шаховой_юзюк_квантовая и оптоэлектроника

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Фотодиод является, по сути, обыкновенным полупроводниковым диодом. Полупроводниковый диод представляет собой прибор, состоящий из подключенного к источнику напряжения p- n-перехода. Как мы знаем, в p-n-переходе существует электрическое поле контактной разности

потенциалов , создающее барьер для переноса нос ителей через переход. Давайте посмотрим, что произойдет, если переход и соседние с ним области осветить светом.

Рис. I.19. Электронно-дырочный перехо д при освещении светом .

Предположим, что энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны, т.е. каждый квант света создает в переходе (слое толщиной ) или за его пределами пару электрон-дырка (генерация фотоэлектронов и дырок обозначена буквой на рис. I.19). Необходимо сразу сказать, что фотодиод освещают не перпендикулярно переходу, а со стороны p- или n-области. Если электроны и

дырки «рождаются» непосредственно в p-n-переходе, то их тут же подхватывает поле и разносит в разные стороны: электроны движутся в n-область, а дырки – в p-область. Если фотоносители появляются за пределами перехода, то их «судьба» будет зависеть от того, как далеко они родились от области, в которой присутствует контактная разность потенциалов. Так, если дырка «родилась» далеко от p-n-перехода в n-области, то она рекомбинирует с каким-нибудь основным носителем – электроном – и не успеет добраться до перехода. Это же справедливо и для электрона, появившегося «на свет» в p-области. Однако если дырка (электрон) родилась близко к переходу, то она может пройти к нему «незамеченной», а там ее подхватит поле и быстренько отправит к «своим» в p-область (n-область). Расстояние, которое может пройти электрон (дырка), «родившийся» в p-области (n-области), не «погибнув» при этом, называется диффузионной длиной. На самом деле такое определение диффузионной длины не совсем точное. Давайте представим кусок полупроводника, узкая полоска которого освещается светом. Под освещаемой областью образуются неравновесные носители, которые растекаются от нее в обе стороны. Концентрация неравно-

весных носителей будет убывать с расстоянием экспоненциально:					, где – диффузион-
ная длина. При	концентрация фотоносителей уменьшится в e раз. Отсюда вытекает опреде-

ление диффузионной длины: это такое расстояние, при котором концентрация неравновесных носителей уменьшается в раз. Вообще говоря, диффузионная длина различна для электронов и для дырок: (рис. I.19).

Если освещать фотодиод при отключенном внешнем напряжении и при разомкнутой цепи, то фотоэлектроны будут накапливаться в n-области, а дырки – в p-области. В результате этого

возникает поле , направленное противоположно полю . Другими словами, возникает разность потенциалов , т.е. фото-ЭДС. Если замкнуть внешнюю цепь, то в ней потечет ток, так называемый фототок. Если фотодиод работает в таком режиме, то говорят, что он работает как солнеч-

ный элемент.

О солнечных элементах Вы, скорее всего, уже много раз слышали. Они являются основными функциональными частями солнечных батарей. Для преобразования энергии солнечных лучей в электрическую используют кремниевые солнечные элементы. Оно и понятно – ширина запрещенной зоны в Si равна 1.1 эВ, поэтому почти все фотоны солнечного излучения способны создавать в кремниевом p-n-переходе электронно-дырочные пары. Фото-ЭДС таких фотоэлементов составляет несколько десятых долей вольта, поэтому их часто соединяют последовательно для получения напряжения в несколько вольт (солнечные батареи для космических аппаратов и других целей).

Как Вы уже, наверное, поняли, действие света, падающего на p-n-переход, аналогично действию внешнего источника напряжения, подключенного в прямом направлении. В обоих случаях происходит уменьшение потенциального барьера, поэтому увеличивается диффузионный ток.

21

(

ше.

На пути в эру нанотехнологий…

препятствует накоплению неравновесных носителей в соответствующих областях, поэтому при увеличении светового потока фото-ЭДС растет не линейно, а так, как показано на рис. I.20.

Рис. I.20. Зависимость фото -ЭДС Uф от светового пото ка.

Если к переходу подключить обратное смещение, то, как мы знаем, в нем возникает поле, равное . Если теперь осветить переход таким же светом, как и в предыдущем случае, то возникшие в переходе электронно-дырочные пары будут еще быстрее разноситься этим полем. Этот факт обусловливает очень быстрое реагирование фототока на изменение потока облучения

. Помните, когда мы говорили о фоторезисторах, мы упоминали об их высокой инерционности Гц)? Оказывается, что инерционность фотодиодов на несколько порядков мень-

Чем же обусловлена такая высокая скорость реагирования фотодиода? Так как сильное поле в переходе очень быстро разносит фотоэлектроны и дырки, то время пролета носителями об-

ласти поля примерно равно с. С такой же быстротой (т.е. с частотой порядка 10 ГГц), по идее, могут меняться световые импульсы, и фотодиод должен их без труда различать. В этом и состоит причина малой инерционности фотодиода. Однако в реальности, этот прибор не сможет распознать сигналы, меняющиеся с частотой в несколько гигагерц. Почему? Все очень просто: мы забыли учесть одну принципиальную особенность полупроводникового диода. Так как под действием света носители будут генерироваться не только в самом переходе, но и в соседних с ним областях, то через переход будут проходить и они, достигнув p-n-перехода с помощью диффузии. Такие носители пока «дойдут» до перехода (время диффузии примерно равно с), и рак на

горе, как говорится, свистнет. Из-за этого инерционность фотодиода в раз больше, чем могла бы быть в случае генерации носителей исключительно в области перехода ( МГц).

Рис. I.21. Схема устройства фото дио да.

Очевидно, что для уменьшения инерционности нужно каким-то образом уменьшить поглощение света в прилегающих к p-n-переду областях, особенно в n-области1. Тогда мы смогли бы избавиться от рождения носителей, достигающих перехода путем диффузии. Так вот, освещаемую область делают из n-полупроводника (так, правда, поступают не всегда) и, кроме того, делают ее очень тонкой (рис. I.21).Благодаря этому основная часть света будет поглощаться непосредствен-

но в самом переходе (слой на рисунке) и в находящемся за ним слое.

Было бы замечательно, если бы свет не попадал еще и в p-область, а полностью поглощал-

ся в переходе. Другими словами, необходимо увеличить до (в слое такой толщины поглощается почти 90% света). Тогда мы на несколько порядков уменьшили бы инерционность прибора. Такую задачу решают с помощью специальных p-i-n-фотодиодов, работающих на основе p-i-n-

перехода.

1 Действительно, из n-области к переходу диффундируют дырки, а так как их эффективная масса значительно больше эффективной массы электронов, то они гораздо медленнее.

22

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

p-i-n-фотодиод

Как говорилось выше, в p-n-переходе возникает обедненный носителями слой, который можно расценивать как нелегированный полупроводник с собственным типом проводимости. Наша главная задача сейчас состоит в том, чтобы найти способ увеличить толщину этого слоя до

. Оказывается, это можно легко сделать, если между p- и n-областями расположить слой понастоящему чистого полупроводника. Такой переход называют p-i-n-переходом (i – начальная буква английского слова «intrinsic», означающего собственный, нелегированный).

Рис. I.22. Конструкция p-i-n-фо тодио да: М – металлические контакты, П – просветляющее по крытие, Д – слой диэлектрика.

Устройство p-i-n-фотодиода схематически показано на рис. I.22. Здесь между сильнолегированными p+- и n+-областями2 расположен слой с собственной проводимостью. На освещаемую область (p+-область) наносят так называемое просветляющее покрытие – оно нужно для того чтобы уменьшить отражение света от поверхности полупроводника. Толщина i-слоя составляет

обычно около мкм. В случае кремния мкм для света с длиной волны мкм. Таким образом, в i-области поглощается примерно 80% света, поэтому можно считать, что все фотоэлектроны и дырки возникают в i-слое. Следовательно, быстродействие фотодиода будет определяться временем пролета носителей через слой с собственной проводимостью. Казалось бы, что фотоэлектроны и дырки слишком долго будут проходить через такой толстый слой полупроводника: соответствующие диффузионные длины и то меньше! Однако носители буквально «пролетают» через толстый i-слой без всяких препятствий. И вот почему.

Мы уже знаем, что длина свободного пробега электрона, обладающего волновыми свойствами, может быть очень большой, если электрон распространяется в идеальной периодической среде. А так как i-слой почти не содержит примесей, то можно считать, что он обладает идеальной кристаллической структурой. Когда мы подадим на p-i-n-фотодиод обратное смещение, почти все напряжение будет падать на i-области, так как в ней очень мало примесей, а, следовательно, она обладает очень высоким сопротивлением. В результате, в i-слое возникнет очень сильное поле, под действием которого фотоэлектроны и дырки будут набирать высокие скорости. Кроме того, в обедненном слое очень мало дырок и свободных электронов, с которыми бы рекомбинировали неравновесные носители. Таким образом, фотоэлектроны и дырки будут свободно дрейфовать через i-область с высокой скоростью.

В среднем время пролета составляет		с, таким образом, p-i-n-фотодиод без труда ре-
гистрирует световые импульсы с частотой изменения				Гц. В остальном принцип дей-

ствие p-i-n-фотодиода такой же, как и у обычного фотодиода на основе p-n-перехода.

Лавинный фотодиод

Когда мы прикладывали напряжение (прямое и обратное) к p-n-переходу, то ничего не говорили о зависимости между током, протекающим через переход, и приложенным напряжением. Эту зависимость еще также называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) или просто характеристикой перехода. Оказывается, что характеристика p-n-перехода отнюдь не является линейной (рис. I.23).

2 Верхний индекс + при букве p или n означает, что полупроводник сильно легирован соответственно акцепторной или донорной примесью.

23

На пути в эру нанотехнологий…

При прямом напряжении, как мы знаем, уменьшается потенциальный барьер, т.е. уменьшается сопротивление запирающего слоя, что приводит к увеличению диффузионного тока. В итоге, мы видим нелинейное возрастание прямого тока при увеличении прямого напряжения. Правда, как только потенциальный барьер становится равным нулю, обращается в нуль и сопротивление p-n-перехода, поэтому сопротивление в цепи будет обусловлено только сопротивлением р- и n-областей1. В результате, при некотором напряжении ВАХ становится почти линейной.

Рис. I.23. Вольтамперная характеристика p-n-перехо да.

Зависимость между током и обратным напряжением совсем другая. При увеличении обратного напряжения обратный ток сначала быстро возрастает. Это обусловлено тем, что уже при небольшом обратном напряжении потенциальный барьер становится непреодолимым для «тепловых» носителей, т.е. диффузионный ток становится равным нулю. А так как до этого «проти-

востоял» небольшому дрейфовому току, то сильно занижал обратный ток. Соответственно, резкое уменьшение диффузионного тока проявляется в резком увеличении обратного тока. Как только

становится равным нулю, зависимость обратного тока от напряжения превращается в зависимость дрейфового тока от напряжения. Дрейфовый ток, как мы знаем, обусловлен в данном

случае неосновными носителями, которых было мало при небольшом напряжении и столько же осталось при увеличении последнего. Таким образом, рост тока практически прекращается. Однако на графике видно, что медленное увеличение обратного тока все же происходит. Небольшое увеличение обратного тока при дальнейшем увеличении обратного напряжения обусловлено возникновением дополнительных неосновных носителей. Эти носители возникают за счет нагревания кристалла обратным током (то самое джоулево тепло, о котором мы упоминали выше). Мы, тем не менее, будем считать, что обратный ток при дальнейшем увеличении напряжения не изменяется. Однако это справедливо только при маленьких обратных напряжениях.

Необходимо заметить, что обычно ВАХ изображают таким образом, чтобы масштабы на осях, соответствующих прямому и обратному току (а также прямому и обратному напряжению) были разными. Так, по оси, соответствующей прямому току откладывают миллиамперы, а по оси обратного тока – микроамперы; масштаб на оси обратного напряжения обычно где-то в сто раз превосходит масштаб на оси прямого напряжения. В согласии с этими требованиями и выполнен рис. I.23.

Рис. I.24. ВАХ лавинного фото диода при различных световых по токах Φ.

А что произойдет, если сделать обратное напряжение достаточно большим? При высоких обратных напряжениях в переходе возникает очень сильное поле, благодаря которому электроны приобретают очень высокую скорость. Такой быстрый электрон, пролетая рядом с атомом кристаллической решетки, может выбить из него еще один электрон, который после этого станет «свободным». Другими словами, произойдет ударная ионизация атома. Выбитый электрон за счет

1 При малых напряжениях сопротивление p- и n-областей гораздо меньше сопротивления p-n- перехо да, поэтому мы им пренебрегали.

24

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

сильного поля также наберет большую энергию и сможет выбить электрон из другого атома. Этот процесс нарастает подобно лавине, и, в итоге, возникает лавинообразное усиление обратного тока.

Если p-n-переход, к которому приложено высокое обратное напряжение, осветить светом, то возникшие фотоэлектроны и дырки начнут быстро ускоряться. Как только они достигнут нужной энергии, они смогут совершить ионизацию атома и, таким образом, также будут участвовать в лавинном нарастании обратного тока. Фотодиоды, работающие при таких высоких обратных на-

пряжениях, называют лавинными фотодиодами.

На рис. I.24 показаны ВАХ лавинного фотодиода при различных световых потоках . Видно, что при разных потоках одному и тому значению обратного напряжения соответствуют разные обратные токи. Такое поведение очевидно – при большем световом потоке возникает больше неравновесных носителей, что соответствует большему обратному току. Лавинное возрастание обратного тока показано пунктирными линиями.

Чтобы описать увеличение обратного тока в лавинном фотодиоде, вводят величину , называемую коэффициентом умножения носителей. , где – число электронов, которые

появились в p-n-переходе в результате облучения, – число электронов, вышедших из области перехода. Понятно, что вышедших электронов будет гораздо больше, потому что многие из них

родятся в процессах ударной ионизации. специальных лавинных фотодиодов может достигать значений , поэтому их можно использовать для регистрации очень слабых световых сигналов. Действительно, при появившийся в результате поглощения одного фотона электрон может создать электронов! А это уже существенный ток.

Инерционность лавинных фотодиодов составляет около с.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС)

МДП-конденсатор

Вы, возможно, уже слышали о так называемых ПЗС-матрицах (или английское CCD – charge-coupled devices), которые служат чувствительным элементом в Ваших цифровых фотоаппаратах. И возможно, Вы не раз задавались вопросом: «а что же это такое?» Сейчас мы с Вами постараемся разобраться в этих удивительных устройствах, получивших сегодня широчайшее ра с- пространение.

Основным функциональным элементом ПЗС служит МДП-конденсатор1 (МДП – акроним от слов металл-диэлектрик-полупроводник). Этот прибор схематически показан на рис. I.25а. Он представляет собой слой диэлектрика (окисла), помещенного между металлическим электродом и слоем полупроводника. Если полупроводниковый слой заменить на еще один металлический, то полученное устройство будет обыкновенным плоским конденсатором. Именно отсюда и происходит название МОП-конденсатора. Для определенности будем считать, что в рассматриваемой нами МДП-структуре полупроводник является полупроводником p-типа.

Рис. I.25. Устройство МДП-конденсатора (а) и принципиальная схема передачи зарядового пакета с пом о- щью дву х МДП-структур (б): М – металл, Д – диэлектрик, П – полупроводник.

Давайте теперь подумаем, что произойдет, если на электрод (здесь его называют затво-

ром) подать положительный потенциал ? «Ток не потечет» – скажете Вы и, в принципе, будете правы: слой диэлектрика действительно препятствует протеканию тока. Но электрич еское поле создает в полупроводнике определенные изменения. Дырки, являющиеся основными носителями в полупроводнике p-типа, будут «выталкиваться» полем из области, непосредственно примыкаю-

1 Иногда МДП-структуры называют М ОП-конденсаторами – металл-окисел-полупроводник.

25

На пути в эру нанотехнологий…

щей к границе диэлектрика и находящейся точно под затвором. Глубина этой области составляет в среднем мкм. В итоге эта область становится обедненной – свободных носителей заряда здесь практически не останется. Представим теперь, что мы осветили эту область полупроводника, и в результате произошла генерация электронно-дырочных пар. Дырки, естественно, будут вытеснены полем, а электроны притянутся к диэлектрику и будут накапливаться под затвором. Получается, что электроны как бы сваливаются в потенциальную яму. Эта яма обозначена пунктиром на рис. I.25а. Глубина этой ямы будет зависеть от величины потенциала, приложенного к электроду – чем больше потенциал, тем глубже яма.

Огоньки на гирлянде

Представим теперь, что рядом с нашим затвором расположен еще один, и на него подан потенциал (рис. I.25б). Если затворы расположены достаточно близко, то потенциальные ямы, которые образуются под ними, объединяются. Если , то под вторым затвором яма будет обладать большей глубиной, и электроны перетекут в нее. Есть выражение: рыба ищет где глубже. Так вот электрон, словно рыба, тоже ищет где поглубже, поэтому стремится перейти в яму с более высоким потенциалом (т.е. в более «глубокую»). Совокупность электронов, перетекающих из одной ямы в другую, называют зарядовым пакетом.

Благодаря этому замечательному свойству электронов можно осуществить передачу зарядового пакета по полупроводнику с помощью всего лишь трех электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего. Давайте посмотрим, как это сделать.

На рис. I.26а изображена цепочка электродов, с помощью которой мы будем передавать зарядовый пакет. Так как для передачи необходимо всего три электрода, то считывание информ а- ции мы будем осуществлять с помощью трех тактовых шин (1, 2 и 3). Первая тактовая шина подает потенциал на передающие затворы, вторая – на принимающие, а третья – на разделяющие. Подадим на тактовую шину 1 потенциал, равный, скажем, В. В результате, под передающими затворами образуются потенциальные ямы соответствующей «глубины». При освещении в этих потенциальных ямах будут скапливаться электроны. Следующим тактом на первую шину вновь подадим В, на вторую – В, на третью – ничего. В результате рядом с первыми ямами под принимающими затворами образуются более глубокие потенциальные ямы. Как только электроны перетекут туда, снимем потенциал с первой шины, на вторую подадим В, а на третью – опять ничего. В итоге потенциальные ямы под передающими затворами исчезнут, а под принимающими затворами станут в два раза мельче, чем были. Четвертым тактом на первую шину не будем подавать потенциал, на вторую вновь подадим В, а на третью – В. Электроны теперь перетекут в более глубокие потенциальные ямы, образованные уже под изолирующими электродами. Пятым тактом уберем потенциал с первой и второй шин, а на третью шину подадим В. Потенциальная яма под принимающим затвором исчезнет, а под изолирующим «помельчает». Наконец, шестым тактом на первую шину подадим В, на втору – В, на третью – В. Электроны вновь перетекут в потенциальные ямы, находящиеся под передающими электродами. А дальше – твоя песня хороша, начинай сначала. Последовательность сигналов, подаваемых на шины, повторяется. На рис. I.26б показан цикл тактов, который только что был описан.

26

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

Рис. I.26. Простейший трехфазный ПЗС-регистр (а ) и примерный цикл тактов (б ).

Если бы мы смогли посмотреть в замедленном действии на перетекание зарядовых пакетов из одной ямы в другую, то это было бы очень похоже на бег огоньков в новогодней гирлянде. Каждый огонек – зарядовый пакет – отделяется один от другого изолирующим электродом, из-за чего тот и получил свое название. Прибор, изображенный на рис. I.26а называют, правда, не гирляндой, а простейшим трехфазным ПЗС-регистром.

Если ПЗС-регистр освещается неравномерно, то количество электронов, возникающих в ямах под передающими затворами, будет разным. Поэтому вдоль структуры мы будем передавать разные зарядовые пакеты. Зная, какая область регистра соответствует данному зарядовому пакету, можно судить о распределении интенсивности света по поверхности нашего регистра. Из таких одномерных регистров состоит уже упомянутая выше ПЗС-матрица, которая является одним из самых распространенных фотоприемников на сегодняшний день. Вообще говоря, принцип счит ы- вания сигнала с двумерной матрицы ПЗС сложнее, чем с одномерного регистра, поэтому в этой книге мы его рассматривать не будем. Тем, кому не терпится об этом узнать, советуем прочитать статью Л. Лазовского под названием «Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир».

Перейдем сразу к характеристике фотоприемников на ПЗС. Основными преимуществами ПЗС являются: малое потребление энергии во время считывания, маленькие рабочие напряжения

( В), высокая разрешающая способность. Кроме того, приборы с зарядовой связью имеют высокий срок службы и хорошую чувствительность. Главным недостатком этих приборов является трудность их изготовления. Тем не менее, с этой проблемой сегодня справляются очень успе ш- но, а широкое распространение ПЗС на мировом рынке позволило значительно снизить их стоимость.

Биографическая ремарка

Уиллард Бойл и Джордж Смит

Уиллард Бойл родился 19 августа 1924 года в Амхерсте, Новая Шотландия (Канада). Когда Уилларду исполнилось два года, семья переехала в Шодьер – административный регион провинции Квебек, Канада. Дом Бойлов был расположен на севере Квебека, и ближайшая школа находилась на расстоянии 30 миль, так что мать Уилларда, Бернис Дьюар, взяла на себя труд обучать с ы- на на дому. Хотя Бернис не была преподавателем, мальчик получил неплохое образование с хорошим введением в исчисление, египетскую историю и радиотехнику. Это сформировало прочный фундамент для будущего обучения. Наконец, в четырнадцать лет Уиллард начал формальное об у- чение, поступив в ближайшем городе, Монреале, в колледж. После окончания колледжа Бойл поступает в университет МакГилла, где в 1947 получает степень бакалавра, в 1948 – степень магистра, и уже в 1950 становится доктором философии по физике. В 1953 году Уиллард Бойл начал работу в Bell Telephone Laboratories (Bell Labs), где в 1962 году становится директором подразделения полупроводниковых приборов.

27

На пути в эру нанотехнологий…

Джордж Смит родился 10 мая 1930 года в городке Уайт Плэйнс, штат Нью-Йорк. Судьба распорядилась так, что рос он в разных штатах и учился в разных школах. В 1948 году он отправился служить в военно-морской флот США, где провел четыре года в качестве помощника метеоролога. В 1952 году Дж. Смит поступает в Пенсильванский университет, который оканчивает в 1955, а в1959 получает степень доктора философии (кандидата наук) по физике. После этого м о- лодой ученый был приглашен на работу в исследовательский отдел Bell Labs, где вскоре стал руководителем одного из отделов, который принадлежал подразделению полупроводниковых пр и- боров, находящемуся под руководством У. Бойла.

Отделением электроники в Bell Labs руководил вице-президент Джек Мортон. Он стремился ускорить разработку так называемых цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), являвшихся основой технологии для устройств памяти. Заходила речь о переброске ресурсов из отделения Бойла в другое, где шла работа над ЦМД. Чтобы этого не произошло, Мортон потребовал от отделения Уилларда Бойла сделать полупроводниковое устройство, которое могло бы соперничать с ЦМД. 17 октября 1969 года Смит и Бойл собрались в кабинете для обсуждения нового устройства. В ходе «мозгового штурма», который длился чуть более часа, на доске появился набросок структуры ПЗС, был определѐн принцип действия и возможные области применений.

После нескольких недель работы Смит попросил изготовить модель нового устройства. К некоторому удивлению самих изобретателей, самая первая модель заработала так, как предполагалось. Так родился первый трехфазный ПЗС-регистр. Одним из главных направлений последовавшего периода стремительного развития как в Bell Labs, так и в других компаниях, было создание матричного фотоприѐмника для видеотехнических приложений.

Сегодня ПЗС-матрицы с большим успехом применяются в цифровых фотокамерах и фотоаппаратах, в качестве фотоприемников в различных приборах, как то: спектрометрах, рентгеновских дифрактометрах, микроскопах; наибольшим успехом ПЗС-устройства пользуются в астрофизике. С момента создания ПЗС совершили настоящий переворот в наблюдательной астрономии, позволив дальше, чем когда либо прежде заглянуть в глубины Вселенной и установив новый стандарт точности и достоверности получаемых данных.

Вначале 90-х годов ПЗС-камеры стали выпускаться серийно, и их цены упали до уровня, доступного любителям астрономии развитых стран, и сейчас с каждым годом количество продаж этих приборов постоянно растет. Сегодня серийное производство ПЗС-матриц осуществляется многими фирмами, такими как: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace,

SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

В2009 году Уиллард Бойл и Джордж Смит были удостоены Нобелевской премии по физике за изобретение ПЗС. В 2010 году Бойл также удостоился высшей гражданской правительственной награды Ордена Канады.

К сожалению, мы с Вами рассмотрели далеко не все фотоприемники, которые находят сегодня применение. Мы познакомились лишь с самыми популярными из них. Однако спешим Вас уверить, что зная приведенный выше материал, Вы сможете без труда разобраться практически с любым другим полупроводниковым приемником излучения. Что касается усовершенствования фотоприемников с помощью нанотехнологий, то надо сказать, что особого внимания заслуживают новые технологии создания тонких пленок, которые помогут упростить и удешевить полупроводниковые устройства. Основной тенденцией развития полупроводниковых приемников света является использование идей квантовой механики в давно испытанных и проверенных временем фотоприемниках с целью их усовершенствования и расширения их возможностей. Но еще раз повт о- рим : все новое – это хорошо забытое старое, поэтому, начав знакомство с традиционными, «изношенными до дыр» фотоприемниками, Вы на самом деле начинаете свое знакомство с нанотехнологиями. И уж поверьте, такое знакомство принесет Вам гораздо больше плодов, чем бессмысленное использование непонятных слов с пресловутой приставкой «нано».

28

Шаховой Р.А., Юзюк Ю.И.

II. ЛАЗЕРЫ

Где лазеры берут начало…

Слово "лазер" составлено из начальных букв английского словосочетания Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), что в переводе на русский язык означа-

ет: усиление света вынужденным испусканием излучения. Каждый человек хотя бы смутно, но представляет, что такое лазер. Возможно, для современных детей это слово станет одним из первых в их лексиконе после «мама» и «дай»! Правда, только по окончанию школы дети узнают (хотя и не все), что лазер, оказывается, является квантовым генератором.

Историю лазера нужно начинать с 1917 года, когда Альберт Эйнштейн впервые ввел понятие о вынужденном (индуцированном) излучении. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 году на возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн при их прохождении через вещество. В 1951 году В. А. Фабрикант (вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой) подал заявку на изобретение способа усиления электромагнитных волн при помощи вынужденного излучения. В мае 1952 года физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Этот усилитель они назвали "молекулярным генератором". И, наконец, в 1954 году молекулярный генератор, названный вскоре «ма-

зером» (MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), стал реальностью.

Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара – в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (группой под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова) и в Колумбийском Университете в США (группой под руководством Ч. Таунса).

Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave – микроволновый) буквой " L " (начальная буква слова Light – свет). Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его (это направление) называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.

В 1960 году в двух научных журналах появилось сообщение американского физика Т. Меймана о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так мир узнал о рождении первого "оптического мазера" – рубинового лазера. В том же 1960 году американским физикам А. Джавану, В. Беннету и Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 году. В 1962-1963 гг. в СССР и США почти одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. В 1964 году за фундаментальные работы в области квантовой электроник и Басову, Прохорову и Таунсу была вручена Нобелевская премия.

Лазерная техника начинает развиваться исключительно быстрыми темпами. Появляются новые типы лазеров, усовершенствуются старые. Так начался новый, "лазерный", период оптики.

Как они работают?

Основные понятия

Человек перестает удивляться даже самым невероятным вещам, если они становятся ч а- стью его жизни. Если же внезапно находится решение сложнейшей задачи, то люди удивляются только одному: почему это решение не было найдено раньше?! Так же было и с лазерами. Принцип их работы достаточно прост.

Для того чтобы перевести атом в возбужденное состояние, не обязательно заставлять его столкнуться с другим атомом – достаточно просто посветить на него светом. Фотон, сталкиваясь с атомом, поглощается, а сам атом переходит при этом в возбужденное состояние. Теперь внима-

ние! Возбужденное состояние является неустойчивым, и через очень короткое время (	–

с) атом переходит обратно в устойчивое состояние. Если выполнены определенные условия, то обратный переход происходит с излучением фотона. На рис. II.1 вновь изображена условная

29

На пути в эру нанотехнологий…

схема энергетических уровней атома водорода, только теперь на ней показаны также переходы «сверху вниз».

Понятно, что не любой фотон способен перевести атом в возбужденное состояние. Это может сделать лишь такой фотон, энергия которого точно соответствует разности энергий между уровнем, занятым атомом, и каким-либо свободным уровнем.

Рис. II.1. Схема межуровневых перехо дов в атоме водорода .

Переходы с возбужденных уровней могут осуществляться как в основное состояние, так и на другие возбужденные уровни, расположенные «ниже». Вообще говоря, переходы «сверху вниз» не обязательно происходят с испусканием фотона. Электрон может перейти в более низкое энергетическое состояние и безызлучательно, отдав энергию на нагревание вещества.

Теперь рассмотрим некоторый газ, состоящий из одинаковых атомов. Атомы газа расположены на большом расстоянии друг от друга (по сравнению с жидкостью и твердым телом) и, соответственно, сравнительно слабо взаимодействуют между собой1. Каждый из атомов может находиться как в своем стационарном состоянии, так и в каком-нибудь возбужденным состоянии. Заметим, что говоря здесь о «состоянии» мы подразумеваем «электронное» состояние атома, совершенно при этом не учитывая квантовые состояния атомного ядра, а также кинетическую энергию атома. Итак, пронумеруем стационарные состояния атома (1,2, … , i, …) и обозначим соответствующие этим состояниям энергии через (на рис. II.1 использованы такие же обозначения). Газ можно охарактеризовать средним числом атомов , находящихся в состоянии i и обладающих энергией . Это число атомов называют заселенностью уровня i.

В квантовой механике уровень энергии частицы, которому соответствуют несколько состояний этой частицы, называют вырожденным. В данном случае говорят не о заселенности уровня, а о его кратности вырождения, т.е. о числе состояний, соответствующих данному энергетическому уровню.

Давайте рассмотрим простой пример, хоть и не касающийся квантовой механики, но наглядно показывающий суть дела. Пусть на столе лежит обыкновенный CD-диск «блестящей» по-

верхностью вверх. Если мы знаем массу диска и высоту стола	над уровнем пола, то мы без
труда сможем посчитать его потенциальную энергию :	, где	– ускорение

свободного падения. Перевернем теперь диск этикеткой вверх. Совершенно очевидно, что поте н- циальная энергия диска не изменилась. Таким образом, одному и тому же значению энергии соответствуют две ориентации диска, т.е. два разных его положения (состояния). Поэтому говорят, что потенциальная энергия диска вырождена и имеет кратность вырождения, равную двум.

В газе, как уже было сказано, атомы практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому все энергетические уровни совпадают (снова подчеркнем, что это так только в том случае, если газ состоит из одинаковых атомов). Так как подавляющая часть атомов находится в основном состоянии, то иногда такой газ условно называют полностью вырожденным, хотя нужно понимать, что это не то вырождение, о котором идет речь в квантовой механике. В последней, еще раз заметим, под вырождением понимается наличие нескольких квантовых состояний частицы, соответствующих одному и тому же значению ее энергии.

Вернемся к энергетическим переходам атомов. Как Вы уже, наверное, догадались, ключевую роль в нашем вопросе играют излучательные переходы. Именно о таких переходах мы с Вами

1 Естественно , атомы газа испытывают соударения как со стенками сосуда, в ко тором они находя т- ся, так и друг с другом. В этом плане они взаимодействуют между собой, т.е . обмениваются кинетической энергией, меняют свою траекторию и т.п. Однако э ти соударения сравнительно редки, поэ тому можно сч и- тать, ч то атомы практически все время находятся в свободном состоянии, т.е. на них не действуют никакие поля (как внешние, так и внутренние). Именно в этом смысле и говорится, что атомы не взаимодейству ют между собой. Таким образом, если атомы не взаимодействуют, то можно считать, что энергетические с о- стояние электронов всех атомов одинаковы (если атомы одинаковы).

30