СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 0 100 20 40 60 80 КПД преобразования лазерного излучения, % 0,2 0,4 0,6 0,8 InGaP GaAs GaSb Ge 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Длина волны, мкм 1 2 3 4 5 6 7 0,8 1,0 1,2 1,4 Энергия, эВ 0,01 0,1 Фототок ( i ф ), А/см 2 1,0 10 1 2 3 300 К 60 70 80 90 10 2 10 3 10 4 ● устойчивость к воздействию внеш- них факторов в космическом про- странстве; ● возможность компенсации нерав- номерного распределения плотно- сти лазерного излучения. В качестве источника лазерного излучения предполагается исполь- зовать полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения в диапазо- не 1,6…0,8 мкм, работающие в импульс- ном или непрерывном режимах. Наи- более подходящими материалами для ФЭП такого излучения являются гете- роструктуры AlGaAs/GaAs, антимонид галлия (GaSb) и InGaAsP. КПД ФЭП увеличивается при увеличе- нии мощности лазерного излучения до оптимальной величины 10…100 Вт/см 2 вследствие увеличения рабочего напря- жения ФЭП. При дальнейшем увеличе- нии интенсивности засветки возраста- ют омические потери, что приводит к снижениюКПД ФЭП. Величина опти- мальной плотности мощности лазерно- го излучения уменьшается также с уве- личением площади ФЭП. При построении реальных лазерных систем дистанционного энергопитания на большие расстояния мощность при- ходящего лазерного излучения может составлять менее 0,1…1,0 Вт/см 2 . В этом случае уменьшение необходимой пло- щади ФЭП может быть достигнуто путём концентрирования лазерного излучения в 100…1000 раз. При этом может быть получен максимальный КПД преобразования, а площадь и сто- имость ФЭП снижена пропорциональ- но кратности концентрирования при использовании относительно дешёвых линз Френеля [4–6]. Для дальних волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) наибольшее рас- пространение получили ФЭП на основе системы InGaAs/InP, перекрывающие спектральный диапазон излучения лазеров 1,3…1,55 мкм, в котором достиг- нуты минимальные оптические поте- ри и минимальная дисперсия в опти- ческих волокнах, что очень важно для ВОЛС большой протяжённости. Однако для ВОЛС малой протяжённости (внут- риобъектных и других длиной менее 1 км) затухание излучения λ = 0,8 мкм составляет менее 1 дБ, и потери в волок- не не играют заметной роли. Таким образом, для коротких ВОЛС, а также для излучения, распространяющего- ся в открытом пространстве, исполь- зование ФЭП на основе AlGaAs/GaAs- гетероструктуры не только приемлемо, но и является предпочтительным для детектирования лазерного излучения с длиной волны 0,87…0,4 мкм. Э ФФЕКТИВНОСТЬ ФЭП ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В условиях освещения ФЭП, ког- да количество фотогенерированных носителей тока остаётсяменьше коли- чества основных носителей, варьирова- ние освещённости будет означать, что прямо пропорционально изменяется и плотность фототока i ф . Поток излу- чения полагаем монохроматическим с hv = E g (GaAs) = 1,424 эВ. Из рисунка 1 видно, что КПД увеличивается при уве- личении i ф , т.е. уровня освещённости. Это происходит за счёт увеличения напряжения холостого хода ( U xx ) и свя- занного с ним увеличения напряжения в точке оптимальной нагрузки ( U опт ). В диапазоне плотностей тока i ф = 10 –2 …10 3 А/см 2 имеет место близ- кая к линейной зависимость расчёт- ного КПД от плотности фототока. При больших плотностях фототока ( i ф > 10 3 А/см 2 ) начинается отклоне- ние от линейной зависимости η = f ( i ф ), показанное штриховой кривой, вслед- ствие того что концентрация фотоге- нерированных носителей тока при i ф > 10 3 А/см 2 приближается к концен- трации основных носителей. При этом максимальное теоретическое значение КПД преобразования лазерного излу- чения ( hv = 1,424 эВ, λ = 0,87 мкм) при i ф = 10 3 А/см 2 составляет ∼ 80% при 300 К. Граничная длина волны λ г , меньше которой фотоны будут поглощаться в материале ФЭП с шириной запре- щённой зоны Е g , равна λ г = 1,24 E g . Фото- ны с энергиями hv > E g создают «горя- чие» носители тока, имеющие, помимо избыточной потенциальной энергии Е g , ещё и избыточную кинетическую энер- гию, равную разности hv – E g . Однако эта кинетическая энергия быстро рас- ходуется на нагревание кристалличе- ской решётки (носители термализуют- ся, т.е. приходят в тепловое равновесие с решёткой). Таким образом, в потен- циальную энергию электронно-дыроч- ных пар преобразуется лишь часть высокоэнергетичных фотонов. Зна- чения монохроматического КПД (при hv = E g ) показаны линиями 1, 2 и 3 на рисунке 2 для трёх значений фотото- ка i ф . На этом рисунке по оси абсцисс отложена длина волны, которую в дан- ном случае следует рассматривать как граничную длину волны для каждого полупроводникового материала. Для Рис. 1. Зависимость КПД и энергии лазерного излучения от уровня освещённости ФЭП: зависимость энергетических величин qU xx (1), qU опт (2) и КПД (3) от плотности фототока для идеализированного p-n -перехода в GaAs; линия 3 и правая ось – зависимость КПД от плотности фототока при преобразовании монохроматического излучения с энергией квантов hv = Eg Рис. 2. Зависимость КПД ФЭП от длины волны лазерного излучения: Максимальные значения монохроматического КПД для величин фототока i ф = 0,1; 1,0 и 10 A/cм 2 (линии 1, 2, 3 соответственно) в зависимости от граничной длины волны полупроводникового материала ФЭП; 4, 5, 6, 7 – КПД преобразования энергии монохроматического излучения для идеализированных ФЭП на основе InGaP, GaAs, GaSb и Ge соответственно в зависимости от длины волны преобразуемого излучения каждого материала значения КПД пре- образования более коротковолнового по сравнению с λ г излучения должны быть уменьшены в λ / λ г раз, что в каче- стве примера изображено четырьмя наклонными прямыми для материалов InGaP (4) GaAs (5), GaSb (6) и Ge (7) при i ф = 1,0 А/см 2 . Максимум для КПД идеализирован- ного ФЭП лазерной энергии на осно- ве каждого из выбранных материалов увеличивается с увеличением плотно- стифототока, т.е. с увеличениеммощно- сти лазерного излучения, и уменьшается с увеличением длины волны лазерного излучения. При этом для лазерного излу- чения с энергией 0,8…0,87 мкм опти-