Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [ 68 ] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

7.7. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА р-п-ПЕРЕХОДА

Характеристика р-п-перехода при изменении приложенного напряжения может быть хорошо смоделирована эквивалентной схемой рис. 7.12. Элементы R и L соответствуют сопротивлению и индуктивности полупроводникового образца, контактов и выводов, которыми при ближайшем рассмотрении будем пренебрегать. Два конденсатора Cj и Ср, а также резистор г - нелинейные элементы, значение которых зависит от условий смещения.

Емкость перехода Cj преобладает при обратном смещении и зачастую пренебрежима в условиях прямого смещения. Эта емкость определяется зарядом, запасенным в обедненном слое, но вследствие распределенной природы этого заряда нелинейно зависит от приложенного напряжения V. Если малое изменение А К напряжения V приводит к малому изменению заряда AQ в обедненном слое,

Cj=\AQ/AV\. (7.7.1)

В результате дифференцирования (7.6.8)

Cj/A = [епА еео/2 (Vp - V)]/. (7.7.2)

Иногда удобно выражать Cj через - емкость несмещенного перехода:

СоМ = (г/глеео/2Уо)/2 (7.7.3)

Cj==Cjil-V/VpyfK

(7.7.4;

Подставим в (7.7.2) следующие типичные значения: е = 12 и пл = 1023 -3. тогда при е = 1,6x10-" Кл и = 8,85- Ю"* Ф/м.

[Ф/м1 = [пФ/мкм « (7.7.5)

Рассмотрим переход площадью 10* мкм* и Ко« 1 В. Несмещенная емкость Со« 10 пФ. При большом положительном смещении Cj может быть на порядок больше; при обратном смещении 100 В она может быть на порядок меньше.

Диффузионная емкость Ср не является истинной емкостью. Она всегда шунтируется сопротивлением гр, и вместе они предостав-1 ПЬ =т=* =т= ляют дополнительную возможность носителям, которые запасены вне обедненного слоя, для поддержания тока / через переход. На практике Ср и гр могут принимать заметные Рис. 7.12 Эквивалентная значения при сильном смещении в положи-схема рп-перехода тельном направлении, когда (eV/kT) I.



Каждая из этих величин зависит как от уровня смещения, так и от частоты модуляции. Анализ эффектов модуляции приложенного напряжения откладывается до следующей главы, там же будут рассмотрены оптические характеристики. Здесь лииаь сделаем некоторые оценки. Предполагается, что переход - положительно смещен постоянным напряжением Ко, которое приводит к возникновению постоянного тока определяемого из (7.3.4). На это напряжение наложено небольиаое синусоидальное напряжение

Vi cos (ot, которое обозначим Vi (ш). Это приведет к колебаниям тока Il COS {(ot + ф), т. е.

1г{о) = ¥о{(о)УА(о). (7.7.6)

где Yo (w) = (1 /Го) + j(oCo (7.7.7)

- полная проводимость перехода. В § 8.6 будет показано, что на низких частотах, таких что шт < 1,

Го « kT/elo (7.7.8)

и что для идеального асимметричного перехода, в котором ток в основном определяется движением электронов,

CoeITj,/2kT. (7.7.9)

Таким образом,

ГоСохХр/2. (7.7.10)

В п+-/?-переходе при комнатной температуре, прямом токе 10 мА и значении Тр порядка 10 не го ~ 2,6 Ом и Со ~ 2 нФ. Значение Cj обычно незначительно.

ЗАДАЧИ

7.1. Вычислить значения е гГ при комнатной температуре для полупроводников, приведенных в табл. 7.2. Указать, какие нз этих материалов будут обладать полупроводниковыми свойствами при 77К, а какие при 400К.

7.2. Вычислить значения коэффициентов диффузии электронов и дырок для полупроводников, перечисленных в табл. 7.2.

7.3. Объяснить, какая из двух составляющих /j или 1 общего диодного тока / [см. (7.3.4) и (7.3.5)1 будет преобладать: а) при высоких токах; б) при высоких температурах; в) при увеличении ширины запрещенной зоны.

7.4. Данные, приведенные на рис. 9.11, а соответствуют формулам (7.3.4) и (7.3.5). Используя этн графики, оценить значения /qi и /ог и омическое сопротивление диодов.

7.5. Вывести выражение для инжекционной эффективности р-я-перехо-да, образованного прямозониым полупроводником, в котором излучательиая рекомбинация преобладает над другими процессами рекомбинации. Исходя из него рассчитать инжекционную эффективность в р+-п GaAs диоде, в котором

- \0* м- и Яд - 10 м"". Использовать формулу (8.4.13) и результат ее преобразования для материала п-типа, считая г = 10~( м/с.



РЕЗЮМЕ

В оптических системах связи широко используются источники и детекторы на основе полупроводников: светоизлучающие диоды, инжекционные лазеры, p-i-n и лавинные фотодиоды. Важным параметром полупроводника является ширина запрещенной зоны. Этим параметром определяется концентрация собственных носителей:

= 2 (2яftT l*)з/ (тту!* ехр (-е/2АТ).

Значения eg, ni и других параметров Si, Ge и двойных А"В соединений приведены в табл. 7.2.

Ширина запрещенной зоны и постоянная решетки непрерывно изменяются при изменении состава тройных и четверных А"В соединений. Используя четверные и некоторые тройные смеси, можно вырастить монокристаллы полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Некоторые примеры показаны на рис. 7.3 и 7.4. Источники на основе Ga Al As/Ga As совместно с детекторами на основе Si хорошо подходят для работы на длине волны около 0,85 мкм. Для больших длин волн порядка 1,0 ... 1,7 мкм могут использоваться источники на основе InGaAsP/InP и детекторы на основе Ge или InGaAs/InP.

Свойства полупроводникового перехода можно кратко

сформулировать таким образом:

а) ток / = [ехр (eV/kT) - 1] + /„г lexp{eV/kT) - 1]. Первый член включает в себя диффузионный ток и пропорционален п?. Второй член включает в себя генерационно-рекомбинационный ток. и пропорционален nf,

б) толщина обедненного слоя /д » [2eeQ (Vd - УУепл];

в) эквивалентная схема отрицательного смещенного перехода определяется емкостью обедненного слоя Cj- = Cq (1 - V/Vd)~, гдеСц » « (еео епА/2УоУ;

г) положительно смещенный переход может быть представлен на низких частотах полной проводимостью

Yd = 1/Го +/wCo {eIJkT)(l+j(axj2).

8. ИНЖЕКЦИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 8.1. ПРОЦЕССЫ РЕКОМБИНАЦИИ

Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках может вызываться несколькими независимыми конкурирующими процессами. Иногда удобно отдельно рассматривать непосредственные переходы зона-зона и переходы с промежуточными шагами. Более важны для нас различия между излучательными и безызлучательными процессами ре-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [ 68 ] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0018