Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [ 36 ] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

Частота электромагнитного излучения, удовлетворяющая условию

Avkp - ДГ, (6.36)

j-де h - постоянная Планка; Alt -ширина запрещенной энергетической зоны полупроводника, называется красной границей фотопроводимости. Из.аучеиие с частотой v •< vp не может вызвать фотопроводимости, так как энергия кванта такого излучения hv •< /S.W недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же /iv >> AW, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте л,ф соответствует граничная длина волны

Ягр =где с - скорость света (3 • 10 м/с). При длинах волн,

больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, например, для германия граничная длина волны составляет примерно 1,8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падающей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление больиюго количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается иа проводимости всего объема полупроводника, потому что скорость поверхностной рекомбинации больше объемной, а также потому, что проникающие вглубь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая в свою очередь зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

6.8. МЕХАНИЗМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

Как было показано в параграфе 6.5, возвращение электронов из зоны проводимости Б валентную зону полупроводника сопровождает-сяцзлучением фотонов электромагнитной энергии.

Возвращение электронов в валентную зону может произойти спонтанно (самопроизвольно) в течение 10~ с после возбуждения. В этом случае излучение называется спонтанным. Если же излучение фотонов электромагнитной энергии происходит под действием внешнего электромагнитного поля, то такое излучение называют индуцированным. При определенных условиях атомы вещества могут отдавать энергию собственного электромагнитного излучения внешнему полю, усиливая последнее. Это, в свою очередь, приводит к увеличению электромагнитного излучения вещества и т. д. В результате процесс электро-магнит1юго излучения будет нарастать лавинообразно, а возникающие при этом электромагнитные волны будут иметь одни и те же частоту



и направление распространения. Такие волны называгот монохроматическими, или когерентными, а излучатели таких волн называют лазерами (от английского Light Ampllficaiion by Stimulated EmisHon of Radiation - усиление света за счет индуцированного излучения).

Возможность создания квантовой системы, способной отданать свою внутреннюю энергию в виде когерентных электромагнитных волн, впервые была обоснована советским ученым В. Л. Фабрикантом в 1939 г. Экспериментально такая возможность была подтверждена только в 1950-1951 гг. В результате достижений со1;етских ученых Н. Г. Басова и А. М. Прохорова (1951 - 1954), а также американских ученых Ч. Таунса, Дж. Гордона, Н. Цайгера и других s 1954 г. были созданы первые квантовые генераторы диапазона СВЧ. В конце 1960 г. в СССР были впервые разработаны и изготовлены квантовые генераторьг оптического диапазона (ОКГ) иа рубине и на смеси газов гелия и неона.

Особое место среди квантовых генераторов оптического диапазона занимают полупроводниковые оптические квантовые генераторы, ос1Ювоположниками теории которых были советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул и 10. М. Попов. Начиная с 1957 г. в нашей стране и за рубежом созданы многочисленные образцы полупроводниковых ОКГ на таких материалах, как арсенид галлия, арсенид индия, сурьмянистый индий, селенистый и теллуристый свинец и др.

Преимущества полупроводниковых лазеров перед оптическими квантовыми генераторами на стекле, ионных кристаллах и газах заключаются в их малых размерах, более высоком к. п, д., в возмолности прямого преобразования электрической энергии в когерентное излучение и, следовательно, в простоте управления интенсивностью этого излучения.

Рассмотрим Принцип получения когерентного электромагнитного излучения в полупроводнике.

Как было показано в параграфе 6.2, в обычномсостоянии в полупроводнике имеет место равновесное распределение носителей по энергетическим уровням, подчиняющееся распределению Ферми - Дирака. В этих условиях количество электронов на нижних энергетических уровнях всегда превышает количество электронов, находящихся на верхних (возбужденных) уровнях энергий. Между этими уровнями происходит непрерьшньш обмен электронами, причем переход с нижнего иа верхний уровень сопровождается поглощением энергии, а переход с верхнего уровня на нижний - излучением энергии. Поскольку в обычном состоянии нижние уровни энергии «заселены» электронами более густо, в такой системе вероятность поглощения посту пающейизвне энергии больше, чем вероятность излучения энергии при обратном переходе электронов иа более низкий уровень. Поэтому квантовая система, находящаяся в равновесном состоянии, не может усиливать или генерировать электромагнитные колебания.

Для того чтобы заставить полупроводник усиливать электромагнитное излучение, необходимо нарушить равновесное распределение электронов по уровням и искусственно создать таксе распределение, когда число электронов на верхних уровнях больше, чем на нижних. Такое состояние полупроводника называют состоянием с инверсной Заселенностью. Процесс создания условий, при которых полупроводник приобретает состояние с инверсной заселенностью, получил название накачки. Существуют различные способы накачки полупроводниковых лазеров (оптическая накачка, накачка электронным пучком, ударная ионизация и др. [3, 51).




Наибольшая

плопность

злептронов

ИндиШФУШиа / фотон

/* ИндуиироВанное

Инверсная заселенность достигается обычно не во всем спектре энергетических состояний, а лишь в зонах, примыкающих к запрещенной зоне полупроводника. При этом наиболее плотно заселенными электронами оказываются уровни, лежащие вблизи «дна» зоны проводимости, а наибольшая плотность дырок получается вблизи верхнего края валентной зоны (рис. 6.12). В этих условиях падающий квант $лектромаг-нитного излучения (индуцирующий фотон) может индуцировать испускание такого же кванта, переводя электрон из зоны проводи-мости в валентную зону. Вероятность поглощения такого кванта мала, так как в рассмотренной ситуации нижнее состоян!:е уже свободно, а верхнее заполнено, т. е. вероятность индуцированных переходов вниз будет больше вероятности переходов вверх. Следовательно, создаются условия, когда электромагнитное изл) чение преобладает над поглощением. Это способствует нарастанию фотонной лавины и усилению когерентного электромагнитного излучения.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования, направленные на использование лазеров в вычислительной технике. Предполагается, что на основе лазеров удастся создать сверхбыстродействующие цифровые вычислительные машины. Запоминающая ячейка на лазере позволяет записать информацию в двоичной системе {нуль - единица). При этом принимают, что нуль соответствует не-возбулденному состоянию, а единица - возбужденному. Исключительно большие скорости переключения лазера из одного состояния в другое позволяют ожидать от такой вычислительной ячейки 10 переключений в секунду, что важно для создания разнообразных логических элементов.

Рис. 6,12. излучения.

зона

Возникновение

излучение

Наименьшая плотность эяе/(ГГ}ротВ (свободная зона)

Иаидольихая плотность дырок

индуцированного

6.9. ЭФФЕКТ ХОЛЛА

Деления, возникающие в полупроводнике с током при помещении его в магнитное поле, называются га.1ьваномагнитными.

К числу наиболее распространенных гальваномагнитных явлений относится эффект Холла, под которым понимают явление, открытое еще в 1879 г. американским физиком Эдвином Гербертом Холлом.

Пусть вдоль пластинки из полупроводника, имеющей толщину

d, длину а и ширину b (причем >1), протекает ток /j (управляющий ток), а перпендикулярно к ее поверхности направлено магнитное поле



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [ 36 ] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.0009