355 500 произведений, 25 200 авторов.

Электронная библиотека книг » Большая Советская Энциклопедия » Большая Советская Энциклопедия (ПО) » Текст книги (страница 77)
Большая Советская Энциклопедия (ПО)
  • Текст добавлен: 7 октября 2016, 13:23

Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ПО)"


Автор книги: Большая Советская Энциклопедия


Жанр:

   

Энциклопедии


сообщить о нарушении

Текущая страница: 77 (всего у книги 147 страниц)

Полупроводниковый лазер

Полупроводнико'вый ла'зер , полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В П. л., в отличие от лазеров др. типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла (см. Твёрдое тело ). В П. л. возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность П. л. – малые размеры и компактность (объём кристалла ~10-6 —10-2см3 ). В П. л. удаётся получить показатель оптич. усиления до 104 см-1 (см. Усиления оптического показатель ), хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения (см. ниже). Другими практически важными особенностями П. л. являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30—50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц ); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

  Люминесценция в полупроводниках . При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция ) или передаваться колебаниями кристаллической решётки , т. е. переходить в тепло. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупроводников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупроводниках (например, GaAs, CdS) при очистке и легировании она может приближаться к 100%.

  Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накачки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно-дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электрическим полем). При малой скорости образования избыточных электронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспорядочный (спонтанный) характер и используется в нелазерных полупроводниковых источниках света (см. Светоизлучающий диод ). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. лазерный эффект, необходимо создать особое состояние люминесцирующего кристалла – состояние с инверсией населённостей .

  Рекомбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны DE полупроводника (рис. 1 , а); при этом длина волны l » hc/ DE , где h – Планка постоянная , с – скорость света.

  Инверсия населённостей в полупроводниках . Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может наблюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu . Преобладание числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1 /2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1 /2 . Если  и  – квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hn (где n – частота излучения) выражается формулой:

> hn.

  Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1 , б), т. е. реализуется оптическое усиление.

  В П. л. применяют следующие методы накачки: 1) инжекция носителей тока через р—n- переход (см. Электронно-дырочный переход ), гетеропереход или контакт металл – полупроводник (инжекционные лазеры); 2) накачка пучком быстрых электронов; 3) оптическая накачка; 4), накачка путём пробоя в электрическом поле. Наибольшее развитие получили П. л. первых двух типов.

  Инжекционные лазеры . Лазер на р—n- переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р—n -переходу (рис. 2 ), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2 , а при пониженной температуре ~ 102 A/см2,рис. 3 ). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

  Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры (рис. 4 ). Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами , один из которых (типа р—n ) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р ) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в П. л. На р—n -переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у П. л. на р—n -переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

  П. л. инжекционного типа (рис. 5 ) работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (l = 850 нм ) и около 10 мвт (Pbx Sn1-x Te) в средней ИК области (l = 10 мкм ). Недостаток инжекционных лазеров – слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

  П. л. с электронной накачкой. При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ~ 103 —106 эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары; количество пар, создаваемое одним электроном, ~W /3DE . Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность П. л. достигает 106вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника (рис. 6 ). П. л. с электронной накачкой содержит электронный прожектор, фокусирующую систему и полупроводниковый кристалл в форме оптического резонатора, помещенные в вакуумную колбу (рис. 7 ). Техническое достоинство П. л. с электронной накачкой – возможность быстрого перемещения (сканирования) электронного пучка по кристаллу, что даёт дополнительный способ управления излучением. Т. к. заметная часть энергии электронного пучка тратится на разогрев решётки кристалла, то кпд ограничен (~1 /3 ); на каждую электронно-дырочную пару расходуется энергия 3DE , а испускается фотон с энергией ~DE

  Полупроводниковые лазерные материалы. В П. л. используются главным образом бинарные соединения типа А3 В5 , А2 В6 , А4 В6 и их смеси – твёрдые растворы (см. табл.). Все они – прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или др. электронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных в табл. веществ, имеется ещё некоторое количество перспективных, но мало изученных материалов, пригодных для П. л., например др. твёрдые растворы. В твёрдых растворах величина DE зависит от химического состава, благодаря чему можно изготовить П. л. на любую длину волны от 0,32 до 32 мкм.

  Применение П. л.: 1) оптическая связь (портативный оптический телефон, многоканальные стационарные линии связи); 2) оптическая локация и специальная автоматика (дальнометрия, высотометрия, автоматическое слежение и т.д.); 3) оптоэлектроника (излучатель в оптроне , логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти, см. Голография ), 4) техника специального освещения (скоростная фотография, оптическая накачка др. лазеров и др.); 5) обнаружение загрязнений и примесей в различных средах; 6) лазерное проекционное телевидение (рис. 8 ).

Полупроводниковые лазеры (Э – накачка электронным пучком; О – оптическая накачка; И – инжекционные лазеры; П – накачка пробоем в электрическом поле)


Полупроводник Длина волны излучения, мкмМаксимальная рабочая температура, К Способ накачки
ZnS ZnO Zn1-x Cdx S ZnSe CdS ZnTe CdS1-x Sex CdSe CdTe 0,32 0,37 0,32—0,49 0,46 0,49—0,53 0,53 0,49—0,68 0,68—0,69 0,79 77 77 77 77 300 77 77 77 77 Э Э Э Э Э, О, П Э Э, О Э, О Э
GaSe GaAs1-x Px Alx Ga1-x As Inx Ga1-x P GaAs lnP Inx Ga1-x As InP1-x Asx InAs InSb 0.59 0,62—0,9 0,62—0,9 0,60—0,91 0,83—0,90 0,90—0,91 0,85—3,1 0,90—3,1 3,1—3,2 5,1—5,3 77 300 300 77 450 77 300 77 77 100 Э, О Э, О, И О, И О, И Э, О, И, П О, И, П О, И О, И Э, О, И Э, О, И
PbS PbS1-x Sx PbTe PbSe Pbx Sn1-x Te 3,9—4,3 3,9—8,5 6,4—6,5 8,4—8,5 6,4—31,8 100 77 100 100 100 Э, И О, И Э, О, И Э, О, И Э, О, И

  Историческая справка. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н. Г.Басовым , Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение р—n -переходов для этих целей было предложено в 1961 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. П. л. на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств р—n -переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию П. л., были удостоены Ленинской премии в 1964 (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачёв, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). П. л. с электронным возбуждением впервые осуществлен в 1964 Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, А. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании П. л. с оптической накачкой. В 1963 Ж. И. Алферов (СССР) предложил использовать гетероструктуры для П. л. Они были созданы в 1968 Ж. И. Алферовым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.

  Лит.: Басов Н. Г.. Крохин О. Н., Попов Ю. М., Получение состояний с отрицательной температурой в р—n-переходах вырожденных полупроводников, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1961, т. 40, в. 6; Басов Н. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, «Успехи физических наук», 1965, т. 85, в. 4; Пилкун М., Инжекционные лазеры, «Успехи физических наук», 1969, т. 98, в. 2; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, «Квантовая электроника», 1972, № 6 (12); Басов Н. Г., Никитин В. В., Семенов А. С., Динамика излучения Инжекционных полупроводниковых лазеров, «Успехи физических наук», 1969, т. 97, в. 4.

  П. Г. Елисеев, Ю. М. Попов.

Рис. 8. Схема проекционного лазерного телевизора: 1 – электронная пушка; 2 – фокусирующая и отклоняющая система; 3 – полупроводниковый кристалл – резонатор; 4 – объектив; 5 – экран.

Рис. 6. Схематическое изображение полупроводниковых лазеров с электронной накачкой: а – поперечной, б – продольной.

Рис. 7. Полупроводниковый лазер с электронной накачкой в отпаянной вакуумной трубке.

Рис. 2. Инжекционный лазер на р-n-переходе.

Рис. 3. Схема энергетических зон в р-n-переходе: а – при отсутствии тока; б – при сильном прямом токе; носители диффундируют в области, прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары.

Рис. 4. а – лазер на гетеропереходе (двусторонняя гетероструктура), б – его энергетическая схема.

Рис. 1. Энергетические схемы: а – накачки и излучательной рекомбинации в полупроводнике; б – оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи краев зон – дна Ес зоны проводимости и потолка Еn валентной зоны; DЕ – ширина запрещенной зоны,  и  – квазиуровни Ферми для электронов проводимости и дырок.

Рис. 5. Образцы инжекционных лазеров.

Полупроводниковый спектрометр

Полупроводнико'вый спектро'метр , устройство для измерений различных характеристик ядерных излучений и элементарных частиц (измерения спектров и интегральных потоков излучений, выделение ядерных реакций определённого типа и т.д.), основным элементом которого является полупроводниковый детектор . Оконечной частью П. с., как правило, являются многоканальные анализаторы и ЭВМ. Для достижения высокого энергетического разрешения П. с. и предусилители охлаждают, помещая их в криостат .

Полупроводниковый стабилитрон

Полупроводнико'вый стабилитро'н , полупроводниковый диод , на выводах которого напряжение остаётся почти постоянным при изменении в некоторых пределах величины протекающего в нём электрического тока. Рабочий участок вольтамперной характеристики П. с. находится в узкой области обратных напряжений, соответствующих электрическому пробою его р—n -перехода. При напряжениях пробоя Unp < 5 в механизм резкого возрастания тока (пробой) связан с туннельным эффектом , а при Unp > 6,5 в – с лавинным умножением носителей заряда; при промежуточных напряжениях генерируемые первоначально (вследствие туннельного эффекта) носители заряда создают условия для управляемого лавинного пробоя. В СССР выпускаются (1975) кремниевые П. с. на различные номинальные напряжения стабилизации в диапазоне от 3 до 180 в. П. с. применяют главным образом для стабилизации напряжения и ограничения амплитуды импульсов, в качестве источника опорного напряжения, в потенциометрических устройствах.

  Лит.: Михин Д. В., Кремниевые стабилитроны, М. – Л., 1965.

  И. Г. Васильев.

Полупродукт

Полупроду'кт в металлургии, жидкий металл (промежуточный продукт), получаемый на первой стадии двухстадийных сталеплавильных процессов (например, дуплекс-процесса ). При внепечной обработке стали (вакуумной, синтетическим шлаком и т.п.) П. можно считать выплавленную в сталеплавильном агрегате сталь, не прошедшую ещё указанной обработки.

Полупространство

Полупростра'нство (математическое), совокупность точек пространства, лежащих по одну сторону от некоторой плоскости. Координаты х, у, z точек П. удовлетворяют неравенству Ах + By + Cz + D > 0, где А, В, С, D — некоторые постоянные, причём А, В, С одновременно не равны нулю. Если сама плоскость Ax + By + Cz +D = 0 (граница П.) причисляется к П., то говорят о замкнутом П.

Полупроходные рыбы

Полупроходны'е ры'бы , биологическая группа рыб, занимающих промежуточное положение между жилыми и проходными рыбами . П. р. кормятся в солоноватой воде приустьевых районов морей или в солоноватых морях-озёрах (например, в Каспийском, Аральском); для размножения заходят в низовья рек, но высоко вверх по течению обычно не поднимаются. Нерест в пресной воде. От проходных рыб отличаются тем, что не живут в воде с океанической солёностью и обычно не уходят далеко в море. К П. р. относятся некоторые сиги, вобла, лещ и др. Многие П. р. имеют промысловое значение.

Полупрямая

Полупряма'я (математическая), совокупность точек прямой, лежащих по одну сторону от некоторой точки этой прямой. Координаты х точек П. удовлетворяют одному и только одному из неравенств: х > а, х < а, где а — некоторая постоянная. Если сама точка х = а (граница П.) причисляется к П., то говорят о замкнутом П. – луче.

Полупустынные зоны

Полупусты'нные зо'ны , природные зоны суши, характеризующиеся преобладанием ландшафтов полупустынь. Занимают промежуточное положение между зонами пустынь (с одной стороны), степей и саванн (с другой) в умеренных, субтропических и тропических поясах Северного и Южного полушарий. Климат засушливый, на большей части П. з. температура воздуха зимой составляет 0—10°С, летом 20—25 °С. Радиационный баланс обычно положителен в течение всего года (лишь в отдельных районах полупустынь умеренных поясов зимой иногда отрицателен) и колеблется от 1,68 до 8,4 Мдж/м2 , или от 40 до 200 ккал/см2 . Испаряемость, как правило, в 3—6 раз больше годовой суммы осадков, обычно не превышающей 300 мм в год. Поверхностный сток развит слабо, реки часто пересыхают. Почвы преимущественно светло-каштановые и бурые в умеренном поясе Северного полушария, серо-коричневые и типичные серозёмы – в субтропическом, красно-бурые – в тропическом. Ландшафты П. з. имеют разреженный, часто мозаичный, почвенно-растительный покров, в составе которого господствуют злаково-полынные сообщества (в Евразии) и сообщества из многолетних трав и кустарников (на др. материках). Территория П. з. используется главным образом для пастбищного животноводства; земледелие (с устойчивыми урожаями) возможно только при орошении. См. также Полупустынные зоны умеренных поясов , Полупустынные зоны субтропических поясов , Полупустынные зоны тропических поясов ; карту см. при ст. Земля .

  М. П. Петров.

Полупустынные зоны субтропических поясов

Полупусты'нные зо'ны субтропи'ческих поясо'в , природные зоны суши в субтропических поясах Северного и Южного полушарий с преобладанием полупустынных ландшафтов. Обычно не образуют сплошной полосы, а присущи лишь нагорьям и отдельным массивам гор, где часто выражены в виде высотного пояса, переходного от подгорных пустынь к горным степям. П. з. с. п. распространены в горах Иранского нагорья, Западной Азии, Северной Африки, Скалистых (Северная Америка), Флиндерс (Австралия), на плато Карру (Южная Африка), восточных склонах и предгорьях Анд (Южная Америка). Климат континентальный, с жарким летом (температура воздуха 20—25°C) и прохладной зимой с отдельными снегопадами (температура в горах иногда понижается до 0°C). Радиационный баланс 2,1—3,1 Мдж/м2 , или 50—75 ккал/см2 , в год. Осадков повсеместно выпадает свыше 200 мм в год. Растительность часто представлена полынно-злаковыми сообществами на щебнистых серозёмных и серо-коричневых почвах. В полупустынях Северной Америки в растительном покрове обычны кактусы, на плато Африки и в Южной Америке – кустарниковые формации. Преобладают представители пустынной и горной фауны. П. з. с. п. обычно используются как пастбища. На орошаемых землях – интенсивное земледелие, садоводство.

  М. П. Петров.

Полупустынные зоны тропических поясов

Полупусты'нные зо'ны тропи'ческих поясо'в , опустыненные саванны, природные зоны тропиков с преобладанием полупустынных ландшафтов. Располагаются обычно вдоль южных окраин тропических пустынь Северного полушария и их северных окраин в Южном полушарии, во внутриматериковых и западных океанических секторах, а также в более увлажнённых периферийных частях пустынных впадин. Распространены к Ю. от Сахары, а также на увлажнённых участках пустыни Намибии С.-В. от пустыни Калахари в Африке; на Аравийском полуострове, в широкой внешней полосе равнины Тар (в Индии и Пакистане); занимают северная часть пустыни Атакама и северо-восточная часть Бразильского плоскогорья (где носят местное название – «каатинга») в Южной Америке; встречаются на В. Центральной низменности в Австралии. Кроме того, П. з. т. п. часто образуют высотный пояс в нижних частях гор тропических поясов (например, на Эфиопском и Мексиканском нагорьях). Климат жаркий и сухой. Средние температуры воздуха летних месяцев близки к 30 °C, максимальные доходят до 50 °C, зимой они снижаются до 12—20 °C. Суммарная солнечная радиация от 6,7 до 8,2 Мдж/м2 или от 160 до 200 ккал/см2 , в год. Сумма осадков обычно близка к 200—250 мм в год, в горах – до 400—500 мм. Поверхностный сток незначителен, постоянных рек мало. Почвы преимущественно красно-бурые, интенсивно проявляются процессы физического выветривания. Растительность представлена главным образом ксерофильными дерновинными злаками, кустарниками, в некоторых районах – редкими низкорослыми деревьями. К Ю. от Сахары и в Индии в составе растительного покрова доминируют низкорослые акации с крупнотравьем из многолетних злаков и незначительным количеством суккулентов; в Калахари к ним часто присоединяются солянки, в Австралии – кустарниковые формы эвкалиптов и др. Животный мир включает главным образом представителей пустынь и саванн. Кочевое животноводство, земледелие только на орошаемых землях.

  М. П. Петров, Ю. К. Ефремов.


    Ваша оценка произведения:

Популярные книги за неделю