Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 7

Длина пробега электронов составляет десятки мкм, при этом про-28исходит ионизация атомов с последующей излучательной рекомбинацией. Теоретически предельное значение КПД достигает ∼ 30-40%.Конструктивно лазер выполняется в виде электронно-лучевой трубки с экраном-мишенью из полупроводника. По характеру взаимной ориентации электронного и светового лучей различают приборы с поперечной и продольной накачкой: в первых мишень представляет собой монокристалл, боковые грани которого образуют резонатор; во вторых – это тонкая полупроводниковая пленка,состыкованная с внешним полупрозрачным зеркалом.Достоинства полупроводниковых лазеров с электронным возбуждением.1.

Высокая выходная мощность (особенно в импульсном режиме).2. Возможность лазерной генерации практически для любых прямозонныхполупроводников (в том числе и таких, которые не удается получить в виде монокристаллов и в которых трудно получить p-n переход).3. Простота двухкоординатного высокоскоростного сканирования и высокочастотная модуляция.По сравнению с электронно-лучевыми трубками лазеры с электронным возбуждением благодаря большему КПД и меньшей угловой расходимости генерируемых лучей имеют большую яркость (до 106 кд/м2).

Эти приборы называются квантоскопами и применяются в проекционных дисплеях.Лазерное оборудованиеМеханизм возбуждения и кинетика генерации газовых и твердотельных лазеров не позволяют осуществить модуляцию выходного излучения через системунакачки, как в инжекционных лазерах. Для них необходимы внешние модуляторы – приборы, изменяющие интенсивность проходящего через них непрерывного излучения по заданному временному закону. Они могут быть предназначены для работы с дискретной информацией (оптический ключ или переключатель) или с аналоговой (собственно модулятор). В модуляторах обычноиспользуются электрооптические или магнитооптические эффекты.В ряде случаев необходимо управлять направлением распространения лазерного луча.

Для этой цели используют отклоняющие устройства – дефлекторы.Дефлекторы подразделяются на непрерывные (сканеры – с произвольным положением отклоняемого луча в пространстве) и дискретные, осуществляющие перевод луча в одно из N возможных положений. В дефлекторах используютсяразличные электрооптические и акустооптические эффекты.29ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯФотоприемник – приемник оптического излучения – прибор, в котором поддействием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить и измерить характеристики излучения. В основном в основе работы полупроводниковых фотоприемников лежит использование внутреннего фотоэффекта, но могут быть использованы и другие эффекты.Поглощение света в твердых телахПри прохождении света через вещество его интенсивность понижается.Взаимодействие света с веществом может происходить без изменения энергиифотонов и с изменением.

Процессы взаимодействия без изменения энергии фотонов включают в себя отражение, преломление, рассеяние, пропускание света,вращение плоскости поляризации и др. Процессы взаимодействия с изменением энергии фотонов включают в себя различные виды поглощения. Часть энергии излучения поглощается в веществе, следовательно, увеличивается энергияэлектронов в нем. В общем случае необходимо учитывать 7 механизмов поглощения оптического излучения (рис. 12а): 1 – фотогенерация электроннодырочных пар (собственное поглощение), 2,3 – примесное поглощение, 4 –внутрицентровое поглощение, 5 – экситонное поглощение, 6 - электронное поглощение, вызывающее увеличение энергии электронов без увеличения их концентрации, 7 – фононное поглощение, т.е.

поглощение кристаллической решеткой. Для всех видов поглощения должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. В зависимости от строения зон полупроводника электронныепереходы подразделяются на прямые и непрямые (рис. 12б.), поглощение фотонов сопровождается только лишь прямыми переходами электронов.6Е24135kабРис. 12. Основные электронные переходы при поглощении света в полупроводнике (а), прямые и непрямые межзонные переходы (б).Ширина запрещенной зоны Eg полупроводника определяет минимальныезначения энергии поглощаемых фотонов: GaAs – 1,4 эВ, CdSe – 1,8 эВ, CdS 2,5 эВ, ZnS - 3,7 эВ, Ge – 0,7 эВ, Si – 1,1 эВ, GaP – 2,3 эВ, SiC – 2,4-3,1 эВ.

Длясобственного поглощения должно выполняться условие hν≥Eg, т.е. энергия фо-30тона должна быть не меньше ширины запрещенной зоны. Необходимо учитывать, что для полупроводников в сильном электрическом поле проявляется эффект Франца–Келдыша, приводящий к уменьшению ширины запрещенной зоны Еg(Е). Для примесного поглощения энергия фотонов должна быть не меньше глубины залегания примесного уровня в запрещенной зоне. Количественноеописание процессов поглощения света проводится с использованием закона Бугера-Ламберта. Если величина светового потока, падающего на полупроводник- Фо, то на глубине х его величина составляет - Ф(х).

Изменение величины светового потока на расстоянии dx составляет dФ/dx = α*Ф(x), где α коэффициентпоглощения света Тогда dФ/Ф = -α*dx, т.е. световой поток спадает по экспоненте вглубь полупроводника Ф(х) = Фо*exp(-α*x). Величина, обратная коэффициенту поглощения, – х* называется длиной поглощения света (Ф(х*) =Фо/e). При собственном поглощении величина коэффициента поглощения значительна α = 105 см-1 , а длина поглощения очень мала х* = 0,1 мкм. Для примесного поглощения значения этих параметров зависят от концентрации примеси, для N = 1017 см –3; α = 10 см –1; х* = 0.1 см. Для 1,2,3 (рис. 12а) механизмовпоглощение сопровождается изменением количества свободных носителей, т.е.изменением проводимости и тока. В фотоприемниках обычно используетсясобственное поглощение. Примесное поглощение используется редко, например, для расширения спектральной характеристики в длинноволновой области.Экситонное – 5 и внутрицентровое – 4 поглощение, а также поглощение свободными носителями - 6, поглощение кристаллической решеткой – 7 в фотоприемниках практически не используется.Внутренний фотоэффект в полупроводниках характеризуется квантовым выходом η1, т.е.

числом неравновесных носителей (пар), создаваемых каждым поглощенным фотоном. Чувствительность фотоприемника зависит от скоростигенерации G, которая зависит от величины квантового выхода η1. Получим выражение для скорости генерации носителей. Пусть на единичную площадкуприемника по направлению х перпендикулярно поверхности падает поток излучения, имеющий плотность Ф1(x). Изменение плотности потока с расстоянием - dФ1/dx = - α*Ф1(x). Тогда выражение для энергии, поглощенной в единичном объеме на толщине dx - dФ1 = - α*Ф1(x)*dx. Число фотонов Q1, поглощенных за 1 секунду в единичном объеме на глубине х, Q1 = α*Ф1/hν.

Число неравновесных носителей, возникающих за 1 с в единичном объеме, G(x) = η1*Q1 =η1*α*Ф1(x)/hν. В области собственного поглощения η1 = 1, тогда Q1 ∼ 1/ν. Есливеличина светового потока постоянна, скорость генерации носителей G падаетс ростом частоты излучения, фототок ∼ G ∼ 1/ν. В одних типах приемников (например, фотодиоды) JФ определяется величиной произведения G(x)*V (V - объем материала). В других типах (лавинный фотодиод, фоторезистор, фототранзистор) - IФ = e*G(x)*Z(E), где Z(E) – коэффициент усиления, зависящий отэлектрического поля (Z - 102 -106).Чувствительность фотоприемника определяется тем, на сколько сильно изменяются его электрические характеристики при облучении светом, т.е.

зависитот квантового выхода и коэффициента усиления.31Основные характеристики и параметры фотоприемниковСпектральная характеристика чувствительности отображает реакцию приемника на воздействие излучения с разной длиной волны, она определяет спектральную область применения прибора.Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоответа прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (амперваттная, вольт-ваттная, люкс-амперная). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительностиприемника от интенсивности облучения.Пороговые характеристики – показывают способность фотоприемника регистрировать излучение малой интенсивности.

В основном они определяютсяуровнем собственных шумов прибора – флуктуаций тока в отсутствии облучения или при немодулированном световом потоке.Вольт-амперная характеристика отображает зависимость тока фотоприемника от приложенного напряжения.Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуютинерционность прибора.Температурные характеристики определяют зависимость параметров прибора от температуры окружающей среды. Рабочий температурный интервал указывают в паспорте прибора, при этом указывают значения основных параметров в крайних точках интервала.К основным параметрам фотоприемников относят рабочее и максимальнодопустимое напряжение, мощность рассеивания, тепловое сопротивление.Чувствительность фотоприемников описывается токовой или вольтовой чувствительностью.

Токовая чувствительность (А/лм или А/Вт) определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения: SI = IФ/Ф.Вольтовая чувствительность характеризует значение фотонапряжения, отнесенное к единице потока излучения (В/лм или В/Вт): SV = VФ/Ф.В общем случае зависимости IФ(Ф) и VФ(Ф) являются нелинейными, то естьчувствительность может зависеть от величины потока излучения.Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительностиопределяется наименьшей (наибольшей) длиной волны монохроматическогоизлучения, при которой монохроматическая чувствительность прибора равна0,1 от ее максимального значения.Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует областьзначений светового потока Ф (от Фmin до Фmax), в которой энергетическая (световая) характеристика является линейной: ∆ = 10 lg Фmax/Фmin.Инерционность фотоприемника характеризуют постоянные времени нарастания τн и спада τсп фотоотклика для импульса излучения.