Квантовая и оптическая электроника: Рабочая программа, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра промышленной электроники

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Рабочая программа Задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению

Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654100 - электроника и микроэлектроника, 200400 - промышленная электроника Направление подготовки бакалавра 550700 - электроника и микроэлектроника

Санкт-Петербург 2004

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.315.6 Квантовая и оптическая электроника: Рабочая программа, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению. – СПб.: СЗТУ, 2004. - 23 с. Рабочая программа разработана в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654100 (специальность 200400 – «Промышленная электроника») и направлению подготовки бакалавра 550700 – «Электроника и микроэлектроника». Методический сборник содержит рабочую программу, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению. В рабочей программе представлены три раздела: принципы работы квантовых систем, в котором рассмотрены основные характеристики оптического излучения, энергетические состояния квантовых систем, активные среды и методы создания инверсной населенности, оптические резонаторы, усиление оптического излучения и условия генерации лазеров; когерентные и некогерентные источники оптического излучения, где рассмотрены твердотельные и газовые лазеры (атомарные, молекулярные и ионные лазеры, а также полупроводниковые инжекционные светодиоды и лазеры на гомо- и гетеропереходах; приемники оптического излучения, в котором рассмотрены вопросы поглощения света в твердых телах, представлены различные типы фотоприемников: фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы, а также многоэлементные фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью.

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры промышленной электроники 23 января 2004 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 26 января 2004 г. Рецензенты: В.Д. Лиференко, д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной электроники СЗТУ; Л.П. Скороходов, канд. техн.наук, доц. кафедры вычислительной техники ВКА им. А.Ф. Можайского. Составитель Ю.Г. Васильев, д-р техн.наук, проф.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника» охватывает две научно-технические области, тесно связанные между собой - квантовую электронику и оптическую электронику (оптоэлектронику). Квантовая электроника базируется на исследованиях квантовых эффектов, связанных с вынужденным электромагнитным излучением, для создания соответствующих квантовых сверхвысокочастотных генераторов и усилителей, квантовых оптических генераторов (лазеров) и усилителей, работающих в оптическом диапазоне длин волн, а также квантовых стандартов частоты, лазерных гироскопов и т.д. Оптоэлектроника представляет собой научно-техническое направление, связанное с изучением взаимодействия оптического излучения с электронами в веществе, в основном в твердых телах, для создания оптоэлектронных приборов, осуществляющих преобразование электрических сигналов в оптические (оптоэлектронные излучатели, в основном полупроводниковые (ПП) лазеры и светоизлучающие диоды (СИД)), и оптических сигналов в электрические (фотоприемники различных типов). Принцип работы таких оптоэлектронных приборов основан соответственно на эффектах электролюминесценции и фотоэффекте. Приборы квантовой и оптоэлектроники находят широкое применение в современных системах передачи, обработки, хранения и отображения информации. Для квантовой и оптической электроники характерно стремление к миниатюризации и интеграции элементов на основе современных технологий, а также усиливающаяся направленность на решение задач информатики, связанных с созданием высокопроизводительных оптических систем передачи, обработки, хранения и отображения информации.

4

Основными задачами изучения дисциплины являются: а) изучение и понимание физических принципов работы квантовых и оптоэлектронных приборов; б) приобретение знаний по использованию разнообразных твердотельных и полупроводниковых структур, применяемых в квантовой и оптоэлектронной технике; в) получение знаний о параметрах устройств и их областях использования; г) получение представлений о возможностях квантовой и оптической электроники для решения задач, решаемых оптическими информационными системами. Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных при изучении предшествующих дисциплин: «Физика», «Физика твердого тела», «Материалы и элементы электронной техники», «Теоретические основы электротехники», «Микроэлектроника», «Твердотельная электроника» - и является базовой для следующей за ней дисциплины «Оптоэлектронные средства передачи, обработки и отображения информации». I. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Содержание дисциплины по ГОС Квантовая и оптическая электроника: способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона; физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами; энергетические состояния квантовых систем; оптические переходы, структура спектров; ширина, форма и уширение спектральных линий; оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями; усиление оптического излучения; активные среды и методы создания инверсной населенности; насыщение усиления в активных средах;

генерация оптического излучения; нелинейно-

оптические эффекты; основные типы когерентных и некогерентных источников

5

оптического излучения; физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения. 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы Виды занятий

Всего часов

Общая трудоемкость

120

Аудиторные занятия

32

Лекции

20

Практические занятия (ПР)

4

Лабораторные работы (ЛР)

8

Самостоятельная работа

88

Контрольная работа

+

Вид итогового контроля – экзамен, зачет

1.3. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА 1.3.1. Введение [1], с. 4-5; [2], с. 5-10 Структура и задачи дисциплины. Области применения квантовых и оптоэлектронных приборов в современной технике. Особенности квантовой и оптической электроники, получившей бурное развитие в результате исследования и разработки приборов различного функционального назначения: твердотельных и газовых лазеров, лазеров на красителях, полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов (светодиодов) на гомо-и гетероструктурах, а также различных типов фотоприемников ( фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров и т.д.). Усиление роли квантовой и оптической электроники в современном развитии науки и техники обусловлено необходимостью

6

усовершенствования лазерных технологий и создания сверхскоростных оптических систем передачи, обработки и отображения информации. 1.3.2. Принципы работы квантовых систем [2] с.11-27, 145-156; [3] с. 138-152, 169-175 Основные характеристики и свойства электромагнитного излучения оптического диапазона. Энергетические состояния квантовых систем, оптические переходы. Нормальное и возбужденное состояния системы. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Взаимодействие электромагнитного излучения с квантовыми системами. Инверсная населенность и методы ее создания. Активные среды. Методы энергетической накачки активных сред. Спектральные свойства активной среды. Ширина спектральной линии вещества и причины ее уширения. Оптические резонаторы. Виды колебаний (моды). Потери в оптическом резонаторе. Условие самовозбуждения лазера: баланс фаз и баланс амплитуд. Порог генерации. Характеристики лазерного излучения. 1.3.3. Когерентные и некогерентные источники оптического излучения 1.3.3.1. Твердотельные и газовые лазеры [2] с.164-169; [3] с.179-190 Классификация твердотельных лазеров. Основные материалы. Особенности энергетических диаграмм. Принципы работы рубинового, неодимового лазеров, лазера на иттрий-алюминиевом гранате, основные параметры. Типы газовых лазеров: атомарные, ионные и

молекулярные лазеры.

Принцип работы атомарного газового гелий-неонового (He-Ne) лазера, энергетическая диаграмма, особенности создания инверсионной населенности, устройство He-Ne - лазера и основные параметры.

7

Молекулярные лазеры. Лазер на основе углекислого газа (CO2 - лазер), энергетическая диаграмма, принцип работ, принцип работы и основные параметры. Газодинамический CO2 - лазер. Ионные лазеры. Аргоновый лазер, устройство, особенности его работы и основные параметры. 1.3.3.2. Полупроводниковые инжекционные светоизлучающие диоды и лазеры [1] с.26-41; [2] с.28-58, 156-164; [3] с.190-195 Классификация источников отического излучения. Виды энергетических переходов в полупроводнике: прямозонные и непрямозонные. Основные материалы полупроводниковых излучателей и их основные характеристики. Классификация p-n переходов: гомо- и гетеропереходы. Излучательный режим работы p-n перехода. Принцип работы инжекционных светодиодов на гомопереходе и их конструкция. Энергетическая диаграмма и вольтамперная характеристика. Основные оптические и электрические параметры светодиодов. Полупроводниковые материалы для светодиодов на гомопереходах. Принцип работы инжекционных светодиодов на гетеропереходах. Светодиоды на одинарном и двойном гетеропереходах. Энергетические диаграммы. Преимущества перед светодиодами на гомопереходах. Основные материалы. Принцип работы и конструкция инжекционного лазера на гомопереходе (гомолазера). Основные материалы. Параметры инжекционных лазеров (внешний квантовый выход, КПД, спектральная характеристика излучения, диаграмма направленности) и их зависимость от инжекционного тока. Пороговый ток инжекционного лазера и методы его уменьшения. Полупроводниковые инжекционные лазеры на гетеропереходах (гетеролазеры). Энергетические диаграммы одинарного и двойного гетероперехода, их свойства. Распространение света в двойной гетероструктуре. Гетеролазеры на

8

основе двойных гетероструктур. Основные материалы. Полосковые гетероструктуры для снижения порогового тока. Диаграмма направленности излучения. 1.3.4. Приемники оптического излучения 1.3.4.1. Приемники оптического излучения в оптоэлектронике [1] с.6-26; [2] с.59-102. Поглощение света в твердых телах. Виды переходов при поглощении света в полупроводниках. Толщина слоя поглощения. Классификация фотоприемников (ФП). Фотоприемники на внешнем и внутреннем фотоэффекте. Основные параметры: квантовый выход внутреннего фотоэффекта, скорость генерации, быстродействие, шумы, токовая и вольтовая чувствительность, пороговая чувствительность. Принцип работы, конструкция и основные параметры фоторезистора. Основные материалы и условные обозначения. Фотодиоды на р-n переходе (p-n фотодиод). Вентильный фотоэффект, фото-ЭДС. Вольтамперная характеристика. Работа фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режимах. Принцип работы p-i-n фотодиодов. Фотодиоды с поверхностными барьерами. Лавинные фотодиоды (ЛФД), коэффициент умножения, основные параметры. Основные материалы фотодиодов. Условные обозначения. Фототранзисторы: биполярные и полевые. Вольт-амперные характеристики, конструкция и условные обозначения. Основные параметры. Принцип работы фототиристоров. Вольтамперная характеристика, конструкция, основные параметры, условные обозначения и области применения. Многоэлементные фотоприемники. Фотоприемники с пространственной зарядовой связью (ПЗС). Конструкция, режимы работы: режим покоя, хранения и считывания информации. Линейки и матрицы фото-ПЗС, основные параметры.

9

1.4. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ для студентов очно-заочной формы обучения (20 часов) Темы лекций

Объем, ч.

1. Принципы работы квантовых систем. Инверсионная населенность и условия самовозбуждения лазера. 2. Твердотельные и газовые лазеры. Особенности работы. 3. Полупроводниковые инжекционные светодиоды. Гомои гетеролазеры. 4. Поглощение света в твердых телах. Фотоприемники на основе фотопроводимости. Фоторезисторы. 5. Фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта: фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Многоэлементные фотоприемники с пространственной зарядовой связью.

4 4 4 4 4

1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 часа) Темы практических занятий

Объем, ч.

1.Квантовая электроника. Задачи на определение длины волны излучения в зависимости от материалов активных сред в лазерах. Определение мощности оптической накачки в твердотельных лазерах. 2. Оптоэлектроника. Задачи по определению угловой ширины диаграммы направленности излучения ПП гетеролазера и концентрации носителей в p-n переходе. Задачи по расчетам тока фотоприемника, коэффициента усиления и быстродействия.

2

2

1.6. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов) Темы лабораторных работ 1. Исследование Не-Nе газоразрядного лазера. 2. Исследование полупроводникового инжекционного гетеролазера 3. Исследование полупроводникового фотодиода.

Объем, ч. 4 2 2

10

2. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Укажите диапазоны длин волн ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов оптического излучения. 2. Назовите основные световые и энергетические характеристики оптического излучения. 3. Охарактеризуйте основные типы переходов между энергетическими уровнями в квантовой системе и назовите виды вынужденных переходов. 4. Напишите условие инверсионной населенности и проведите классификацию методов энергетической накачки активных среде. 5. Объясните работу оптического резонатора и напишите условие самовозбуждения лазера. 6. Приведите структурную схему лазера, объясните назначение элементов и приведите основные оптические и электрические параметры лазеров. 7. Объясните принцип работы твердотельного рубинового лазера, укажите его основные параметры. 8. Приведите энергетическую диаграмму газового He-Ne лазера и объясните принцип его работы. 9. Объясните принцип работы молекулярного СО2 - лазера и ионного лазеров, назовите их основные параметры и области использования. 10. Проведите классификацию полупроводниковых излучателей, напишите формулу для расчета длины волны излучения в зависимости от ширины запрещенной зоны. 11. Назовите типы излучательных p-n переходов, объясните работу инжекционного светоизлучающего диода на гомопереходе, приведите основные оптические и электрические параметры и материалы.

11

12. Приведите энергетическую диаграмму светодиода на одинарном гетеропереходе, объясните его работу, приведите основные материалы, используемые для создания гетеропереходов. 13. Объясните работу светодиода на двойной гетероструктуре, укажите его преимущества по сравнению со светодиодами на гомопереходах. 14. Опишите конструкцию полупроводникового инжекционного гомолазера, объясните его принцип работы, приведите основные параметры, а также укажите основные отличия от светодиода. 15. Объясните работу гетеролазера на двойной гетероструктуре, назовите основные материалы. 16. Какие методы используются в гетеролазерах для уменьшения порогового тока? 17. Приведите классификацию фотоприемников, укажите основные параметры полупроводниковых фотоприемников и материалы. 18. Укажите основные параметры фотоприемников и объясните работу фоторезистора. 19. В чем состоят особенности вентильного эффекта, на котором основана работа фотодиодов, и вольт-амперной характеристики фотодиода? 20. Объясните работу фотодиода в фотодиодном и гальваническом режимах. 21. Каковы особенности работы p-i-n фотодиодов и лавинных фотодиодов? 22. Объясните работу биполярных и полевых фототранзисторов, приведите их вольт-амперные характеристики и условные обозначения. 23. Объясните работу фототиристора, приведите его вольт-амперную характеристику и укажите области использования. 24. Укажите основные режимы работы фотоприемников с пространственной зарядовой связью, объясните принцип работы, приведите основные параметры и области использования.

12

3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

0сновной: 1. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., С.М.Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику. - М.: Высш. школа, 1991. 2. Шарупич Л.С., Тугов Н.М. Оптоэлектроника. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 3. Андрушко Л.М., Федоров Н.Д. - Электронные и квантовые приборы СВЧ. М.: Радио и связь, 1981. Дополнительный: 4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М.: Высшая школа, 2001. - 573 с. 5. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб. пособие. – М.: РадиоСофт, 2001. - 256 с. 6. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник-каталог.Т. 1. - М.: РадиоСофт, 2000. - 512 с. 7. Горелик Д.С. и др. Оптоэлектронные приборы и системы. Учеб. пособие. – СПб: ГИТМО, 1998, т.1.-734 с.,т.2- 583 с. 8. Мухин Ю.А. Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники. Учебное пособие. - М.: МЭИ, 1996.- 297 с. 9. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. - М.: Радио и связь, 1989. 10. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. - М.: Наука, 1983. 11. Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. Основы оптоэлектроники: Пер. с япон. - М.: Мир, 1988. 12. Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. 13. Колючкин В.Я.и др. Преобразование оптических сигналов в оптоэлектронных системах с матричными приемниками излучения. Учеб. пособие. - М.: МГТУ, 1994.- 41 с.

13

3. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ Предлагаемая в дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» контрольная работа связана с описанием квантовых и оптоэлектронных устройств, расчетом их параметров и выбором соответствующих материалов. В связи с тем, что функционирование этих устройств основано на использовании различных физических эффектов таких, как инверсная населенность, инжекция носителей в р-n переходе, внутренний фотоэффект, в процессе выполнения контрольной работы предусмотрено углубленное изучение студентами физических принципов работы устройств и определение их рабочих параметров. Контрольные задачи охватывают все основные разделы курса. Студент выполняет контрольную работу, которая состоит из 5 задач, охватывающих основные разделы дисциплины. Задача 1 не предполагает различных вариантов задания параметров. Остальные задачи решаются по одному из приведенных вариантов. Выбор варианта задач определяется двумя последними цифрами шифра. Перед решением задач студентам необходимо изучить соответствующие разделы дисциплины по рекомендованной литературе и ознакомиться с изложенными ниже методическими указаниями. 4.1. Задача 1 Определить полупроводниковые материалы, которые могут быть использованы в инжекционных СИД и лазерах для получения излучения в синей, зеленой, красной, и инфракрасной областях спектра 4.1.1. Методические указания к выполнению задачи 1 Для решения задачи используется формула λ (мкм) = 1.24/Eg (эВ),

14

которая описывает связь между длиной волны излучения λ и шириной запрещенной зоны полупроводника Eg в прямозонных материалах. Значения Eg для различных материалов приведены в табл. 4.1 и могут быть дополнительно взяты из справочной и рекомендованной литературы [18]. Таблица 4.1 № п/п 1

Полупроводниковый материал

Eg, эВ

2

3

1

Ge

0,66

2

Si

1,11

3

AlP

2,45

4

AlAs

2,16

5

AlSb

1,58

6

GaP

2,26

7

GaAs

1,42

8

GaSb

0,73

9

InP

1,35

10

InAs

0,36

11

InSb

0,17

12

GaC

2,4-3,1

13

CdSe

1,8

14

CdS

2,5

15

GaN

3,4

16

ZnS

3,7

Длины волн λ, соответствующие различным цветам в видимой и инфракрасной (ИК) невидимой частях спектра, находятся в следующих диапазонах:

15

λС = 0,45…0,48 мкм - синий, λЗ = 0,5…0,56 мкм - зеленый, λКР = 0,62…0,76 мкм - красный, λИК = 0,8…100мкм и более.

4.2. Задача 2 Рассчитать минимальную мощность лампы-вспышки Р, необходимую для накачки твердотельного лазера, если число активных частиц в единице объема ρ, время жизни частиц τ на верхнем рабочем уровне. Центральная частота, на которой происходит основное поглощение излучения ν = 6.3 ⋅ 10 Гц. КПД пре14

вращения энергии лампы-вспышки во внутреннюю энергию активной среды лазера составляет η=50%. Объем кристалла V=5 см3. Значения параметров ρ и τ приведены в табл. 4.2. Таблица 4.2 Последняя цифра шифра ρ· 10-18, см-3 Предпоследняя цифра шифра τ, мс

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1 1

2 2

5 3

7 4

10 5

20 6

40 7

60 8

80 9

100 0

0.5

1.0

1.5

1.7

1.8

2.0

2.2

2.5

2.8

3.0

4.2.1. Методические указания к выполнению задачи 2 Перед решением задачи изучаются способы создания инверсной населенности с помощью оптической накачки в твердотельных лазерах [3] с.169-186. В качестве основных твердотельных лазеров следует рассмотреть работу рубинового и неодимового лазеров. При решении следует исходить из того, что для получения в активной среде инверсной населенности более половины активных частиц, которые находятся на нижнем энергетическом уровне при невозбужденном состоянии, переходят на верхний возбужденный уровень. Все переходы такого рода осуще-

16

ствляются в течение времени меньшем или равном τ. При невыполнении этого требования возникают условия для обратных переходов с верхнего (возбужденного уровня) состояния на нижний уровень основного невозбужденного уровня (спонтанное излучение). Спонтанные переходы ограничивают дальнейший рост населенности возбужденного уровня. Учитывая, что длительность импульса лампы-вспышки равна τ, что соответствует оптимальному случаю для достижения минимальной мощности накачки, закон сохранения энергии описывается формулой ηPτ = (hν)N/2, где N = ρV - число активных частиц в активной среде. 4.3. Задача 3 Рассчитать угловую ширину диаграммы направленности излучения полупроводникового инжекционного гетеролазера полосковой конструкции в горизонтальной плоскости р-n перехода θ|| и в в вертикальной перпендикулярной плоскости θ┴, если длина волны излучения лазера в ИК диапазоне составляет λ = 1.3 мкм, толщина волновода равна h и ширина полоска составляет р. Определить пороговую концентрацию носителей заряда в р-n переходе nпор, если время излучательной рекомбинации носителей составляет τ, а величина порогового тока - jпор. Толщину слоя, в котором осуществляется рекомбинация носителей, принять равной h. Значения расчетных значений указанных величин приведены в табл. 4.3. Таблица 4.3 Последняя Цифра шифра h, мкм τ, нс jпор ·10-3, А/см2 Предпоследн. Цифра шифра р, мкм

1

2

3

0.2 1 0.5 1

0.25 0.3 1.5 2 0.8 1.0 2 3

3

5

10

4

5

6

7

8

9

0

0.35 0.4 2.5 3 1.3 1.5 4 5

0.45 3.5 1.8 6

0.5 4 2.0 7

0.55 4.5 2.5 8

0.6 5 3 9

0.65 5.5 5 0

20

40

50

60

80

100

30

17

4.3.1. Методические указания к выполнению задачи 3 Перед решением задачи необходимо изучить принципы получения инверсной населенности в полупроводниковых лазерах, для чего следует использовать литературу [1],[3-8]. Конструкция гетеролазера изображена на рисунке, где введены следующие обозначения: 1 - волноводный слой толщиной h; L - длина p-n перехода; 2,3 - области n+ и p+ типа, соответственно; 4 - торец волноводной структуры, выполняющий функции зеркала закрытого оптического резонатора; 5 - массивное основание из молибдена для теплоотвода; 6 - полосок шириной p, представляющий собой металлический проводник, изготовленный для уменьшения порогового тока лазера; 7 - вид диаграммы направленности излучения при токах выше порогового значения: θ|| и θ⊥ - углы расходимости излучения соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях к p-n переходу.

Полупроводниковый инжекционный гетеролазер

18

Угловые размеры θ|| и θ⊥ диаграммы направленности лазера обусловлены явлением дифракции света, которое приводит к расходимости световой волны в пространстве из-за волновой природы света. Дифракционные углы отклонения θ|| и θ⊥ излучаемого светового пучка обратно пропорциональны его сечению соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Так как сечение внутрирезонаторной оптической моды в полупроводниковом лазере имеет относительно малые размеры h в вертикальной плоскости и, как правило, значительно большие р в горизонтальной плоскости, соответствующие дифракционные углы θ|| и θ⊥ отклонения оказываются также различными (см. рисунок) и рассчитываются соответственно по формулам

θ||=1.22λ/p, θ⊥=1.22λ/h. Для определения пороговой концентрации носителей nпор, при которой осуществляется лазерное излучение, следует использовать соотношение баланса

nпор /τ ═ jпор /(eh), где е = 1,6·10-19 К- заряд электрона. 4.4. Задача 4 Рассчитать значение среднего тока Iср, протекающего через фотоприемник, при котором величина теплового шума совпадает с величиной дробового шума. Сопротивление образца R и его температура Т приведены в табл.4.4 Таблица 4.4 Последняя цифра шифра R, кОм Предпоследняя цифра шифра Т, К0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1 1

2 2

5 3

7 4

10 5

20 6

40 7

60 8

80 9

100 0

10

20

40

80

100

150

200

250

300

350

19

4.4.1. Методические указания к выполнению задачи 4 При решении задачи необходимо изучить основные типы шумов в фотоприемниках с помощью рекомендованной литературы [1], с.12. Токи, протекающие через фотоприемник в темноте (темновые токи) и при освещении, подвержены случайным отклонениям ∆I (флуктуациям) от среднего значения тока Iср. Эти отклонения имеют разные знаки, поэтому их среднее значение ∆Iср = 0, следовательно, мерой случайных флуктуаций является среднее значение квадрата отклонения (∆ср)2. Шумы ФП имеют различное происхождение. В основном это тепловой и дробовой шумы. 2

Тепловой шум (∆ср)

вызван хаотичностью теплового движения элек-

тепл

тронов, в связи с чем их концентрация в различных участках полупроводника изменяется в зависимости от температуры:

(∆ср)2тепл = kT∆f/R, где k = 1.38·10-23 Дж/К0- постоянная Больцмана, ∆f - полоса частот. 2

Дробовой шум (∆ср)

дроб

вызван колебанием числа электронов, проходя-

щих через ФП при неизменном внешнем напряжении, и определяется случайным характером процессов генерации, рекомбинации и диффузии электронов и дырок. Он пропорционален току Iср через фотоприемник:

(∆ср)2дроб = 2eIср∆f, где е = 1,6·10-19 К- заряд электрона. 4.5. Задача 5 Привести типичные значения коэффициента усиления Z и быстродействия (времени фотоответа) для различных типов фотоприемников: фоторезистора, фотодиода (с р-n переходом, диода Шоттки и лавинного фотодиода) и фототранзистора. Определить коэффициент усиления Z полупроводникового фоторезистора длиной d=0.3 мм (d-межэлектродное расстояние), если подвижность фотоза-

20

рядов µ и их времена жизни τ. Значения приложенного электрического напряжения U и параметры µ, τ приведены в табл. 4.5. Таблица 4.5 Последняя цифра шифра µ· 10-4, см2/В·с τ, нс Предпоследняя цифра шифра U, В

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1 1 1

2 3 2

3 5 3

4 8 4

5 10 5

6 15 6

7 20 7

8 30 8

9 50 9

9.5 100 0

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

6

4.5.1. Методические указания к выполнению задачи 5 Коэффициенты усиления Z и быстродействие различных типов фотоприемников определяются разнообразными фотоэлектрическими явлениями в полупроводниках, описание которых содержится в рекомендованной учебной литературе [1], с.6-23, где также приводятся справочные данные о параметрах фотоприемников. Коэффициент усиления полупроводникового фоторезистора Z рассчитывается в зависимости от напряженности электрического поля E=U/d по формуле Z = µτE/d и показывает, сколько раз за время жизни τ носитель заряда проходит через полупроводник длиной d.

4.6. Требования к оформлению и представлению контрольной работы При оформлении контрольной работы необходимо давать полную расчетную формулу, расшифровывать условные обозначения величин, входящих в

21

формулу, производить подстановку числовых значений величин, приводить результаты вычислений, причем при вычислениях необходимо следить за размерностями и единицами измерений, обращать внимание на четкость и разборчивость записей. Решение излагается подробно, все величины должны быть приведены с соответствующими размерностями. До начала сессии проводится защита оформленной контрольной работы. В случае удовлетворительной защиты студент допускается к экзамену по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника».

22

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………………………..3 I. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ……………………………………………………..4 1.1. Содержание дисциплины по ГОС….………………………………………………..4 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы….……………….…………………....5 1.3. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА…….……………….……………………………………..5 1.3.1. Введение……………………………………….….………………………………...5 1.3.2. Принципы работы квантовых систем………….…………………………………..6 1.3.3. Когерентные и некогерентные источники оптического излучения………………………….….……………………………………...6 1.3.3.1. Твердотельные и газовые лазеры…...….………………………………..…….…6 1.3.3.2. Полупроводниковые инжекционные светоизлучающие диоды и лазеры……………………………….………………………………………….…7 1.3.4. Приемники оптического излучения…….……………………………………….…8 1.3.4.1. Приемники оптического излучения в оптоэлектронике.…………………….…8 1.4. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ……………………….…………………….…9 1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ……………………….………………………9 1.6. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ…………………………….………………….…9 2. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ…………………………….…………………...10 3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.…………………………….…………………..12 4. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ…..………………………….13 4.1. Задача 1….……………………………………………………….……………………13 4.1.1. Методические указания к выполнению задачи 1..……………………………….13 4.2. Задача 2…….…………………………………………………….……………………15 4.2.1. Методические указания к выполнению задачи 2………………………………...15 4.3. Задача 3…………………………………………………………………………….….16 4.3.1. Методические указания к выполнению задачи 3……………………………..….17 4.4. Задача 4…………………………………………………………………………….….18 4.4.1. Методические указания к выполнению задачи 4………………………………...19 4.5. Задача 5…………………………………………………………………………….….19 4.5.1. Методические указания к выполнению задачи 5………………………………...20 4.6. Требования к оформлению и представлению контрольной работы……………………………………………………………………....20

23

Редактор И.Н. Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР N 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать 27.04.04 Б.кн.-журн.

П.л. 1,5 Тираж 100

Формат 60х84 1/16 Б.л. 1

РТП РИО СЗТУ

Заказ 789

____________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5