Оптичний модулятор

Реферат: UA 89074 U UA 89074 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідникової електроніки, а саме до конструкцій оптичних модуляторів - приладів для керування інтенсивністю світла, і може бути використана в системах вимірювальних приладів, автоматики та оптичного зв'язку. Відомі конструкції напівпровідникових оптичних модуляторів, що містять напівпровідниковий кристал з р-n-переходом на одній грані і омічним контактом на протилежній грані [1]. Принцип дії заснований на поглинанні інфрачервоного (ІЧ) випромінювання вільними носіями заряду (електрони та дірки) в об'ємі напівпровідника. Керуючи концентрацією вільних носіїв у напівпровіднику шляхом електричної інжекції, можна змінити прозорість середовища стосовно ІЧ випромінювання. Якщо до р-n-переходу і омічного контакту підключити зовнішнє джерело напруги, то при прикладенні прямого зміщення через р-n-перехід в базу діода інжектуються неосновні носії заряду, що знижують прозорість кристала в ІЧ області, оскільки має місце внутрішньозонне поглинання ІЧ світла вільними носіями. Таким чином відбувається амплітудна модуляція інтенсивності ІЧ випромінювання. Ступінь модуляції світла, що проходить крізь кристал, залежить від рівня інжекції носіїв, ефективність модуляції m=(I0-I)/I0, де I0 - світловий потік на вході модулятора, I - світловий потік на виході, є одним з головних параметрів, що характеризують амплітудну модуляцію світла. Недоліком такого модулятора є мала величина ефективності модуляції. Найближчим аналогом (прототипом) є оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури, що містить р-n-перехід, а також омічні контакти до р-n-областей [2]. Прототип виконано з монокристалічного германію n-типу провідності у вигляді паралелепіпеда з розмірами 3×3×4 мм. р-n-перехід розташовано на одній грані напівпровідникового кристала, а омічний контакт - на протилежній грані. Питомий опір вихідного германію складає 10…40 Ом см. р-n-Перехід отримували дифузією акцепторної домішки (фосфор). Довжина високоомної бази діода (відстань між р-n-переходом і омічним n+контактом) дорівнює 4 мм і перевищує дифузійну довжину носіїв заряду (0,5…1,0 мм). В разі відсутності зовнішнього електричного зміщення, ІЧ випромінення, що проходить крізь + напівпровідниковий кристал (базу діода) між р-n-переходом і омічним n -контактом, практично не поглинається внаслідок малої концентрації вільних (рівноважних) носіїв заряду. Якщо до діодної структури прикладено пряме зміщення, то крізь p-n-перехід в базу діоду інжектуються неосновні носії заряду, внаслідок чого збільшується ступінь поглинання світла вільними носіями заряду в базі. Прозорість кристала по відношенню до оптичного випромінення знижується. Глибина модуляції світла, який проходить через кристал, залежить від концентрації інжектованих носіїв, тобто від рівня інжекції, від величини прикладеної в прямому напрямку напруги. Рівень інжекції визначається коефіцієнтом інжекції - відношенням струму інжектованих з емітера в базу діода неосновних носіїв заряду до повному струму через р-n-перехід. Недоліком цього модулятора (прототипу) є недостатньо значна величина ефективності модуляції (~25 %). Рівень інжекції в такому гомогенному р-n-переході можна підвищити, збільшуючи концентрацію легуючої домішки в емітерній частині р-n-переходу. Однак домішки мають межу розчинності в напівпровідниках, тому вводити їх у великих концентраціях не вдається. Крім цього велика концентрація домішки призводить до збільшення дефектності напівпровідника і збільшення рекомбінаційної складової струму через р-n-перехід. Сильно підвищувати пряму напругу, що прикладається до структури, також не можна, оскільки кристал розігрівається зростаючим струмом і інжекційні властивості р-n-переходу погіршуються. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечити підвищення ефективності модуляції світла. Поставлена задача вирішується тим, що оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури, що містить p-n-перехід, а також омічні контакти до р- і n-областей, виготовлено з напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Це спроможне забезпечити підвищення ефективності модуляції ІЧ світла. На фіг. 1 показано схематичну конструкцію оптичного модулятора. На фіг. 2 показано енергетичну зонну діаграму оптичного модулятора при прямому зміщенні. На фіг. 3 приведено залежність ефективності модуляції від густини інжекційного струму: 1-pGaAs-n-AlxGa1-xAs- модулятор, 2-p-GaAs-n-GaAs - структура (прототип). Оптичний модулятор (фіг. 1) складається з напівпровідникового кристала (база) р-типу провідності 1, ширина забороненої зони якого Eg1, епітаксійного шару напівпровідника (емітер) n-типу провідності 2 з шириною забороненої зони Eg2, омічних контактів 3 і 4 до р- та n-областей відповідно. На фіг. 1 I0 - світловий потік на вході модулятора, I - світловий потік, який пройде крізь модулятор. Оскільки Egl≠Eg2, ясно, що контакт між напівпровідниками р- та n-типу є гетеропереходом. Робота оптичного модулятора пояснюється за допомогою енергетичної зонної діаграми (фіг. 2). При малому прямому зміщенні через р-n-гетероперехід протікає невеличкий струм, 1 UA 89074 U 5 концентрація нерівноважних носіїв заряду в базі мала і ІЧ світло проходить крізь базу, практично не поглинаючись. Із зростанням струму має місце інжекція нерівноважних носіїв електронів із n-області в р-напівпровідник та дірок із р-напівпровідника в n-область. Оскільки в даному випадку Eg1