Приборы квантовой и оптической электроники

Москва 2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников

С.Ю. Юрчук

ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ 
И ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4743

УДК 621.317.7:621.38
 
Ю83

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

Юрчук, Сергей Юрьевич.
Ю83  
Приборы квантовой и оптической электроники : 
лаб. практикум / С.Ю. Юрчук. – Москва : Издательский 
Дом НИТУ МИСИС, 2023. – 124 с.

Лабораторный практикум включает описание принципов 
работы основных оптоэлектронных полупроводниковых приборов – 
фотодиодов, фотопреобразователей, фототранзисторов, 
оптопар и светодиодов. Представлены схемы измерения и методики 
расчета основных параметров и характеристик оптоэлектронных 
приборов.
Для усвоения предлагаемого материала необходимо иметь 
базовые знания по дисциплинам «Физика твердого тела», «Физика 
полупроводниковых приборов», «Квантовая и оптическая 
электроника».
Предназначен для обучающихся по направлению подготовки 
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».

621.317.7:621.38

 С.Ю. Юрчук, 2023
 НИТУ МИСИС, 2023

Содержание

Основные правила техники безопасности 
при выполнении лабораторных работ. . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Лабораторная работа 1
Изучение характеристик фотодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.1. Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Описание измерительных установок . . . . . . . . . . . . . 27
1.4. Задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5. Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Лабораторная работа 2
Фотоэлектрические преобразователи энергии . . . . . . . . . . .39
2.1. Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Материалы, используемые при создании 
фотопреобразователей ............................................. 50
2.3. Описание измерительной установки  . . . . . . . . . . . . . 61
2.4. Задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5. Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Лабораторная работа 3
Изучение основных характеристик биполярных 
фототранзисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
3.1. Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3. Описание измерительной установки  . . . . . . . . . . . . . 73
3.4. Задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5. Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Лабораторная работа 4
Изучение характеристик оптронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
4.1. Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Диодные оптопары  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Транзисторные и тиристорные оптопары . . . . . . . . . . . . . 91
4.3. Описание измерительной установки  . . . . . . . . . . . . . 93
4.4. Задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5. Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Лабораторная работа 5
Изучение характеристик светодиодов  . . . . . . . . . . . . . . . . .96
5.1. Цель работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Излучательная рекомбинация при низком уровне 
возбуждения .......................................................... 99
Безызлучательная рекомбинация 
 объеме материала .................................................100
Внутренний квантовый выход.................................104
Внешний квантовый выход ....................................104
Спектр излучения светодиодных структур ................106
5.3. Описание измерительной установки  . . . . . . . . . . . . 112
5.3.1. Монохроматор МДР-2 ...................................113
5.3.2. Основные принципы работы 
кремниевых ФЭУ ..................................................116
5.3.3. Кремниевый фотоэлектронный умножитель 
MicroFC 60000 Series SMT Package ..........................117
5.3.4. Микропроцессорный модуль МСХ52-2.1 ..........119
5.4. Задание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.5. Порядок выполнения работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ используются 
измерительные приборы, являющиеся источником повышенной 
электрической опасности вследствие того, что отдельные 
элементы этих приборов находятся под высоким 
напряжением. Поэтому к выполнению лабораторных работ 
допускаются только обучающиеся, прошедшие инструктаж 
по технике безопасности. Факт проведения инструктажа 
подтверждается личными подписями обучающихся в специальной 
ведомости.
Обучающиеся, выполняющие работы в лаборатории, обязаны 
соблюдать инструкции и все дополнительными указания 
преподавателей и лаборантов о мерах безопасности при 
работе с измерительными установками. Запрещается выполнение 
работ в отсутствие преподавателя или лаборанта. Обучающиеся, 
не соблюдающие правила техники безопасности 
или допускающие их нарушения в отношении других лиц, 
отстраняются от выполнения работ.
Запрещается занимать рабочее место сумками, чемоданами, 
портфелями, одеждой и другими посторонними предметами, 
а также приборами, непосредственно не относящимися 
к выполняемой работе.
Перед тем как приступить к выполнению лабораторного 
задания, необходимо внимательно изучить описание работы, 
измерительную схему включения приборов и порядок работы 
с ними. Особенное внимание требуется обратить на те 
части схем, которые находятся под высоким напряжением. 
При самостоятельной сборке измерительной схемы необходимо 
убедиться, что все устройства отключены от источников 
напряжения. Собранная схема должна быть в обязательном 
порядке проверена преподавателем или лаборантом. 
Перед включением электроизмерительных приборов и стен-

дов в сеть необходимо убедиться, что корпуса приборов надежно 
занулены. Работа с неисправными и/или незанулен-
ными приборами, стендами и установками, а также при 
отсутствии защитных кожухов, запрещается.
Первое включение собранной измерительной схемы, а 
также включение ее после внесенных изменений производится 
только с разрешения преподавателя или лаборанта.
При наличии повреждений штепсельных розеток, изоляции 
проводников кабелей питания, а также вилок, разъемов, 
запрещается их использование при выполнении работы.
Все производимые в измерительной схеме изменения, замены 
испытуемых приборов и переключения должны осуществляться 
только в цепях, отключенных от источников 
напряжения. Прикосновение к открытым токопроводящим 
частям схемы после подачи напряжения или к испытуемым 
полупроводниковым приборам строго запрещено.
Во время измерений запрещается держать переносные 
измерительные приборы (например, тестеры) на коленях 
или в руках. Руки следует располагать на столах или стеллажах. 

Оставлять включенные установки и приборы без надзора 
запрещается.
Запрещаются отвлечение от выполнения работы, бесцельное 
хождение по лаборатории, посторонние разговоры.
При обнаружении неисправности в рабочем оборудовании (
например, дыма, искрения погасания индикаторной 
лампы и т.п.) или резком зашкаливании измерительных 
приборов необходимо немедленно обесточить приборы и 
устранить неисправности вместе с преподавателем или лаборантом.

При несчастном случае необходимо экстренно отключить 
от сети установку, оказать пострадавшему первую помощь и 
сообщить преподавателю или лаборанту о случившемся.

Лабораторная работа 1
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
ФОТОДИОДОВ

1.1. Цель работы

Цель работы – изучение основных параметров и физических 
принципов функционирования полупроводниковых 
фотодиодов, измерение их спектральных характеристик фоточувствительности.


1.2. Теоретическое введение

В приборах, предназначенных для работы с использованием 
фотовольтаического эффекта, формируются потенциальные 
барьеры, включающие электрическое поле. Генерированные 
оптическим излучением подвижные неосновные 
носители заряда (электроны и дырки) разделяются электрическим 
полем, образуя электрический сигнал. Рассмотрим 
некоторые особенности функционирования фотоприемников 
с созданными различными методами потенциальными барьерами.

Полупроводниковый диод, содержащий потенциальный 
барьер в виде p–n-перехода, включает область пространственного 
заряда WОПЗ, в которой имеется электрическое 
поле Eвстр, и квазинейтральные p- и n-области (рис. 1.1, а). 
При попадании в такую структуру квантов оптического излучения 
h с энергией, большей ширины запрещенной зоны, 
образуются электронно-дырочные пары, которые распределены 
в разных областях структуры в соответствии с законом 
Бугера – Ламберта в зависимости от значения коэффициента 
поглощения. Образующиеся в области пространственного 
заряда подвижные носители заряда разделяются электрическим 
полем этой области. При этом дырки, заряженные 
положительно, переносятся в p-область, положительно заряжая 
ее, а электроны, заряженные отрицательно, перено-

сятся в n-область, заряжая ее отрицательно. Образующиеся 
в квазинейтральных областях носители заряда частично 
рекомбинируют в соответствии с их временем жизни, а при 
достижении в результате диффузии границы области пространственного 
заряда разделяются электрическим полем 
в соответствии со знаком их заряда (рис. 1.1, б).

Eвстр

n
p+

WОПЗ

а

Eвстр

n
p+

WОПЗ

hб

Рис. 1.1. Полупроводниковая диодная структура 
с барьером в виде p–n-перехода до попадания квантов 
оптического излучения (а) и при попадании квантов 
оптического излучения (б)

Фотоны с малыми длинами волн, а значит, с большим 
коэффициентом поглощения образуют пары электронов и 
дырок вблизи поверхности. Эти носители заряда в квазиней-
тральной области движутся за счет диффузии или к поверхности, 
или к области пространственного заряда. Носители 

заряда, достигающие поверхности, рекомбинируют, а неосновные 
носители заряда, достигающие границы области пространственного 
заряда, принимают участие в формировании 
электрического сигнала. Поэтому коротковолновая часть 
спектральной характеристики фотодиода зависит от времени 
жизни в приповерхностной области. Для того чтобы 
увеличить чувствительность в коротковолновой области 
спектра, требуется формировать p–n-переход ближе к поверхности 
структуры и увеличивать время жизни подвижных 
носителей заряда. Длинноволновые фотоны (фотоны 
с малыми энергиями квантов) распределяются по структуре 
фотодиода равномерно. В результате и неосновные носители 
заряда образуются равномерно по структуре. 
Длинноволновая граница спектральной чувствительности 
фотодиода определяется краем полосы собственного 
поглощения и временем жизни в базовой области. Если 
на фотодиод со структурой в виде p–n-перехода подать обратное 
смещение и таким образом увеличить область пространственного 
заряда за счет слаболегированной ква-
зинейтральной области, фоточувствительность прибора 
увеличится со стороны длинноволнового края. Однако следует 
учитывать, что при подключении обратного смещения 
увеличивается обратный темновой ток, т.е. увеличиваются 
шумы и ухудшаются пороговые характеристики полупроводниковой 
структуры. Это особенно важно для фотоприемных 
структур, используемых для регистрации малых 
оптических сигналов. На рис. 1.2 представлены спектральные 
характеристики чувствительности S кремниевого 
фотоприемника в зависимости от обратного внешнего смещения, 
а на рис. 1.3 – спектральная характеристика чувствительности 
фотодиода с различной глубиной залегания 
p–n-перехода.
Как видно, увеличение обратного напряжения повышает 
чувствительность в длинноволновой области спектра, 
а уменьшение глубины залегания p–n-перехода повышает 
чувствительность в коротковолновой части спектра.

S12
3

Рис. 1.2. Зависимость спектральной характеристики 
фотоприемника от внешнего обратного смещения 
(U(3) > U(2) > U(1))

S1

2

3

Рис. 1.3. Зависимости спектральных характеристик 
фотоприемных p–n-структур от толщины освещаемой 
области (xj(1) > xj(2) > xj(3))

Еще больше увеличить чувствительность спектральной 
характеристики фотодиода можно путем максимального 

приближения 
области 
пространственного 
заряда 
(ОПЗ) к освещаемой поверхности с использованием вместо 
p–n-перехода поверхностного контакта «металл – полупроводник» – 
барьера Шоттки (рис. 1.4). В структуре «металл – 
полупроводник» область пространственного заряда 
практически находится на поверхности. В результате часть 
квантов оптического излучения с энергией выше ширины 
запрещенной зоны h  Eg, прошедшая металлический слой, 

генерирует подвижные носители заряда непосредственно 
в ОПЗ, в которой имеется высокое электрическое поле. Для 
того чтобы оптическое излучение могло пройти сквозь слой 
металла, нанесенного на полупроводник, этот слой должен 
быть полупрозрачным или очень тонким, чтобы исключить 
заметное поглощение.

Me

AR

hSБШ

p–n

п/п

WОПЗ

Рис. 1.4. Фотоприемник с барьером в виде барьера 
Шоттки (БШ) и спектральные характеристики 
чувствительности структур с барьером Шоттки 
и p–n-переходом: Me – металл; AR – антиотражающее 
покрытие, п/п – полупроводник

Дополнительно можно использовать эффект поглощения 
квантов свободными электронами в самом металле. Если 
в результате поглощения кванта свободный электрон приобретает 
энергию, достаточную для преодоления потенциального 
барьера со стороны металла, такие электроны также будут 
вносить вклад в фоточувствительность структуры.
Другой способ расширить спектральную чувствительность 
фотоприемника в области коротких волн – это 
использование гетероперехода вместо обычного гомо-
p–n-перехода (рис. 1.5). При этом в качестве верхнего 
освещаемого слоя необходимо использовать более ши-

рокозонную область. В этом случае высокоэнергичные 
кванты, которые ранее поглощались вблизи поверхности 
p–n-перехода и не принимали участия в формировании оптического 
сигнала, будут проходить через широкозонный 
полупроводниковый материал без поглощения и образовывать 
подвижные носители заряда в области пространственного 
заряда полупроводника с меньшей шириной 
запрещенной зоны. В структуре с такой конструкцией 
происходит расширение спектрального диапазона не только 
за счет снижения влияния поверхностной рекомбинации, 
но и в результате поглощения коротковолновых 
квантов в широкозонном материале.

EC1

EC2

EV1

EV2
EF

Eg1

hxj xp
xn

K1

K2

EC

EV

Рис. 1.5. Зонная диаграмма фотодиода с гетеро-p–n-
переходом: EC – положение дна зоны проводимости 
разных полупроводников; EV – положение потолка 
валентной зоны разных полупроводников; K – 
контактные разности потенциалов с обеих сторон 
перехода; xj – металлургическая граница перехода; 
xn, xp – границы области пространственного заряда 
со стороны n- и p-областей; EF – положение уровня 
Ферми; EC, EV – разрывы энергетических зон