Основы оптоэлектроники
Покупка
Тематика:
Радиотехника
Год издания: 2001
Кол-во страниц: 260
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 5-85165-625-5
Артикул: 680193.01.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.И. Астайкиш М. К.Смирнов
ОСНОВЫ
ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ А.И. Астайкин, М.К. Смирнов Основы оптоэлектроники Саров, 2001 г. 1
ББК 32.847
А91
УДК 621.383(075)
Основы оптоэлектроники/А. И. Астайкин, М.К. Смирнов.
- Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001,- 260 с., 189 рисунков. 21 таблица ISBN 5-85165-625-5
Книга российских авторов Астайкина А.И. и Смирнова М.К. “Основы оптоэлектроники” написана на основе курса лекций по “Оптоэлектронике”, читаемых в течение ряда лет в СарФТИ МИФИ для студентов групп электронных специальностей. В книге рассматриваются основные типы оптоэлектронных приборов, применяемых в современной радиоэлектронной аппаратуре. В трех основных разделах приводится информация о фоточувствительных, светоизлучающих и оптронных приборах, соответственно. В четвертом разделе излагаются особенности построения и расчета электронных схем с использованием оптоэлектронных приборов. Основные разделы посвящены вопросам, связанным с физическими явлениями, лежащими в основе принципа действия оптоэлектронных приборов. Также здесь рассматривается конструктивное устройство и основные параметры приборов различных типов. В книге приводится много иллюстраций в виде таблиц, графиков и рисунков, что способствует улучшению понимания изложенного материала. Большое количество практических схем показывает возможности использования оптоэлектронных приборов в различных областях электронной техники и облегчает начинающим разработчикам РЭА решение задач, связанных с их применением. Краткость изложения и тщательно отобранный минимум необходимого материала являются достоинством книги и приближают ее к справочнику по широкому кругу вопросов, связанных с оптоэлектроникой.
Книга может быть использована в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов соответствующих специальностей и будет полезна инженерно-техническим и научным работникам, занимающимся разработкой и применением радиоэлектронных устройств.
Рецензенты:
зам. декана факультета радиофизики ИНГУ им. Лобачевского, д-р физ.-мат. наук, профессор А.В. Якимов;
зав. кафедрой МЭИ, д-р техн, наук, профессор Пермяков В.А.; зав. кафедрой МГУ им. Огарева, д-р физ.-мат. наук, профессор Горюнов В.А.
ISBN 5-85165-625-5 © Российский федеральный
ядерный центр - ВНИИЭФ, 2001
2
Содержание
Список сокращений ............................................ 7
Список принятых обозначений................................... 8
Введение...................................................... 17
1. Основы фотометрии.......................................... 21
1.1. Свет и его основные свойства......................... 21
1.2. Энергетическая фотометрия............................ 22
1.3. Визуальная фотометрия................................ 26
2. Приемники оптического излучения............................ 28
2.1. Классификация приемников излучения................... 28
2.2. Параметры и характеристики ФПМ....................... 28
2.2.1. Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФПМ 28
2.2.2. Параметры чувствительности фотоэлектронных приборов 30
2.2.3. Пороговые и шумовые параметры ФПМ.............. 30
2.2.4. Параметры спектральной характеристики ФПМ...... 31
2.2.5. Геометрические параметры ФПМ................... 31
2.2.6. Параметры инерционности ФПМ.................... 32
2.2.7. Спектральные характеристики ФПМ.................32
2.2.8. Основные характеристики зависимости параметров ФПМ 33
2.3. Явление фотопроводимости и внутренний фотоэффект..... 33
2.4. Фоторезисторы.........................................40
2.4.1. Принцип действия ФР............................ 40
2.4.2. Основные характеристики ФР..................... 43
2.4.3. Конструкции ФР................................. 50
2.4.4. Основные достоинства и недостатки ФР........... 51
2.4.5. Типовые параметры ФР........................... 51
2.5. Фотодиоды............................................ 53
2.5.1. Воздействие света на р-п-переход............... 53
2.5.2. Устройство p-z-n-фотодиода..................... 56
2.5.3. Режимы работы фотодиода........................ 57
2.5.4. Основные параметры и характеристики ФД......... 60
2.5.5. Основные достоинства и недостатки p-z-и-фотодиодов . . 65
2.5.6. Фотодиоды с барьером Шотки..................... 65
2.5.7. Гетерофотодиоды................................ 68
2.5.8. Лавинные фотодиоды............................. 70
3
2.6. Фоточувствительные МДП-приборы...................... 77
2.6.1. Принцип действия фото-МДП-структур (ФМДП).... 77
2.6.2 Основные режимы работы ФМДП-приборов............80
2.6.3. ФМДП-структуры со сквозным током.............. 81
2.6.4. ФМДП-диоды на основных носителях заряда....... 84
2.6.5. Переключающие ФМДП-структуры...................85
2.6.6. Лавинные ФМДП-диоды............................86
2.7. Фототранзисторы..................................... 86
2.7.1. Принцип действия биполярного фототранзистора .... 86
2.7.2. Основные параметры и характеристики ФТ........ 88
2.7.3. Полевые фототранзисторы с р-п-переходом........91
2.7.4. Фототранзисторные структуры с широкозонным эмиттером . 93
2.7.5. Разновидности приборов ФТГ................... 95
2.8. Фототиристорные структуры.......................... 98
2.9. Тепловые приемники оптического излучения........... 100
2.9.1. Болометры.................................... 102
2.9.2 Термоэлементы................................. 104
2.9.3. Пироэлектрические фотоприемники.............. 106
2.10. Фотоприемники на основе внешнего фотоэффекта...... 109
2.10.1. Физические основы внешнего фотоэффекта...... 109
2.10.2. Свойства фотокатодов......................... НО
2.10.3. Вакуумный фотоэлемент....................... 112
2.10.4. Газонаполненные фотоэлементы................ 115
2.10.5. Фотоумножители.............................. 116
3. Полупроводниковые источники оптического излучения........ 121
3.1. Виды генерации оптического излучения............... 121
3.2. Инжекционная люминесценция......................... 122
3.3. Внутренняя квантовая эффективность полупроводникового излучателя.......................... 125
3.4. Внешняя квантовая эффективность.................... 129
3.5. Светодиоды......................................... 132
3.5.1. Основные параметры и характеристики светодиодов . . 132
3.5.2. Сравнительные параметры некоторых отечественных и импортных промышленных типов светодиодов.......... 136
3.5.3. Конструкция светодиодов...................... 140
3.5.4. Перспективы развития и применения излучающих диодов 142
3.6. Инжекционные полупроводниковые лазеры.............. 143
3.6.1. Условия возникновения лазерной генерации..... 143
4
3.6.2. Понятие инверсной населенности................ 145
3.6.3. Лазерное усиление............................. 146
3.6.4. Условие лазерной генерации и порог возбуждения .... 148
3.6.5. Направленность лазерного излучения.............149
3.6.6. Свойства гетероструктур........................150
3.6.7. Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре. 153
3.6.8. Конструкции полупроводниковых лазеров......... 155
3.6.9. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров............................ 157
3.6.10. Динамические одномодовые лазерные структуры .... 163
3.6.11. Влияние температуры на параметры полупроводниковых лазеров............................ 168
3.6.12. Схема управления полупроводниковым лазером... 169
3.6.13. Современные полупроводниковые лазеры......... 171
3.7. Разновидность лазеров............................... 174
3.7.1. Газовые лазеры................................ 174
3.7.2. Т вердотельны е лазеры........................ 176
3.7.3. Полупроводниковые лазеры с электронным возбуждением . 180
4. Оптроны и оптронные микросхемы............................ 182
4.1. Классификация оптронов.............................. 182
4.2. Основные параметры оптронов......................... 185
4.2.1. Входные параметры оптронов.................... 185
4.2.2. Выходные параметры оптронов................... 186
4.2.3. Передаточные параметры оптопар................ 188
4.2.4. Параметры изоляции............................ 189
4.3. Резисторы оптопары.................................. 190
4.4. Диодные оптопары.................................... 192
4.5. Транзисторные оптопары.............................. 196
4.6. Тиристорные оптопары................................ 200
4.7. Оптоэлектронные микросхемы.......................... 202
4.8. Конструкция оптронов................................ 204
5. Использование фоточувствительных приборов в электронных схемах........................................... 207
5.1. Схемы включения фоторезисторов...................... 207
5.2. Практические схемы с фоторезисторами................ 215
5.3. Коррекция характеристик фоторезисторов.............. 221
5
5.4. Схемы включения фотодиодных датчиков оптического излучения................................................ 227
5.5. Особенности применения лавинных фотодиодов.......... 245
5.6. Схемы на фототранзисторах........................... 250
5.7. ФПУ на пироэлектрических приемниках излучения...... 252
Список литературы............................................ 255
6
Список сокращений
ВАХ - вольт-амперная характеристика
воле - волоконно-оптические линии связи
ИК - инфракрасное излучение
ИС - интегральная схема
ЛФД - лавинный фотодиод
опз - область пространственного заряда
ОУ - операционный усилитель
ПБФД - поверхностнобарьерный фотодиод
ПИИ - пироэлектрический приемник излучения
пт - полевой транзистор
сид - светоизлучающий диод
тпи - приемник теплового излучения
ФД - фотодиод
ФМДП - фоточувствительный электронный прибор со структурой
металл-диэлектрик-полупроводник
ФПМ - фотоприемник
ФПУ - фотоприемное устройство
ФР - фоторезистор
ФТ - фототранзистор
ФТГ - фототранзистор на основе гетеропереходов
ФЭ - фотоэлемент (вакуумный)
ФЭУ - фотоумножитель
7
Список принятых обозначений
А - площадь
Ао ~ постоянная кристаллической решетки
А - площадь р-и-перехода
^р-п
А . - площадь источника излучения
^ист
^пм --- площадь приемника излучения
^эф --- эффективная площадь
А ,.В коэффициенты Эйнштейна
Вф - коэффициент, учитывающий влияние флуктуаций тока вторичной
эмиссии динодов
с - скорость света в вакууме
С - электрическая емкость
С* - теплоемкость
г _
'-'рш конструктивная емкость выводов
Сш - входная емкость
Ск - емкость коллекторного перехода биполярного транзистора
Г. - емкость монтажа
'-'МОИ
Сп - паразитная емкость
Спр - проходная емкость
Сфр - емкость фоторезистора
Сфц --- общая емкость фотодиода
Cd - диффузная емкость р-п-перехода
D - обнаружительная способность
D* - удельная обнаружительная способность
Е - энергия
Ео - энергия вакуумного уровня
ео - заряд электрона
Е. - энергия акцепторного уровня
Ес - энергия зоны проводимости
Ecs ~ энергия зоны проводимости на границе раздела диэлектрик-полу проводник
Ed - энергия донорного уровня
Ее - энергетическая освещенность
ЕР - энергия уровня Ферми
Ерм ~ энергия уровня Ферми в металле
Eg ~ энергия ширины запрещенной зоны
Ei - энергия уровня Ферми в собственном полупроводниике
8
Е. - энергия валентной зоны
F - энергия импульса электромагнитного излучения
^имп минимальная энергия, необходимая для ионизации атомов
F - энергия связи электрона с атомом
^пор энергия кванта электромагнитного излучения
Есв - освещенность
Еф ---
Ev -
£ - напряженность электрического поля
/о - предельная рабочая частота по уровню - 3 дБ
/гр --- граничная частота усиления
/ФР - граничная частота среза ФР
/фвч - частота среза фильтра верхних частот
F{x)~ функция переменной х
Е(Е)- функция Ферми, определяющая вероятность заселения энергетиче ского уровня
G - скорость тепловой генерации носителей (dn/dt)T
h - постоянная Планка 6,626-10-34, Дж-с
ho(t)- переходная характеристика
Не ~ энергетическая экспозиционная доза
Hv - экспозиционная доза
I - сила электрического тока, сила светового потока излучения
4 ~ энергетическая сила света
i„ ~ ток, определяемый отрицательными носителями (электронами)
ip ~ ток, определяемый положительными носителями (дырками)
h - ток анода
1гст ~ ток анода темновой
/ых.уг- ток утечки на выходе оптрона в выключенном состоянии
Zm --- ток делителя
4 ~ ток затвора
4c --- ток фоторезистора в закрытом состоянии
4з --- ток короткого замыкания
/co --- обратный ток коллектора
/сом --- максимальный коммутируемый ток
/ст --- темновой ток фотокатода
4 --- ток, протекающий через нагрузку
4 - обратный ток р-и-перехода
4бщ --- общий ток
4 - ток источника питания
k - ток стока
9
1<м - ток смещения /со - ток стока начальный /т - темновой ток /тк - темновой ток коллектора 1Ш - шумовой ток I ш - средний шумовой ток I щц - ток, определяемый дробовым шумом I шя - средний шумовой ток резистора / шт - ток, определяемый тепловым шумом я - среднеквадратичный шумовой ток анода, определяемый дробовым шумом носителей /ф - фототок, ток обусловленный потоком излучения /фд - общий ток фотодиода /ФК - ток фотокатода /э - ток эмиттера /у - сила света J - плотность тока Л - плотность темнового тока /пор - пороговая плотность тока к - постоянная Больцмана 1,38-1 (Г²³, Дж/град К; - коэффициент усиления по току Ki ₀₁Пр - коэффициент передачи оптрона по току Ко - коэффициент усиления по напряжению ОУ с разомкнутой обратной связью kR - коэффициент рекомбинации Kᵥ - коэффициент усиления по напряжению А'фр - коэффициент усиления ФР Л"₀ - коэффициент теплопередачи Кх - эмпирический коэффициент, определяющий световой эквивалент энергетического потока излучения на длине волны 555 нм (/<=683 лм/Вт) Kᵥi2 - коэффициент усиления излучения активной средой Lpin - индуктивность выводов Lₑ₀ - энергетическая яркость £о₀ - яркость то - масса свободного электрона Ме - энергетическая светимость М„ - коэффициент лавинного умножения электронов 10
тп - эффективная масса электрона
мр - коэффициент лавинного умножения дырок
тр - эффективная масса дырки
тБ - порядок брегговского отражения
м0 - светимость
п - концентрация электронов, показатель преломления среды
По -
* равновесная концентрация носителей
п - широкозонный материал с проводимостью //-типа
N. - концентрация атомов акцепторов
Nd - концентрация атомов доноров
щ - концентрация носителей в собственном полупроводнике
ns - поверхностная концентрация носителей
пв - показатель преломления в веществе
Игр --- групповой показатель преломления
Л', - концентрация ловушечных уровней
«Ф - концентрация генерированных под действием потока излучения
фотоносителей
Л'ф - число генерированных под действием потока излучения фотоно-
сителей
№ - число фотонов
Nz - число поглощенных фотонов
Р ~ концентрация дырок
* широкозонный материал с проводимостью //-типа
Р ~ выходная мощность
р - мощность оптического излучения
1 вых мощность импульса оптического излучения
р - энергия излучения
1 изл энергия светового потока излучения
р - электрическое сопротивление, коэффициент отражения от границы
1 имп раздела сред
Qe ~
Qv -
R -
Re ~ световое сопротивление ФР
Ге ~ внутреннее сопротивление источника напряжения
ri - внутреннее сопротивление источника тока
г, - внутреннее сопротивление ПТ
rv - объемное сопротивление области полупроводника
R6 - сопротивление в цепи базы транзисторного каскада
Гб - внутреннее сопротивление базы транзистора
Rm - входное сопротивление
и
?вх входное сопротивление транзисторного каскада
/?д - сопротивление делителя
гзи - сопротивление затвор-исток ПТ
Rlt3 - сопротивление изоляции оптрона
- сопротивление в цепи коллектора транзисторного каскада
^конт- сопротивление токопроводящего контакта
сопротивление коллектора транзистора в схеме с ОЭ
RK - нагрузочное сопротивление
гса - сопротивление сток-исток ПТ
R, - темновое сопротивление
ГфД - внутреннее сопротивление ФД
Л’фр - сопротивление ФР
ГфЭ --- внутреннее сопротивление ФЭ
Гэ - внутреннее сопротивление эмиттера транзистора
R3 - сопротивление в цепи эмиттера транзисторного каскада
S - чувствительность
Ж)- характеристика спектральной чувствительности
S(f) - зависимость спектральной чувствительности от частоты
Sa - анодная чувствительность ФЭУ
SC(E) - функция разрешенных энергетических состояний для зоны про-
водимости
Si - токовая чувствительность
Sk ~ чувствительность фотокатода ФЭ
Sr - чувствительность к изменению сопротивления
Su ~ вольтовая чувствительность
SV(E) - функция разрешенных энергетических состояний для валентной
зоны
V _ _ интегральная чувствительность
UHHT относительная характеристика спектральной чувствительности
SothW- крутизна характеристик ПТ
SpiT - монохроматическая чувствительность
Sx - максимальная величина спектральной чувствительности
^Хмакс- температура
T -
t - время
t+, t_ - длительность импульсов положительной и отрицательной полярно сти соответственно
^01-09- время нарастания импульса
^09-01- время спада импульса
12
Лиш длительность импульса Т - температура окружающей среды 1 ср и - напряжение Ud - барьерный потенциал р-и-перехода - рабочее напряжение Uak~ напряжение анод-катод ^вкл --- напряжение включения и' - выходное напряжение высокого уровня и0 - выходное напряжение низкого уровня вых С4ых.ост~ остаточное напряжение на выходе £7зИ - напряжение затвор-исток ПТ ^ЗИ.отс- напряжение затвор-исток отсечки ПТ £^ЗИ.пор--- напряжение затвор-исток пороговое МДП-транзистора и3с- напряжение на фоторезисторе в закрытом состоянии С4в.макс--- напряжение изоляции максимальное иип - напряжение источника питания С^ком- максимальное коммутируемое напряжение на выходе t/кэн- напряжение коллектор-эмиттер насыщения биполярного транзистора ин - напряжение на нагрузке Uaop ~ напряжение порога переключения Ucn- напряжение сток-исток ПТ UqM --- напряжение смещения ОУ Uynp ~ управляющее напряжение иФЛ- напряжение на ФД ихх - напряжение холостого хода генератора ЭДС иш - среднеквадратичное шумовое напряжение V,, - скорость движения электронов в электрическом поле Vp - скорость движения дырок в электрическом поле Ж)- функция видности Wi - ширина z-слоя в р-г-л-фотодиоде w„ - толщина слоя полупроводника ws - толщина инверсного слоя Wp - толщина слоя диэлектрика ш - толщина обедненного слоя И^ОПТ --- толщина оптического волновода Wpei- длина резонатора ж - толщина области электронной накачки Жэф- эффективная длина активной среды 13
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину