Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства

 
 

 

 

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