Основи напівпровідникової електроніки

Напівпровідникові лазери з електронною накачкою запропоновані в 1964 року російськими вченими Н.Г.Басовим, О.В.Богданкевичем і А.І.Девятковим.

Переваги НП лазерів: високий ККД, зручність збудження, малі габарити, можливість виготовлення лазерів на різні довжини хвиль, а також простота модуляції випромінювання, здійснювана зміною струму накачки. Нестачі НП лазерів: невисока міра когерентність випромінювання, погана температурна і радіаційна стійкість і поки ще низька довговічність (10⁴ - 10² година.).

5.5 Жидкостні лазери

Жидкостним називають лазер з жидкостним активним елементом у вигляді розчинів неорганічних з'єднань редкоземельних елементів або розчинів органічних барвників.

У жидкостних лазерах можна забезпечити приблизно таку ж концентрацію активних часток, як і в твердотільних і, отже, отримати високий енергоз'єм з одиниці об'єму активного середовища. Крім того, через велику однорідність жидкостної активного середовища відсутні втрати, характерні для твірдотільних активних елементів. Нарешті, полегшується охолоджування активного середовища, воно забезпечується циркуляцією рідини через робочий простір лазера.

До нестач жидкостних лазерів потрібно віднести невеликий термін охорони розчинів, поява в середовищі "теплової" лінзи з фокусним відстанню, що міняється протягом імпульсу випромінювання. Перша причина приводить до значної зміни потужності випромінювання, а друга - до істотному зростанню розходження вихідного випромінювання до одиниць, а іноді і до десятків градусів. У лазерах на основі неорганічних з'єднань редкоземельних елементів використовуються вельми хімічно агресивні рідини, що обмежує вибір матеріалів і термін їх служби. Лазери на основі неорганічних середовищ працюють тільки в імпульсному режимі. Як джерела накачка використовують імпульсні лампи. Середня потужність випромінювання досягає 380 Вт, а імпульсна потужність - 50 мВт.

Лазери на основі органічних барвників працюють як в імпульсному, так і в безперервному режимі. У безперервному режимі використовується тільки лазерна накачка, а в імпульсному - лазерна і лампова накачка. Імпульсна потужність досягає декілька мегават. Тривалість імпульсу при ламповой накачки 1-15 мкс, а при лазерній накачки - 10-30 нс. Існуючий набір барвників дозволяє створити лазери з перебудовою від ультрафіолетової до ближньої інфрачервоної області спектра.

5.6 Методи модуляції випромінювання лазера

Використання лазера в системах зв'язку і радіолокації вимагає створення ефективних методів модуляції оптичного випромінювання.

Модулятори оптичного випромінювання можна розділити на внутрішні і зовнішні. У першому випадку модуляція пов'язана з безпосереднім впливом на процес генерації, у другому - на той, що вже сформувався промінь квантового генератора. Під модуляцією розуміють процес зміни наступних параметрів випромінювання: амплітуди, частоти, фази, поляризації і інтенсивність.

При зовнішній модуляції промінь лазера пропускається через спеціальне середовище, параметри якого (показник заломлення або коефіцієнт поглинання) змінюються під дією модулюючого сигналу. Використовуються різні фізичні ефекти і явища в твердих і рідких середовищах, виникаючі під дією електричного або магнітного полів і що впливають на проходячий в цьому середовищі промінь лазера.

Управління показником заломлення засновується на ефектах або електрооптичних, або магнітооптичних, або п'єзооптичних. Поглинання матеріалу в оптичному діапазоні змінюється завдяки ефекту Франца-Келдиша, що полягає в зміщенні кордону поглинання напівпровідника в електричному полі.

У цей час найбільш відповілним для модуляції оптичного випромінювання є електрооптичний ефект.

Для НП лазерів можлива внутрішня модуляція шляхом зміни струму збудження. Ефективним методом внутрішньої модуляції імпульсних лазерів є модуляція добротності.

Добротність резонатора на час дії імпульсу накачки меншає до рівня, при якому не виконується умова самозбудження, і відновлюється в кінці імпульсу накачка, коли закінчується накопичення активних часток. Тривалість імпульсу в режимі модуляції добротності порядку десятків наносекунд замість 10^-3 секунд в звичайному рубіновому лазері. При тій же енергії в імпульсі це означає збільшення імпульсної потужності приблизно в 10⁵ раз, тобто до 10⁸ Вт.

Змінити величину добротності можна за допомогою механічних, електрооптичних, магнітооптичних і жидкостних ("пасивних") затворів.

Як найпростіший механічний затвор використовують диск, що обертається з отвором, розташованим перед дзеркалом резонатора. Доти, поки отвір не виявиться на осі резонатора, відбувається накопичення активних часток, а в момент проходження отвори через вісь резонатора добротність резонатора різко зростає, так як з'являється можливість для відображення випромінювання від другого дзеркала.

У інших варіантах обертається дзеркало або призма. У цих випадках умови самозбудження виконуються в момент паралельного розташування дзеркала або певного положення призми. Швидкість обертання досягає 20000-30000 об/хв., що відповідає часу зміни добротності біля 10^-7с.

Електрооптичні затвори засновані на використанні електрооптичних ефектів, що полягають в тому, що під дією зовнішнього електричного поля можна отримати штучну оптичну анізотропію в деяких рідинах (ефект Керра) і твердих кристалах (ефект Покельса). Магнітооптичні затвори засновані на впливі магнітного поля (ефект Фарадея).

Пасивні затвори засновані на тому, що оптичні властивості деяких органічних барвників змінюються під впливом світла.

5.7 Застосування лазерів

Особливість кожного типу лазерів визначає області їх застосування. Перерахуємо лише деякі перспективні напрями використання лазерів.

Висока частота несучої в оптичному діапазоні дозволяє отримати надзвичайне велике число каналів зв'язку, а дуже малий кут розходження випромінювання лазера - високу ефективність передачі інформації. У цей час діють оптичні лінії зв'язку. Одна з серйозних труднощів при реалізації відкритих ліній зв'язку з допомогою лазерів пов'язана зі значним поглинанням в атмосфері, яке залежить від метеорологічних умов. Закриті лінії зв'язку усувають вплив метеоумов. У таких лініях застосовуються світловоди. Вельми перспективне застосування лазерів для голографії, для вимірювання відстані.

Лазери застосовуються в системах космічного зв'язку, на лініях "Супутник-Земля", в оптичній локації, в системах запису і обробки інформації, в метеорології, медицині, для обробки матеріалів.

Іонні лазери використовуються в системах підводного зв'язку. Застосовуються лазери в логічних елементах для створення Надшвидких ЕОМ. Проводяться дослідження по використанню лазерів великої потужності для отримання термоядерних реакцій.

5.8 Питання для самоперевірки

1 Які енергетичні спектри атомів, молекул, твердого тіла?

2 З чим пов'язане спонтанне випромінювання?

3 Розкажить про індукованому (вимушеному) випромінюванні і поглинанні.

4 Виведіть співвідношення Ейнштейна.

5 Викладіть методи створення інверсної населеності рівнів.

6 Викладіть метод енергетичної накачки на прикладі чотирьохрівневої системи.

7 Викладіть принцип роботи квантових приладів.

8 Що розуміють під шириною спектральною лінії і які причини її уширювати.

9 Розкажить про особливості квантових приладів НВЧ.

10 Викладіть пристрій і принцип дії квантових параматгнітних підсилювачів.

11 Які особливості коливальних систем КПУ?

12 Охарактеризуйте параметри КПУ.

13 Зобразіть функціональну схему оптичного квантового генератора (лазера).

14 Як пристрій і основні параметри оптичного резонатора?

15 Зобразіть схему пристрою і енергетичну діаграму гелію- неонового атомарного лазера. Викладіть принцип роботи.

16 Розкажить про пристрій, принцип роботи іонного лазера.

17 Зобразіть енергетичну діаграму молекулярного лазера на CO₂ і викладите принцип його роботи.

18 Охарактеризуйте особливості твердотільних лазерів.

19 Зобразіть енергетичну діаграму рубінового лазера і викладете його роботу.

20 Викладіть методи отримання інверсної населеності в напівпровідникових лазерах.

21 Зобразіть схему пристрою інжекційного лазера і викладіть принцип його роботи.

22 Як здійснюється модуляція випромінювання лазера?

23 Де лазери знаходять застосування?

24 Які перспективи розвитку електронних приладів НВЧ і квантових приладів?

5.9 Задачі

1 Визначити енергетичний зазор для отримання випромінювання частотою 20 ГГц.

2 Розрахувати величини довжин хвиль коливань, що випромінюються, відповідні енергетичним зазорам 0,4*10^-5 і 1,2*10^-3 еВ.

3 Визначити середню теплову енергію часток при температурі Т=300⁰ К.

4 Визначити співвідношення населеності енергетичної рівнів в стані термодинамічної рівноваги для температури Т=300⁰ К і енергетичного зазора E=1,2 *10^-3 еВ.

5 Визначити рівновісну спектральну щільність енергії випромінювання абсолютно чорного тіла при =3 см,Т=300⁰К.

6 Знайти різницю частот Дн двох сусідніх резонансів для довжини оптичного резонатора L=50 див.

7 Визначити добротність оптичного резонатора довжиною L=50см, що має коефіцієнт сумарних втрат в = 0,01 на довжині хвилі =0,6 мкм.

8 Визначити ширину смуги пропущення оптичного резонатора Дн_р, якщо добротність резонатора Q=5 *10⁸, а резонансна н =5 10¹⁴ Гц.

Висновок

Приведені в цьому учбовому посібнику описи електронних приладів НВЧ і квантових приладів і їх застосувань далеко не вичерпує всього їх різноманіття. Обмежений об'єм книги дозволив розглянути тільки найбільш поширені прилади. Незважаючи на солідний вік, ці "класичні" прилади постійно удосконалюються і розвиваються. Роботи в цьому напрямі пов'язані з прагненням поліпшити їх основні параметри: підвищити потужність коливань в генераторних приладах і коефіцієнт посилення в приладах підсилювального типу, збільшити їх ККД, знизити рівень власних шумів, розширити діапазон робочих частот і т.д.

Одним з шляхів вирішення цієї задачі є створення гібридних приладів, наприклад, клістронів з розподіленою взаємодією і твістронів, які володіють широкою смугою коливань, що посилюються, великим коефіцієнтом посилення і високим ККД. Як приклад можна привести параметри клістрона з розподіленою взаємодією: вихідна потужність в імпульсному режимі 2 МВт, ККД 61%, коефіцієнт посилення 45 дБ, смуга частот 2,5%. Даний клістрон розроблений для трьохсантиметрового діапазону.

У учбовому посібнику не розглянуті електронні прилади НВЧ з циклотронним резонансом, в яких електрони взаємодіють з неуповільненими (швидкими) хвилями, на відміну від приладів типу "О" і "М". У останніх розміри сповільнюючих систем і простір взаємодії стають особливо малими при переході до міліметровому і субміліметровому діапазонам хвиль. Це утрудняє не тільки їх виготовлення, але і розсіяння потужності, яке обмежує вихідну потужність приладів. Прилади (мазери) на циклотроном резонансі (МЦР) або гіротрони позбавлені цих недоліків. У них з неуповільненою хвилею в хвилеводі або резонаторах взаємодіє гвинтовий електронний потік. Для отримання гвинтового електронного потоку використовується однорідне магнітне поле. У одному з приладів на МЦР - гіротроне отримана в безперервному режимі потужність 100 кВт на частоті 28 ГГц. Очікується, що на частоті 100 ГГц вдається отримати потужність 10 кВт і ККД не менше за 30%. До нестач приладів відноситься необхідність мати в них сильні магнітні поля, особливо в діапазоні міліметрових і субміліметрових хвиль. Вказана обставина стримує в деякої міри розвиток цих приладів.

У субміліметровом діапазоні хвиль для генерації коливань використовується явище дифракції. Генератор з дифракційним випромінюванням (ГДВ) складається з відкритого резонатора, утвореного сферичним дзеркалом і плоским дзеркалом, на поверхні якого виготовлена періодичні дифракційні грати (сповільнююча система). Стрічковий і електронний потік проходить поблизу гратів. Якщо швидкість електронів близька до фазовий швидкості однієї з просторових гармонік, то почнеться ефективна взаємодія електронів і поля, а при певних умовах і генерація коливань як в лампі зворотної хвилі. Працюють ГДВ в діапазоні хвиль 8-0,96 мм з вихідною потужністю від декількох сотень міліват до десятків ват. Механічна перебудова в ГДВ досягає октави, а електронна перебудова в десятки разів менше, ніж в ЛОХО

У субміліметровому діапазоні хвиль вельми перспективно використання методів квантової електроніки. Можливо, наприклад, застосування молекулярних квантових генераторів на газах, в яких частота квантових переходів відповідає субміліметровому діапазону. У генераторах на молекулах аміаку (NH₃) отримують випромінювання на хвилі =0,252 мм, а на молекулах ND₃ -на хвилі 0,485 мм. Достоїнство цих генераторів - висока стабільність частоти (10^-12), недолік - дуже низька потужність. Тому молекулярні генератори використовуються в якості стандартів частоти.

У цей час завдяки розвитку напівпровідникових приладів, вдосконаленню електровакуумних приладів і розвитку технологій інтегральних схем з'явилася можливість повністю використати переваги міліметрового діапазону хвиль (широкі смуги, підвищену дозволяючу здатність, зменшені розміри і масу апаратури) в радіолокації, в системах зв'язку, радіонавігації, радіоуправлінні і т.д.

Володіючи великими потенційними можливостями, діапазон субміліметрових хвиль також буде викликати інтерес і надалі у розробників електронних приладів НВЧ і квантових приладів.

Размещено на Allbest.ru