7.4. Тепловые условия работы лазерного диода

7.4.1. Работа в импульсном режиме

Диоды ПКГ могут работать в импульсном и в непрерывном режимах. Возможен также квазинепрерывный режим с большой частотой повторения группы импульсов. Эффективная работа в квазинепрерывном и непрерывном режимах ограничивается главным образом тепловыми условиями работы диода, т. е. эффективностью теплоотвода от активной области диода.

Рис. 7.17. Рост порогового тока вследствие разогрева диода при непрерывном (кривая 1) и импульсном (кривая 2) режимах работы.

Лимитирующая роль тепловых условий в работе диода понятна из следующего рассмотрения.

Как только начнем пропускать ток через диод, сразу же возникает разогрев, но температура не может мгновенно достигнуть равновесного значения. Однако с ростом температуры возрастает величина порогового тока. Пусть — начальная температура перехода (например, при которой пороговый ток равен (рис. 7.17), — возможные пороговые токи, а ток, пропускаемый через диод. Если пороговый ток возрастает во времени по кривой 1, то всегда , следовательно, возможен непрерывный режим работы диода. Если же рост порогового тока идет по кривой 2, то диод может работать только в импульсном режиме с

промежутками во времени , после чего величина порогового тока превышает ток накачки.

Точный анализ процессов теплоотвода в диоде ПКГ встречает значительные математические трудности, поэтому рассмотрим упрощенную модель. Пусть диод установлен на хладопроводе с постоянной температурой Тепло генерируется в диоде в результате двух основных видов потерь мощности: безызлучательной рекомбинации электронов и дырок и омического нагрева вследствие протекания тока. Мощность нагрева (теплота разогрева) за счет безызлучательной рекомбинации равна

Мощность омического нагрева обусловлена главным образом сопротивлением контактов. При типичных значениях величин, входящих в эти выражения, и квантовом выходе 0,5 соотношение равно

Возникающий в активном слое перехода тепловой импульс распространяется в и -области соответственно их теплопроводностям. Температурная зависимость теплопроводности арсенида галлия при различных уровнях легирования показана на рис. 7.18. Из рисунка следует, что при температурах ниже теплопроводность материала -типа значительно меньше теплопроводности материала -типа. Однако выше теплопроводности почти одинаковы. Поэтому предположим, что при низких температурах тепло отводится только -областью, а при температурах выше теплоотвод осуществляется обеими областями в равной степени В промежуточном интервале температур долю теплоотвода через

Рис. 7.18. Температурная зависимость теплопроводности арсенида галлия при различт уровнях легирования: 1) чистый арсеиид галлия;

-область можно принять равной

где и — теплопроводности материалов и -типа. Уравнение теплопереноса в хладопроводе имеет вид

где с — теплоемкость единицы объема материала.

Тепло Q, выделяемое в переходе, учтено в уравнении (7.53) в виде граничного условия

где — расстояние от хладопровода до перехода. Другие граничные условия:

для и произвольного времени и для и произвольного расстояния до хладопровода

Решение уравнения (7.53) может быть упрощено подстановкой

Тогда, используя производные

а также коэффициент тепловой диффузии

приводим уравнение (7.53) к виду

В этом случае граничное условие (7.54) принимает вид:

Уравнение (7.60) может быть решено только в численной форме. По результатам такого решения построены рис. 7.19 и 7.20. Учитывается только тепло, выделяемое в самом переходе, при условии что тепло, выделяемое на контактах, ничтожно мало. Однако при очень больших токах такое допущение неверно.

Рис. 7.19. Возрастание температуры перехода в зависимости от длительности импульса при и теплоте разогрева. (кривая 1) и (кривая 2).

Рис. 7.20. Распределение температуры вдоль базы диода переход; 2 — основа.

Зависимость максимальной энергии в импульсе излучения от температуры может быть найдена, исходя из выражения

Поскольку то выражение (7.62) принимает вид

Полагая на основании экспериментальных данных, что квантовый выход диода до составляет 0,5, а при более высоких температурах уменьшается в

зависимости то решение уравнения (7.63) дает кривую, показанную на рис. 7.21. Из рисунка следует, что максимальная энергия в импульсе достигается в момент, когда температура перехода равна

Рис. 7.21. Зависимость выходной энергии импульса излучения от температуры перехода, рассчитанная для температуры основы

Дальнейшее возрастание энергии может быть достигнуто повышением квантового выхода.