- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
Перепишем уравнения непрерывности (8.19) в следующем виде:
(8.24)
где -скорости фотогенерации носителей, -времена жизни носителей заряда.
В отсутствие освещения, в стационарном равновесном состоянии и поэтому, (8.25)
Подставляя (8.25) в уравнения (8.24) получим:
(8.26)
В стационарных условиях , т.е скорость генерации равна скорости рекомбинации носителей заряда, откуда получим:
(8.27)
Выражение (8.27) носит название основного характеристического соотношения для фотопроводимости. Концентрация неравновесных носителей заряда, возникающих при освещении полупроводника, равна произведению скорости их генерации и времени жизни.
8.13Процессы релаксации
Решим теперь уравнение (8.27) для нестационарного режима, например, для случая, когда освещение полупроводника прекращается ( ), тогда:
Решение этого уравнения имеет вид:
(8.28)
где
При прекращении освещения неравновесные носители заряда постепенно исчезают из объема полупроводника, восстанавливается его равновесное состояние. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксационным процессом или релаксацией, а время восстановления нарушенного равновесия – временем релаксации . В случае линейной рекомбинации время релаксации фотопроводимости совпадает с рекомбинационным временем жизни, т.е.
В случае квадратичной рекомбинации время жизни носителей зависит от уровня возбуждения, и релаксационный процесс имеет более сложный характер.
Время нарастания и спада фотопроводимости, в общем случае могут быть неодинаковыми.
8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
Величина светового приращения фотопроводимости освещенного полупроводника равна (п.8.10):
(8.29)
Это выражение показывает зависимость фотопроводимости от интенсивности потоков фотонов Nq или от светового потока Ф (Nq= ).
Зависимость (8.29) линейная, если и не зависят от Nq.
В случае квадратичной рекомбинации = = = и фотопроводимость ~ , отношение фотопроводимости и светового потока: = (8.30)
называется фоточувствительностью полупроводникового материала.
Здесь через без индекса обозначены квантовый выход, подвижность и время жизни основных носителей заряда (например, электронов), а через b- относительный выход неосновных носителей в фотопроводимость (b= ).
Параметры RФ, -характеризуют взаимодействие излучения с материалом и изменение их величины при изменении длины волны излучения определяет спектральную зависимость фотопроводимости.
Параметры и характеризуют взаимодействие носителей заряда с решёткой полупроводника, а произведение определяют величину фоточувствительности материала. Так как подвижность не очень сильно различается у различных материалов, то фундаментальным параметром, определяющим величину фоточувствительности, следовательно, и фотопроводимости, является время жизни носителей .
У различных полупроводников ~1011 1019 см-3, и соответственно ~104 10-13 с. Высокочувствительным считаются полупроводники, для которых 10-4с.
Если включить полупроводниковый фотоприемник в электрическую цепь и подать внешнее напряжение U в отсутствии освещения, то потечет ток, называемый темновым. Величина темнового тока определяется напряжением U и сопротивлением фотоприемника RT согласно закону Ома (I=U/RT). При освещении фотоприемника ток в цепи меняется, поскольку изменяется его проводимость.
Разность токов при наличии и в отсутствии освещения, называется фототоком. Фототок в цепи зависит от интенсивности освещения полупроводника, от приложенного напряжения U, размера контактов, длины полупроводника и способа освещения – в продольном и поперечном направлении по отношению к направлению электрического поля.
В однородном полупроводнике фототок равен: IФ=eGKФ, (8.31)
где G=gV – полная генерация; g – скорость фотогенерации носителей в единице объема, V – объем освещенного полупроводника, коэффициент усиления: KФ=τn/tn +τр/tр (8.32)
tn и tp – времени пролета электронов и дырок между контактами. При длине образца d и напряжении U: tn=d2/(μnU), tp=d2/(μpU), тогда KФ=(τnμn+τpμp)U/d2, и фототок: IФ=egV(τnμn+τpμp)U/d2. (8.33)
Физический смысл коэффициента усиления заключается в том, что созданная светом фотопроводимость в полупроводнике сохраняется до тех пор, пока избыточные носители не рекомбинируют в объеме или не уйдут из него через контакты во внешнюю цепь.
Качество фотоприемника оценивают его добротностью: Q=KФΔf, (8.34)
где Δf – полоса пропускания, определяемая временем релаксации фотопроводимости. Оптимизация параметров фотоприемников означает максимизацию их добротности.