Элементы квантовой электроники

p—n—перехода (см. рис., промежуточный слой очень узкий, не соответствует масштабу на рис.). Транзисторы пришли на смену громоздким электронным лампам в радиотехнике. У них чрезвычайно малые размеры, более низкая стоимость и большой срок службы. Используются транзисторы для генерирования и усиления электрических сигналов и др. целей.

ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

При взаимодействии света (электромагнитного излучения) с веществом возможны следующие процессы:

1) поглощение света,

2) спонтанное (самопроизвольное) излучение света и

3) вынужденное (индуцированное) излучение.

Когда электрон в атоме получает дополнительную энергию за счет нагревания вещества или за счет разности потенциалов внешнего поля, приложенного к веществу, электрон переходит в состояние с большей энергией. При говорят, что атом приходит в возбужденное состояние. Обычно атом находится в возбужденном состоянии очень короткое время, порядка 10-8 секунды, а затем испускает световой квант. Такое излучение называют спонтанным или самопроизвольным. Спонтанное излучение носит случайный характер и представляет собой беспорядочную смесь квантов-волн. Эти волны не согласованы между собой, у них различные длины волн и различные фазы, т. е. они не являются когерентными. Это тот свет, с которым мы обычно сталкиваемся – свет от Солнца, от огня, от ламп.

Существует еще один вид излучения – вынужденное или индуцированное, которое получают с помощью лазеров (оптических генераторов). Первый

оптический импульсный лазер[xxviii] был создан на искусственном рубине Мейманом (ам.) в 1960 г. Первый лазер непрерывного действия (гелий – неоновый) был создан в 1961 г. В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются сотни различных веществ: кристаллы, стекла, пластмассы, жидкости, газы, полупроводники, плазма, пары воды, воздух. Рабочий диапазон от радиоволн до УФ.

Чтобы получить вынужденное излучение, нужно в рабочем веществе создать активную среду. В обычных условиях число электронов, находящихся на возбужденных уровнях атомов, всегда меньше, чем на основном. В активной среде должна быть инверсная заселенность энергетических уровней электронами, т. е. на уровнях с большей энергией должно быть больше электронов, чем на уровнях с меньшей энергией. Существуют различные методы создания активной среды. Мы рассмотрим трехуровневый метод, как наиболее понятный.

Представим себе атомы с тремя энергетическими уровнями (см. рис.). Белые кружки – электроны, черные – фотоны, количество кружков – условное. Уровни Е1 и Е3 обычные, на них электрон пребывает очень недолго, порядка 10-8 с. Уровень Е2 называется метастабильным, на нем электрон «живет долго» порядка 10-3 с. [xxix]

1). В невозбужденном состоянии электроны находятся на уровне Е1. Пусть атомы освещаются светом с частотой n13 и электроны переводятся на уровень Е3. Этот процесс называется световой накачкой.

2).С этого уровня электроны самопроизвольно перескакивают на ближайший метастабильный уровень Е2. При этом испускается свет с частотой n32, который, вообще говоря, не нужен.

3) Накопление электронов на метастабильном уровне или создание активной среды. Накачать электроны сразу на уровень Е2 невозможно, т. к. время перехода 1®2 и 2®1 (­¯) одинаково и накопления не произойдет. О

4) Если в системе найдется хотя бы один фотон с частотой n21 он «вынудит»

электрон перейти с уровня Е2 на уровень Е1. При этом будет испущен фотон с такой же частотой и сохранится сбивающий фотон. Таким образом, вместо одного фотона получим два одинаковых фотона, которые в свою очередь собьют по два электрона и т. д., процесс будет идти лавинообразно. Иначе говоря, произойдет усиление света. Это и есть вынужденное излучение.

С точки зрения закона сохранения энергии, никакого увеличения энергии нет. Затрачивается световая энергия с большой частотой фотонов n13 , одна часть ее с частотой n13 — это потери, другая – полезное индуцированное излучение с меньшей частотой n21, кроме того, происходят тепловые потери.

Первые газовые лазеры были громоздкими и представляли собой стеклянную трубку, наполненную рабочим газом. Вокруг этой трубки в виде спирали монтировалась другая, газоразрядная трубка для световой накачки. В торцах рабочей трубки имелись зеркала: одно – полупрозрачное, через которое выходило индуцированное излучение, небольшая его часть возвращалась назад. С другого конца — зеркало с высоким отражением, для того, чтобы возвращать часть излучения обратно в рабочую среду и тем самым удерживать процесс от затухания. Первые лазеры давали свет одной длины волны, которую нельзя было менять.

Вынужденное излучение когерентное:

1) практически оно монохроматическое, интервал длин волн в пучке ~ 0,01 нм

Обычные стеклянные светофильтры пропускают свет в интервале 20 – 50 нм

2) все излучаемые волны находятся в одной и той же фазе,

3) все волны поляризованы в одной плоскости.

Для практического применения важны следующие свойства лазерного излучения:

1) Очень малая расходимость пучка света. Узкий луч может распространяться на многие расстояния, не рассеиваясь. Это нашло применение в системах посадки самолетов, для слежения за искусственными спутниками по отражению от специальных отражателей, в стрелковом оружии для наводки. Сам луч мощного лазера может быть использован для поражения цели. По отражению от зеркала, установленного на Луне Аполлоном-14, удалось измерить расстояние до Луны с точностью до 4 м. Для контроля над загрязненностью атмосферы: можно просветить целый квартал в городе и по поглощению установить загрязняющие вещества.

2) Малый диаметр пучка света дает возможность сконцентрировать большую энергию на малой площади. Используется для резки, сварки и обработки металлов и других веществ, для различных операций в медицине.

[1] Подумайте, каким цветом лучше окрасить батареи отопления, чтобы они давали больше излучения (тепла)?

[i] Под словом «свет» имеется в виду электромагнитное излучение как видимое (400 – 750 нм), так и УФ и ИК диапазоны излучения. В радиодиапазонах целесообразнее использовать волновой, а не квантовый подход.

[ii] Не всякое излучение происходит за счет теплового движения молекул. Например, различные виды люминесценции (свечение гнилушек, фосфорных соединений и др.) происходят за счет необратимых химических преобразований, или искры при ударе — за счет механических разрушений.

Если взять полностью замкнутое полое тело и поместить его в теплонепроницаемую оболочку, то излучение внутри полости будет строго равновесным. Если в стенке сделать отверстие, излучение будет выходить наружу, и его можно исследовать. Но при этом будет нарушаться равновесие. Теряя энергию, тело начнет остывать. Для компенсации потерь к тел нужно подводить извне энергию. Т.о., равновесное излучение – это научная идеализация.

[iii] Записываем в виде конечных разностей, чтобы был понятен физический смысл формулы

[iv] Нельзя брать поглощенный поток, например, в зеленой части спектра, а падающий – в красной области (красный к красному, зеленый к зеленому)..

[v]Поэтому лампочки накаливания (Т » 2500 К) не столько светят, сколько греют.

[vi]Ознакомиться с выводом формулы Планка можно в. книге Савельева И. В «Курс физики. т.3», и др учебных пособиях по курсу физики.

[vii]Подробнее можно ознакомиться в. книге Савельева И. В «Курс физики. т.3», и др учебных пособиях по курсу физики.

[viii] В данном случае напряжение и разность потенциалов равны

[ix] Рекомендуется проделать самостоятельно.

[x] Ознакомиться с выводом формулы можно в. книге Савельева И. В «Курс физики.» т.3 и других учебных пособиях по курсу физики

[xi] Можете сделать это самостоятельно, на бумаге в клетку сложить ординаты, достаточно 5 синусоид.

[xii] ï dp ê =p2Dl / h

[xiii] В литературе вместо приводят h или . Принципиально это не важно, т. к. по порядку величины они равны, тем более, что погрешность любых приборов на много порядков больше.

[xiv] Что остается делать, если мы ничего не знаем про импульс? Только принять, что р » Dр

[xv] Решение сложное, y выражается через полиномы Чебышева-Эрмита. Ознакомиться с решением можно в учебном пособии: Д. В. Сивухин, «Общий курс физики. Атомная и ядерная физика», т 1.

[xvi] Выражения для Е не приводим из-за сложности, энергия зависит еще и от орбитального квантового числa.

[xvii] В природе все тела стремятся занять положение с наименьшей энергией. Именно поэтому мы падаем в поле тяготения Земли.

[xviii] f называют вероятностью, но на самом деле это плотность вероятности, т. е. вероятность в расчете на единицу объема.

[xix] См. вывод термодинамической вероятности в I-ой части курса.

[xx] Подробнее с этим можно ознакомиться в учебных пособиях: И. В.Савельев, «Курс физики», т.3;Д. В. Сивухин, «Общий курс физики. Атомная и ядерная физика», т 1.

[xxi] Заряд дырки равен +е, масса дырки, строго говоря, не равна массе электрона. Вводится понятие» эффективной массы» носителей, она может быть =, > или < массы электрона. Мы не будем это рассматривать.

[xxii] Этот процесс называется легированием.

[xxiii] n — символ электрона, p— символ дырки.

[xxiv] Исключение составляют сверхпроводящие металлы, для которых при Т® 0 сопротивление резко падает до 0.

[xxv] Напишите самостоятельно формулу для сопротивления r (Т) и lnr (1/T), нарисуйте графики.

[xxvi] Под словом «контакт» подразумевается не простое соприкосновение двух веществ. Существуют различные способы получения р-n-перехода. Например, на поверхность германия помещается кусочек индия и система нагревается до 770 К. Германий плавится при 1215 К, индий при 428 К. Т. о. индий вплавляется в германий. В другом методе в закрытую ампулу, наполненную инертным газом, помещают кристалл с одним типом проводимости и примесь с другим типом проводимости. Ампулу нагревают, примесь испаряется и внедряется в кристалл.

[xxvii] Чтобы не запутаться со знаками носителей, рекомендуем рассматривать только положительные заряды.

[xxviii] Лазер от Light Amplification by Stimulated Emission jf Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.

[xxix] Под уровнем будем понимать энергетическую оболочку атома, в которой может находиться более, чем один электрон.