Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства

Покупка
Артикул: 680189.01.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
Рассматриваются теоретические основы квантовых и оптоэлек- тронных приборов различных типов. Изучаются их основные технические характеристики, а также приводятся методы расчета и проектирования оптоэлектронных устройств. Книга содержит большое количество спра- вочной информации и примеры электронных схем с использованием раз- личного типа квантовых и оптоэлектронных приборов. Учебное пособие предназначено для подготовки дипломированных специалистов по направлению 210100 «Электроника и микроэлектрони- ка» по специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» и может использоваться при подготовке магистров остальных специаль- ностей этого направления, а также дипломированных специалистов по направлению 654200 «Радиотехника» по специальности 200700 «Радио- техника»; по направлению 551900 «Оптотехника» при подготовке бака- лавров всех специальностей этого направления; по направлению 654400 «Телекоммуникации» по специальности 071700 «Физика и техника опти- ческой связи». Книга может быть полезна аспирантам, инженерам и научным со- трудникам соответствующих специальностей.
Астайкин, А. И. Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства: Учебное пособие / Астайкин А.И., Смирнов М.К. - Саров:ФГУП"РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2011. - 343 с.: ISBN 978-5-9515-0159-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/950166 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
 
 

 

 

ФГУП 
«Российский федеральный ядерный центр − ВНИИЭФ» 
 
 
 
 
 
А. И. Астайкин, М. К. Смирнов 
 
 
КВАНТОВЫЕ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ 
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА 

 
 
 
Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
заслуженного деятеля науки РФ А. И. Астайкина 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2011 

 
 

 

 

ББК 32.86 
А 91 
УДК 621.38 
 
 
 
Астайкин А. И., Смирнов М. К. Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства: Учебное пособие. Саров: ФГУП 
«РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011, 343 с. 
 
ISBN  978-5-9515-0159-2 
 
Рассматриваются теоретические основы квантовых и оптоэлектронных приборов различных типов. Изучаются их основные технические 
характеристики, а также приводятся методы расчета и проектирования 
оптоэлектронных устройств. Книга содержит большое количество справочной информации и примеры электронных схем с использованием различного типа квантовых и оптоэлектронных приборов. 
Учебное пособие предназначено для подготовки дипломированных 
специалистов по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника» по специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» и 
может использоваться при подготовке магистров остальных специальностей этого направления, а также дипломированных специалистов по 
направлению 654200 «Радиотехника» по специальности 200700 «Радиотехника»; по направлению 551900 «Оптотехника» при подготовке бакалавров всех специальностей этого направления; по направлению 654400 
«Телекоммуникации» по специальности 071700 «Физика и техника оптической связи». 
Книга может быть полезна аспирантам, инженерам и научным сотрудникам соответствующих специальностей. 
 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук В. А. Терехин, РФЯЦ-ВНИИЭФ; 
доктор физико-математических наук, профессор, декан радиофизического 
факультета ННГУ им. Н. И. Лобачевского А. В. Якимов 
 
 
 
ISBN  978-5-9515-0159-2                       ©   ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011 

Содержание 

Список сокращений и обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  8 

1. Физические основы квантовой электроники . . . . . . . . . . . .   11 
1.1. Оптическое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11 
1.2. Фотометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20 
1.3. Генерация оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . .  28 

2. Фоточувствительные приборы и устройства . . . . . . . . . . . .   31 
2.1. Классификация фоточувствительных приборов  
       и устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  31 
2.2. Основные параметры и характеристики ФПУ . . . . . . . .  32 
2.3. Явление фотопроводимости и внутренний  
       фотоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  37 
2.4. Фоторезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  45 
2.5. Фотодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   64 
2.6. Фотодиоды с барьером Шотки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81 
2.7. Фотодиоды на гетероструктурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84 
2.8. Лавинные фотодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  87 
2.9. Биполярные фототранзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   97 
2.10. Фототиристоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  108 
2.11. Полевые фототранзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   112 
2.12. Фоточувствительные МДП-приборы . . . . . . . . . . . . .  115 
2.13. Тепловые приемники оптического излучения . . . . . .  127 
2.14. Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта . .  138 
3. Светоизлучающие диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  158 
3.1. Принцип действия светодиода . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   158 
3.2. Внутренняя квантовая эффективность . . . . . . . . . . . . .  162 
3.3. Внешняя квантовая эффективность . . . . . . . . . . . . . . .  166 
3.4. Параметры и характеристики светоизлучающих  
       диодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   167 
3.5. Современные излучающие диоды . . . . . . . . . . . . . . . .   174 
3.6. Многоцветные и белые светодиоды . . . . . . . . . . . . . . .  181 
3.7. Конструкция излучающих диодов . . . . . . . . . . . . . . . .  183 
3.8. Перспективы развития излучающих диодов . . . . . . . .  185 

4. Основы теории оптических резонаторов . . . . . . . . . . . . . . .   187 
4.1. Принцип действия открытого резонатора . . . . . . . . . .  187 
4.2. Свойства открытого резонатора . . . . . . . . . . . . . . . . . .  192 
4.3. Методы расчета открытых резонаторов . . . . . . . . . . . .  196 
4.4. Устойчивость оптических резонаторов . . . . . . . . . . . .  203 
4.5. Селекция мод в резонаторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  206 
4.6. Кольцевые резонаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  208 

5. Генерация лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  212 
5.1. Условия возникновения лазерной генерации . . . . . . . .  212 
5.2. Вынужденное излучение и лазерное усиление . . . . . .  213 
5.3. Лазерная генерация и порог возбуждения . . . . . . . . . .  219 
5.4. Свойства лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  221 

6. Разновидности квантовых генераторов . . . . . . . . . . . . . . . .   223 
6.1. Газовые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  223 
6.2. Твердотельные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  238 
6.3. Лазеры на основе оптических волокон . . . . . . . . . . . . .  247 
6.4. Полупроводниковые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  250 
6.5. Лазеры на растворах органических соединений . . . . .   285 
6.6. Пучковые квантовые генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . .  290 

7. Устройства для управления параметрами лазерного  
    излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   295 
7.1. Электрооптические, магнитооптические и  
       пьезооптические эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  295 
7.2. Методы модуляции оптического излучения . . . . . . . .  301 
7.3. Оптические дефлекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   305 

8. Оптроны и оптронные микросхемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   308 
8.1. Классификация оптронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   308 
8.2. Основные параметры оптопар . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   311 
8.3. Резисторные оптопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  318 
8.4. Диодные оптопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  321 
8.5. Транзисторные оптопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  326 
8.6. Тиристорные оптопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  330 
8.7. Оптоэлектронные микросхемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  332 
8.8. Конструкции оптронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  338 

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   342 
 

Список сокращений и обозначений 

A 
– площадь поверхности 
с 
– скорость света в вакууме 
С 
– электрическая емкость 
D 
– обнаружительная способность, амплитуда вектора 
электрического смещения 
E 
– освещенность, энергия, напряженность электрического 
поля, амплитуда вектора электрического поля 
е0 
– заряд электрона 
f 
– частота, фокусное расстояние 
h 
– постоянная Планка 
H 
– экспозиционная доза, амплитуда вектора магнитного поля 
I 
– сила света, сила электрического тока 
k 
– постоянная Больцмана, волновое число 
L 
– яркость, индуктивность, длина 
M 
– светимость, плотность потока излучения, коэффициент 
лавинного умножения ЛФД, коэффициент усиления ФЭУ 
MOCVD – метод металлоорганического химического вакуумного 
нанесения 
n 
– показатель преломления среды, концентрация электронов 
NA 
– числовая апертура оптоволокна 
p 
– концентрация дырок 
P 
– мощность 
Q 
– добротность, резонатора, скважность, энергия излучения 
R 
– электрическое сопротивление, радиус кривизны, коэффициент отражения 
Rотр 
– коэффициент отражения по интенсивности 
S 
– чувствительность 
SI 
– токовая чувствительность 
T 
– температура 
t 
– время 
t01–09 
– время нарастания импульса 
t09–01 
– время спада импульса 

ТЕА 
– Transversely Excited Atmospheric (поперечный с повышенным давлением) 
ТЕМ 
– Transverse Electro-Magnetic (поперечные электромагнитные волны) 
U 
– напряжение, потенциал электрического поля 
V 
– скорость, объем, постоянная Верде 
V(λ) 
– функция видности 
W 
– ширина (толщина) 
АЧХ 
– амплитудно-частотная характеристика 
ВАХ 
– вольтамперная характеристика 
ВОЛС 
– волоконно-оптическая линия связи 
ГС 
– гетероструктура 
ГСГГ 
– гадолиний-скандий-галлиевый гранат 
ГФЭ 
– газонаполненный фотоэлемент 
ДГС 
– двойная гетероструктура 
ИАГ 
– иттрий-алюминиевый гранат 
ИК 
– инфракрасный 
ИС 
– интегральная микросхема 
КПД 
– коэффициент полезного действия 
ЛФД 
– лавинный фотодиод 
МДГС 
– многопроходная двойная гетероструктура 
МДП 
– структура металл – диэлектрик-полупроводник 
ОИС 
– оптоэлектронные микросхемы 
ОПЗ 
– область пространственного заряда 
ПБФД 
– поверхностно-барьерный фотодиод 
ППИ 
– пироэлектрический приемник излучения 
РБО 
– распределенный брэгговский отражатель 
РОС 
– распределенная обратная связь 
СВЧ 
– сверхвысокие частоты 
СИД 
– светоизлучающий диод (светодиод) 
ТКС 
– температурный коэффициент сопротивления 
ТПИ 
– приемник теплового излучения 
ТТЛ 
– транзисторно-транзисторная логика 
УФ 
– ультрафиолетовый 

Ф 
– поток (мощность) оптического излучения 
ФД 
– фотодиод 
ФМДП – фоточувствительный электронный прибор с МДП-структурой 
ФПУ 
– фоточувствительный прибор или устройство 
ФР 
– фоторезистор 
ФТ 
– фототранзистор 
ФТГ 
– фототранзистор на основе гетеропереходов 
ФТГШ 
– фототранзистор на основе гетеропереходов с барьером 
Шотки 
ФЧХ 
– фазо-частотная характеристика 
ФЭ 
– вакуумный фотоэлемент 
ФЭУ 
– фотоэлектронный умножитель (фотоумножитель) 
ЭДС 
– электродвижущая сила 
α0 
– угол полного внутреннего отражения 
αБ 
– угол Брюстера 
αп 
– коэффициент поглощения излучения 
ε 
– относительная диэлектрическая проницаемость 
ε0 
– диэлектрическая проницаемость вакуума 
λ 
– длина волны излучения 
μ 
– относительная магнитная проницаемость 
μ0 
– магнитная проницаемость вакуума 
η 
– квантовая эффективность 
ν 
– частота оптического излучения 
τ 
– постоянная времени 
Ω 
– телесный угол 
 
 

Введение 

Бурное развитие квантовой и оптоэлектроники началось во 
второй половине ХХ века после создания в 1960 г. первого рубинового лазера и появления технологии получения твердых растворов 
бинарных соединений AIIIBV. Успехи квантовой и оптоэлектроники 
привели к созданию принципиально новых приборов, использование которых позволило получить качественно новые результаты в 
различных областях науки и техники. 
Квантовая электроника − это научно-техническое направление, 
которое изучает квантовые явления в веществе и использует их для 
генерации, усиления и преобразования когерентного оптического 
излучения. Основными приборами, разработанными с использованием достижений квантовой электроники, являются квантовые 
усилители и квантовые генераторы (лазеры). 
Оптоэлектроника − это научно-техническое направление, которое изучает процессы взаимодействия оптического излучения с 
веществом и использует их для преобразования, передачи, хранения и отображения информации. 
В настоящее время оба направления развиваются быстрыми 
темпами и их новейшие достижения открывают широкие возможности для решения различных технических задач. 
Основные достоинства квантовых и оптоэлектронных приборов определяются специфическими свойствами электромагнитных 
волн оптического диапазона, что позволяет создавать различные 
электронные устройства, характеризующиеся: 
– высокой пропускной способностью каналов передачи информации; 
– возможностью точной фокусировки и направленностью излучения; 
– возможностью пространственной модуляции излучения; 
– удобством отображения информации; 
– фоточувствительностью; 
– возможностью электрической развязки электронных устройств. 

Высокая пропускная способность оптоэлектронного канала 
информации обусловлена существенно большей частотой оптических колебаний по сравнению с радиочастотными. Возможность 
точной фокусировки напрямую связана с достижимыми уровнями 
плотности записи информации на оптических носителях. По дифракционной теории световой луч может быть сфокусирован до 
пятна с поперечным размером порядка половины длины волны, что 
позволяет производить запись/считывание информации с максимальной плотностью более 108 бит/см2. Следует отметить также 
высокую степень направленности оптического излучения, когда 
достаточно простыми методами удается обеспечить направленность излучения на уровне единиц угловых секунд. Пространственная модуляция сигналов в оптоэлектронике обеспечивается благодаря отсутствию взаимодействия фотонов между собой. Модуляция оптического сигнала не только во времени, но и в пространстве 
открывает огромные возможности для создания оптоэлектронных 
суперкомпьютеров, способных вести параллельную обработку 
больших объемов информации. Удобство отображения информации обеспечивается возможностью преобразования информации в 
удобную для восприятия форму с помощью различного рода индикаторных и информационных табло. Свойство фоточувствительности показывает возможность преобразования электромагнитного 
излучения оптического диапазона в соответствующий электрический сигнал. Электрическая развязка в электронных приборах 
обеспечивается за счет электронейтральности фотонов. 
Квантовые и оптоэлектронные приборы наряду с достоинствами имеют ряд недостатков, среди которых наиболее существенным 
и трудно преодолимым является низкий КПД преобразования оптического излучения в электрический ток и обратно. Обычно КПД 
не превышает 10–30 %. Кроме того, можно отметить разнородность 
применяемых в данных приборах материалов и значительное влияние внешних воздействующих факторов на их параметры и характеристики. 
Низкий КПД преобразования оптического излучения в электрический ток и электрического тока в оптическое излучение обусловлен, прежде всего, наличием разнородных материалов, применяемых в квантовых и оптоэлектронных приборах. Это приводит к 

снижению мощности оптического излучения за счет поглощения 
его в пассивных областях, а также за счет переотражения и рассеивания на оптических границах. Кроме того, применение разнородных материалов снижает общую надежность конструкции квантовых и оптоэлектронных приборов и повышает их стоимость из-за 
сложности изготовления. 
Разнородность материалов квантовых и оптоэлектронных приборов обусловлена тем, что для изготовления их отдельных частей 
требуются материалы различных типов. Например, при изготовлении самой простой оптопары используются: арсенид галлия (излучатель), кремний (фотоприемник) и полимерный оптический клей, 
обеспечивающий соединение и оптическую связь между излучателем и фотоприемником. Влияние внешних воздействующих факторов на квантовые и оптоэлектронные приборы приводит к снижению эффективности их работы. Это связано с нарушением оптической однородности используемых материалов и ускорением 
процессов старения. 
В настоящее время происходит постепенное преодоление указанных недостатков, что позволяет сделать вывод о перспективах 
дальнейшего применения квантовых и оптоэлектронных приборов 
и устройств в различных областях науки и техники. 
 
 
 
 
 

1. Физические основы квантовой электроники 

1.1. Оптическое излучение 

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные 
колебания определенного диапазона длин волн от переходной области рентгеновского излучения (около 1 нм) до переходной области радиоволн (около 1 мм). Диапазон оптического излучения 
показан на рис. 1.1. На практике из данного диапазона средствами 
оптоэлектроники используется область 0,1–100 мкм. Это обстоятельство не является случайным. По энергетической шкале данному диапазону соответствует область энергий 0,01–10 эВ. Кванты 
света с такой энергией способны возбуждать только валентные 
электроны в собственных и примесных полупроводниках. Действительно, ширина запрещенной зоны широкозонных полупроводников составляет единицы электрон-вольт, а энергия возбуждения 
примесных атомов в германии и кремнии − сотые доли электронвольт. Вне этого интервала энергий взаимодействие света с веществом носит качественно иной характер. 
В оптическом диапазоне выделяют три основные области: 
1) λ > 780 нм − инфракрасное излучение (ИК); 

 

Рис. 1.1. Диапазон оптического излучения 
 

Доступ онлайн
300 ₽
В корзину