Приборы квантовой и оптической электроники

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2536

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников

Приборы квантовой
и оптической электроники

Курс лекций

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2016

УДК 621.375
 
П75

Р е ц е н з е н т
канд. физ.-мат наук, доц. О.И. Рабинович

А в т о р ы :
С.Ю. Юрчук, М.Н. Орлова, И.В. Борзых, И.В. Щемеров

 
Приборы квантовой и оптической электроники : курс лекций /
П75  С.Ю. Юрчук [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 118 с.
ISBN 978-5-87623-942-6

Лекции включают описание принципов работы основных оптоэлектронных полупроводниковых приборов: фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов и лазеров. Рассмотрены параметры и характеристики оптоэлектронных приборов. Дана классификация как самих приборов, так и их 
параметров.
Для усвоения предлагаемого материала необходимо иметь базовые знания 
по курсам «Электронные свойства твердого тела» и «Электронные и оптические свойства твердых тел».
Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлению 11.03.04 
«Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.375

ISBN 978-5-87623-942-6


Коллектив авторов, 2016
НИТУ «МИСиС», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Φизические основы действия фотоприемников.
Классификация фотоприемников и система их параметров ....................3
1.1. Оптическое излучение. Основные понятия и параметры ................3
1.1.1. Энергетические характеристики излучения ...............................4
1.1.2. Φотометрические характеристики излучения ............................5
1.2. Классификация полупроводниковых фотоприемников ..................8
1.3. Параметры и характеристики полупроводниковых 
фотоприемников ......................................................................................10
1.3.1. Характеристики чувствительности ...........................................10
1.3.2. Параметры порога и шума .........................................................11
1.3.3. Параметры инерционности фотоприемников .........................14
2. Φоторезистор .........................................................................................15
2.1. Принцип действия и выбор материала ............................................15
2.2. Φоторезисторы на собственной проводимости ...............................17
2.3. Φоторезисторы с примесной проводимостью .................................22
2.4. Φоторезисторы с областью пространственного заряда
на поверхности .........................................................................................24
3. Φотовольтаические приемники ............................................................26
3.1. Конструкция и основные принципы работы фотовольтаических приемников .....................................................................26
3.2. Материалы, используемые при изготовлении фотодиодов............32
3.3. Параметры и характеристики фотодиодов ......................................32
3.3.1. Φотодиоды с р–n-переходом .....................................................32
3.3.2. Φотодиод с p–i–n-структурой ...................................................37
3.3.3. Φотодиоды с барьером Шоттки .................................................38
3.3.4. Φотодиоды с лавинным размножением ....................................41
3.3.5. Φотоприемники со структурой
металл–диэлектрик–полупроводник ................................................42
4. Φототранзисторы...................................................................................45
4.1. Принципы работы и основные параметры
фототранзисторов ....................................................................................45
4.2. Частотные характеристики БΦТ .......................................................49
4.3. Некоторые конструкции современных БΦТ ...................................51
4.4. МДП-фототранзисторы ....................................................................52
4.5. Полевые фототранзисторы с затвором типа
металл–полупроводник (барьер Шоттки) .............................................55
5. Оптроны.................................................................................................59
5.1. Конструкция и принципы работы оптронов ...................................59
5.2. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных 
интегральных микросхем ........................................................................67
5.2.1. Классификация и система параметров изделий
оптронной техники ..............................................................................67
5.2.2. Система обозначений оптронов ................................................68

5.2.3. Система параметров оптронной техники .................................69
5.3. Характеристики различных типов оптопар .....................................75
5.3.1. Диодные оптопары .....................................................................75
5.3.2. Транзисторные оптопары ..........................................................79
5.3.3. Тиристорные оптопары .............................................................81
5.3.4. Резисторные оптопары ..............................................................82
6. Φотоэлектрические преобразователи энергии ....................................84
6.1. Основные параметры фотопреобразователей .................................84
6.2. Φотопреобразователи с барьером Шоттки,
МДП-структурой и гетеропереходом .....................................................90
6.2.1. Φотопреобразователи с переходом
металл–полупроводник (БШ) ............................................................91
6.2.2. Φотопреобразователи с гетеропереходом .................................92
6.3. Материалы, используемые при создании
фотопреобразователей .............................................................................95
6.3.1. Кремниевые солнечные элементы ............................................95
6.3.2. Другие материалы для ΦЭП .......................................................99
6.4. Повышение коэффициента полезного действия 
фотопреобразователей с помощью концентрации излучения
и применения комбинированных солнечных элементов ...................101
7. Когерентная электроника. Лазеры ..................................................... 106
7.1. Когерентное излучение ...................................................................106
7.2. Населенность и инверсия населенности .......................................111
7.3. Генерация излучения ......................................................................112
7.4. Порог генерирования лазера ..........................................................114
7.5. Конструкция, параметры и режимы работы лазеров ....................116
7.5.1. Конструкция лазеров ...............................................................116
7.5.2. Полупроводниковые лазеры ....................................................120
7.5.3. Лазерное усиление в полупроводниках ..................................120
7.5.4. Инжекционные лазеры ............................................................123
7.5.5. Лазеры с гетерогенной структурой ..........................................127
7.5.6. Лазеры с электронной накачкой .............................................128
7.6. Разновидности лазеров ...................................................................130
7.6.1. Газовые лазеры .........................................................................130
7.6.2. Твердотельные лазеры .............................................................133
7.6.3. Сравнительная характеристика лазеров .................................134
7.7. Лазерные модуляционные устройства ...........................................136
7.7.1. Модуляция лазерного излучения ............................................136
7.7.2. Оптические модуляторы ..........................................................141
7.7.3. Тонкопленочные и полупроводниковые модуляторы ...........144
7.8. Дефлекторы ......................................................................................145
7.9. Пространственно-временные модуляторы (ПВМ) ......................148
Библиографический список ................................................................... 151

1. ΦИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ 
ФОТОПРИЕМНИКОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ 
ФОТОПРИЕМНИКОВ И СИСТЕМА ИХ 
ПАРАМЕТРОВ

1.1. Оптическое излучение.
Основные понятия и параметры 

Излучение, используемое в оптоэлектронике, занимает диапазон 
электромагнитного спектра от сотых долей до сотен микрометров 
(рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Диапазон электромагнитного излучения, используемого 
в оптоэлектронике

Этим 
волнам 
соответствуют 
колебания 
с 
частотами 
3·1016…3·1011 Гц. Соотношение, связывающее частоту ν (Гц) и длину 
волны λ (мкм), имеет вид: ν = 3·1011/λ.
Энергия кванта света hν (эВ) связана с длиной волны следующим 
образом:

 
1,234
hν
λ
=
. 
(1.1)

Оптический диапазон спектра состоит из нескольких областей: 
невидимое ультрафиолетовое (УΦ) излучение с λ < 0,38 мкм, видимое излучение, воспринимаемое глазом человека и лежащее в 
сравнительно узкой области спектра, а также невидимое инфракрасное (ИК) излучение с λ > 0,72 мкм. Инфракрасный диапазон, 
в свою очередь, делится на ближнюю, среднюю и дальнюю ИК 
области.
Оптическое излучение может характеризоваться энергетическими и фотометрическими величинами. Между всеми фотометрическими и энергетическими величинами существует строгая количественная связь.

1.1.1. Энергетические характеристики излучения 

Оптическое излучение может быть охарактеризовано энергией фотона hν, измеряемой обычно в электронвольтах (1 эВ = 1,6·10–19 Дж).
Как всякая электромагнитная волна, оптическое излучение сопровождается переносом энергии, которая называется лучистой энергией W (Дж). 
Поток излучения Φ является мерой интенсивности оптического 
излучения. Он определяется как энергия, излучаемая, переносимая 
или поглощаемая в единицу времени. Если за время dt излучается 
(переносится или поглощается) лучистая энергия dW, то Φ = dW/dt.
При равномерном временном переносе энергии лучистый поток Φ =
= W/t (Дж/с или Вт).
Поверхностная плотность падающего потока излучения (или 
энергетическая освещенность) Р характеризует плотность падающего на облучаемую поверхность светового потока P = dΦ/dS (Вт/м2).
Для полупроводниковых фотоприемников часто нужно знать 
число фотонов Nф, падающих на единицу приемной площадки приемника в единицу времени. Значение Nф определяют из соотношения Nф = P/hν.
Энергетическая сила света I (Вт/ср) представляет собой интенсивность потока излучения в каком-либо направлении внутри единичного телесного угла. По определению телесный угол, равный 
стерадиану, образуется конусом, вершина которого расположена 
в центре сферы радиусом 1 м, а основанием является поверхность 
площадью 1 м2 на этой сфере. Так как вся площадь поверхности 
шара равна 4πr2, точечный однородный источник света, излучающий 1 Вт в телесном угле 1 ср, будет испускать лучистый поток 4π Вт 
или 12,57 Вт. Сила излучения I служит для характеристики точечных 
источников излучения. Если I не зависит от направления, источник 
называется изотропным. В случае протяженного источника говорят 
о силе излучения элемента его поверхности.
Энергетическая яркость В (Вт/(м2·ср)) – сила излучения, выходящего с единичной поверхности (проходящего или дости гающего 
эту поверхность) в заданном направлении, причем эта поверхность 
проецируется на плоскость, перпендикулярную заданному направлению:

 

d
d
cos
I
B
S
α
=
. 
 (1.2)

Для характеристики спектрального состава излучения со сплошным спектром пользуются понятием спектральной плотности энергетических величин, которые представляют собой отношения соот

ветствующих энергетических величин, взятых в бесконечно малом 
спектральном интервале от λ до λ + dλ, к ширине этого интервала dλ. Например, спектральная плотность потока излучения: Φλ =
= dΦ/dλ (Вт/мкм). 

1.1.2. Φотометрические характеристики излучения 

Светотехнические величины образуются так же, как энергетические. В табл. 1.1 показано соответствие между фотометрическими и 
энергетическими характеристиками оптического излучения.

Таблица 1.1
Энергетические и световые величины

Энергетическая 
характеристика 
излучения

Обозначение
Единица
Световая характеристика 
излучения

Обозначение
Единица

Энергия излучения
W
Дж
Световая энергия
Wc
лм·с

Поток излучения
Φ
Вт
Световой поток
Φс
лм
Сила излучения
I
Вт/ср
Сила света
Ic
кд
Энергетическая 
яркость
B
Вт/(м2·ср)
Яркость
Bc
кд/м2

Энергетическая 
светимость
M
Вт/м2
Светимость
Mc
лм/м2

Энергетическая 
освещенность
P
Вт/м2
Освещенность
Pc
лм/м2

Сила света источника излучения представляет собой пространственную (или угловую) плотность, создаваемую этим источником 
светового потока Φс. Единицей силы света служит эталон специальной конструкции, излучение которого соответствует излучению АЧТ 
при температуре отвердевания платины (2042 К). Сила света, излучаемого таким источником в направлении нормали к его поверхности 
с площади в 1/60 см2, равна одной канделе (Кд).
Световой поток – поток световой энергии в единицу времени 
(dΦс= Ic dΩ). Он измеряется основной фотометрической единицей – 
люменом (лм). Люмен – это световой поток, испускаемый точечным 
источником силой 1 кд в телесном угле 1 ср. На длине волны, соответствующей максимуму спектральной чувствительности глаза S 
(555 нм), 1 Вт излучаемой мощности эквивалентен световому потоку 
680 лм (рис. 1.2).
Световая энергия – это энергия света Wc = Φс t.
Освещенность – это плотность светового потока, падающего на 
поверхность Рc = dΦс/dS. Световой поток 1 лм, равномерно распределенный на площади 1 м2, создает освещенность 1 л (люкс).

Светность (светимость) источника Mc = Φс/dS (лм/м2) – световой 
поток, испускаемый с единицы площади светящейся поверхности. 

Рис. 1.2 Спектральная характеристика чувствительности человеческого глаза

Яркость – это сила света, выходящего с единичной поверхности 
(проходящего или достигающего этой поверхности) в заданном направлении, причем площадь этой поверхности определяется проекцией на плоскость, перпендикулярную к направлению, в котором 
излучается свет (эта величина аналогична энергетической яркости) 
Bc = dIс/dS (лм/(стр·м2)).
Для того чтобы перевести преобразования результатов измерения 
радиометрической мощности в фотометрические единицы, нужно 
воспользоваться характеристикой спектральной чувствительности 
человеческого глаза и спектральной характеристикой излучения источника света. Для монохроматического потока излучения Р (Вт) и 
монохроматического светового потока Φ (лм) связь в видимой области определяется зависимостью

 

Ф
P
K

λ

λ
=
, 
(1.3)

где Kλ (лм/Вт) – коэффициент световой эффективности или фотометрический эквивалент излучения, зависящий от длины 
волны; отношение Kλ/Kmax = Vλ – относительный коэффициент 
световой (спектральной) эффективности. 

Для интегрального потока излучения пересчет можно выполнить 
умножением мощности, излучаемой на каждой длине волны, на от

носительный коэффициент спектральной световой эффективности 
для этой длины волны с последующим суммированием всех результатов. Интегральный световой поток Φ будет равен максимальному 
значению коэффициента световой эффективности Кmax = 680 лм/Вт, 
умноженному на интеграл произведения относительной спектральной эффективности Vλ на спектральную характеристику источника 
излучения Sλ в диапазоне волн от 380 до 750 нм:

 

750

max

380
Ф
d
К
V S
λ
λ λ
=
ò
. 
(1.4)

Это основное уравнение можно видоизменить для использования 
другими приемниками излучения вместо глаза человека путем замены Vλ на кривую относительной спектральной чувствительности соответствующего приемника.

 
 1.2. Классификация полупроводниковых 
фотоприемников

Принципы, положенные в основу классификации полупроводниковых фотоприемников, могут быть самыми разнообразными, например по спектральному диапазону работы, по материалам, 
применяемым для создания фотоприемника и т.д. Наиболее характерным признаком полупроводникового фотоприемника является 
конструкция его основной части – фоточувствительной области, поэтому целесообразнее классифицировать фотоприемники именно 
по этому признаку.
Основное в конструкции фоточувствительной области приемника – это наличие целенаправленно созданных границ раздела, т.е. 
потенциальных барьеров или омических контактов. На рис. 1.3 приведена схема такой классификации.

1.3. Параметры и характеристики 
полупроводниковых фотоприемников

Для анализа работы фотоприемников необходимо определить систему их параметров, по которым можно оценить качество данного 
прибора и сравнить приборы с различной структурой. К основным 
параметрам фотоприемников относятся чувствительность, шумы, 
спектральные характеристики, инерционность.
Электрические характеристики:
– Рабочее напряжение фотоприемника Uр – постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе в заданных экс

плуатационных условиях; его выбирают с запасом по отношению к 
пробивному напряжению.
– Темновое сопротивление Rт – сопротивление фотоприемника в 
отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.
– Дифференциальное сопротивление Rд – отношение малых приращений напряжения и тока на фотоприемнике.

Рис. 1.3. Схема классификации полупроводниковых фотоприемников

1.3.1. Характеристики чувствительности

Чувствительность фотоприемников S определяется отношением 
изменения напряжения или тока на его выходе, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого 
излучения – энергетической или фотометрической.
Токовая чувствительность SI (А/лм или А/Вт) определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения. Вольтовая чувствительность Sv характеризует значение сигнала в вольтах, отнесенное к единице падающего потока излучения. Токовая и 
вольтовая чувствительности называются интегральными, если они 
характеризуют чувствительность к интегральному потоку излучения 
заданного состава, и монохроматическими, если они характеризуют 
чувствительность к монохроматическому потоку (обычно рассматривают чувствительность при монохроматическом потоке, обеспечивающим максимум чувствительности). Если значение монохроматической чувствительности зависит от длины волны λ, то строят 
спектральную характеристику S(λ) = f(λ), которая ограничена коротковолновой и длинноволновой границами. Коротковолновая граница λкв – наименьшая длина волны монохроматического излучения, 
при которой монохроматическая чувствительность равна 10 %, от 
его максимального значения. Аналогично определяется и длинноволновая граница спектральной чувствительности λдв.

 
1.3.2. Параметры порога и шума

В большинстве фотоприемников, включенных в измерительную 
цепь, даже при отсутствии полезного сигнала на входе, на выходе 
существует сигнал. Оценку шума фотоприемников производят по 
шумовому току или напряжению. Ток шума 
ш
I
 – среднее квадратичное значения обратного тока фотоэлектрического полупроводникового приемника в заданной полосе частот. Напряжение шума 

ш
U
 – среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на 
заданной нагрузке в цепи фотоприемника в заданной полосе частот. 
Среднеквадратичное значение флуктуации общего тока (напряжения) складывается из флуктуаций различных составляющих, природа которых определяется конструкцией фотоприемника и режимами 
его работы. Виды шумов можно разделить на следующие: 
– тепловой или джонсоновский шум; 
– генерационно-рекомбинационный шум; 
– температурный шум; 
– радиационный или фотонный шум; 
– токовый или избыточный шум; 
– дробовой шум.

Параметр фотоприемников – шум, который определяет значения 
других важных параметров (пороговая чувствительность, обнаружительная способность и т.д.).
Джонсоновский тепловой шум обусловлен хаотическим движением носителей заряда в твердых телах, которые находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Носители заряда 
испытывают случайные соударения с узлами кристаллической решетки, что и приводит к образованию шума.
Интенсивность шума может быть вычислена по формуле Кайквиста:

 
(
)
0,5
ш
4
U
kTR f
Δ
=
, 
(1.5)

где R – сопротивление фотоприемника при данной температуре;
f
Δ – полоса частот усилительного устройства, с помощью которого измеряется величина уровня шума.

Шум не зависит от частоты вплоть до частот порядка обратного 
времени электрической релаксации (1012...1014 Гц).
Генерационно-рекомбинационный шум связан с энергетическими переходами носителей заряда в полупроводнике. Эти переходы 
могут быть вызваны как термическим, так и оптическим (радиационным) возбуждением. Процессы генерации и рекомбинации приводят к флуктуации числа носителей заряда, что создает диффузионные потоки, вызывающие шум.
Напряжение генерационно-рекомбинационного шума можно 
представить в виде

 
(
)

0
ш
1/2
2
1
12

U A
U
f
π τ
=
é
ù
+
ê
ú
ë
û

, 
(1.6)

где τ – постоянная времени процессов генерации и рекомбинации 
равновесных и неравновесных носителей заряда, U0 – напряжение питания фоточувствительного слоя; A – коэффициент, 
определяемый электрофизическими параметрами полупроводника; f – частота оптического сигнала.

Температурный шум связан с флуктуациями температуры фоточувствительного элемента.
Φотонный (радиационный) шум вызывается флуктуациями потока излучения, падающего на фотоприемник, поэтому он наблюдается у всех фотоприемников, так как будет преобразовываться фотоприемником так же как полезный сигнал. Величина уровня шума 
будет пропорциональна чувствительности фотоприемника: