Физические основы оптоэлектроники

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ   УНИВЕРСИТЕТ  
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ  И   РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

В.Н. Давыдов

ФИЗИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  
ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Пособие имеет гриф СибРУМЦ
«Для межвузовского использования»

2016

Давыдов В.Н.
Физические основы оптоэлектроники: Учебное пособие. Учебное пособие 
имеет гриф СибРУМЦ «Для межвузовского использования».
 Томск: ТУСУР,  2016.   139 с.

В данном учебном пособии изложены основные физические явления в твердых телах, 
положенные в основу работы базовых элементов современной оптоэлектроники: фоторезисторов, фотоприемных элементов на основе фотоэдс различной природы, твердотельных и 
полупроводниковых лазеров, светодиодов, устройств отображения информации на основе 
жидкокристаллических матриц. Описаны их основные характеристики, приведены типичные 
значения эксплуатационных параметров. Описаны также физические причины происхождения шумов в твердотельных приборах, математические методы их описания, а также строение и фундаментальные свойства жидких кристаллов. В заключение пособия указаны перспективные направления развития элементной базы оптоэлектроники, принципов построения 
оптоэлектронных устройств. 
Пособие ориентировано на студентов технических вузов и не требует специальных 
знаний, кроме основ высшей математики и физики в объемах, осваиваемых на первых курсах 
вузов. Пособие будет полезно студентам дневной и вечерней форм обучения, испытывающим трудности в освоении курса «Физические основы оптоэлектроники», а также студентам, 
изучающим близкие по направлению дисциплины. 

                                                Давыдов Валерий Николаевич, 2016
                                               

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ.…………………………………………………………….

2. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ…………………….

2.1 Общие положения………………………………………………........

2.2 Модельные представления…………………………………………

2.3 Зонная диаграмма и электропроводность…………………………..

2.4. Квазиимпульс электрона. Долины энергии и зона Бриллюэна ….

2.5. Положительно заряженные частицы – дырки ………………….…

2.6. Движение электронов и дырок под действием 

электрического поля………………………………………………….......

З  3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ…………………………………………………….

3.1     3.1.Основные параметры процесса поглощения излучения 

в полупроводниках.……………………………………………………..

3.2. Основные механизмы поглощения излучения…………………..

3.3      3.3. Собственное поглощение. Прямые и непрямые переходы………

3.4. Примесное поглощение излучения……………………………….

3.5. Поглощение свободными носителями. Внутризонное                          

поглощение……………………………………………………………..

3.6. Решеточное поглощение……………………………………………

4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ………………………………….

4.1 Основные понятия и параметры……………………………………

4.2 Фотопроводимость полупроводников. Собственная и примесная 

фотопроводимость……………………………………………………..

4.3 Фотовольтаические эффекты в полупроводниках……………...…

4.4 Квазиуровни Ферми в полупроводниках…………………………..

4.5 Фотоэдс в однородных полупроводниках (фотоэдс Дембера)…...

4.6 Фотоэдс в неоднородных полупроводниках 

5

8

8

9

11

17

22

23

32

32

36

38

42

43

45

45

46

49

58

62

65

(объемная фотоэдс)………………………………………………….….

4.7 Электронно-дырочные переходы……..………………...................

4.8. Барьерная фотоЭДС………………………………………………..

4.9. Применение фотоэлектрических явлений в оптоэлектронике…..

5. ЭМИССИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ТВЕРДЫХ ТЕЛ……………….………..

5.1. Описание излучательных процессов 

     в полупроводниках……………………………………………………..

5.2 Спектр излучения твердого тела…………………………………..

5.3 Спонтанное и вынужденное излучение атома…………………..

5.4 Стимулированное излучение твердых тел.……………………....

5.5 Полупроводниковые лазеры ……………………………………...

5.6 Светодиоды…………………………………………………...……..

6. ФЛУКТУАЦИОНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ………………………………….

6.1 Основные положения теории шумов…………………………….

6.2 Математическое описание случайных процессов……………....

6.3 Основные виды шумов в полупроводниковых приборах.

       Метод Ланжевена……………………………………………………....

6.4 Численные значения шумов различных видов.……………….....

7. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ…..……………...

7.1 Общие сведения о жидких кристаллах…………………………..

7.2 Основные свойства жидких кристаллов……………………...…

7.3 Типы и структура жидких кристаллов…………………………..

7.4 Ориентационные эффекты в жидких кристаллах. 

      Переход Фредерикса……………………………………………...……

7.5 Оптические свойства жидких кристаллов……………………....

7.6 Применение жидких кристаллов в оптоэлектронике……...…...

8. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.……………...

9. ЛИТЕРАТУРА…..……………………………………………………….

67

70

74

77

78

78

82

86

91

93

97

98

98

104

109

114

116

116

117

119

123

128

134

137

139

1. ВВЕДЕНИЕ

        При решении технических задач, в своей повседневной деятельности мы 

широко используем различные приборы и устройства электроники. Примене
ние электронных явлений в различных сферах деятельности человека неслу
чайно: они отличаются высокой чувствительностью к различным внешним воз
действиям (оптическому и корпускулярному излучению, электрическому и 

магнитному полям, упругим напряжениям, адсорбции-десорбции примесных 

молекул и т.д.), простотой и гибкостью управления, высоким быстродействием 

и универсальностью выполняемых функций. Фактически все задачи по функ
циональному преобразованию электрических, магнитных и других сигналов 

могут быть решены с помощью электроники.

         Как и все объекты природы, электронная техника имеет свою диалектику 

развития, сопровождающегося накоплением количественных изменений и по
следующего качественного перехода с сохранением в новом состоянии элемен
тов предыдущего своего состояния. Чтобы представить себе путь развития 

электроники и понять изменение требований к ней в будущем, обратимся к ис
тории. В шестидесятые годы ХХ века в электронике возникла кризисная ситуа
ция, связанная с низкой надежностью сверхсложных электронных схем (прежде 

всего электронно-вычислительных машин и их периферии), их большими габа
ритами и высоким энергопотреблением. Эта кризисная ситуация была преодо
лена с помощью идей и технологий интегральной микроэлектроники – в ре
зультате их развития появились микросхемы различного назначения, содержа
щие в себе сотни тысяч транзисторов. Однако последующее развитие и совер
шенствование техники, ориентированное преимущественно на решение инфор
мационных задач, создание современной вычислительной техники, показало, 

что многие их проблемы решаются средствами микроэлектроники неоптималь
ным способом. В первую очередь это касалось принципов функционирования 

устройств ввода-вывода информации, увеличения памяти компьютера, отобра
жения информации и, что особенно важно, увеличения емкости соединитель
ных проводов. Постановка этих задач потребовала принципиально новых под
ходов к разработке информационных систем. 

         Среди новых подходов к созданию будущих информационных систем 

центральное место принадлежит оптоэлектронике, которая вобрала в себя наи
более перспективные направления микроэлектроники и элементы классической 

оптики. В оптоэлектронике используются как оптические, так и электрические 

явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а  также изучаются 

и создаются на их основе новые приборы и информационные системы.

         Совместное использование оптических и электрических явлений сулит 

следующие преимущества для создателей новой техники:

 высокая частота оптических колебаний позволяет создавать исключи
тельно быстродействующие и широкополосные устройства;

 имеется возможность проведения с передаваемым сигналом чисто оп
тических преобразований (например, интерференции света на созданных неод
нородностях кристалла), что в ряде случаев значительно упрощает схему функ
ционального преобразования входного сигнала;

 использование оптического канала для связи блоков, например, вычисли
тельного устройства позволяет получить высокую помехозащищенность и высокую 

емкость оптических соединительных линий;

 ввиду того, что параметры оптических сигналов зависят не только от 

времени, но и от пространственных координат, имеется возможность в устрой
ствах оптоэлектроники работать одновременно со всем оптическим изображе
нием, а не с отдельными его участками, как это делается в микроэлектронике.

Важно отметить, что, кроме чисто количественных преимуществ, сочетание 

оптических и электрических явлений дает качественно новые свойства (их назы
вают «сверхэффектами»), более широкие возможности обработки сигналов. Эти 

сверхэффекты также могут быть использованы для решения технических задач. 

Для оптоэлектроники характерно совместное использование только таких элек

тронных и оптических явлений, которые физически глубинным образом связаны 

между собой. Особенно наглядно эту связь можно обнаружить в твердых телах на 

примере взаимопревращения оптического излучения в электрический ток и об
ратно. Действительно, генерация излучения в полупроводниковом лазере или све
тодиоде – это электронное явление. Но хорошо известно и обратное явление – по
лучение электрической энергии в полупроводниках при их освещении. 

Список явлений, которые могут быть использованы для создания прибо
ров  оптоэлектроники, далеко не исчерпан. В настоящее время существует ог
ромный арсенал оптоэлектронных явлений, связанных со взаимным превраще
нием света в электричество и обратно, многие из которых до недавнего времени 

не имели широкого применения. К таковым можно отнести электрооптический 

эффект, эффект Фарадея, эффект Франца-Келдыша, оптические свойства кван
товых систем: квантовых ям, квантовых точек и т.д. Их использование в буду
щих оптоэлектронных разработках сулит многие выгоды в создании устройств 

функциональных преобразований. 

         Объединяя сказанное выше, можно заключить: оптоэлектроника пред
ставляет собой направление науки и техники, характеризующееся следующими 

тремя основными положениями:

 во-первых, это использование явлений, для которых характерна нераз
рывность и принципиальное сочетание электрических и оптических явлений. 

При этом определяющим является использование оптических сигналов – имен
но этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику от 

микроэлектроники. Здесь микроэлектроника выполняет вспомогательные, об
служивающие функции, или, другими словами, оптоэлектроника представляет 

собой оптику, управляемую электроникой;

 во-вторых, оптоэлектроника нацелена на решение задач информатики, 

а именно: генерирование информационных сигналов, их обработку и хранение, 

передачу и отображение;

 в третьих, оптоэлектроника целиком базируется на конструктивно
технологической базе современной микроэлектроники.

Итак, оптоэлектроника – это научно-техническое направление, связан
ное с явлениями, в которых неразрывны оптические и электронные процессы, 

ориентированное на прием, передачу, обработку, хранение, отображение ин
формации и реализуемое на основе технологической базы микроэлектроники.

        Целью данного курса является изучение основных физических явлений и 

закономерностей, которые используются или могут быть использованы для ре
шения задач оптоэлектроники.         

2.  ЭЛЕМЕНТЫ  ЗОННОЙ  ТЕОРИИ  ТВЕРДЫХ  ТЕЛ      

        2.1. Общие положения

Ввиду того, что подавляющее число приборов и устройств оптоэлектро
ники используют свойства полупроводников, начнём изучение данного курса с 

рассмотрения фундаментальных свойств твердых тел. Нас интересуют пре
имущественно их электрические и оптические свойства. 

Если рассматривать какое-либо электрическое или оптическое явление в 

твердом теле, то для понимания физических процессов, которые формируют 

данное явление, необходимо знать поведение в заданных условиях элементар
ной частицы: электрона - именно он определяет свойства твердого тела при 

действии на него различных физических полей. Исторически первой средой, в 

которой были изучены электронные явления, был газ. Последующее развитие 

науки и техники привело к необходимости изучения электронных процессов в 

твердых телах. Однако уже первые эксперименты с электропроводностью твер
дых тел показали, что она не может быть объяснена развитой к тому времени

классической электронной теорией, хорошо объясняющей поведение электро
нов в вакууме и газах. Было непонятно: как, имея огромное количество элек
тронов (находящихся у атомов), твердые тела различного физико-химического 

состава имеют различающиеся на многие порядки электропроводности; почему 

их электропроводности по-разному зависят от температуры, освещения и т.д.? 

На эти и другие вопросы классическая электронная теория ответить не 

могла, и потому были предприняты попытки построения новой теории - теории 

твердого тела.

2.2. Модельные представления

Модель Зоммерфельда. Исторически первой моделью, объясняющей 

электрические свойства твердых тел, была модель, разработанная немецким 

физиком Зоммерфельдом. В ее основе лежали ряд упрощающих допущений о 

физическом строении кристалла и механизмах взаимодействия его частиц с 

между собой и решеткой.

1. Поскольку атом является квантовой системой, то строгий подход к 

объяснению электропроводности твердых тел должен строиться на основе 

квантовых представлений об их строении. На момент создания теории Зоммер
фельда в физике была хорошо разработана спектроскопическая модель атома, 

описывающая его состояния с помощью энергетического спектра атома в виде 

дискретного набора энергетических моноуровней. Однако в то время механиз
мы взаимодействия атомов в твердых телах не были известны, и Зоммерфельду 

ничего не оставалось, как считать атомы твердого тела невзаимодействующими 

между собой. Следовательно, каждый уровень энергии спектра изолированного 

атома в кристалле оказывался вырожден N раз, где N - число атомов в кристал
ле (N имеет порядок 
23
10
). 

2. Из этой модели следовало, что для того, чтобы оторвать электрон от 

атома и перевести его в межатомное пространство, необходимо атому сообщить 

энергию, равную энергии ионизации изолированного атома 
ion
E
. Обычное его 

значение составляет большую величину, достигающую несколько электроно
вольт. Этот электрон в межатомном пространстве Зоммерфельд считал уже 

классической частицей, способной менять свою энергию на сколь угодно ма
лую величину как это происходит у частицы в классической (ньютоновской) 

механике. Предполагалось также, что свободные электроны не принадлежат 

отдельным атомам, а могут свободно перемещаться по кристаллу, не ис-                            

пытывая влияния кулоновского поля его ионов. Это допущение было основано

на том умозаключении Зоммерфельда, что суммарное поле ионов внутри кри

сталла точно компенсируется суммарным полем свободных электронов (их ко
личества должны быть одинаковыми). Таким образом, заряд каждого иона дол
жен быть компенсирован находящимся 

рядом зарядом свободного электрона. По
этому движущийся через кристалл сво
бодный электрон не испытывал электриче
ского взаимодействия ни с ионами, ни с 

другими 
электронами. 
Потенциальный 

барьер на поверхности кристалла удержи
вает электроны в нем, затрудняя их выход 

в вакуум. Зависимость энергии Е  свобод-                               Рис.1.          

ного электрона в кристалле от координаты х по модели Зоммерфельда показана 

на рис.1. Здесь потенциальный барьер на поверхности равен работе выхода 

электрона из кристалла в вакуум.

       Модель электропроводности твердых тел по Зоммерфельду оказалась ма
лополезной для практики. Важным вопросом, на который она не давала ответ, 

являлся вопрос о причинах различия электропроводности различных твердых 

тел разного физико-химического состава. В этой связи Зоммерфельд считал, 

что в металлах валентные электроны легко отщепляются от атома, становясь 

свободными, и участвуют в электропроводности (Еion - мала),  тогда как у ди
электриков это сделать крайне трудно (Еion - велика). Однако это объяснение не 

согласуется с тем фактом, что численные значения энергий ионизации изолиро
ванных атомов Еion металлов и диэлектриков слабо различаются между собой, а 

иногда у металлов могут оказаться даже больше, чем у диэлектриков.

       Модель Блоха. Следующий шаг в уточнении модельных представлений о 

поведении электрона в кристалле сделан другим немецким физиком Блохом, 

который при решении квантово-механической задачи об энергетических уров
нях электронов в объёме твердого тела учёл взаимодействие атомов между со
бой за счет перекрытия электронных оболочек соседних атомов. Он также учел, 

что свободный электрон, двигаясь в межатомном пространстве, испытывает ку