|
| |
|
Слаботочка Книги ыой рекомбинации -дефекты на границе подложка - база -удален от области накопления инжектированных зарядов) и вывод излучения без поглощения через широкозонный эмиттер. В итоге у лучших образцов приборов достигается )]ext~3 ... 4%. Малое значение времени жизни электронов в базовой области обеспечивает достаточно быстрое протекание релаксационных процессов, связанных с рассасыванием электронов, при работе излучателя в режиме переключения (40 ... 80 не). Ар,7А го -го-  (/щ,е 8 5 4 2 7 1 C„.,f № 20 ff)  Рис. 1.20. Ватт-амперная (а), вольт-амперная (б) и вольт-фа-радная (е) характеристики излучателя оптрона АОД101А: /, 2 -участки кривых при малых и больших токах 5 Uf,t Выход на линейный участок ватт-амдерной характеристики (рис. 1.20,а) у лучших образцов излучателей наблюдается при /пр~1 мА; верхняя граница линейного диапазона зависит от условий теплоотвода и без принятия специальных мер (в составе бескорпусной оптопары) близка к /пр~ 10 ... 20 мА. 52  Вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики имеют вид, типичный для резких р-п-переходов, изготовленных в низкоомном полупроводнике (рис. 1.20,6, е): пробивное напряжение не превышает 6проб~6 ... 8 В, падение прямого напряжения при /пр=10 мА близко к f/np~l,2B и имеет малый разброс от образца к образцу (Af/np~0,l В), удельная емкость при нулевом смещении СудбОО пФ/мм. Повышение температуры окружающей среды ведет к существенному уменьшению мощности и некоторому возрастанию длины волны максимума спектра излучения (рис. 1.21). Возрастание Атах на 20 ... 30 нм не существенно для оптрона, так как спектральная характеристика фотоприемника изменяется плавно, изменение же мощности излучения не- о,в -обходимо учитывать при gg расчете температурных параметров оптрона. К числу основных досто- 0,2-инств рассмотренных излучателей относятся: удовлетворительное сочетание высокой квантовой эффективности и высокого быстродействия, высокая долговечность, простота изготовления, плоскостность конструкции. Это обусловило универсальность применения таких излучателей в оптронах, хотя им присущи весьма существенные недостатки, такие, как трудность дальнейшего повышения быстродействия (снижения тпоф и Cj, „) и снижение номинального входного тока, а также двустороннее расположение выводов. Мезаизлучатель на основе арсенида галлия, легированного кремнием (рис. 1.22), изготавливают методом Жидкофазной эпитаксии с введением в шихту кремния. Амфотерное действие кремния в арсениде галлия ведет к тому, что по обе стороны р-п-перехода образуется область полупроводника, подобного до некоторой степе-ни i-слою. Для этой области характерно [22]: - практически полное отсутствие безызлучательных Каналов рекомбинации (совершенство структуры); - типичная для р-i-л-структуры высокая инжек- 1й го 30 40 50 ео 9с Рис. 1.21. Температурные зависимости мощности и длины волны излучения типичного GaAlAs-светодиода  ционная эффективность: из всех бесполезных компонентов прямого тока сколько-нибудь заметным является только ток рекомбинации /рек в слое объемного заряда; - значительная протяженность (до нескольких десятков микрометров), обусловливающая линейность ватт-амперной характеристики до очень высоких плотностей тока и малое значение удельной емкости. Примечательной особенностью этих приборов является и то, что максимум спектра излучательной рекомбинации приходится на >ьтах~940 . . . 960 нм и довольно далеко отстоит от «красной границы» поглощения арсенида галлия (Xrps «=900 нм). Это резко снижает самопоглощение и позволяет получать высокие значения коэффициента вывода излучения /(опт- Определенные преимущества дает и применение мезаконструкции. Это-фокусирование излучения за счет отражения лучей от боковых поверхностей «мезы», технологически неограниченный диапазон регулирования площади р-л-перехода (и тем самым номинального рабочего тока и емкости), удобство (при сборке оптрона) одностороннего расположения выводов. Все это обусловливает высокую эффективность излучения GaAs (51)-мезаструктур: у лучших образцов излучателей Tiext~7 ... 9%, а КПД 6 ... 7%, у подобных им приборов с полусферической «-областью (дискретные светодиоды АЛ 107, 108, используемые в некоторых типах мощных тиристорных оптронов) достигается Tjext - 20 ... 30% и КПД 10 ... 15%. Высокая эффективность излучения, к сожалению, сочетается с невысоким быстродействием GaAs(Si)-npH-боров, что связано с образованием компенсированной области полупроводника [23]. Большое полное время жизнн носителей заряда и протяженность активной области рекомбинации приводит к тому, что при протекании прямого тока накапливается избыточный заряд, рассасывание и рекомбинация которого после переключения протекают за время 10~ ... 10~ с. При увеличе- Рте. 1.22. Мезаизлучатель на основе GaAs (Si), используемый в оптроне А0Д112А-1: . / - кристалл; 2 - омические контакты; 3 - защитная пленка НИИ прямого тока ловушки частично «забиваются» инжектируемыми носителями заряда и постоянные времени рекомбинации уменьшаются. Наиболее перспективным вндом излучателя для быстродействующих оптронов является двойная гетероструктура (рис. 1.18,6), отличие которой от одинарной состоит в создании дополнительного широкозонного эпитаксиального слоя между подложкой и базовой областью. В остальном кристаллы ОГС- и ДГС-излучате-лей одинаковы.    Рис. 1.23. Зависимость быстродействия (а), внешнего квантового выхода (б) и обобщенного показателя качества (в) ДГС-излучателей "от концентрации примесей в узкозонной базовой области Использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных зарядов в базе при уменьшении ее толщины вплоть до нескольких микрометров. А это ведет к тому, что при сохранении величины Tiext почти на таком же уровне, как в ОГС, быстродействие двойных гетеросветодиодов удается значительно повысить. При уменьшении толщины базы в ОГС-излучателе мощность излучения падает резко, быстродействие растет незначительно (снизить времена переключения ниже 20 ... 25 не в ОГС практически не Удается). При постоянной толщине базовой области быстродействие ДГС-излучателя растет при увеличении концентрации легирующей примеси (рост граничной частоты на рис. 1.23,а) [24, 25]. Возрастание туннельной компоненты прямого тока объясняет противоположный характер зависимости Tjext (рис. 1.23,6). Поэтому существует некоторая оптимальная концентрация легирующей примеси (рис. 1.23,е), при которой достигается максимальное значение произведения riextfrp (или Tlext/{сп)), представляющее собой обобщенный показатель качества излучателя как элемента оптрона. ДГС-излучатсли; используемые в оптронах типа АОД120А-1, характеризуются значениями rext~2... 2,5% и нар(сп)«10 ... 15 не (по лучшим образцам). Важно при этом, что технология их изготовления п применение не намного сложнее, чем при использовании стандартных ОГС-структур. Дальнейший прогресс в повышении обобщенного показателя качества излучателей rjext/rp связывается главным образом с созданием промышленной технологии бесподложечных многопроходных структур (рис. 1.24). После жидкофазного эпитаксиального выращивания двойной гетероструктуры (/), вытравливания мезы и создания омических контактов (2) кристаллы подвергаются обработке в избирательном травителе, интенсивно растворяющем лишь арсенидогаллие-вую подложку. Приклейка оставшейся GaAlAs-части кристалла на отражающую плоскость держателя завершает изготовление светодиодов (5). В экспериментальных образцах таких излучателей удалось достигнуть T)ext40%, а при помещении их в иммерсионную среду с n=t:l,5 и г]ех170% [26]. В ряде типов оптроноВ (главным образом зарубежных) нашли применение и другие светодиодные излучатели [27]. Так, GaAs (Zn)-излучатели обладают наивысшим быстродействием (/нар(сп)~1 ... 2 не), однако при этом излучаемая мощность ничтожна (Tiext~0,l %); /7offepxf/oc/7?b f!/!CK/nwcca 3 Рис. 1.24. Этапы изготовления бесподложечного ДГС-излучателя Кроме того, высокий коэффициент диффузии Zn обусловливает быструю деградацию этих излучателей (за 3 ... 5 тыс. ч). «Красные» светодиоды на основе GaAsP характерны прежде всего высокой технологичностью, а также малой глубиной поглощения излучения в кремнии, что полезно при воздействии излучения на фотоприемник с тонкой базовой областью. Желто-зеленые GaP-светодиоды хорошо спектрально согласуются с CdS-фоторезисторами. 1.5. ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ В процессе эксплуатации оптронов так же, как и других электронных приборов, могут наблюдаться и наблюдаются случаи выхода отдельных образцов из строя. Для технологически определенного типа приборов интенсивность отказов зависит от времени наработки, электрического режима, температуры окружающей среды. Выходы приборов из строя могут иметь место при различных механических воздействиях - ударах, вибрации, постоянном ускорении, акустическом шуме, а также при пребывании приборов в условиях повышенного и пониженного давления, повышенной влажности и воздействия других внешних реагентов (включая биологические), характерных для тропических условий. Исключительно важной является устойчивость оптронов к ъозЛ действию различных видов радиации - солнечной, элек-/ тронной, протонной, рентгеновской, гамма, нейтронной/ Опыт промышленного производства и эксплуатации оптронов и оптоэлектронных микросхем, а также их составных компонентов (излучателей и фотоприемников) показывает, что их отказы носят вероятностный характер и для статистики эгого процесса характерны те же закономерности, которые типичны для полупроводниковых приборов вообще-диодов, транзисторов, . интегральных схем. Можно считать, что в первом приближении зависимость числа годных приборов в партии от времени ее эксплуатации подчиняется экспоненциальному закону (при этом из рассмотрения обычно исключается первоначальный «период приработки»). Количественными характеристиками надежности f Оптронов могут служить [28]: - плотность распределения времени безотказной работы: f(0==Ae-"; 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 |