Geum.ru

Рецензенти: доц. Московського станкоинструментального інституту, канд техн наук Г. И. Гранітів; викладач Московського технікуму електронних приладів А. В. Закревская Гаркуша Ж. М

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   17
§ 8.3. СПЕКТР ПОГЛИНАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ. КВАНТОВИЙ ВИХІД

Якщо при поглинанні напівпровідником кванта оптичного випромінювання електрон переходить з валентної зони в зону провідності, то поглинання називають власним. Якщо під дією оптичного випромінювання електрон переходить із примесных рівнів у зону чи провідності з валентної зони на примесный рівень, то поглинання називають примесным. Через процеси поглинання інтенсивність падаючого на поверхню кристала випромінювання буде зменшуватися. Кількість поглиненої енергії dl буде пропорційно інтенсивності падаючого випромінювання / і товщині шаруючи поглинання dx: dl = -aldx. Це вираження зручніше записати в такій формі: dl/dx = - аl, де а - коефіцієнт пропорційності, що показує швидкість зміни інтенсивності світлового потоку при проходженні його через напівпровідника і називаний коефіцієнтом поглинання світла. При dx=l, а= -dl/l, тобто коефіцієнт поглинання чисельно дорівнює відносній зміні інтенсивності випромінювання на одиниці довжини. Інтегруючи раніше записане вираження, одержуємо



де lо - початкова інтенсивність випромінювання.

Чим більше коефіцієнт поглинання, тим сильніше напівпровідник поглинає світло. Коефіцієнт поглинання залежить від частоти випромінювання. Залежність цього коефіцієнта від чи енергії довжини хвилі падаючого світла називають спектром поглинання.

Спектр поглинання напівпровідників складається з області власного поглинання й області примесного поглинання (мал. 8,4). Власна смуга поглинання простирається від дуже малих довжин волі і має чітко виражену границю. Ця границя відповідає мінімальної енергії фотона, що може перевести електрон з валентної зони в зону провідності, і називається червоною границею фотоефекта. Довжина хвилі, що відповідає червоній границі, .?1> = hc/Еп. Перехід електронів може відбуватися з будь-яких рівнів валентної зони на будь-які рівні зони провідності. крім того, переходити можуть електрони і з більш глибоких заповнених зон. Тому область власного поглинання має досить широкий діапазон частот. Фотопровідність, однак, спостерігається тільки поблизу червоної границі. Спочатку з ростом частоти випромінювання фотопровідність зростає за рахунок збільшення коефіцієнта в цій області він може досягати, значень порядку 104-107 див-1, але зі збільшенням коефіцієнта поглинання асі більша кількість фотонів поглинається в тонкому приповерхньому шарі напівпровідника. Концентрація фотоносіїв у цьому шарі різко збільшиться, що приведе до росту швидкості поверхневої рекомбінації і зменшенню часу життя носіїв заряду. Поступово практично усі фотоносії рекомбинируют і фотопровідність зникає.


167


В області примесного поглинання при ?>?гр. може спостерігатися кілька смуг поглинання. Основна смуга викликана примесным порушенням носіїв заряду. Гранична довжина хвилі, що відповідає примесному поглинанню: ?гр= hc!Elпv. Додаткові області відповідають переходам носіїв заряду з рівнів і на рівні, утворені різними домішками і дефектами ґрати. Фотопровідність спостерігається на всіх смугах частот примесного поглинання.

Процес поглинання фотонів у напівпровідниках характеризується квантовим виходом. Квантовий вихід дорівнює відношенню числа збуджених електронів до числа поглинених фотонів: k = nф / N . Якби кожен фотон збуджував по одному електроні, квантовий вихід дорівнював би одиниці, але звичайно він менше одиниці. Обть

ясняется це в такий спосіб. І

Розглянуті механізми соб ственного і примесного поглинання в напівпровідниках приводять до збільшення концентрації носіїв заряду. Таке поглинання називають фотоактивним. У напівпровідниках, однак, може протікати ряд процесів поглинання, що не супроводжуються збільшенням концентрації фотоносіїв. До таких процесів відносяться:

1. Поглинання фотонів вільними носіями заряду, зв'язане

з переходами електронів і дірок у більш високі енергетичні стани усередині зони. Це поглинання тим більше, ніж сильніше легований напівпровідник.

2. Фононне поглинання, при якому світлова енергія поглинається тепловими коливаннями атомів, перетворюючи у фонони.

3. Эксиюнное поглинання. У цьому процесі електрон, що бере участь у ковалентному зв'язку, поглинувши енергію фотона, не відривається

цілком від свого атома, а переходить на один зі збуджених

рівнів, у такий спосіб дірка й електрон виявляються зв'язаними. Такий стан називають экситоном. Воно хитливо - електрон повертається у вихідний стан, випромінюючи енергію. Ця

енергія може бути передана будь-якому іншому атому, що, у

свою чергу, перейде в экситонное стан. У результаті такої

передачі енергії экситонное стан, чи просто экситон, хаотично переміщається по кристалі. Оскільки экситон у цілому электрически нейтралей, те в електропровідності він участі не приймає. При переміщенні по кристалі экситон може зштовхнутися з чи фотоном фононом. Одержавши від них порцію енергії, экситон розпадається, утворити електрон і дірку, що приймають участь в електропровідності. Однак якщо при такім зіткненні экситон утратить частина своєї енергії, то електрон повертається назад у валентну зону і экситон перестає існувати.

168

При опроміненні напівпровідника ультрафіолетовим чи світлом випромінюванням з меншою довжиною хвилі квантовий вихід може перевищувати одиницю. У цьому випадку фотон передає носію заряду енергію, значно більшу, ніж енергія порушення. Вільний носій може передати частина своєї енергії електрону, що знаходиться в ковалентному зв'язку, що розірве цей зв'язок і стане вільним. У деяких випадках вільний електрон може передати свою надлишкову енергію декільком зв'язаним електронам.

§ 8.4. РЕКОМБІНАЦІЯ НОСІЇВ ЗАРЯДУ

Висвітлення напівпровідника приводить до утворення нерівновагих носіїв заряду, після припинення висвітлення відбувається нейтралізація пар електрон провідності - дірка провідності і всі нерівновагі носії рекомбинируют. Рекомбінація носіїв здійснюється різними шляхами: переходом електронів із зони провідності у валентну зон-це межзонная рекомбінація; через пастки рекомбінації, локальні енергетичні рівні яких розташовані в забороненій зоні; через пастки рекомбінації па поверхні напівпровідник-поверхнева рекомбінація.Процес рекомбінації супроводжується виділенням енергії. Якщо енергія, що виділяється, випромінюється у виді фотонів, то рекомбінацію називають фотонної. Якщо енергія переходить в енергію ґрат і виділяється у виді фононів, то рекомбінацію називають фононної. Виділилася при рекомбинаци енергія може бути передана вільному електрону: таку рекомбінацію називають ударної чи рекомбінацією Оже.Рекомбінація як межзонная, так і через рекомбінаційні пастки може бути фотонної, фононної й ударний.

При межзонной фотонної рекомбінації випускається квант світла, енергія якого дорівнює ширині забороненої зони. Час життя носіїв заряду, обумовлений переходами зона-зона, наприклад для германія, повинне складати біля однієї секунди; експериментально обмірюваний час життя складає -10-2 з,Це порозумівається тим, що швидкість межзонной рекомбінації значно менше швидкості рекомбінації через пастки, тому час життя носіїв заряду визначається більш швидким процесом,

Фотонна рекомбінація має місце в напівпровідниках досить чистих, де відсутні пастки.

Принцип фотонної рекомбінації лежить в основі явища люмінесценції. На цьому ж принципі працюють напівпровідникові светодиоды і инжекционные лазери.

Межзонная фоонная рекомбінація - процес теж малоймовірний. Порозумівається це тим, що при кімнатній температурі энер-гия

фротонов не перевищує декількох сотих часток електрон-вольтів, що але багато разів менше ширини забороненої зони. Це означає

169


, що при одному акті рекомбінації повинне виділитися велике число фононів.Найбільш ймовірної є рекомбінація через локальні рівні - пастки рекомбінації. У кристалічних ґратах напівпровідника містяться різні дефекти і домішки, що створюють локальні енергетичні рівні в забороненій зоні (мал. 8.5). Рівні, розташовані близько до зони провідності, захоплюючи електрони з зони провідності, повертають їх через якийсь час назад. Час перебування електрона на енергетичному рівні визначається глибиною його залягання. Процес звільнення електрона більш ймовірний, чим перехід захва-"ениого електрона у валентну зону, ОСКІЛЬКИ перехід електрона



у зону провідності відповідає меншій зміні його енергії. Точно так само рівні, розташовані у валентної зони, через якийсь час віддають електрон назад. Дефекти ґрат, здатні захоплювати рухливі носії заряду з наступним їхнім звільненням, називають пастками захоплення. Пастки захоплення, що нейтралізують захоплені носії заряду, називають пастками рекомбінації.

Розподіл енергетичних рівнів на рівні пасток рекомбінації і пасток захоплення досить умовне, тому що в залежності від ряду факторів- температури, характеру навколишнього середовища, концентрації носіїв заряду і т.п. -властивості рівнів можуть мінятися.

Процес рекомбінації можна представити в такий спосіб. Пастка рекомбінації захоплює електрон із зони провідності, а потім електрон з рівня рекомбінації переходить у валентну зону, що еквівалентно переходу дірки на пастку рекомбінації. Процес захоплення носіїв характеризується трьома параметрами: концентрацією пасток захоплення, їхнім енергетичним положенням у забороненій зоні й ефективному перетині захоплення носіїв заряду.

Процес рекомбінації визначається чотирма параметрами: концентрацією рекомбінаційних пасток, їхнім енергетичним положенням у забороненій зоні і двома ефективними перетинами захоплення для електронів і дірок.




де S1, S, - ефективні перетини захоплення для електронів і ды-

Ефективний перетин захоплення - це величина, що має розмірність площі і зворотна добутку концентрації носіїв убрання даного типу в напівпровіднику на середній шлях, прохідний носіями від звільнення до захоплення:

170

доля відповідно; lсря і lср -середні шляхи, прохідні електронами і дірками; vпp і vpn -швидкості руху електронів щодо дірок і дірок щодо електронів відповідно.

Ефективний перетин захоплення характеризує здатність пастки захоплювати носій заряду; воно залежить від природи пастки рекомбінації, умов екранування носія іншими вільними носіями заряду.

З вираження (8.1) можна визначити час життя носіїв





(8-2)

Добуток ефективного перетину захоплення на середню теплову швидкість носія - це імовірність захоплення носія в одиниця часу порожньою пасткою в. Тоді





(8.3)

У примесных напівпровідниках концентрація нерівновагих основних носіїв заряду, як правило, менше концентрації рівноважних основних носіїв, а концентрація нерівновагих неосновних носіїв порівнянна з концентрацією рівноважних неосновних носіїв. Рекомбінація для основних носіїв заряду буде тому протікати з більшою швидкістю, чим для не-основних. Можна, отже, сказати, що в примесных підлог-провідниках швидкість рекомбінації буде визначатися часом життя неосновних носіїв заряду.

У власних напівпровідниках швидкість рекомбінації залежить концентрації пасток рекомбінації.

Пастки рекомбінації мають різну природу. Деякі галли (Аи, Си, Nі, Fe) можуть знаходитися в різних зарядових сорстояниях. У забороненій зоні вони утворять целую систему енергетических рівнів, деякі з який є пастками рекомбинацин. Рекомбінація па цих рівнях може протікати ммиременно і незалежно. Многозарядовые пастки рекомбина-і можуть чи захоплювати віддавати кілька електронів после-довательно, причому другий електрон може бути захоплений центром тільки після захоплення першого.

Існують пастки рекомбінації більш складної будівлі.

Такі пастки мають три рівен-один основний і два збуджених. На один збуджений рівень може бути захоплений електрон, на інш-дірка. Основний рівень є однозарядовим.Це означає, що електрон може бути захоплений на збуджений рівень тільки тоді, коли основний рівень вільний, а

дірка на свій збуджений рівень може бути захоплена тільки

тоді, коли на основному рівні вже є електрон.


171

§ 8.5. ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ

У напівпровідниках, що піддаються дії світла, виникає поряд з іншими явищами випущення електромагнітного випромінювання, називане люмінесценцією. Воно являє собою надлишкове нерівноваге випромінювання, що володіє кінцевою тривалістю, що значно перевищує період світлових коливань. При цьому акти поглинання і випромінювання світла розділені між собою проміжними процесами, що забезпечують післясвітіння. Люмінесценцію, що відбувається тільки протягом процесу порушення, називають флуоресценцією, а триваючу какоето час після зняття порушення - фосфоресценцією.

Речовини, здатні люминесцировать, називають люмінофорами, кристаллофосфорами, чи просто фосфорами; фосфори згодом высвечивания менш 10-8 з відносять до флуоресціюючих, всі інші - до фосфоресцирующим.Люмінесценція, як показують експерименти, зв'язана з дефектами кристалічної структури, що дозволяє пояснити механізм цього явища за допомогою зонної теорії. Процес люмінесценції розглядають у виді трьох стадій: поглинання енергії фотона, що бомбардує, перенос і нагромадження енергії, перетворення накопиченої енергії у видиме світло.

Поглинання світла кристалом приводить до порушення електронів (переходу їх у зону провідності) як з валентної зони, так і з локальних рівнів активатора - домішки, що вводиться при виготовленні люмінофора. Дірки, що утворилися у валентній зоні, заповнюються електронами також з рівнів активатора.Таким чином, перехід електронів з рівнів активатора у валентну чи зону в зону провідності приводить до утворення вакантних збуджених рівнів активатора. На збуджені рівні переходить частина електронів із зони провідності, випускаючи при цьому фотони - відбувається фотонна рекомбінація. Виникає короткочасне випромінювання, що відбувається при будь-якій температурі.

Інші електрони, збуджені в зону провідності,"прилипають" па пастках захоплення. Безпосередній перехід з пасток захоплення на рівні активатора виключається, для цього електронам потрібно попередньо "звільнитися", тобто перейти в зону провідності. Енергія на це може бути отримана від теплових коливань ґрат. Звільнені електрони можуть перейти на рівень активатора або відразу, або після ряду переходів па рівні пасток.Рівні активатора називають центрами люмінесценції. Фотони, що випускаються при переході вільних електронів на вакантні рівні активатора, мають енергію, рівної різниці енергій електрона в зоні провідності і на центрі люмінесценції. Час післясвітіння визначається температурою люмінофора і може бути значним. Дійсно, при невеликій енергії теплових коливань кристалічних ґрат електрони, що потрапили в

172

пастки, можуть знаходитися на їхніх рівнях як завгодно довго, а при підвищенні температури кристала збільшується число переходів у зону провідності, що приводить до росту числа переходів на центри люмінесценції.

І Колір випромінювання, що випускається центром люмінесценції, залежить від роду активатора. Роль активатора можуть виконувати не тільки атоми домішки, але і надлишкові атоми самого люмінофора. В усіх випадках люмінесценції довжина хвилі випромінюваного світла боль-ші довжини хвилі що поглинається, тобто випромінювана енергія поглина менше (закон Стокса). Різниця між цими двома зна-чениями енергії називають "зрушенням Франка - Кондона". Практичне застосування люмінесценції дуже разнообраз-но . допомогою кристаллофосфора можна перетворити невидиме випромінювання у видиме світло: у лампах "денного світла" ультрафионное випромінювання електричного розряду в парах ртуті перетворюється у видиме світло, колір якого можна підбирати вибором фосфорів, що покривають внутрішні стінки лампи (электролюми-несценция). Рентгенівське випромінювання перетвориться у видимий проспіваний на екранах рентгеноустановок (рентгенолюминесцеицня). В рахунокчиках елементарних часток і спеціальних приладів радіоактивне випромінювання робиться "видимим" теж за допомогою кристалло-фосфоров (радиолюминесценция). У электроннолучевых трубках і в електронних мікроскопах бомбардують фосфори потоком швидких електронів, одержуючи видиме зображення (катодолюми-

,несценция). Порушення може відбуватися в речовині в резуль-тате механічного впливу (триболюмінесценція), а також при протіканні хімічних і біологічних процесів (хемолюми- несценция і біолюмінесценція).

$ 8.6. ФОТО-Э.Д.С. У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Крім зміни електропровідності в напівпровідниках під дією світла можуть виникати електрорушійні сили. Таке явище називають фотовольтаическим ефектом. Щоб при висвітлення напівпровідників у них виникала э.д.з, необхідне виконання одного з двох умов: або висвітлення повинне бути неоднорідним тобто різну кількість фотонів повинне поглинатися питыми елементами обсягу напівпровідника, створюючи різну кількість фотоносіїв, або освітлюваний напівпровідник повинний бити неоднорідним, а саме неоднородно легованим, що обумовлює нерівномірну концентрацію фотоносіїв. Обшими для усіх фотовольтаических ефектів є виникнення внутрішніх електричних полів, що приводить до перемеще-нию нагромадження заряду в обсязі напівпровідника, створюваного генерируемыми світлом надлишковими носіями, і як наслідок - до виникнення фото-э.д.с.

Розрізняють три види фотовольтаических ефектів: кристаллфотофект - виникнення електричного полючи в однорідному, неревномерно освітленому напівпровіднику; фотомагнитоэлектриче-


173


ский афект - виникнення в напівпровіднику електричного полючи, напруженість якого перпендикулярна магнітній індукції і потоку часток, що дифундують, під дією електромагнітного випромінювання; фотогальванічний ефект, що виявляється при висвітленні р-n-перехода - виникнення э.д.с. у р-n-иереходе, або струму при включенні переходу в електричний ланцюг, що відбувається в результаті поділу фотоноентслей електричним полем р-n-перехода.

При висвітленні поверхні напівпровідника світлом, що здатний генерувати надлишкові электронно-дырочные пари і сильно поглинається приповерхнім шаром речовини, що еквівалентно нерівномірної освітленості, що виникають электронно дырочные пари дифундують усередину зразка. Завдяки тому, що коефіцієнти дифузії і рухливості електронів і дірок різні, електрони обганяють дірки.

У результаті виникають об'ємні заряди, що приводять до створення електричного полючи, спрямованого уздовж напрямку поширення світла, що поглинається. Створювану при цьому фотоелектрорушійну силу називають фото-э.д.с. Дембера. Величина її тим більше, чим більше різниця подвижностей і чим менше початкова електропровідність матеріалу. Кристал-ефект якоюсь мірою аналогічний явищу термо-э.д.с.

У тому випадку, коли висвітлюється напівпровідникова пластина з нерівномірним розподілом домішки, наприклад n-типу (мал. 8.6), кількість електронів, генерируемых в області з більшою концентрацією домішок, буде перевищувати число електронів в області з меншою концентрацією домішок. Виникає градієнт концентрації електронів і починається дифузія електронів, що приведе до утворення об'ємних зарядів у напівпровіднику. Між цими зарядами виникає фото-э.д.с..

Якщо на освітлюваний зразок діє магнітне поле, спрямоване перпендикулярно потоку світла й однієї з граней кристала, то магнітна сила, що діє на електрони і дірки, що дифундують від освітлюваної поверхні, буде відхиляти їх у протилежні сторони, до противолежащим граней зразка (мал. 8.7). Так виникає поперечна э.д.с. Кикоина - Носкова, перпендикулярна як напрямку світлового потоку, так і напрямку магнітного полючи.

Описаний фотомагнітоелектричний ефект на відміну від кристала-ефекту є сумарним і не зв'язаний з обов'язковою різницею коефіцієнтів дифузії електронів і дірок. Фотомагинтоэлектрический ефект може виникати в області як власного, так і примесного поглинання. По спектральних характеристиках фотомагнитоэлсктрнческого ефекту визначають параметри зонної структури і примесных станів у напівпровіднику.

Напівпровідникові, прилади, засновані на фотогальванічному ефекті, називають фотогальванічними приймачами випромінювання - фотодіодами, фототранзисторами. Фото-э.д.с. н фотострум виникає в напівпровіднику лише при висвітленні його таким све-


174


тім, енергія квантів якого перевищує ширину забороненої зони і достатня для утворення пари електрон - дірка - надлишкових носіїв заряду, генерируемых світлом.




[Світло такої довжини хвилі сильно поглинаються, тому электроннодырочные пари утворяться поблизу поверхні і при расоложенпн р-n-перехода в глибині зразка помітного впливу на




Перехід не зроблять. Для ефективної дії фотодіода або висвітлюють збоку область, що примикає до р-п-переходу (мал. 8.8, а), або роблять одну з областей значно тонше дифузійної довжини і висвітлюють її поверхню (мал. 8.8, б). При цьому можна одержати велику робочу поверхню.

Контакт із р-слоем у такому устройствие реалізують напайкою металличес:кого висновку до бічної поверхні, що не висвітлюється.

Як правило, р-n-переходы для фотодіодів одержують у кристалі напівпровідника га-типу. При висвітленні поюрхности напівпровідника р-типа в ньому відбувається генерація электронно-дырочных пара і нерівновагі носії заряду дифундують у глиб полупроводика р-типа до р-п-переходу. Для основних носіїв заряду, дірок р-n-переход являє собою потенційний бар'єр, тому велика частина дірок залишається в р-области напівпровідника. Неосновні носії заряду (електрони) підхоплюються полем контактної різниці потенціалів і переносяться в "-область

175

напівпровідника. Таким чином, р-n-переход розділяє фотоносії.

Нерівновагі дірки утворять у р-области полупроводникаположительный заряд, нерівновагі електрони в n-області напівпровідника- негативний заряд. Між цими зарядами виникає фото-э.д.з Вона діє в прямому напрямку, висота потенційного бар'єра при цьому знижується й у замкнутому зовнішньому ланцюзі виникає фотострум.

Якщо зовнішній ланцюг розімкнутий, у фотодіоді відбувається рекомбінація електронів і дірок і виникаючу при цьому різниця потенціалів називають напругою неодруженого ходу. З ростом інтенсивності випромінювання фото-э.д.с. прагне до насичення, обумовленому висотою неосвітлюваного потенційного бар'єра, що обмежується шириною забороненої зони.

Фотоприймачі можна використовувати для перетворення світла в електроенергію; такі елементи сонячних батарей космічних і земних апаратів. У ланцюгах автоматики застосовують фотодіоди в режимі з зовнішнім замикаючим зсувом, що переборюється при висвітленні приладу. Таким способом можна, наприклад, реєструвати світлові сигнали або керувати спрацьовуванням електромеханічних пристроїв.

§ 8.7. КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ

Перші квантові генератори електромагнітного випромінювання були створені в 1954 р. радянськими вченими Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровым і американським фізиком Ч. Таунсом. В І960 р. у США був створи перший генератор світла на рубіні, а в 1961 р. - перший газовий генератор світла на суміші неону і гелію,

У 1961 р. Н. Г. Басів, О. М. Крохин і Ю. М. Попов запропонували створити напівпровідниковий лазер, що і був реалізований у 1962 - 1963 р. Квантові генератори мають величезне наукове і практичне значення. За створення квантового генератора Басову і Прохорову була присуджена Ленінська премія. У 1964 р. їм же разом з Таунсом була присуджена Нобелівська премія.Принцип дії квантових генераторів полягає в наступному. При проходженні світла через речовину інтенсивність світла змінюється завдяки взаємодії з атомами речовини. Розглянемо який-небудь атом, що може знаходитися в двох енергетичних станах Е1 і Е2, причому Е2>Е1 (мал. 8.9). До висвітлення атом знаходиться в незбудженому стані Е\. При опроміненні атома світлом, довжина хвилі якого відповідає різниці енергій Е2-І1 атом переходить у збуджений стан Е2. Такий перехід називають резонансним поглинанням. Збуджений стан атома хитливо, і він через якийсь час повернеться у вихідний стан, випромінюючи квант енергії Е = = Е2-І1, Мимовільний перехід атома зі збудженого стану в нормальне називається спонтанним. Повернення електрона у вихідний стан може відбуватися і під дією зовнішнього

176


випромінювання, що має частоту, рівну частоті переходу v=

і= (Ег-E1)/h. Такий перехід називають змушеним, а излуче-

ние - індукованим чи стимульованої.

І Якщо під дією випромінювання в збуджений стан переходить велика кількість атомів, те після припинення порушення при спонтанному випромінюванні переходи атомів у нормальний

стан носять випадковий характер, фотони випромінюються атомами

в довільних напрямках і в різних фазах. Інтенсивність

спонтаппого випромінювання спадає в часі по експонентному

законі.



При змушеному поверненні практично всі атоми переходять у

"подібний стан одночасно, а тому випромінюють усі в однаковій фазі, в однаковому на-правленни, причому фаза і напрямки збігаються з цими параметрами фотона, що викликав індуковане випромінювання.

Отже, при проходженні потоку світла через речовину виникають два процеси: резонансне поглинання й індуковане випущення. Якщо інтенсивність випущення перевищує інтенсивність поглинання, то такий стан речовини відповідає негативному поглинанню і ро-ту інтенсивності випромінювання. Це стає можливим у тому випадку, якщо збуджене складаючись-




де n1 і n2 - число часток на рівнях E1 і E2; q1 і q2~число воз-можных енергетичних станів на цих рівнях. Приймемо q1 = q2, тоді відношення






ние Е2 буде заповнено атомами в більшому ступені, чим рівноважний стан Е1 . Таке заповнення рівнів Е2 і Е1 називають інверсної населенностью рівнів. І Заповнення рівнів Е2 і Е\ підкоряється статистиці Ферми:

Щоб відбувалося посилення випромінювання, повинне виконуватися умову n2>n1 чи n1/n2<1( але тому що Е2>Еи та умова n1і/n2
177


спеціальний пристрій. Велика частина молекул виявлялася у верхньому стані Е2. В оптичних квантових генераторах стан з негативною температурою одержують за допомогою електромагнітного випромінювання. У цьому випадку процес порушення атомів носить безупинний характер і безупинно під дією цього випромінювання атоми роблять зворотний перехід у вихідний стан. Одержати тому стан з негативною температурою при двох рівнях неможливо.

Для оптичних квантових генераторів використовуються системи з трьома рівнями (мал. S.10). У рівноважному стані всі атоми



знаходяться на нижньому рівні Е1 Рівні в системі вибирають таким чином, щоб вони задовольняли наступним умовам: а) імовірність спонтанного переходу A32 із третього рівня на другий значно більше, ніж А31 із третього рівня на перший. За час t32 велика частина атомів перейде з третього рівня на другий; б) імовірність спонтанного переходу Е2 із другого рівня на перший багато менше, ніж імовірність переходу з третього рівня пі другої. Це значить, що рівень Е2 у порівнянні з рівнем Е3 більш долгоживущий, чи більш стійкий.

Під дією зовнішнього порушення, називаного накачуванням, атоми з рівня Е1 переходять на рівень E3- Тому що цей рівень хитливий, то з його атоми перейдуть па рівень Е2. Якщо енергія накачування досить велика, то в стані Е2 атомів окажетсябольше, чим у стані Е1 тоді виникає стан з негативною температурою. При індукованому випущенні інтенсивність випромінювання буде зростати за законом І(х) =/оехр[ах], тому що в даному випадку коефіцієнт поглинання а має негативне значення. Дане вираження не враховує втрат, зв'язаних з резонансним поглинанням. На мал. 8.11 зображена принципова схема квантового генератора, основними елементами якого є резонатор і активне середовище (газ, рідина, тверде тілі в залежності від типу генератора). Резонатор являє собою систему двох плоских дзеркал. Для висновку випромінювання одне з дзеркал робиться напівпрозорим.

178

Розглянемо протікання процесу посилення випромінювання. Будемо вважати, що хвиля випромінювання поширюється уздовж осі х. Ця хвиля буде підсилюватися за законом 1{х) =/oexp(аx], поки не досягне дзеркала. Відбивши від нього, хвиля буде рухатися в обрат-пом напрямку, підсилюючи по цьому ж законі. Якщо не враховувати втрати, у другого дзеркала інтенсивність досягне значення / = /0exp[2aі], де L - відстань між дзеркалами. Інтенсивність випромінювання увесь час наростає і по досягненні визначеного.значення через напівпрозоре дзеркало виходить вузько спрямований пучок світла великої інтенсивності.

Поряд з індукованими переходами мають місце спонтанні. Спонтанне випромінювання розподіляється рівномірно в усіх напрямках і виходить з резонатора відразу або після одного чи декількох відображень від дзеркал, не встигаючи підсилитися.

Індуковане випромінювання є когерентним, Воно поширюється в тім же напрямку і з тією же фазою, що і первинне випромінювання. В ідеальному випадку всі промені були б рівнобіжні осі системи і расходимость пучка була б нульовою. Однак через явище дифракції мається деяка расходимость променів у пучку. За допомогою спеціальних пристосувань її вдається зменшить!) до 10~5 радіана. Ще одна особливість випромінювання - його висока монохроматичность. Відхилення частоти випромінювання від номіналу не перевищує 1 Гц.

§ 8.8. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРИ

Активним середовищем рубінового лазера є кристал рубіна, що має форму циліндра. Торці кристала ретельно полірують - вони повинні бути строго плоскопараллельны один одному і перпендикулярні осі кристала. Торці служать дзеркалами, їхній покрынают тонким шаром чи срібла спеціальною діелектричною плівкою. Одне з "дзеркал" роблять напівпрозорим (мал. 8.12).

Джерелом накачування служить могутня ксенонова лампа газорозрядного типу, виконане у виді спирали, що охоплює кристал. Лампа працює в імпульсному режимі. Розряд лампи виробляється від спеціального пускового пристрою, що містить конденсатори. Що заряджаються від джерела постійного струму до напруги в трохи кіловольт конденсатори розряджаються через газорозрядную лампу. Спалах триває трохи тисячних часток секунди. Енергія спалаху йде на порушення атомів.

У рубіні система трьох рівнів створиться за рахунок атомів хрому, ннеденных у якості домішки. Перехід атомів у долгоживущее стан Е2 відбувається дуже швидко, за 10-7-10 с. Час життя атомів на рівні Е2 складає також трохи тисячні секунди. Спочатку з рівня Е2 почнеться спонтанний перехід атомів ні рівень Е1 - виникне спонтанне випромінювання з частотою v = - (Е2-E1)/h. Коли щільність спонтанного випромінювання досягне визначеної величини, почнеться індуковане випромінювання на цій же частоті. Це випромінювання триває протягом кількох сотень мікросекунд.


179

Довжина хвилі випромінювання рубінового лазера складає 694,3 ім. Цю довжину можна змінювати, змінюючи концентрацію примесных атомів хрому.Як активне середовище у твердотельных лазерах можна використовувати й інші матеріали: Са2, Ba2 з домішкою іонів урану і редкоземельных елементів, скла з домішками иттербия, неодиму і т.п..

Для одержання в напівпровіднику стану з негативною температурою необхідно створити умови, при яких населенность рівнів зони провідності буде більш ніж наполовину перевищувати населенность рівнів валентної зони. Такі умови населенности можна реалізувати різними способами: оптичним порушенням за допомогою випромінювання іншого лазера, порушенням



електронним променем, инжекцней нерівновагих носіїв заряду через р-n-переход, утворений вырожденными напівпровідниками.

Перші два способи дуже неефективні, тому що при оптичному порушенні за допомогою звичайних джерел світла з великим спектром частот на порушення електронів з валентної зони в зону провідності використовується лише

невелика частина фотонів. Використання випромінювання лазера з визначеною частотою усуває цей недолік, але це не виправдує себе економічно. При порушенні носіїв заряду електронним променем енергія порушення повинна перевищувати енергію забороненої зони приблизно в три рази, що дає коефіцієнт корисної дії не більш 40%.

Створення інверсної населенности за допомогою інжекції нерівновагих носіїв заряду використовується в инжекциоиных лазерах, при цьому коефіцієнт корисної дії може досягати значення 70%. Для забезпечення інверсії на р-n-переход подається напруга в прямому напрямку, по величині більше, ніж контактна різниця потенціалів. Поблизу p-n-переходу виникає область, у якій концентрація електронів у дна зони провідності перевищує концентрацію дірок у стелі валентної зони.

Спочатку, при малих струмах, у цій області починається спонтанне випромінювання, викликане рекомбінацією электронно-дырочных пара. Ріст струму збільшує швидкість рекомбінації, що приводить до зростання кількості випромінюваних фотонів, що будуть индуцировать подальшу рекомбінацію. Для посилення індукованого випромінювання передбачена спеціальна конструкція лазера

(мал. 8.13).

Для виготовлення напівпровідникового лазера використовують монокристалл арсеніду галію. Дві бічні грані кристала парал-

180

лельны один одному і ретельно відполіровані. Вони служать резонаторами і частково оптично прозорі. Дві інші грані злегка скошені щоб уникнути виникнення випромінювальної генерації в перпендикулярному цим граням напрямку.

Крім арсеніду галію для виготовлення лазерів можуть бути використані тверді розчини арсеніду-фосфіду галію, арсеніду індію, ангимонида індію, фосфіду індію й ін. Перспективним є застосування для лазерів гетеропереходов. Активним середовищем у цьому випадку служить узкозоппый напівпровідник; висновок випромінювання здійснюється через широкозонные області, називані эмиттерами (мал. 8,14). Інверсія населенности в активному середовищі створюється инжекциен носіїв заряду -електронів і дірок - з эмиттеров. Унаслідок розходження діелектричної проникності эмиттеры




служать резонаторами, від яких відбувається відображення світлової хвилі в активне середовище.

Напівпровідникові лазери можуть працювати як в імпульсному, так і в безупинному режимах. Потужність лазерів в імпульсному режимі складає 10-100 Ут, у безупинн-одиниці міліватів. Довжина хвилі випромінювання 900= 2 їм, термін служби перевищує 10 000 ч.

Основні переваги лазерів, що визначили їх безупинно зростаюче застосування у всіх галузях науки і техніки,-це висока монохроматичность випромінювання, велика потужність в імпульсі, мала расходимость пучка, когерентність і висока частота випромінювання. Сфальцьоване лазерне випромінювання випаровує будь-яка речовина. Це властивість лазерів широко використовується в напівпровідниковій технології. За допомогою лазерного променя можна виконувати припасування параметрів елементів інтегральних мікросхем, розділяти напівпровідникові пластини на кристали, здійснювати реставрацію фотошаблонів. Висока когерентність і спрямованість лазерного променя використовуються в лазерних інтерферометрах, що широко застосовуються при виготовленні складних інтегральних мікросхем. Лазери використовують також для контролю параметрів приладів і інтегральних мікросхем на пластині.


181


Оптичний зв'язок, нелінійна оптика, термоядерні реакції, телебачення, хірургічні операції - усюди використовується промінь лазера. Багатообіцяючою областю застосування лазерного променя

є голографія.

Голографія - це новий спосіб фотографії і відновлення зображення за допомогою когерентного лазерного променя. У звичайній фотографії фіксується дійсне зображення освітленого чи світного предмета, одержуване за допомогою оптичного пристрою. Відбите світло, сприйманий оком при розгляданні фотознімка, занадто сильно відрізняється від випромінювання, що виходить від реального предмета.




У голографії здійснюється відновлення світла, що виходить від реального предмета. Фотографування і відтворення зображення в голографії здійснюють у такий спосіб. При фотографуванні частина лазерного променя падає на об'єкт, інша частина (опорний промінь) -на фотопластинку. Перший промінь рас-сеивается об'єктом і теж попадає на пластинку (мал. 8,15). На пластинці ці випромінювання интерферируют і виникає інтерференційна картина - голограма, що складається зі сполучень світлих і темних смуг.

Інтерференційна картина чуттєва до фазових співвідношень падаючих хвиль, що виявляється у визначеному розташуванні областей з більшою і меншою інтенсивністю сумарного випромінювання. Тому на голограмі зашифрована не тільки інтенсивність, але і фаза світлових хвиль.

При висвітленні голограми тільки опорним променем він розсіюється на інтерференційній картині. Виникають дві системи відхилення світлових хвиль. Одна з них у точності повторює розсіяні хвилі, що розходяться від об'єкта; об'єкт при цьому здається розташованим за голограмою. Інша система хвиль дає дійсне зображення об'єкта (мал. 8.16).


182


Голограма має одну властивість: у кожній її малій частині полягає інформація про всі сфотографовані предмети, тобто по частині голограми можна відновити все зображення, хоча і трохи погіршене.

Лазерна голографія використовується для запису й обробки великої кількості інформації. Ведуться роботи з упровадження се в телебачення.

Учені працюють над створенням лазерів, що випромінюють у рентгенівському діапазоні, де довжина повні порівнянна з розмірами атомів у молекулах. Використання такого лазера в голографії дає можливість побачити реальну об'ємну структуру кристала.

§ 8.9. ПОНЯТТЯ ПРО ОПТОЕЛЕКТРОНІКУ

Оптоелектроніка - це роздягнув науки і техніки, зв'язаний з питаннями перетворення електричних і оптичних сигналів і проблемами взаємозв'язку електронних і оптичних явищ у речовинах.

Оптичні й електронні процеси фізично дуже глибоко зв'язані між собою. Генерація світл-це явище електронне. Зворотне цьому явище - одержання електричної енергії з помощыо світла. Існує ряд оптоэлектронных явищ, зв'язаних із взаємним перетворенням світла й електрики: рекомби-нацнонное випромінювання, фотопровідність, экситоннос поглинання й ін.

В оптоелектроніці розрізняють два основних напрямки: оптичне й електронно-оптичне. Перше ґрунтується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. З цим напрямком зв'язані розробки нових принципів побудови систем нагромадження й обробки інформації і перетворення сигналів.

В електронно-оптичному напрямку використовують принципи фотоелектричного перетворення: внутрішній фотоефект і электролюминесценцию. Сутність цього напрямку складається в заміні гальванічних і магнітних зв'язків в електронних ланцюгах на оптичні.

Оптичний зв'язок реалізує одне з основних переваг оптоелектроніки -високу частоту оптичних коливань (1013-1015 Гц). Тому широкополосность оптичного каналу по одній лінії зв'язку може бути одночасно передано 1010 телефонних чи розмов мільйон телевізійних програм.

Елементну базу оптоелектроніки складають випромінювачі світла, фотоприймач і оптичні середовища. Розглянемо коротенько характеристики цих елементів.

Випромінювачі світла. Вони повинні задовольняти наступним умовам: простота порушення випромінювання, можливість керування його інтенсивністю, високий к.п.д., мала инерционность, стабільність, довговічність. Випромінювачі можуть бути когерентними

183


і некогерентними. Останні повинні володіти визначеним спектральним діапазоном; від когерентних джерел потрібно високий ступінь когерентності в часі і просторі і спрямованість випромінювання.

Джерелами некогерентного світла служать светодиоды, элсктролюминесцентные плівки і конденсатори, когерентними джерелами є инжекционные лазери.

Фотоприймачі. Тут знаходять застосування фоторезистори на основі з'єднань сірчистого і селенистого кадмію, однак вони володіють великий инерционностью. Тому в даний час найбільш широко застосовуються фотодіоди, фототраизисторы, фотодіоди Шоттки, Мдп-приемники і матриці на їхній основі, фототиристори. Фотоприймачі повинні мати досить високий коефіцієнт підсилення фотоструму, високої фоточувствитель



ностью, великою швидкодією, широким діапазоном питомого опору, для узгодження оптичних і електричних параметрів джерел і приймачів світла. Фотоприймачі з внутрішнім оптичним зв'язком повинні відповідати високого ступеня відповідності спектральних характеристик джерел і приймачів світлового випромінювання.

Найпростішим функціональним елементом оптоэлектронной техніки язляется так називаний оптрон, що представляє собою зв'язані оптичним середовищем джерело світла і фотоприймач (мал. 8.17). Розрізняють оптроны з прямим оптичним зв'язком і з электрооптической. Основна область застосування оптронов із прямим зв'язком - забезпечення інформаційного зв'язку між функціональними вузлами електронних пристроїв; на їхній основі створюються оптоэлектронные реле, оптичні керовані опори, різні оптоэлектроиные інтегральні схеми, оптичні рознімання в многоканальных системах для різної апаратури, Б ТОМ числі для бортовий, обчислювальної і т.п..

Вхідний сигнал перетвориться джерелом випромінювання у світловий сигнал, що по каналі зв'язку надходить у фотоприймач, де знову перетвориться в електричний сигнал.

До оптронам з оптоэлектрической зв'язком відносяться оптроны з внутрішнім позитивним чи негативним зворотним зв'язком і оптроны з зовнішнім оптичним зв'язком. Такі оптроны знаходять застосування у функціональних електричних ланцюгах у якості пе


184

реключающих елементів, оптоэлектрических підсилювачів електричних сигналів, що зрушують регістрів, ліній затримки, як елементи арифметичних пристроїв і т.д. Включення джерел світла і фотоприйом піків в один електричний ланцюг накладає на них відповідні вимоги: узгодження по струму, напрузі, опору. Найбільше просто таке узгодження здійснюється між электролюминофором п фоторезистором. Можна використовувати і светодиоды, по в цьому випадку складніше здійснити узгодження.

Як оптичні середовища можуть бути використані полімерні органічні сполуки, халькогепидные скла, волоконні световоды.

У халькогенидных стеклах малі потерн світла па відображення завдяки високому, порядку 1,8-3,0, коефіцієнту переломлення, по ці стекла мають недостатньо високу електричну міцність і питомий опір, дуже тендітні і хитливі до термоциклированию. Полімерні плівки володіють великими оптичними втратами, поганим спектральним узгодженням і швидко старіють.

Волоконна оптика являє собою широкий клас явищ, обумовлених проходженням світла через оптично прозоре скло в результаті багатофазного повного внутрішнього відображення від границі роздягнула двох середовищ, що розрізняються коефіцієнтами переломлення. У волоконній оптиці оптичне середовище бере участь лише в переносі світла, а не в його перетворенні {мал. 8.18), тому таке середовище називають световодом.

Перетин световода може бути кожним. На основі елементарних световодов можуть бути створені стекловолоконные джгути для передачі світла і зображення. Довжина световодов може бути так-жі будь-який і обмежується ослабленням світлового потоку. Ослаблення потоку зв'язане з розсіюванням випромінювання уздовж световода.

Для переносу інформації променем світла необхідно за допомогою електричного сигналу змінювати який-небудь параметр світлового променя. Для цієї мети використовують модулятори світла. Найбільш простим способом модуляції є зміна показника переломлення речовини при накладенні електричного полючи. У каче-cтве электрооптического модулятора можна використовувати р-n-пе-входы і переходи метал - напівпровідник. Перспективним у цьому відношенні є застосування жидкокристаллических структур.

Контрольні питання

1. Який бажано вибирати товщину р-n-перехода, щоб збільшити

інтенсивність його нагрівання минаючим струмом?

2. Чи буде виникати электротермический ефект, якщо градієнт температури створити в цінуй, що складається з двох різнорідних матеріалів і пропустити через них струм?

3. У чому сутність фоторезистивного ефекту?

4. Якщо напівпровідникову пластину нескінченно довго висвітлювати прямо вугільними імпульсами світла, доки в ній буде зростати концентрації носіїв заряду?

185


5. Чому можна вважати, що РУХЛИВІСТЬ рівноважних і нерівновагих \

носіїв заряду однакова?

G. Які переходи при висвітленні напівпровідника більш ймовірності: з валентної зони а зону чи провідності з примесных рівнів у зону провідності (напівпровідник - германій, температура - кімнатна)?

7. Що характеризує коефіцієнт поглинання і що означає а>1, а<1,а=1?

8. Чи можна величину фотопровідності характеризувати квантовим ви ходом?

9. Чому в звичайних напівпровідниках межзонная рекомбінація як фо

тонна, так і фононна малоймовірні?

10. У чому відмінність пасток захоплення від ловущек рекомбінації?

11. Чим визначається швидкість рекомбінації в примесных і власних

напівпровідниках і в яких вона більше?

12. Як зв'язана швидкість рекомбінації з часом життя?

13. Що характерно для пасток рекомбінації складної будівлі?

14. Яку роль грають активатори в процесі люмінесценції?

15. Чому при фотолюмінесценції енергія випущеного фотона менше

енергії поглиненого?

16. Чим визначається величина фото-э. д. с. а кристалі-фотоефекті?

17. Чим визначається колір випромінювання при фотолюмінесценції?

18. Чим пояснити, що при магнітоелектричному фотоефекті фото-э. д. с.

виникає у власних напівпровідниках, навіть якщо рухливості носіїв

однакові?

19. Для чого призначений р-n-переход у фотогальванічному ефекті?

20. У чому розходження між спонтанними й індукованими випромінюваннями?

21. Чому в квантових генераторах світла рівень Е3 хитливий, а уро

вень Е2 стійкий?

22. Чому резонатори у твердотельных лазерах повинні бути плоскопарал

лельны між собою і перпендикулярні вісп кристала?

23. Як створюється інверсна населенность рівнів у напівпровідникових

лазерах?