книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы

ОГЛАВЛЕНИЕ

5.7.1.Согласованная фильтрация импульсного сигнала при белом шуме (360).

5.7.2.Согласованный фильтр для прямоугольного видеоимпульса (365).

5.7.3.Согласованная фильтрация сигнала при небелом шуме (367).

К 60-летию Государственного научного центра Российской Федерации «НПО «Орион»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уважаемый читатель! У вас перед глазами учебник — «Твердотельная фото­ электроника», вернее, первая из двух книг учебника, которая посвящена фи­ зическим основам фотоэлектроники. Вторая книга, содержащая описание из­ делий твердотельной фотоэлектроники — фотоприемников, микросхемных фо­ топриемных устройств на их основе и формирователей сигналов изображения с фоточувствительными матрицами, готовится к печати.

Авторы старались составить эти книги так, чтобы, получив диплом, молодой специалист не оставил их в институте, а обращался к ним при последующей работе.

Фотоэлектроника возникла на стыке оптики и электроники и представляет собой стремительно развивающееся направление современных физики и тех­ ники. Последние три десятилетия фотоэлектроника интенсивно проникает во многие сферы деятельности людей, непрерывно возникают новые идеи и тен­ денции ее развития. Научными сообществами и правительствами передовых в техническом отношении стран фотоэлектроника включена в перечни критиче­ ских технологий.

Цель авторов состояла в последовательном и по возможности замкнутом описании физических явлений, используемых в твердотельной фотоэлектрони­ ке, а также принципов действия и характеристик фоточувствительных при­ боров. При этом упор делается на формирование у читателя фундаменталь­ ных физических знаний, необходимых для успешной самостоятельной работы в области твердотельной фотоэлектроники и, конечно, для понимания новых достижений в этой области.

В основу книги положены лекции, которые в течение ряда лет читались студентам старших курсов Московского физико-технического института (го­ сударственного университета) и Московского государственного института ра­ диотехники, электроники и автоматики (технического университета), а также слушателям курсов по повышению квалификации при Московском государ­ ственном техническом университете им. Н. Э. Баумана. Однако при подготовке к печати в рукописи внесены значительные дополнения.

Первая книга открывается главой «Введение в твердотельную фотоэлектро­ нику». Надеемся, что это действительно введение во храм — в храм фотоэлек­ троники. Читатель узнает что следует понимать под словами «твердотельная фотоэлектроника», от истории фотоэлектроники перейдет к современности и познакомится с основными типами фоточувствительных приборов и с тем по­ четным местом, которое фотоэлектроника занимает в современном мире.

Основная задача фоточувствительных приборов — обнаружить и преобра­ зовать оптическое излучение. Это и определило содержание второй главы. В ней рассмотрены волновые и корпускулярные свойства оптического излучения, его естественные и технические источники, прохождение излучения через ат­ мосферу, оптические элементы и системы.

Основным материалом при создании твердотельных фоточувствительных приборов были и остаются полупроводники. Сведения из физики полупровод­ ников стали содержанием третьей главы. Здесь описаны энергетические струк­ туры, статистика электронов и дырок в полупроводниках, оптические и элек­ трофизические свойства полупроводниковых кристаллов. Рассматриваются осо­ бенности полупроводниковых твердотельных растворов и квантоворазмерных структур.

Наконец, четвертая и пятая главы представляют собой введение в тео­ рию сигналов и шумов, а также их обработки в оптико-электронных систе­ мах. Необходимость изучения этих материалов диктуется широким внедрением в твердотельную фотоэлектронику микросхемных фотоприемных устройств и матричных формирователей сигналов изображения, осуществляющих предва­ рительную обработку принимаемых фотосигналов.

Так, в четвертой главе описано спектральное разложение электрических и оптических сигналов и преобразование их линейными системами с неизменны­ ми во времени или пространстве параметрами.

Пятая глава посвящена шумам в фотоприемниках и электронных системах и оптимальной фильтрации сигналов из их смеси с шумами. Устанавливается предельная пороговая чувствительность фотоприемных устройств, обусловлен­ ная шумами самого сигнала и фонового излучения.

Приведенные во 2-5 главах сведения из квантовой физики, оптики, фи­ зики твердого тела, статистических физики и радиотехники, конечно, ни в коей мере не исчерпывают содержание этих интереснейших научных дисци­ плин, а представляют собой выборки, необходимые для понимания принципов действия фотоэлектронных приборов. Опыт преподавания показал целесооб­ разность краткого изложения слушателям соответствующих разделов.

Конечно, сжатое представление столь обширного материала невозможно без использования наработанных десятилетиями традиций его преподавания. Авто­ рами изучены и по возможности обобщены материалы, содержащиеся во мно­ гих учебниках, монографиях и публикациях в периодической печати. В ссыл­ ках после заглавий в некоторых разделах указаны источники, использованные в качестве основы для изложения данного раздела. В этих книгах читатель найдет дополнительные сведения по заинтересовавшему его предмету. Общий список рекомендуемой для дополнительных занятий литературы приведен в конце книги.

В тексте книги часто встречаются математические выкладки. При этом большая часть приведенных формул сопровождается их выводом. Однако для понимания этих выкладок достаточно знания высшей математики в объеме,

8 ПРЕДИСЛОВИЕ

преподаваемом на первых курсах высших учебных заведений. Многолетняя практика разработки изделий фотоэлектроники, их освоения в производстве и внедрения в оптико-электронную аппаратуру свидетельствует об обязательно­ сти выполнения расчетного физического проектирования этих изделий. Так что без умения проверить «гармонию алгеброй» специалисту по фотоэлектронике просто не обойтись.

Научная и техническая деятельность авторов в течение многих лет связана с Государственным научным центром Российской Федерации «НПО «Орион» — головным предприятием в России (а ранее — в СССР) в области фотоэлектро­ ники и инфракрасной техники. Авторы стремились использовать для учебника огромный опыт, накопленный учеными и конструкторами центра, а также ря­ да организаций Академии наук, оптической и электронной промышленности при создании перспективных изделий твердотельной фотоэлектроники. Авто­ ры благодарны многим специалистам, которые нашли время и предоставили необходимые сведения для книги.

Авторы благодарны кандидату технических наук Л. А. Гончарову, выполнив­ шему огромный объем работы по подготовке рукописи к печати, и коллективу издательства «Физматкнига» во главе с А. К. Розановым за творческий вклад в оформление книги и бережное отношение к рукописям.

Учебник может быть использован студентами высших учебных заведений, обучающимися по направлениям «Техническая физика», «Информатика и вы­ числительная техника», «Приборостроение», «Оптотехника», «Электроника и микроэлектроника». Надеемся, что учебник будет также полезен для аспи­ рантов физических и физико-технических специальностей, а также инжене­ ров и научных работников, специализирующихся в области фотоэлектроники и оптико-электронных систем.

Авторы будут благодарны за конструктивную критику и предложения по совершенствованию учебника, которые просим направлять по адресу 111123, г. Москва, шоссе Энтузиастов, дом 46/2, Государственный научный центр Рос­ сийской Федерации ФГУП «НПО «Орион».

А. М. Филачев И. И. Таубкин М. А. Тришенков

ГЛАВА 1

ВВЕДЕНИЕ В ТВЕРДОТЕЛЬНУЮ ФОТОЭЛЕКТРОНИКУ

1.1. Что такое твердотельная фотоэлектроника?

Квантовая электроника, фотоэлектроника, оптоэлектроника, фотоника, инте­ гральная оптика. Эти термины стали широко использоваться в научно-техни­ ческой литературе в последние десятилетия двадцатого века. Успехи физики и электроники в исследовании процессов взаимодействия оптического излучения с веществом, в создании и совершенствовании одно- и многокомпонентных по­ лупроводников, полупроводниковых структур, в том числе гетеропереходов и квантоворазмерных структур, стремительное развитие высоких полупроводни­ ковых интегральных технологий предопределили возможность создания новых совершенных генераторов, усилителей, преобразователей и приемников оптиче­ ского излучения. На их основе было создано принципиально новое поколение оптико-электронных систем. Эти исследования и разработки сыграли столь зна­ чительную роль в развитии техники, что они выделились в самостоятельные дисциплины. Перечисленные выше термины и есть названия этих дисциплин. Нет стандартизованных либо общепринятых определений для всех названных терминов, устанавливающих строгие границы между ними. Напротив, обла­ сти «притязания» всех этих дисциплин пересекаются. Квантовая электроника охватывает все генераторы, усилители и приемники оптического излучения — как твердотельные, так и газовые и жидкостные (лазеры) и даже вакуум­ ные (приемники с внешним фотоэффектом), а также системы на их основе. В оптоэлектронике рассматриваются системы, использующие пары «излучательприемник» оптического излучения, включая волоконно-оптические линии пе­ редачи информации, и в качестве возможного компонента таких систем в этой дисциплине рассматриваются оптические волокна, проводится анализ распро­ странения излучения по такому волокну. Спецификой интегральной оптики является выполнение операций по обработке информации в оптической форме в кристалле, в который также интегрированы излучатель (электрический вход системы) и фотоприемник (электрический выход системы).

Наша книга посвящена твердотельной фотоэлектронике. Приведем для этой дисциплины следующее определение.