Квантовая и оптическая электроника

251

Рис. 10.12 — Классический акустооптический спектроанализатор

Выражение для распределения амплитуд поля в плоскости наблюдения Р3 можно записать в виде

выходе системы пропорционален модулю Фурье-спектра S(wx, wy) функции пропускания T(x1, y1), если линзой выполняется условие

преобразования Фурье.

D1 + D2 – ( D22/(D2 – F–1 1 D3)).

В этом случае получаем

фокальной плоскости линзы. Если АОМ освещается неплоским

252

пучком, то это приводит к сдвигу плоскости, в которой формируется спектр Фурье.

При освещении модулятора плоской световой волной вели- D2 оказывает влияние только на фазовый множитель. При D2 1 фазовый множитель равен 1, т.е. при размещении входного

и выходного преобразователей соответственно в передней и задней фокальной плоскостях линзы спектроанализатор осуществляет точное преобразование Фурье его входного сигнала. Однако поскольку используемые в качестве выходных преобразователей фотоприемники регистрируют интенсивность света, то фазовый множитель в этом случае не учитывается и величина D2 может быть выбрана из конструктивных соображений как можно большей, т.е. преобразующая линза должна быть установлена непосредственно за АОМ. Последнее обстоятельство позволяет также уменьшить влияние конечной апертуры преобразующей линзы на потери при обработке информации.

Влияние конечной апертуры линзы может быть сведено к минимуму в схеме, показанной на рис. 10.13. В этом случае модулятор света располагается за преобразующей линзой в плоскости Р2 на расстоянии d2 от нее. При этом поле в плоскости наблюдения Р3

где S(x2, y2) — распределение амплитуд света в плоскости P(x2, y2).

253

Из (10.109) следует, что для формирования спектра Фурье входного сигнала необходимо выполнения следующего соотношения:

Как в предыдущей схеме, при освещении системы плоской световой волной (D1 = 0) спектр Фурье будет формироваться в задней фокальной плоскости интегрирующей линзы. При этом пространственные частоты

ωx = 2πx3 / (λсвd3), ωy = 2πy3 / (λсвd3).

Рассматриваемая схема позволяет осуществлять преобразование Фурье с переменным масштабом, зависящим от отношения d2 / F1. При больших d2 / F1 апертура преобразующей линзы должна значительно превосходить апертуру АОМ, поэтому на практике расстояние d2 должно быть близким к нулю, и основным преимуществом схемы является минимальное влияние конечных размеров апертуры линзы.

Автоколлимационный спектроанализатор. Приве-

денные на рис. 10.12 и рис. 10.13) схемы работают с плоской когерентной волной света, поэтому требуется специальный формирователь пучка. Как правило, для этого служит микрообъектив с фильтрующей диафрагмой и высококачественный объектив, формирующий плоский пучок света. При классической компановке

254

схемы акустооптического спектроанализатора необходимо иметь две высококачественные линзы: коллимирующую и выполняющую преобразование Фурье. При этом минимальные размеры спектроанализатора определяются прежде всего величиной Fk + F1, где Fk, F1 — фокусные расстояния коллимирующей и интегрирующей линз. Однако схема акустооптического спектроанализатора может быть собрана лишь с одним высококачественным объективом. Основной особенностью автоколлимационных схем является наличие зеркала за АОМ, обеспечивающего как бы свертывание системы классической компановки и позволяющего использовать коллимирующий объектив и как интегрирующий. На рисунке 10.14 приведена автоколлимационная схема с осевыми оптическими пучками.

Лазерный пучок от источника 1 проходит через микрообъектив 2 и фильтруется точечной диафрагмой 3. Сферический расходящийся пучок когерентного света коллимируется линзой 7 с фокусным расстоянием F1 и освещает АОМ 8, установленный в непосредственной близости от линзы на расстоянии d2 от плоскости P22. В этой же плоскости установлено плоское зеркало 9, отражающее световую волну, дифрагирующую на модуляторе. Отраженная волна дифрагирует вновь на АОМ и проходит через преобразующую линзу 7. Полупрозрачное плоское зеркало 4 позволяет наблюдать выходное распределение интенсивности света в плоскости 6. Диафрагма 5 отфильтровывает ненужные порядки дифракции. Плоскость наблюдения должна находиться на фокусном расстоянии от преобразующей линзы. Наличие полупрозрачного зеркала 4 приводит к тому, что расстояние между точечной диафрагмой 3 и линзой отличается от фокусного расстояния F1, и это необходимо учитывать при настройке системы. Недостатком схемы является потеря части энергии выходного пучка на плоском полупрозрачном зеркале. В автоколлимационных акустооптических спектроанализаторах роль отражающего зеркала может играть задняя стенка звукопровода АОМ, которая металлизируется.

255

11.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В этой главе рассматриваются физические основы работы полупроводниковых приемников света, а также типы соответствующих устройств, применяемых в оптоэлектронике.

При прохождении света через вещество его интенсивность уменьшается. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или теплового движения атомов. При поглощении электроном фотона должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. В наиболее простом случае кине-

тическая энергия электрона связана с импульсом соотношением E

= P2/2m.

Количественно поглощение света описывается следующим образом. Пусть на поверхность вещества падает поток излучения Ф0, на глубине х под поверхностью вещества будет уже поток Ф(х). В слое толщиной dx поглощается энергия dФ(х), которая

При x = x* = 1/α имеем

Ф(x) = Ф0 /E,

где x* — называется длиной поглощения света. Это расстояние, на

котором поток уменьшается в е раз (E = 2,72).

Пример: если при собственном поглощении α =105 см –1 , то x* = 0,1 мкм. В случае примесного поглощения света α гораздо меньше, так как концентрация примесных электронов или акцепторных уровней сравнительно мала (обычно порядка 1016–10 18 см–3 ). При концентрации примеси около 1017 см–3 коэффициент примесного поглощения α = 10 см –1 .

В кристаллах с большой долей ионной связи возможно возбуждение колебаний решетки световыми волнами. Поглощение такого типа становится особенно сильным в области резонанса (~1013 Гц). Поглощение света свободными носителями заряда пропорционально их концентрации.

256

Рис. 11.1 — Схематический спектр поглощения света твердым телом (а) и спектры собственного поглощения нескольких веществ (б)

Различные типы поглощения проявляются при различных энергиях квантов hν . Обобщенная зависимость α от hν выглядит примерно так, как показано на рис. 11.1, а. Собственное поглощение начинается на частоте ν0 , соответствующей hν = E . Примесное поглощение создает полосы 2 и 4, (нумерация полос та же, что и для переходов, изображенных на рис. 2.6). В широкой полосе частот присутствует слабое поглощение света свободными электронами или дырками (6), в инфракрасной области проявляется пик (7), связанный с поглощением излучения ионами решетки

( hν ≈ 0,1 эВ).

У края собственного поглощения располагаются узкие линии экситонного поглощения (5). Экситон представляет собой слабо связанные электрон и дырку, образующие систему, которая имеет серию энергетических уровней. Экситон является нейтральным образованием, и его появление не приводит к изменению электрических характеристик образца. Если температура достаточно высока, чтобы под действием тепловой энергии электрон перешел в зону проводимости, то при экситонном поглощении получится тот же результат, что и при собственном поглощении света.

В фотоприемниках обычно используют собственное поглощение. Примесное поглощение используют для расширения спектральной характеристики в длинноволновую область. Примеры

257

зависимости х* от энергии фотонов hν в области собственного поглощения кристаллов приведены на рис. 11.1, б.

11.1 Явление фотоэффекта

Под фотоэффектом будем понимать изменение электрических и физических характеристик материалов под действием светового потока. В данном пособии будут рассмотрены в основном явления внутреннего фотоэффекта и приборы, основанные на этом явлении.

Введем понятие фотопроводимости и фототока. Фотопроводимость — это изменение сопротивления однородного полупроводника под действием света. Разность потенциалов или направленное движение носителей заряда, возникающее в полупроводнике при условии разделения пар носителей, носит название фотоЭДС (фототока). Разделение носителей может происходить за счет разного коэффициента диффузии (Dдиф) — диффузионная фотоЭДС, за счет электрического поля — фотогальванический эффект, за счет магнитного поля — фотомагнитный эффект, за счет комбинации этих способов разделения зарядов.

Приборы, в которых происходит преобразование светового

потока в фототок или фото-ЭДС, называют фотоэлементами.

Условия существования фотоэффекта. Если оптически ге-

нерированные неравновесные носители (электроны и дырки) претерпевают разделение в объеме освещенного полупроводника, происходит не только изменение его фотопроводимости, но и образование разности потенциалов между участками освещенного образца и возникновение фототока.

Рассмотрим некоторые принципы разделения зарядов и условие возникновения фототока или фото-ЭДС:

1.Фотогальванический эффект. Неравномерно освещенный полупроводник, помещенный в магнитное поле, дает сравнительно большую величину фото-ЭДС. И это явление называется фотомагнитоэлектрическим эффектом (ФМЭ).

2.Эффект Дембера (диффузионный фотоэффект).

258

При неравномерном освещении однородного полупроводника, характеризующегося неодинаковыми коэффициентами диффузии электронов и дырок Dn ¹ Dр образуется градиент концентрации

n и p вдоль оси, совпадающей с направлением освещения, который создает диффузионные потоки.

3.Градиентный фотоэффект. Образование фото-ЭДС при

освещении полупроводника с неравномерно распределенной примесью в объеме, имеющего градиент проводимости dσ / dx , — называется объемно-градиентным фотоэффектом.

4.Фотопьезоэлектрический эффект. При освещении одно-

сторонне сжатого полупроводника возникает фото-ЭДС за счет фотопьезоэлектрического эффекта. Фото-ЭДС возникает на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, величина ее пропорциональна интенсивности света и давлению вызывающего деформацию кристалла.

5.Фото-термо-ЭДС возникает при освещении неравномерно нагретого полупроводника. В этом случае изменяется величина термо-ЭДС, определяемая разностью температур между холодными и нагретыми участками образца.

Рассмотрим подробно каждый из типов, создающий фото-

ЭДС.

Эффект Дембера. Если свет сильно поглощается полупроводниковым элементом, то образуется градиент концентрации неравновесных носителей заряда вдоль оси, совпадающей с направлением освещения. При этом создаются диффузионные потоки электронов и дырок от освещенной поверхности к неосвещенной

Если бы коэффициенты диффузии электронов и дырок были одинаковыми, то диффузионный ток дырок был бы уравновешен диффузионным током электронов, тогда положительные и отрицательные заряды распределялись бы по объему полупроводника равномерно.

Неодинаковость диффузионных токов электронов и дырок приводит к образованию пространственного заряда и созданию статического электрического поля с напряженностью Е, тормозящего более быстрые и ускоряющего более медленные носители.

+

U

у

Рис. 11.3

а — схема эффекта Холла; б — схема ФМЭ ЭДС

ффект Холла (рис. 11.3, а) заключается в образовании поперечной разности потенциалов вследствие отклонения в магнитном поле равновесных носителей заряда, движущихся в продольном направлении под действием внешнего электрического поля.

ФМЭ-эффект (рис. 11.3, б) есть результат отклонения в противоположных направлениях одинакового количества генерированных светом электронов и дырок, движущихся перпендикулярно магнитному полю за счет градиента концентрации. Величина ФМ ЭДС может достигать больших значений, до нескольких десятков вольт.

ФМЭ-эффект используется на практике для создания фотомагнитных приемников (ФП) излучения на основе узкозонных полупроводников.

Фотогальванический эффект (ФГЭ). Приборы на основе ФГЭ наиболее широко применяются, и поэтому рассмотрим его более подробно.