В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Шрифт:
Основой традиционных полупроводниковых диодов или транзисторов всегда был однородный полупроводниковый кристалл — германий или кремний. В самом кристалле, как уже говорилось, имелись области с разными примесями, но основной материал оставался неизменным. Но существуют еще так называемые гетероструктуры, в которых не только создают области с разными свободными зарядами — электронами и «дырками», но и по мере выращивания кристалла меняют саму его основу, само вещество, из которого строится кристаллическая решетка. Начинают, на пример, выращивать кристалл из одного раствора, из арсенида галлия GaAs, а продолжают выращивание, заменяя частично или полностью атомы галлия на атомы алюминия (рис. 5, 7). Таким образом, гетеропереход — это контакт различных по химическому составу полупроводников, осуществленный в одном кристалле.
Для
Уже с первых своих шагов физика полупроводников вступила в союз с оптикой, и в наши дни благодаря этому союзу техника получила немало прекрасных подарков, таких, например, как полупроводниковые фотоэлементы, превращающие световую энергию в электрическую, — из них, в частности, собраны панели солнечных батарей, которые кормят электроэнергией космические корабли. Или таких, как светодиоды, из которых собирают цифровые табло многих микрокомпьютеров. Или, наконец, полупроводниковые лазеры — предмет исследований нашей четверки молодых физиков.
Полупроводниковый лазер — это тот же диод. Или, если точнее, определенного типа полупроводниковый диод при определенных условиях может давать лазерное излучение. Когда диод включен в прямом направлении и пропускает так, то к р-n– переходу с обеих сторон движутся заряды: из зоны n — электроны, из зоны р — «дырки». В узкой области р-n– перехода они рекомбинируют, объединяются — свободные электроны занимают места в атомах с недостающими электронами. И каждый такой акт рекомбинации сопровождается выделением порции энергии, часто излучением кванта в видимой или инфракрасной области спектра. Частота (длина волны) излучения зависит от так называемой ширины запрещенной зоны данного полупроводника. Это настолько важная характеристика, что о ней стоит сказать несколько слов особо.
Электроны на орбитах атома могут обладать строго определенными запасами энергии, или, иными словами, могут иметь строго определенные энергетические уровни. Их принято отображать горизонтальными линиями на диаграмме уровней: чем больше энергия электрона, тем выше расположена линия (рис. 2).
Самые высокие — уровни внешних, валентных электронов, комплект этих уровней называют валентной зоной. Здесь слово «зона» не имеет ничего общего с районами кристалла, с его зонами n и р; просто два разных понятия названы одним и тем же словом «зона». Можно каким-то образом еще больше увеличить энергию электрона, но при этом он уже уйдет из атома, станет свободной частицей. Такие электроны как раз и участвуют в создании тока, их называют электронами проводимости. А комплект энергетических уровней этих электронов образует так называемую зону проводимости. Она, конечно, выше, чем валентная зона. И не просто выше — между валентной зоной и зоной проводимости всегда существует скачок; имеется некоторый диапазон энергетических состояний, в которых электрон в принципе не может находиться. Именно «в принципе» — это запрещено законами квантовой механики. Вот этот диапазон запрещенных состояний, запрещенных уровней и называют запрещенной зоной.
Энергия электронов, их энергетический уровень, измеряется в электронвольтах. В этих же единицах измеряется и ширина запрещенной зоны, т. е. различие энергетических уровней. Ширина запрещенной зоны определяется самим полупроводниковым веществом, его химическим составом и структурой.
Рекомбинация пары электрон — «дырка» — это, по сути дела, переход
В зоне проводимости, так же как и в валентной, много близких уровней, и из области p-n– перехода, где рекомбинируют электроны и «дырки», идет излучение разных, хотя и довольно близких, частот. Излучение, разумеется, появляется лишь тогда, когда через р-n– переход идет ток, и расходится оно по кристаллу во все стороны. Пока это еще не лазер; так работает, скажем, светодиод: создал ток, получил свет. Чтобы получить лазерный луч, т. е. монохроматическое, когерентное излучение, нужно выполнить целый ряд особых условий. Главное из них — необходимо добиться, чтобы многие электроны одновременно излучали на близких частотах. На очень близких. А для этого в свою очередь нужно, чтобы большое количество электронов поднялось на очень близкие энергетические ступеньки в зоне проводимости. И итог, к сожалению, не очень радостный — для получения лазерного излучения из р-n– перехода нужно пропустить через него большой ток (рис. 3). Этот ток не что иное, как ток накачки, он поставляет в р-n– переход сами излучатели, поставляет электроны и «дырки».
В огромном семействе лазеров полупроводниковые лазеры выделяются несколькими неповторимыми особенностями. В них, например, легко управлять интенсивностью излучения, модулировать его, для этого достаточно просто менять силу тока через переход; эти лазеры миниатюрны, только они пока могут на равных войти в современную электронику, где размеры деталей измеряются миллиметрами и микронами.
Идея полупроводниковых лазеров появилась лет двадцать назад, на заре квантовой электроники, огромный вклад в ее реализацию внесли советские физики, главным образом в Москве, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, и в Ленинграде, в Физтехе. В течение сравнительно короткого времени были найдены десятки полупроводниковых материалов для лазеров, созданы конкретные приборы. Однако долгие годы оставался практически неустранимым главный недостаток приборов — необходимость большого тока накачки. Из-за этого, в частности, лазеры, работающие в непрерывном режиме, приходилось сильно охлаждать, обычно до температуры жидкого азота (—196 °C). И именно идея гетеропереходов открыла путь к резкому снижению тока накачки.
В полупроводниковом лазере с простейшей гетероструктурой одна из областей кристалла, скажем зона р, образована из двух разных веществ (рис. 5). Причем вещество, которое находится дальше от р-n– перехода, имеет большую ширину запрещенной зоны. И благодаря этому оно как бы отталкивает в сторону р-n– перехода электроны, которые за счет диффузии неизбежно пролезают на чужую территорию. В более сложной структуре еще и вещество зоны n подбирают с таким расчетом, чтобы в нее за счет диффузии не протекали «дырки», В результате в узкой области самого перехода «бесплатно» повышается концентрация электронов и «дырок», а значит, уже нужен меньший ток для накачки лазера. И появляются гетеролазеры, дающие непрерывное излучение при сравнительно высокой температуре, вплоть до комнатной и выше. Впервые в мире такие лазеры были созданы в Физтехе в 1969 г.
Это только просто говорится «кристалл образован из двух разных веществ». В действительности же стыковка двух веществ в одном кристалле для лазера — дело очень сложное. Прежде всего нужно с высокой точностью согласовать постоянную решетки— расстояние между атомами исходных веществ (рис. 4).
Если постоянная решетки будет различаться хотя бы на несколько сотых долей ангстрема, то никакого лазера не получится, все излучение погибнет внутри кристалла, на его внутренних дефектах. Кроме того, должны быть подобраны температурные и оптические характеристики материалов. Переход от одного материала к другому должен сопровождаться определенным изменением ширины запрещенной зоны — в этом-то и смысл гетероперехода. Причем запрещенная зона активной области должна обеспечивать заданную длину волны излучения. Кстати, именно эта сторона дела была предметом исследований героев нашего повествования.