Рассмотренный пример подтверждает существенную зависимость величины порогового тока генерации и диаграммы направленности излучения лазера от его конструктивного исполнения.

Диаграмма направленности люминесцентного полупроводникового диода также в основном определяется его конструкцией. Значительную концентрацию излучения вдоль какого-либо направления для таких диодов удается получить лишь благодаря использованию дополнительных внешних фокусирующих отражателей или отражающих покрытий, нанесенных непосредственно на кристалл полупроводника. В последнем случае самому кристаллу полупроводника придается определенная форма. В качестве примера на рис. 6 показано схематическое устройство отражательного диода, одна из сторон которого выполнена в виде выпуклого параболоида с отра.жающим покрытием.

Диаграмму направленности излучения источника необходимо учитывать при построении оптических и оптико-электронных схем. Плохая или недостаточно хорошая направленность излучения источника накладывает определенные ограничения на минимальные размеры приемников лучистой энергии, компоновку источника с передающей линией и приемником света и т. п. Эффективость г\ (к. п. д.) преобразования электрической энергии в световую часто называют еще внутренним квантовым выходом. Последний представляет собой отношение числа фотонов (квантов света) к числу носителей, появившихся в р-п переходе. Если в результате рекомбинации с дыркой каждого электрона, появившегося в области р-п перехода, выделится фотон, то в этом случае эффективность преобразования г\ будет равна единице, то есть к. п. д. составит 1007о- Как уже отмечалось, полупроводниковые квантовые генераторы в отличие от прочих типов квантовых генераторов обладают значительно большей эффективностью преобразования энергии накачки, в пределе приближаюшейся к единице (100%).

Практически, однако, эффективность преобразования оказывается значительно ниже. Связано это с тем, что, во-первых, не весь свет, появившийся в р-п области, выходит из рабочего кристалла днода, а во-вторых, не весь световой поток, вышедший из кристалла, регистрируется приемником. Отношение количества квантов света, вышедших из диода, к количеству рекомбинировавших при этом электронов называют внешним квантовым выходом

Пвн.вых.

Выражение для внешнего квантового выхода имеет следующий

вид:

Рис. 6. Схематическое устройство отражательного диода.

/ - р-облэсть; 2 - к-область: 3 - параболическая поверхность диода с отражающим покрытием; 4 - траекторнл одного из лучей.

ВН.ФЫХ -

где д - заряд электрона; Лвн - число внешних фотонов; /д - ток через диод.

Из этого выражений виДно, что вйешиий квантовый выход можно характеризовать как отношение выходной мощности излучения к току через р-п переход.

Внешний квантовый выход ниже внутреннего квантового выхода из-за того, что часть светового потока, образовавшегося в результате излучательной рекомбинации носителей в области р-п перехода, поглощается в толще самого полупроводникового материала диода, обладающего значительным коэффициентом поглощения. Для люминесцентных диодов внешний квантовый выход, как правило, ниже, чем для лазерных. Это связано, в частности, с тем, что на границе двух сред с различными показателями преломления имеет

Контакты

Контакты

Рис. 7. Схематическое устройство люминесцентных диодов.

а - диод плоской конструкции; б - диод полусферической конструкции.

место полное внутреннее отражение той части светового потока, угол падения которой на указанную границу превышает критический угол.

Величина критического угла Окрит определяется как arcsin П2М1, где «2 - показатель преломления внешней среды (в случае воздушной среды пг принимают равным единице), а /xi - показатель преломления полупроводникового материала диода. У диода, изготовленного из арсенида галлия, например, критический угол на границе двух сред (кристалл арсенида галлия - воздух) составляет примерно 17°. Поэтому впешний квантовый выход люминесцентного диода в значительной мере определяется его конфигурацией. На рис. 7 показаны два люминесцентных диода различной конфигурации. Если для плоской конструкции диода (рис. 7,с:) к. п. д., как правило, составляет доли процента, то для полусферической конструкции диода (рис. 7,6) он может составлять единицы и десятки процентов.

На рис. 8. показаны зависимости к. п. д. от температуры кристалла (рис. 8,с:) и от тока через него (рис. 8,6) для диода полусферической конструкции.

Сравнение к. п. д. диодов с плоской и с полусферической геометрией показывает, что к. п. д. второго источника выше в 10-12 раз по сравнению с первым (при комнатной температуре и при токе 100 ма). Полусферическая геометрия кристалла диода приводит к тому, что практически все излучение, падающее на поверхность полусферы, образует с нормалью к ней угол, меньший критического, т. е. исключается полное внутреннее отражение. Если бы поглощение в полусферическом кристалле не было большим из-за боль-

wo 200 300 Температура °/<

шей толщины тела кристалла, то внешний квантовый выход увеличился бы по сравнению с плоской конфигурацией кристалла примерно в 26 раз.

Временная динамическая характеристика полупроводникового источника света характеризуется минимальным временем нарастания и спада светового импульса, завалом плоской вершины ири питании его прямоугольными импульсами тока, а также минимальной скважностью импульсов.

Длительность переднего и заднего фронтов светового импульса в основном зависит от постоянной времени RC и индуктивности диода и цепи питания. Завал плоской части импульса, а также его фронты в значительной мере зависят от температуры рабочего кристалла источника. Работа полупроводниковых источников света в непрерывном режиме или при малой скважности (на большой частоте) часто ограничивается именно тем, что кристалл может сильно перегреваться, что ведет к его разрушению или резкому снижению к. п. д.

Фронты импульсов света известных в настоящее время люминесцентных и лазерных диодов, работающих при комнатной температуре, могут быть порядка нескольких и даже одной наносекунды. Частота повторения импульсов лю.минесцентных диодов может быть равна десяткам мегагерц и выше. Для лазерных диодов пока достигнуты значительно меньшие частоты. Конструктивное выполнение быстродействующего люминесцентного диода, аналогичное конструкции туннельного и параметрического диодов, обеспечивающее малую индуктивность прибора и удобство его включения в коаксиальный контур, показано на рис. 9. Вольт-емкостная и вольт-амперная характеристики лазерных и люминесцентных диодов аналогичны хорошо известным характеристикам обычных полупроводниковых диодов.

Мощность современных полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме как при охлаждении, так н при комнатной температуре, для различных образцов лежит в интервале от нескольких милливатт до нескольких десятков ватт. Люминесцентные диоды, работающие в непрерывном режиме при комнатной тем-

Рис. 8.

50 100

Тон,иа

Зависимость величины внешнего квантового выхода у диода полусферической конструкции от температуры (а) и от тока через диод при температурах 77 и 300°К (б).