивающем тепловое сопротивление 5–9 К/Вт.

Пиковая мощность излучения диода АЛ148А может быть увеличена в десятки раз при соответствующем увеличении скважности прямого импульсного тока. Увеличение скважности импульсной последовательности тока позволяет существенно улучшить технико-экономические параметры ИК-трансивера в целом: увеличить дальность действия светового потока; уменьшить стоимость за счет упрощения оптической части устройства; снизить требования к фотоприемнику; существенно компенсировать временное ухудшение условий распространения излучения на трассе (увеличение влажности, дождь, туман, дым, снегопад и т. п.).

Кроме того, существует класс задач, в которых предельная пиковая мощность излучения является основным параметром ИК-излучателя и системы в целом. Прежде всего, это устройства, в которых по одиночному прошедшему или отраженному импульсу излучения проводится измерение параметров подвижного или нестационарного объекта (среды, процесса), необходимых для принятия оперативного решения.

Геометрия вывода излучения в диодах АЛ148А такова, что при одинаковой плотности рабочих токов поток мощности излучения через световыводящее окно диода на два-три порядка меньше, чем через зеркала импульсных лазерных диодов. Если в качестве обобщенной оценки ориентироваться на предельные плотности рабочих токов импульсных лазерных диодов, то предельный ток для диода АЛ148 должен составлять 200 А при длительности импульса 100 нс и 600 А при длительности 25 нс.


Рис. 2 Структурная схема генератора импульсов накачки


Рис. 3. Внешний вид генератора импульсов накачки

Очевидно, что измерения характеристик диодов в таких режимах имеют особенности. При проведении экспериментов использовался разработанный генератор, несколько модификаций фотоприемников и различные схемы измерения. Разработанный источник может использоваться в качестве базового блока в разработках:

  • локационных систем с наносекундным разрешением во времени;
  • в различных метрологических установках, приборах экологического контроля атмосферы, водных и лесных массивов;
  • всепогодных оптических локаторов, в том числе для средств передвижения (измерение параметров движения, обнаружение препятствий);
  • различных охранных устройств и неконтактных датчиков и т. д.

Структурная схема генератора импульсов накачки приведена на рис. 2, его внешний вид — на рис. 3.

В состав генератора импульсов тока накачки входят следующие устройства:

  • Генератор импульсной последовательности, вырабатывающий импульсы с регулируемой частотой 0,1–10 кГц. Работа генератора синхронизируется с внешним устройством при частоте синхроимпульсов выше внутренней частоты генератора.
  • Формирователь синхроимпульса ТТЛуровня для синхронизации с внешними устройствами.
  • Электронная линия задержки, обеспечивающая задержку выходного импульса относительно синхроимпульса, предназначенная для синхронизации генератора с внешними устройствами.
  • Формирователь необходимой длительности импульса.
  • Импульсный ключ на основе мощных полевых транзисторов, вырабатывающий импульс тока накачки светодиода с заданной длительностью.

Для исследования технических параметров импульсных светодиодов предусмотрены четыре внешних регулировки параметров импульсов: регулировка частоты следования импульсов, управление задержкой импульса синхронизации, регулировка длительности вырабатываемого импульса, регулировка амплитуды импульса накачки. В ходе исследования производился контроль формы импульса тока через нагрузку — оптический излучатель.

Технические характеристики генератора импульсов накачки:

  • время нарастания и спада выходных импульсов 10–15 нс;
  • длительность формируемых импульсов от 50 нс до 50 мкс;
  • выходной ток до 300 А на нагрузке 0,2 Ом.

Экспериментально снимались эпюры напряжений на излучающем диоде АЛ148А (или его эквиваленте при настройке) и на токоизмерительном резисторе. Для области токов 10–250 А величина токоизмерительного резистора выбиралась равной 0,05 Ом.

Форма импульсов излучения измерялась фотоприемниками на основе фотодиодов ФД-256 и трансимпедансными усилителями с верхней частотой пропускания до 330 МГц или ФЭУ-28 с временным делителем (FB≅120 МГц). Временные характеристики оптического тракта тестировались импульсами полупроводникового лазера (длительность τи≤300 пс, мощность излучения Риз∼1 Вт). Амплитудная калибровка оптических трактов проводилась по реперным точкам ВТАХ диода, полученным по измерениям в фотометрическом шаре. Работа фотоприемников на линейном участке обеспечивалась ослаблением излучения посредством наборов светофильтров, калиброванных для области 0,7–1,0 мкм.

Поскольку в РБТ ток Id через диод ограничивается последовательным сопротивлением диода (сопротивления объема полупроводника, омических контактов rd, токоподводящих выводов и пр.), то основная часть токового импульса возбуждения рассеивается на этом последовательном сопротивлении. Обычно его определяют экспериментально как дифференциальное по наклону ВАХ. Это формальный параметр эквивалентной схемы диода, величина которого зависит от прямого тока. С ростом прямого тока дифференциальное сопротивление резко уменьшается за счет увеличения концентрации носителей заряда в базовых областях диода. Однако физическое содержание этого параметра сложнее, чем просто модуляция проводимости различных областей полупроводниковой структуры, так как с ростом плотности прямого тока увеличивается диффузионное падение напряжения на градиенте концентрации основных носителей заряда [7]. Из-за наличия последовательного сопротивления в РБТ внешняя квантовая эффективность электролюминесценции (или КПД) излучающего диода (светодиода) с ростом прямого тока уменьшается пропорционально величине тока с сохранением линейности ВТАХ.

Излучающие ИК-диоды АЛ148А имеют достаточно высокое быстродействие. Длительность фронта нарастания импульса излучения по уровню 0,1–0,9 не превышает 20 нс (рис. 4, кривая 2). Отсюда следует, что для полного использования амплитуды электрического импульса возбуждения необходимо, чтобы его длительность была не менее ∼65 нс (рис. 4, t2(мин)).


Рис. 4. Переходные характеристики излучающего диода АЛ148А при возбуждении прямоугольным токовым импульсом (Iпр.и>10 А)


Рис. 5. ВТАХ излучающего диода: кривые 1, 2 — rd = 0,092 Ом; 3 — rd = 0,14 Ом; 1 — импульсный ток; 2, 3 — постоянный ток

Ниже приведены характеристики излучающего диода АЛ148А в режиме больших прямых токов (РБТ) (рис. 5, 6). В частности, представлены результаты измерений вольтамперных (ВАХ) и ваттамперных (ВТАХ) характеристик диодов в диапазоне токов до 200–250 А и пиковой мощности излучения до 30 Вт (рис. 6). На рис. 5 наблюдается разница в излучаемой мощности в импульсном режиме (кривая 1) и на постоянном токе (кривая 2). Видно, что ИД с меньшим сопротивлением rd, при меньшей начальной эффективности электролюминесценции сохраняет линейность ВТАХ (кривая 1) до больших токов. На рис. 6 для примера приведена ВТАХ мощного красного светодиода ТОМ 120 К (кривая 3).

Экспериментальные значения ряда параметров в РБТ типичного излучающего диода АЛ148А приведены в таблице. Диод имеет полуширину диаграммы направленности 20–30°, последовательное дифференциальное сопротивление 0,1 Ом. Измерения выполнены на частотах следования импульсов 10–5000 кГц при длительности токового импульса 50 нс. Видно, что для получения высокой мощности излучения приходится жертвовать значением КПД. Собственно, такая зависимость КПД от тока наблюдается для всех излучающих (и вообще полупроводниковых) приборов, где последовательно с рабочим переходом имеется «паразитное» последовательное сопротивление.


Рис. 6. Зависимость пиковой мощности излучения от тока: кривая 1 — rd= 0,092 Ом; 2 — rd = 0,14 Ом; 3 — ТОМ 120 К, λ = 0,66 мкм, rd= 0,2 Ом

Таким образом, достигнута пиковая мощность излучения диода АЛ148А более 30 Вт. По виду ВАХ и ВТАХ типичных диодов режим импульсных токов (200–250 А) не является предельным. С учетом специфики РБТ на основе диода АЛ148А возможна доработка излучающего ИК-диода для режима большого сигнала с пиковой мощностью излучения в десятки–сотни ват.

В заключение отметим, что мощные однокристальные излучающие диоды, по-видимому, всегда будут проигрывать многокристальным вариантам прибора [1, 3, 8] по КПД. Однако по скоростным параметрам, надежности, габаритам, технологичности и ценовым характеристикам они имеют преимущества.

Таблица. Параметры ИД АЛ148А в режиме больших токов
пр.и., А Ud, В Ре, Вт К.П.Д., % F, кГц
10 2,4 2 8,4 5000
17 3,2 3 5,5 3000
90 10 18 2 6
250 30 30 0,4 10
6 (tи = 50 мкс) 1,9 1 11 10

Литература

  1. Волков В. В., Закгейм А. Л., Кузьмичев Ю. С. Мощные высокоэффективные полупроводниковые источники излучения в красной и ближней ИК-областях спектра // Электронная промышленность. 1996. № 4.
  2. Вилисов А. А., Захарова Г. Н., Кухта А. М., Нефедцева И. В. Мощный излучающий диод АЛ148А // Электронная промышленность. 1990. № 10.
  3. Коган Л. М. Светодиоды с повышенной мощностью излучения // Светотехника. 2000. № 2.
  4. Елисеев П. Г., Цимберова И. С. Безызлучательные потери в гетероструктурах InGaAsP/ InP // Квантовая электроника. 1989. № 10.
  5. Елисеев П. Г., Цимберова И.С. Нелинейность люминесценции гетероструктур InGaAsP/ InP в диапазоне 1,0–1,6 мкм // Радиотехника и электроника. 1989. № 3.
  6. Елисеев П. Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука. 1983.
  7. Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники. М.: Энергия. 1974.
  8. Патент № 97109754/25 (РФ) Источник света / Н. В. Карпович, Н. П. Криворотов, А. В. Хан // Бюл. 1999. № 16.
  9. Дьяконов В. П. Импульсный трансформатор для регистрации токов наносекундного диапазона // ПТЭ. 1987. № 2.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке