вход Вход Регистрация



Область науки, которая изучает измерение, называется метрологией. Слово "метрология" образованное из двух греческих слов: "μέτροη" — мера и "λόγοξ" — наука. Дословный перевод — наука о мерах. Очевидно является достаточно общим местом рассказ о большом значении метрологии для существования и развития людской цивилизации. Современное состояние метрологии определяется двумя мощными , дополняющими друг друга направлениями ее текущего состояния и стремительное беспрерывного развития.

Одно направление можно характеризовать как прикладной , так называемую "техническую метрологию" , которая непосредственно обеспечивает производство средствами измерения .

Второй направление – это так называемая "лабораторная метрология ", которая обеспечивает научный фундамент создания средств измерения , ведет поиск принципиально новых методов и принципов измерения на началах новейших физических явлений. Кроме того достаточно большой сектор это направления выполняет задачу по поиску эффективных с точки зрения точности, удобства , экономичности алгоритмов обработки результатов измерений и доступности их восприятие . Научным фундаментом метрологии как науки есть статистические математические методы поиска наиболее достоверного ответа на вопрос относительно величины параметра, который измеряется. При этом с точки зрения метрологии правильный ответ на этот вопрос должна содержать не только величину параметру, но и достоверность ее значения. Мы являются свидетелями взрывоподобного роста уровня технического обеспечения средств измерения в плане почти сплошного перехода на использование микропроцессорных измерительных систем и средств , индикации и восприятие полученной информации.

В тот же самое время в теоретическом плане мы пользуемся заделом талантливых и гениальных ученых 16 -20 столетий и альтернативы методам теории вероятностей или и математической статистики пока что не видно. Очевидно новым толчком будет осмысление возможностей визуального моделирования статистической природы нашего бытия. Задачам , которой относится в "конспекте" относительно обучения специалистам по электронной технике есть обретения ими привычек научного подхода к процессам измерения и усвоение методологии инженерного решения метрологических проблем на производстве или научных лабораториях при них возникновении.

Случайные новости

2.7 Полупроводниковые ОКГ (ПКГ)

Особую группу ОКГ на твердом теле представляют полупроводники ОКГ или ПКГ, отличительной особенностью которых является использование в качестве активного элемента кристалла полупроводника, возбуждаемого либо электрическим током (инжекцией носителей через р-n переход), либо пучком электронов высокой энергии. В этой связи различают инжекционные ПКГ и ПКГ с электронным возбуждением.

ПКГ- самые малогабаритные из всех типов ОКГ. Указанное свойство является и причиной сравнительно небольшой (по сравнению с твердотельными и газовыми ОКГ) мощности излучения этих генераторов (ср. мощность 10мВт).

Рекомбинация электронов и дырок в лазерном диоде, сопровождающаяся рождением фотонов излучения, происходит в активной области р-n перехода. Индуцированное излучение в ПКГ возникает за счет перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону, сопровождающегося излучением фотонов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны.

Ширина энергетического слоя зоны проводимости, из которых осуществляется переход электронов в валентную зону, и энергетического слоя ВЗ, занятого дырками, в который переходят электроны из ЗП равна kT, где k-постоянная Больцмана, Т-абсолютная температура.

Лазерные диоды изготавливаются из целого ряда полупроводниковых проводников материалов: ZnS, CdS, GaAs и др., отличающихся как химическим составом, так и шириной ЗЗ, определяющей длину волны излучения. Наибольшее практическое применение из указанных материалов нашел GaAs, обладающем наилучшими генерационными характеристиками и наилучшим порогом возбуждения.

Энергетические уровни электронов атомов полупроводников располагаются в валентных зонах и зоне проводимости, разделенных соответствующими запрещенными зонами, причем ширина ЗЗ DЕ колеблется, в зависимости от типа полупроводника, в пределах от сотых долей до 2-3эВ. Наинизший уровень ЗП называется дном зоны проводимости и обозначается ЕС, а наивысший уровень

ВЗ - потолком ВЗ Еv.

Если электрон, приобретая дополнительную энергию, превышающую ширину ЗЗ , переходит в ЗП, то в ВЗ появляется вакантный уровень и соответствующий ему положительный заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона и называемый дырой. Электроны и дырки в полупроводнике являются носителями электрического тока.

Поскольку электроны, отдавая избыточную энергию кристаллической решетке, стремятся занять состояние с минимальной энергией, они в первую очередь заполняют уровни в валентной зоне и лишь небольшая их часть попадает в зону проводимости.

Распределение электронов по энергетическим уровням описывается функцией Ферми-Дирака: [1-3]

,

где: fn (Е) - характеризует вероятность занятия квантового состояния с энергией Е; k – постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Еф - уровень Ферми электронов.

Функция Ферми для дырок [1-3] :

Из этих функций следует, что при температуре абсолютного нуля (Т=0К) для уровней Е>ЕФ величина fn (E) = 0, а для Е<ЕФ равна 1. Это означает, что при Т=0К все уровни ниже уровня Ферми заняты электронами, а все уровни выше уровня Ферми свободны.

Поскольку fn (E) =1 при Е<ЕФ и fn (Е) =0 при Е>ЕФ, уровень Ферми должен располагаться ниже дна зоны проводимости и выше потолка валентной зоны, т.е. где-то в запрещенной зоне. Для чистого (беспримесного) полупроводника, называемого собственным полупроводником, уровень Ферми расположен вблизи середины ЗЗ. При Т>0 часть электронов, получив энергию от кристаллической решетки, переходит в зону проводимости, и вид функции Ферми изменится. Уровень Ферми можно определить и как уровень, вероятность занятия которого электроном равна 0, 5.Действительно, из последних формул следует, что при и Е=ЕФ fn (Е) =0, 5.

При облучении полупроводника некоторая часть электронов, получая дополнительную энергию, превышающую ширину ЗЗ, переходит из ВЗ в ЗП, а другая часть, находящаяся в ЗП, совершает обратный переход, занимая свободные уровни в ВЗ и излучая избыточную энергию ввиде фотонов света с энергией hn>DЕ, причем вероятности этих переходов Р12 и Р21 равны.

Обычный полупроводник в нормальных условиях будет в основном поглощать фотоны.

Для того, чтобы полупроводник усиливал свет, необходимо обеспечить выполнение условия инверсной населенности для полупроводника, необходимого для возникновения стимулированного излучения (N2 >N1).

Условие превращения полупроводника в активную среду эквивалентно условию, при котором вероятность занятия электроном некоторого уровня в зоне проводимости оказывается выше вероятности занятия уровня в ВЗ.

Другими словами: усиление света полупроводником возможно в том случае, если в ЗП имеются энергетические уровни, вероятность занятия которых больше, чем вероятность заселения некоторых уровней в ВЗ.

В случае введения донорных примесей, уровни электронов которых ЕД расположены вблизи дна зоны проводимости (рис.2.13), возможен переход электронов донорных атомов в ЗП. Чем больше концентрация доноров, тем большее количество электронов может переходить в ЗП. Это вызывает смещение уровня Ферми вверх, в сторону ЗП (рис.2.13), причем степень смещения тем больше, чем выше концентрация примесей. При концентрациях 1018 – 1019 см-3 уровень Ферми располагается в ЗП (рис.2.13). Такой полупроводник n-типа называется вырожденным.

В случае введения акцепторных примесей, уровни электронов которых расположены вблизи потолка ВЗ, наблюдается переход дырок в ВЗ, т.е. заселение этой зоны вблизи ее потолка дырками (обеднение электронами).

Рост заселенности ВЗ дырками приводит к смещению уровня Ферми вниз, причем это смещение тем больше, чем больше концентрация примеси. При концентрациях примесей порядка 1017 –1018 см-3 уровень Ферми оказывается в ВЗ, а полупроводник превращается в вырожденный по дыркам. При таком расположении уровня Ферми в ВЗ появляется слой уровней, вероятность заселения которых электронами оказывается меньше 0, 5 (рис.2.13). Если соединить два полупроводника, один из которых является вырожденным полупроводником n-типа, а второй - вырожденным полупроводником p-типа (рис.2.13) и обеспечить полный электрический и тепловой контакт между обоими образцами, то за счет диффузии электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и дырок из p-типа в n-типа, то первый зарядится положительно, а второй отрицательно, в результате чего в области p-n перехода возникает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему проникновению основных носителей электрического тока. При соединении полупроводников различных типов уровень Ферми обоих образцов должен быть единым, и энергетические уровни зон в условиях равновесия перераспределяются так, как это показано на рис.2.13.

Если теперь к концам полупроводника подвести прямое напряжение, потенциальный барьер существенно снизится, и распределение уровней приобретает вид, подобный изображенному на рис.2.12, е.

Рассмотрим некоторое сечение 1-1 в области p-n перехода. К этому сечению со стороны полупроводника n-типа диффундируют электроны с энергией большей , а со стороны полупроводника p-типа - дырки с энергией, меньшей .

Тогда распределение уровней электронов в сечении 1-1 в ЗП полагаем совпадающим с функцией Ферми при Е> для полупроводника n-типа, а в валентной зоне- с функцией Ферми при Е< для полупроводника p-типа. В силу резкого снижения высоты потенциального барьера снимаются препятствия на пути движения носителей заряда, в результате чего электроны из зоны проводимости полупроводника n-типа и дырки из ВЗ полупроводника p-типа движутся навстречу друг другу и рекомбинируют в окрестности p-n перехода, преимущественно в области полупроводника p-типа.

а – расположение энергетических уровней доноров ЕД и акцепторов Еа; б – функция Ферми полупроводника, легированного донорами; в – функция Ферми вырожденного полупроводника n – типа; г – функция Ферми вырожденного полупроводника р – типа; д – энергетические уровни в области р-n перехода; е – энергетические уровни и функции Ферми в области р-n перехода при подаче прямого смещения.

Рисунок 2.13. К пояснению принципа действия инжекционных ПКГ. [6]

Поскольку излучение возникает за счет рекомбинации носителей заряда, вводимых или инжектируемых в область p-n перехода, полупроводник ОКГ, работающие на этом принципе, получили название инжекционные полупроводник ОКГ.

Чем больше количество носителей тока инжектируется в область p-n перехода, тем больше будет актов рекомбинации электронов и дырок, и тем больше будет интенсивность возникающего потока фотонов и коэффициентов усиления активной среды.

Если в усилительную среду ввести положительную обратную связь, последняя превращается в генератор. В полупроводниковом ОКГ положительная обратная связь обеспечивается за счет параллельных отражающих зеркал, образующих интерферометр Фабри-Перо. Роль этих зеркал в активных элементах ПКГ выполняют сколотые грани кристалла полупроводника, отражение от которых возникает за счет разницы в коэффициентах преломления полупроводника и воздуха. Коэффициент отражения в этом случае достигает 30%, что оказывается достаточным для обеспечения условия самовозбуждения генератора.

На рис.2.14 изображена конструкция активного элемента ПКГ (так называемого гомоструктурного лазерного диода). [6]

1- слой GaAs – n - проводимость (n - область)

2- слой GaAs – р - проводимость (р - область)

3- p-n переход

4- омические контакты, к которым подводятся импульсы

тока накачки от генератора импульсного тока.

Рисунок 2.14. Конструкция лазерного диода

ПКГ с электронным возбуждением.

Стимулированное излучение в ПКГ может быть получено путем воздействия на полупроводник потока электронов высокой энергии.

1- пучок электронов; 2- мишень-кристалл полупроводника; 3- отполированные грани кристалла, образующие естественный резонатор Фабри-Перо; 4- выходное излучение; 5- подложка. [6]

Рисунок 2.15. Упрощенная конструкция ПКГ с электронным возбуждением.

Пучок электронов 1 направляется на мишень-кристалл полупроводника 2 с отполированными гранями 3. При столкновении электронов пучка с атомами полупроводника в последнем образуются электронно-дырочные пары, причем для образования одной пары необходимо затратить энергию в 3-4 раза превышающую ширину ЗЗ в полупроводнике, поскольку значительная доля энергии электронов пучка тратится на взаимодействие с кристаллической решеткой при их проникновении вглубь вещества.

Рекомбинация образовавшихся при возбуждении электронно-дырочных пар сопровождается стимулированным излучением. Для снижения порога генерации активные элементы ПКГ (кристаллы полупроводника) обычно охлаждают до температуры жидкого гелия или азота.

© 2019
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру