Основные параметры выпрямительных диодов — ЛукиЭлектроЗамер

Для выпрямления низкочастотных переменных токов, то есть для превращения переменного тока в постоянный или пульсирующий, служат выпрямительные диоды, принцип действия которых основан на односторонней электронно-дырочной проводимости p-n-перехода. Диоды данного типа применяются в умножителях, выпрямителях, детекторах и т. д.

Производятся выпрямительные диоды с плоскостным либо с точечным переходом, причем площадь непосредственно перехода может составлять от десятых долей квадратного миллиметра до единиц квадратных сантиметров, в зависимости от номинального для данного диода выпрямленного за полупериод тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода имеет прямую и обратную ветви. Прямая ветвь ВАХ практически показывает связь тока через диод и прямого падения напряжения на нем, их взаимозависимость.

Обратная ветвь ВАХ отражает поведение диода при подаче на него напряжения обратной полярности, где ток через переход очень мал и практически не зависит от величины приложенного к диоду напряжения, пока не будет достигнут предел, при котором случится электрический пробой перехода и диод выйдет из строя.

Максимальное обратное напряжение диода — Vr

Первой и главной характеристикой выпрямительного диода является максимально допустимое обратное напряжение. Это то напряжение, приложив которое к диоду в обратном направлении, можно будет еще уверенно утверждать, что диод его выдержит, и что данный факт не скажется отрицательно на дальнейшей работоспособности диода. Но если данное напряжение превысить, то нет гарантии, что диод не будет пробит.

Данный параметр для разных диодов отличается, лежит он в диапазоне от десятков вольт до нескольких тысяч вольт. Например для популярного выпрямительного диода 1n4007 максимальное постоянное обратное напряжение равно 1000В, а для 1n4001 – составляет всего 50В.

Средний ток диода — If

Диод выпрямляет ток, поэтому следующей важнейшей характеристикой выпрямительного диода будет средний ток диода — средняя за период величина выпрямленного постоянного тока, текущего через p-n-переход. Для выпрямительных диодов данный параметр может составлять от сотен миллиампер до сотен ампер.

Например для выпрямительного диода 2Д204А максимальный прямой ток составляет всего 0,4А, а для 80EBU04 — целых 80А. Если средний ток окажется длительное время большим по величине, чем приведенное в документации значение, то нет гарантии что диод выживет.

Максимальный импульсный ток диода — Ifsm (единичный импульс) и Ifrm (повторяющиеся импульсы)

Максимальный импульсный ток диода — это пиковое значение тока, которое данный выпрямительный диод способен выдержать только определенное время, которое указывается в документации вместе с этим параметром. Например, диод 10А10 способен выдержать единичный импульс тока в 600А длительностью 8,3мс.

Что касается повторяющихся импульсов, то их ток должен быть таким, чтобы средний ток уложился бы в допустимый диапазон. Например, повторяющиеся прямоугольные импульсы с частотой 20кГц диод 80EBU04 выдержит даже если их максимальный ток составит 160А, однако средний ток должен оставаться не более 80А.

Средний обратный ток диода — Ir (ток утечки)

Средний обратный ток диода показывает средний за период ток через переход в обратном направлении. Обычно это значение меньше микроампера, максимум — единицы миллиампер. Для 1n4007, к примеру, средний обратный ток не превышает 5мкА при температуре перехода +25°С, и не превышает 50мкА при температуре перехода +100°С.

Среднее прямое напряжение диода — Vf (падение напряжения на переходе)

Среднее прямое напряжение диода при указанном значении среднего тока. Это то напряжение, которое оказывается приложено непосредственно к p-n-переходу диода при прохождении через него постоянного тока указанной в документации величины. Обычно не более долей, максимум — единиц вольт.

Например в документации для диода EM516 приводится прямое напряжение в 1,2В для тока в 10А, и 1,0В при токе 2А. Как видим, сопротивление диода нелинейно.

Дифференциальное сопротивление диода

Дифференциальное сопротивление диода выражает отношение приращения напряжения на p-n-переходе диода к вызвавшему это приращение небольшому приращению тока через переход. Обычно от долей Ома до десятков Ом.

Его можно вычислить по графикам зависимости падения напряжения от прямого тока.

Например, для диода 80EBU04 приращение тока на 1А (от 1 до 2А) дает приращение падения напряжения на переходе в 0,08В. Следовательно дифференциальное сопротивление диода в этой области токов равно 0,08/1 = 0,08Ом.

Средняя рассеиваемая мощность диода Pd

Средняя рассеиваемая мощность диода — это средняя за период мощность, рассеиваемая корпусом диода, при протекании через него тока в прямом и обратном направлениях. Данная величина зависит от конструкции корпуса диода, и может варьироваться от сотен милливатт до десятков ватт.

Например, для диода КД203А средняя рассеиваемая корпусом мощность составляет 20 Вт, данный диод можно даже установить при необходимости на радиатор для отвода тепла.

Источник: http://electricalschool.info

Полупроводниковые диоды Параметры и характеристики

Полупроводниковые диоды

 

Диоды – полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называют анодом А и катодом К. 

Если приложено положительное напряжение UAK > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении UAK < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I = f(UAK). Типовая характеристика диода представлена на рис. 4.2. Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях UAK. Однако он не должен превышать определенного максимального значения Iмакс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения UПР при токах порядка 0,1Iмакс. Для германия UПР находится в пределах от 0,2 по 0,4 В, для кремния от 0,5 до 0,8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении.

Для диодов общего назначения обратный ток очень мал и составляет нано- и микроамперы. Его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достигнет напряжения пробоя. Для диодов общего назначения это напряжение составляет десятки и сотни вольт.  Обратный ток при напряжениях |UAK| > UОБР.макс возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу диодов из строя. Все полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

Рис.4.2. ВАХ диода 

Выпрямительные диоды обычно характеризуют набором статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся:

• падение напряжения UПРна диоде при некотором значении прямого тока;
• обратный ток IОБР при некотором значении обратного напряжения;
• среднее значение прямого тока IПР.СР.;
• максимальное значение обратного напряжения UОБР.

        К динамическим параметрам диода относятся его временные или частотные характеристики. К таким параметрам относятся:

• время восстановленияtВОС обратного напряжения;
• время нарастания прямого тока IНАР;
• предельная частота без снижения режимов диода fмакс.

 Статические параметры можно установить по вольт-амперной характеристике диода. Время обратного восстановления диода tВОСявляется основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом p-n переход должен освободиться от накопленного заряда. Эффект накопления заряда можно пояснить на примере простого выпрямителя. В качестве входного напряжения используется напряжение прямоугольной формы. Когда входное напряжение UВХположительно, диод открывается и выходное напряжение равно прямому напряжению на диоде. Когда UВХотрицательно, диод закрывается и IД = IОБР. Из рис.4.3 видно, что это происходит по истечении времени восстановления tВОС, которое тем больше, чем больше прямой ток p-n перехода. По существу, происходит рассасывание зарядов на границе p-n перехода (т.е. разряд эквивалентной емкости). 

Рис. 4.3. Импульсный режим работы диода 

Обычно значение времени накопления для маломощных диодов составляет 10 – 100 нс. Для мощных диодов эта величина находится в диапазоне микросекунд. Период колебаний входного напряжения должен быть больше времени накопления, в противном случае теряются выпрямительные свойства диода.

 

 

 

 

 

Технические характеристики полупроводниковых диодов

| Важные параметры

Спецификации диодов – Чтобы выбрать подходящий диод для конкретного применения, необходимо ознакомиться с техпаспортами или спецификациями полупроводниковых диодов, предоставленными производителями устройств. Части типичных спецификаций диодов показаны на рис. 2-21.

Большинство спецификаций начинаются с номера типа устройства вверху страницы, например, с 1N914 по 1N917 или с 1N5391 по 1N5399. I (один) в номере типа означает однопереходное устройство; диод. Краткое описательное название следует за номером типа; например, 9Кремниевый переключающий диод 0003 или кремниевый выпрямитель . Также приводятся механические данные, обычно в виде иллюстрации, показывающей форму и размеры упаковки. Затем перечислены максимальные значения при 25° (см. рис. 2-21).

Максимальные значения — это максимальное напряжение, ток и т. д., которые могут быть применены без разрушения устройства. Очень важно, чтобы эти номиналы не превышались, иначе вполне вероятен выход диода из строя. По надежности к максимальным показателям даже приближаться не стоит. Если диод должен выдерживать обратное смещение 50 В, следует выбрать диод с пиковым обратным напряжением 75 В. Если пиковый прямой ток диода должен составлять 100 мА, используйте устройство, рассчитанное на 150 мА. Также важно отметить, что максимальные характеристики должны быть скорректированы в сторону уменьшения для работы при температурах выше 25°C.

Список других электрических характеристик устройства обычно следует за максимальными номиналами. Понимание всех параметров, указанных в техпаспорте, не будет достигнуто до тех пор, пока не будут часто сверяться с техпаспортами.

Однако некоторые из наиболее важных параметров рассматриваются ниже:

В _R или В _{RRM –}  Пиковое обратное напряжение , (также называемое пиковым обратным напряжением и блокирующим напряжением постоянного тока):

Это максимальное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду.

I _o  или I _{F(AV) –}  Установившийся прямой ток:

Максимальный ток, который может непрерывно проходить через диод.

I _{FSM –}  Неповторяющийся импульсный ток:

Этот ток может протекать в течение определенного периода времени. Импульсный ток намного выше нормального максимального прямого тока. Это ток, который может кратковременно протекать при первом включении цепи.

I _{FRM –}  Повторяющийся пиковый импульсный ток:

Пиковый ток, который может повторяться снова и снова; например, во время каждого цикла выпрямленного сигнала.

В _F  – Статическое прямое падение напряжения:

Максимальное прямое падение напряжения для данного прямого тока и температуры устройства.

P – Непрерывная мощность рассеяния при 25°C:

Максимальная мощность, которую устройство может непрерывно рассеивать на открытом воздухе. Этот рейтинг должен быть понижен при более высоких температурах.

Маломощные диоды:

В листе технических данных на рис. 2-21 устройства IN914–1N917 идентифицируются как переключающие диоды . Средний выпрямленный прямой ток составляет 75 мА (кроме 1N917). Максимальное обратное напряжение находится в диапазоне от 30 В до 75 В. Таким образом, эти диоды предназначены для относительно слаботочных и низковольтных приложений, в которых может потребоваться быстрое переключение между включенным и выключенным состояниями.

Выпрямительные диоды:

Видно, что выпрямители серии 1N4000 могут пропускать средний прямой ток 1 А, а выпрямители серии 1N5390 могут пропускать 1,5 А. Оба типа имеют максимальное обратное напряжение в диапазоне от 50 В до 1000 В. В отличие от случая выпрямителя переключения диодов, время обратного восстановления не указано в паспорте выпрямителя. Выпрямительные диоды обычно предназначены для низкочастотных приложений (от 60 Гц до 400 Гц), в которых время переключения не имеет значения.

Обзор параметров лазерных диодов

, составленный доктором Камраном С.

Мобарханом

Введение

Часто бывает необходимо количественно оценить качество, производительность и характеристики лазерных диодов. Это делается путем проведения серии экспериментов и получения определенных важных параметров, по которым мы можем определить, насколько хорошо работает лазерный диод. Затем можно установить, соответствует ли лазерный диод желаемым характеристикам. Ниже приводится краткое описание общих параметров, которые могут быть определены экспериментально, и методов анализа исходных данных, позволяющих получить содержательные и легко интерпретируемые результаты.

Кривая зависимости выходного света от входного тока и порогового тока:

Возможно, наиболее важной измеряемой характеристикой лазерного диода является количество света, излучаемого им при подаче тока в устройство. Это генерирует кривую зависимости выходного света от входного тока, чаще называемую L.I. кривая (показана на рисунке 1). По мере увеличения инжектируемого тока лазер сначала демонстрирует спонтанное излучение, которое очень постепенно увеличивается, пока не начнет излучать вынужденное излучение, что и является началом лазерного действия. Первым интересующим параметром является точное значение тока, при котором имеет место это явление. Обычно это называется пороговым током и обозначается символом I _-й . Обычно желательно, чтобы пороговый ток был как можно меньше, что приводит к более эффективному устройству. Таким образом, пороговый ток является одним из показателей, используемых для количественной оценки характеристик лазерного диода.

Пороговая плотность тока:

Пороговый ток зависит от качества полупроводникового материала, из которого изготовлено устройство, и общей конструкции волноводной структуры. Однако пороговый ток также зависит от размера и площади лазерного устройства. Один лазерный диод может демонстрировать гораздо более высокий пороговый ток, чем другое устройство, и при этом считаться гораздо лучшим лазером. Это связано с тем, что площадь устройства может быть большой. Лазер, который шире или длиннее, очевидно, требует большего электрического тока для достижения начала лазерного действия, чем лазер меньшей площади. В результате при сравнении пороговых значений тока различных устройств более целесообразно ссылаться на пороговую плотность тока, а не на пороговый ток.

Пороговая плотность тока обозначается символом I _th и определяется делением экспериментально полученного значения порогового тока I _th на площадь лазера. Всегда желательно, чтобы лазер имел низкое пороговое значение плотности тока. Пороговая плотность тока является одним из параметров, который является прямым показателем качества полупроводникового материала, из которого изготовлен прибор. При сравнении характеристик различных лазерных устройств необходимо сравнивать пороговые значения плотности тока, а не пороговые значения тока. При расчете плотности тока лазера необходимо точно измерить площадь лазера, через которую инжектируется ток. Это возможно только в лазерах с широким полем действия и шириной полосы порядка 100 мкм и более. В таких случаях площадь, через которую протекает ток, очень похожа на площадь металлического контакта лазера. В случае гребенчатых лазеров (рис. 2) ширина гребня составляет всего несколько микрон, тогда как из-за растекания тока реальная ширина канала, по которому течет ток, может быть значительно больше. Это делает нецелесообразным точное определение значений плотности тока в случае узкополосковых гребенчатых лазеров.

Уклон Л.И. Кривая:

Точно так же, как желательно достичь лазерного действия при как можно более низком пороговом токе, также желательно получать все больше и больше света из устройства с затратой как можно меньшего тока. Другими словами, вы хотите иметь возможность медленно увеличивать входной ток и при этом иметь быстрое увеличение светового излучения на выходе. Лазерный диод, который имеет хорошую скорость преобразования входной электрической мощности в выходную мощность света, очевидно, является устройством, которое работает хорошо. Прямым показателем способности прибора сделать это является наклон кривой L.I. кривая выше точки порогового тока. Этот наклон обозначается как ∆P/∆I и измеряется в ваттах на ампер (Вт/А), или, в случае лазеров малой мощности (мВт/мА). ∆P/∆I, наклон Л.И. кривая выше порогового тока I _th , прямо говорит нам, сколько ватт мощности выдает лазер на каждый 1 ампер увеличения его входного тока. Другие важные параметры обычно извлекаются из измерения этого коэффициента наклона ∆P/∆I.

Внешняя дифференциальная квантовая эффективность: кривая — это еще один параметр, называемый внешней дифференциальной квантовой эффективностью, ηd. Это показатель качества, измеряемый в процентах, который указывает эффективность лазерного устройства в преобразовании инжектированных электронно-дырочных пар (входные электрические заряды) в фотоны, испускаемые устройством (выходной свет). Идеальное гипотетическое устройство, которое преобразует 100 % инжектируемого тока в выходной свет без потерь в виде выделения тепла, теоретически должно иметь значение ηd, равное 100 %. Конечно, такого устройства в реальности не существует. Мы можем определить значение внешней дифференциальной квантовой эффективности реального лазерного диода, измерив наклон кривой L.I. кривая, ∆P/∆I, сверхпороговый ток. Затем нам нужно сравнить это с наклоном L.I. кривая идеального, 100% эффективного, теоретического устройства. Это делается, как описано ниже.

Один отдельный электрон имеет электрический заряд q, где q = 1,6x10e ^–19 кулонов. Один кулон, обозначаемый C, представляет собой электрический заряд, равный электричеству, переносимому постоянным током в один ампер за одну секунду. Это означает, что один Кл/сек равен одному ампер. С другой стороны, один фотон с длиной волны λ имеет энергию E = h(c/λ), где h — постоянная Планка, которая связывает энергию и длину волны фотона. Помните, что единицей энергии является джоуль, один джоуль в секунду эквивалентен одному ватту мощности.

В идеальном идеальном лазере рекомбинация каждой пары электрон-дырка приводит к генерации одного фотона, и, кроме того, фотон выдерживает свое путешествие через структуру лазерного волновода и излучается устройством, внося свой вклад в выходную мощность света. В реальном лазере некоторые рекомбинации электронно-дырочных пар приводят к генерации фотонов, тогда как другие приводят к генерации других, нежелательных форм энергии, таких как тепло. Кроме того, не все фотоны, генерируемые внутри лазера, испускаются устройством. Некоторые из них реабсорбируются структурой лазера (рис. 3). В результате в случае идеального совершенного лазера электрический заряд q кулонов приводит к выходной оптической энергии h(c/λ) джоулей. Это означает, что ток q кулонов в секунду (ампер) дает световую мощность h(c/λ) джоулей в секунду (ватт). Таким образом, наклон линии Л.И. кривая идеального, совершенного лазера, излучающего на длине волны λ, теоретически будет (hc)/(λq), где, как уже упоминалось, h — постоянная Планка, λ — длина волны генерируемого света, а q — электрический заряд один электрон. Отметим, что длина волны λ света связана с его частотой υ соотношением υ = c/λ , где c — скорость света.

Теперь, чтобы сравнить эффективность реального лазера, испытываемого в лаборатории, с идеальным совершенным лазером, мы можем сравнить наклоны их L. I. кривые. Это означает, что эффективность реального лазера при преобразовании входного тока в выходной свет равна отношению связанного с ним параметра ∆P/∆I к hc/qλ. Поскольку оба члена ∆P/∆I и hc/qλ имеют одни и те же единицы измерения Ватт/Ампер, результирующий член: (∆P/∆I) / (hc/qλ) представляет собой безразмерный параметр, выраженный в процентах. Это то, что называется внешней дифференциальной квантовой эффективностью, ηd, и эквивалентно (∆P/∆I)/(hc/qλ). Чтобы рассчитать ηd, просто измерьте наклон кривой L.I. кривую в единицах ватт/ампер и умножить на qλ/hc

Обратите внимание, что при этом мы учли тот факт, что фотоны с разной длиной волны имеют разную энергию. Например, один синий фотон (фотон излучения синего цвета с длиной волны в диапазоне спектра 400 нм) имеет больше энергии, чем красный фотон (фотон излучения красного цвета с длиной волны в диапазоне спектра 600 нм). . Кроме того, обратите внимание, что, как показано на рисунках 1 и 3, лазерный диод может излучать свет как с передней, так и с задней граней зеркала, или в случаях, когда задняя грань покрыта покрытием с высокой отражательной способностью, излучает только с передней грани. . Это означает, что, говоря о наклоне линии Л.И. кривой или внешней дифференциальной квантовой эффективности, мы всегда должны уточнять, относятся ли ∆P/∆I и ηd к одной грани зеркала или к двум граням зеркала.

Зависимость от длины резонатора пороговой плотности тока и внешней дифференциальной квантовой эффективности:

Пороговая плотность тока J _th и внешняя дифференциальная квантовая эффективность ηd являются параметрами, которые зависят от длины резонатора лазера диод. Вследствие этого при сравнении характеристик различных лазерных диодов или партий приборов крайне желательно из экспериментально полученных данных извлекать параметры, не зависящие от геометрии и размеров конструкции прибора и являющиеся прямыми показателями. качества полупроводникового кристаллического материала, из которого изготовлено лазерное устройство. Для этого необходимо экспериментально измерить пороговый ток и крутизну Л.И. кривая не одного конкретного лазера, а устройств с различной длиной резонатора. Полученные данные затем могут быть сведены в таблицу и нанесены на график, чтобы определить некоторые важные интересующие параметры, связанные с лазерными диодами. Как правило, при выполнении этих измерений следует использовать лазерные диоды большой площади с четко определенными областями.

Как и в случае с различными продуктами полупроводниковой промышленности, качество материала, из которого изготовлено любое устройство, является наиболее важным фактором, определяющим надежность, прочность и общий ожидаемый срок службы устройства. В случае мощных полупроводниковых лазеров, которые работают при высоких плотностях оптической мощности и высоких температурах, будет происходить быстрая деградация, если полупроводниковый материал низкого качества. Вы также можете увидеть важность этого вопроса в отношении телекоммуникационных лазеров, используемых в подводных трансокеанских волоконных линиях. Некоторые из этих основных свойств описаны ниже. Данные, представленные в таблице на рисунке 4, можно использовать для извлечения этих параметров.

Внутренняя квантовая эффективность:

Этот параметр является мерой эффективности лазера в преобразовании электронно-дырочных пар (инжектируемый ток) в фотоны (свет) в структуре лазерного диода. Например, если определено, что внутренняя квантовая эффективность составляет 75 %, то 75 % электронно-дырочных пар преобразуются в фотоны, а оставшиеся 25 % — в другие формы энергии, такие как тепло. Символ ηi используется для обозначения этого фундаментального свойства. В отличие от внешней дифференциальной квантовой эффективности внутренняя квантовая эффективность не зависит от геометрических свойств лазерного устройства, таких как длина резонатора или ширина полосы. В результате это подходящий параметр для сравнения качества материалов различных лазеров, изготовленных из различных полупроводниковых пластин. Чтобы сделать это, необходимо экспериментально измерить внешний дифференциальный квантовый выход лазеров с различной длиной резонатора, с результатами, представленными в таблице, как показано на рисунке 4. Затем внутренний квантовый выход определяется путем построения кривой обратного внешнего дифференциального квантового выхода. эффективности в зависимости от длины резонатора, как показано на рисунке 5. Обратная точка пересечения линии линейного соответствия набора точек данных с вертикальной осью представляет собой параметр внутренней квантовой эффективности, указанный в процентах. Внутренняя квантовая эффективность является одним из основных показателей качества, который следует использовать при оценке качества полупроводниковой пластины, из которой изготовлен лазерный диод. Внутренняя квантовая эффективность связана с внешней квантовой эффективностью соотношением, показанным на вставке к рисунку 5.9.0005

Обратите внимание, что существует разница между внутренней квантовой эффективностью, ηi, и внешней дифференциальной квантовой эффективностью, ηd. Внутренняя квантовая эффективность является прямым показателем эффективности лазера в преобразовании электронно-дырочных пар (инжектируемый ток) в фотоны (свет) внутри структуры лазерного диода. Но помните, что не все генерируемые фотоны выходят из устройства; некоторые из них реабсорбируются за счет различных внутренних механизмов потери. В результате внешняя дифференциальная квантовая эффективность является показателем эффективности лазера в преобразовании электронно-дырочных пар (инжектируемый ток) в фотоны, испускаемые лазерным устройством (выходной свет). Величина внешней дифференциальной квантовой эффективности всегда меньше внутренней квантовой эффективности. (ηd) / (ηi) — это отношение числа фотонов, испускаемых лазером, к числу фотонов, генерируемых внутри лазера.

Внутренние потери:

Как упоминалось выше, параметр внутренней квантовой эффективности является мерой доли электронно-дырочных рекомбинаций, которые приводят к оптическим фотонам внутри резонатора лазера (поэтому термин внутренний). Однако частично из-за внутренних потерь (αi) лазерного волновода не все фотоны, генерируемые внутри лазерного резонатора, попадают наружу, чтобы внести свой вклад в выходной свет, излучаемый зеркальной гранью (гранями) лазерного диода. Таким образом, значение внешней дифференциальной квантовой эффективности любого лазерного диода всегда меньше, чем его внутренняя квантовая эффективность. Свет, который распространяется через резонатор лазерного диода, страдает от потерь, как и в случае распространения света в любом оптическом волноводе. Внутренние потери — это параметр, который соответствует потерям оптической волны. Его значение определяется экспериментально путем измерения наклона линии линейного соответствия к обратной зависимости внешней дифференциальной квантовой эффективности от точек данных длины резонатора, как показано на рисунке 5.9.0005

Пороговая плотность тока прозрачности:

Другим важным параметром, который можно извлечь из экспериментально измеренных и сведенных в таблицу данных на рисунке 4, является пороговая плотность тока прозрачности, обозначенная символом J _o . Пороговая плотность тока зависит от длины резонатора лазерного диода. В результате было бы неточно сравнивать качество одного набора полупроводниковых пластин с другим, используя только параметр пороговой плотности тока. Используя данные, представленные в таблице на рис. 6, можно извлечь параметр, не зависящий от геометрии устройства. Это делается путем построения кривой зависимости пороговой плотности тока от обратной длины резонатора, как показано на рисунке 7. Пересечение линии линейного соответствия данных, построенных на этой кривой, с вертикальной осью дает нам значение пороговой плотности тока прозрачности. Это подходящий параметр, который следует использовать при сравнении качества различных полупроводниковых пластин, из которых изготовлены различные лазерные диоды. Дж _o можно рассматривать как пороговую плотность тока теоретического лазера с бесконечно длинным оптическим резонатором без потери оптической волны на гранях его зеркала.

Характеристика Температура:

В большинстве приложений способность лазерного диода хорошо работать при повышенных температурах представляет большой интерес. Это особенно важно в случае мощных лазерных диодов, где количество выделяемого тепла приводит к значительному повышению температуры устройства. В результате крайне важно, чтобы полупроводниковый кристалл был достаточно прочным, чтобы не деградировать из-за работы устройства при высоких температурах. Характерная температура лазерного диода, которую обычно обозначают как T _или (произносится как Т-ноль) — это мера температурной чувствительности устройства. Более высокие значения T _o означают, что пороговая плотность тока и внешняя дифференциальная квантовая эффективность устройства растут медленнее с ростом температуры. Это приводит к тому, что лазер становится более термически стабильным. Для измерения характеристической температуры лазерного диода необходимо экспериментально измерить Л.И. кривая лазера при различных температурах. Затем результаты заносятся в таблицу, и T _или определено. Обычно люди выполняют эти измерения при температуре от 15 до 80 градусов Цельсия и с шагом 5 или 10 градусов. (Обратите внимание, что эксплуатация негерметичного лазера при температурах значительно ниже комнатной температуры приведет к конденсации воды на устройстве. Это приведет к повреждению лазерного диода из-за короткого замыкания.) Обычные лазеры на AlGaAs обычно имеют T _o значений выше 120 градусов.

Из этих экспериментально измеренных Л.И. кривых характеристическая температура устройства определяется путем построения точек данных J _th (или точек I _th ) в зависимости от температуры в логарифмическом масштабе с последующим измерением наклона линейной аппроксимирующей линии, как показано на рисунках 8, 9, 10 и 11.

Спектр и пиковая длина волны излучения:

Оптический спектр лазерных диодов зависит от конкретных характеристик оптического резонатора лазера. Большинство обычных устройств с регулировкой усиления или индекса имеют спектр с несколькими пиками (рис. 12).

Количество спектральных линий, которые способен поддерживать лазер, зависит от конструкции резонатора, а также от рабочего тока. В результате многомодовые лазерные диоды демонстрируют спектральные выходы, имеющие много пиков вокруг их центральной длины волны. Оптическая волна, распространяющаяся через резонатор лазера, образует стоячую волну между двумя гранями зеркала лазера. Период колебаний этой кривой определяется расстоянием L между двумя зеркалами. Эта стоячая оптическая волна резонирует только тогда, когда длина резонатора L равна целому числу m половин длин волн, существующих между двумя зеркалами. Другими словами, на каждом конце полости должен существовать узел. Единственный способ, которым это может иметь место, состоит в том, чтобы L было точно целым числом, кратным половине длины волны λ/2. Это означает, что L = m(λ/2), где λ — длина волны света в полупроводниковом веществе и связана с длиной волны света в свободном пространстве через показатель преломления n соотношением λ = λ _или /н. В результате этой ситуации в резонаторе лазерного диода может существовать множество продольных мод, каждая из которых резонирует на своей определенной длине волны λ _м = 2L/м. Отсюда можно заметить, что две соседние продольные лазерные моды разделены длиной волны ∆λ = (λ _o ) ² /2nL. Для типичного лазера на основе GaAs/AlGaAs n=3,5.

В отличие от обычных лазерных диодов, которые отображают многомодовые спектры, одночастотные лазерные диоды, такие как устройства с распределенной обратной связью (DFB) и устройства с распределенным брэгговским отражателем (DBR), отображают один четко определенный спектральный пик. На рис. 13 показано сравнение этих двух спектральных характеристик при различных уровнях выходной мощности. Даже одномодовые устройства могут поддерживать несколько режимов при низкой выходной мощности. По мере увеличения рабочего тока начинает преобладать одна мода, пока за пределами определенного уровня рабочей мощности не появляется один узкий спектр ширины линии.

Изменение центральной длины волны в зависимости от температуры:

Центральная длина волны лазерного диода прямо пропорциональна его рабочей температуре. Существует линейная зависимость между температурой и центральной длиной волны, как показано на рисунке 14. По мере увеличения температуры увеличивается и центральная длина волны лазерного диода. Эта характеристика полезна в спектроскопических приложениях, лазерной диодной накачке твердотельных лазеров и волоконных усилителях, легированных эрбием, где длина волны излучения лазерного диода может быть точно настроена по температуре в зависимости от конкретных свойств материала, с которым лазерный диод взаимодействует. .

Скачкообразная перестройка мод:

Одномодовые лазеры демонстрируют явление, называемое скачкообразной перестройкой мод (рис. 15), при котором центральная частота лазерного диода прыгает по дискретным диапазонам длин волн и не демонстрирует непрерывной перестройки в широком диапазоне. Можно изменить длину волны, на которой возникают разрывы, путем небольших корректировок тока возбуждения. При выборе определенного лазерного диода для приложения, требующего определенной длины волны, например, для спектроскопии, при настройке температуры устройства необходимо учитывать скачкообразную перестройку режима.