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
Стр.2
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
Стр.3
3
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
Стр.4
4
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
Стр.5
5
Список сокращений и обозначений
A
с
С
D
E
е0
f
h
H
I
k
L
M
n
NA
p
P
Q
R
Rотр
S
SI
T
t
t01–09
t09–01
– площадь поверхности
– скорость света в вакууме
– электрическая емкость
– обнаружительная способность, амплитуда вектора
электрического смещения
– освещенность, энергия, напряженность электрического
поля, амплитуда вектора электрического поля
– заряд электрона
– частота, фокусное расстояние
– постоянная Планка
– экспозиционная доза, амплитуда вектора магнитного поля
– сила света, сила электрического тока
– постоянная Больцмана, волновое число
– яркость, индуктивность, длина
– светимость, плотность потока излучения, коэффициент
лавинного умножения ЛФД, коэффициент усиления ФЭУ
MOCVD – метод металлоорганического химического вакуумного
нанесения
– показатель преломления среды, концентрация электронов
– числовая апертура оптоволокна
– концентрация дырок
– мощность
– добротность, резонатора, скважность, энергия излучения
– электрическое сопротивление, радиус кривизны, коэффициент
отражения
– коэффициент отражения по интенсивности
– чувствительность
– токовая чувствительность
– температура
– время
– время нарастания импульса
– время спада импульса
Стр.6
339
анты конструкций оптронов и оптоэлектронных микросхем приведены
на рис. 8.23. Конструкции двух вариантов бескорпусных оптопар
приведены на рис. 8.23,а и 8.23,б соответственно. В первом
варианте механическая и оптическая связь излучателя 1 и фотоприемника
2 обеспечивается заливкой оптическим компаундом 3, а во
втором − путем приклеивания специальным оптическим клеем
кристаллов излучателя 1 и фотоприемника 2 на разные стороны
прозрачной диэлектрической пластины 3, которая является иммерсионной
средой. Бескорпусные оптопары могут применяться в составе
гибридных микросхем или в электронной аппаратуре, которая
подвергается общей герметизации. Вариант конструкции оптрона,
помещенной в полимерный корпус, приведен на рис. 8.23,в.
Здесь кристаллы излучателя 1 и фотоприемника 2 предварительно
закрепляют на жестких металлических выводах 4. Для улучшения
оптической связи между излучателем 1 и фотоприемником 2 помещают
каплю оптического полимера 3, который является иммерсионной
средой, далее всю конструкцию устанавливают в пластмассовый
корпус 6. Иногда для улучшения изолирующих свойств
оптрона между источником и приемником излучения помещают
фторопластовую пленку, которая обеспечивает отличную высоковольтную
изоляцию и малые токи утечки между входом и выходом.
В отдельных областях применения, где требуется повышенная
стойкость к воздействию механических и климатических факторов,
которую не могут обеспечить пластмассовые корпуса оптронов,
используют герметичные металлические и керамические корпуса,
аналогичные тем, которые применяются для других электронных
компонентов. Стойкость оптронов к механическим и климатическим
воздействиям в этом случае не уступает стойкости остальных
электронных компонентов.
Следует отметить, что во всех трех разновидностях оптронов,
рассмотренных выше, применяется нетрадиционная для планарной
микроэлектроники сборка по вертикали. Частично этот недостаток
преодолен в конструкции, показанной на рис. 8.23,г, которая
часто применяется в гибридных оптоэлектронных микросхемах.
В этой конструкции все кристаллы расположены на одной
стороне подложки, что позволяет использовать одно и то же оборудование
при изготовлении гибридных и оптоэлектронных микросхем.
Стр.340
340
а
б
в
г
Рис. 8.23. Варианты конструкций оптронов и оптоэлектронных микросхем:
а – безкорпусная с прозрачным компаундом; б – вертикальная сборка
на прозрачной пластине; в – размещение оптрона в полимерном корпусе;
г – плоская сборка оптрона, используемая в микросхемах; 1 − ИК-диод; 2 −
фотоприемник; 3 − иммерсионная среда; 4 − выводы; 5 − пластмассовый
корпус; 6 − подложка; 7 – кристалл усилителя
Недостатком такой технологии является ухудшение оптической
связи в оптопаре.
Современные ОИС выполняются в виде гибридных сборок в
двух вариантах:
1) бескорпусный светодиод и интегральная фотоприемная схема,
содержащая выполненные по интегральной технологии фотоприемник
и электронную схему;
Стр.341
341
2) бескорпусная оптопара и бескорпусная интегральная микросхема.
Все
вышеприведенные конструкции характерны для оптронов
с внутренним (закрытым) оптическим каналом. Оптроны с открытым
оптическим каналом изготавливаются двух типов:
1) работающие на просвет;
2) работающие на отражение.
Конструктивно наиболее удобны оптопары, работающие на отражение,
в которых одностороннее расположение излучателя и фотоприемника
позволяет встраивать их практически в любую аппаратуру.
Существенного улучшения параметров отражательной оптопары
можно добиться при введении в ее конструкцию еще
одного, идентичного с первым фотоприемника, расположенного
симметрично излучателю. Это позволяет реализовать принцип
дифференциального считывания информации, что существенно
повышает возможность распознавания полезного сигнала. Оптопары,
работающие на просвет, широкого распространения не получили.
Обычно в аппаратуре их заменяют двумя отдельными элементами
− источником излучения на основе светодиода и полупроводниковым
фотоприемником.
Объединение в конструкции излучателя, фотоприемника и оптического
световода привело к созданию так называемых длинных
оптронов, или волстронов. Оптический канал волстрона может
быть выполнен либо в виде жесткого световода длиной около 10 см
(такие волстроны применяются в качестве управляющих устройств
в цепях высокого напряжения свыше 10 кВ), либо в виде отрезка
гибкого волоконно-оптического кабеля длиной до нескольких десятков
метров (эти приборы применяются вместо локальных ВОЛС
и выгодно отличаются от них отсутствием разъемных соединителей,
что позволяет улучшить надежность такой линии и уменьшить
стоимость). Серийно выпускаемые отечественной промышленностью
волстроны 01ВЦ06А-2 и 02ВЦ075А-1 с оптическим каналом
длиной 1 м совместимы по уровням управляющих сигналов с ТТЛ
микросхемами и имеют быстродействие 50 нс.
Стр.342
342
Список литературы
1. Астайкин А. И., Смирнов М. К. Основы оптоэлектроники:
Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2007.
2. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера,
2006.
3. Дудкин В. И., Пахомов Л. Н. Квантовая электроника. Приборы
и их применение: Учебное пособие. М.: Техносфера, 2006.
4. Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая
школа, 2001.
5. Гитцевич А. Б., Зайцев А. А., Мокряков В. В. и др. Полупроводниковые
приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные
приборы: Справочник / Под ред. А. В. Голомедова. М.:
КУбК-а, 1997.
6. Мартынов В. Н., Кольцов Г. И. Полупроводниковая оптоэлектроника:
Учебное пособие. М.: МИСИС, 1999.
7. Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные
элементы и устройства / Под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радио и
связь, 1998.
Стр.343
Астайкин Анатолий Иванович,
Смирнов Михаил Константинович
Квантовые и оптоэлектронные
приборы и устройства
Учебное пособие
Редактор Н. П. Мишкина
Корректор Н. Ю. Костюничева
Компьютерная подготовка оригинала-макета
Н. В. Мишкина
Подписано в печать 15.03.2011. Формат 60×90/16
Печать офсетная. Усл. печ. л. ~22. Уч.-изд. л. 20
Тираж 300 экз. Зак. тип. 1075-2010.
Отпечатано в ИПК ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
607188, г. Саров Нижегородской обл.
Стр.344