Приборы СВЧ и оптического диапазона

Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» _____________________________________________________________ Кафедра основ конструирования и технологии радиотехнических систем КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ Приборы СВЧ и оптического диапазона по направлению подготовки: 210700 – Инофокоммуникационные технологии и системы связи (квалификация (степень) «бакалавр») Самара – 2014 УДК 621.385.6, 621.373.826, 621.383 Клюев Д.С., Осипов О.В. Приборы СВЧ и оптического диапазона. Конспект лекций. — Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ, 2014. — 209 с. Учебная дисциплина «Приборы СВЧ и оптического диапазона» (ПСВЧ и ОД) входит в вариативную часть профессионального цикла основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 210700 Инофокоммуникационные технологии и системы связи, профиль подготовки «Сети и системы радиосвязи». Основными целями преподавания дисциплины являются: формирование у студента системы необходимых знаний о физических принципах работы оптоэлектронных и СВЧ приборов; формирование у студента системы необходимых знаний об оптоэлектронных и СВЧ приборах для последующего изучения специальных дисциплин и решения производственных и исследовательских задач; овладение основами расчётов оптоэлектронных и СВЧ приборов, получение общих знаний по их применению. Основными обобщенными задачами дисциплины являются: изучение основных физических законов и явлений, лежащих в основе работы оптоэлектронных и СВЧ приборов; изучение основных характеристик оптоэлектронных и СВЧ приборов; приобретение студентами практических навыков работы с оптоэлектронными и СВЧ приборами, а также аппаратурой для исследования характеристик и измерения параметров этих приборов. Изучению дисциплины ПСВЧ и ОД предшествует формирование общекультурных и профессиональных компетенций в дисциплинах: математический анализ, физика, теория электрических цепей, электроника, электромагнитные поля и волны, метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях. Конечным результатом обучения по дисциплине является формирование у студентов основополагающих компетенций по проектированию и практическому применению современных приборов СВЧ и оптического диапазона. Рецензент: к.т.н., доц. Нагорная М.Ю. Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Ó Клюев Д.С., Осипов О.В., 2014 2 Оглавление Список сокращений и обозначений................................... 6 Введение.................................................................................. 7 Лекция 1................................................................................ 14 Тема 1. Пролетный клистрон ........................................... 14 Введение ........................................................................ 14 Раздел 1.1. Устройство и принцип работы двухрезонаторного пролетного клистрона................. 14 Раздел 1.2. Уравнение скоростной модуляции .......... 16 Раздел 1.3. Группировка электронного пучка по плотности методом дрейфа..................................... 20 Раздел 1.4. Кинематическая теория группировки электронов при использовании преобразования методом дрейфа............................................................. 22 Раздел 1.5. Форма волны конвенционного тока в пространстве дрейфа и в выходном зазоре.............. 25 Раздел 1.6. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона ..................................... 29 Раздел 1.7. Двухрезонаторные клистронные усилители ....................................................................... 32 Раздел 1.8. Коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона ..................................... 35 Лекция 2................................................................................ 42 Тема 2. Отражательный клистрон ................................... 42 Введение ........................................................................ 42 Раздел 2.1. Устройство и принцип работы отражательного клистрона........................................... 42 Раздел 2.2. Конвекционный ток в отражательном клистроне ......................................... 50 Раздел 2.3. Основные параметры и характеристики отражательного клистрона. Условие самовозбуждения........................................... 54 Раздел 2.4. Электронная перестройка частоты в отражательном клистроне ......................................... 58 Лекция 3................................................................................ 65 Тема 3. Лампа бегущей волны типа О ............................ 65 3 Введение ........................................................................ 65 Раздел 3.1. Устройство и принцип работы ЛБВО...... 68 Раздел 3.2. Основные параметры и характеристики ЛБВО ............................................... 73 Лекция 4................................................................................ 78 Тема 4. Лампа обратной волны типа О........................... 78 Введение ........................................................................ 78 Раздел 4.1. Устройство и принцип работы ЛОВО ..... 78 Раздел 4.2. Зоны генерации ЛОВО.............................. 85 Раздел 4.3. Электронная перестройка частоты в ЛОВО........................................................................... 88 Лекция 5................................................................................ 94 Тема 5. Гелий-неоновый лазер......................................... 94 Введение ........................................................................ 94 Раздел 5.1. Принцип работы гелий-неонового лазера ................................................ 94 Раздел 5.2. Устройство гелий-неонового лазера........ 98 Лекция 6.............................................................................. 102 Тема 6. Основы теории полупроводников. Электролюминесценция ................................................. 102 Введение ...................................................................... 102 Раздел 6.1. Зонная структура полупроводников ...... 104 Лекция 7.............................................................................. 115 Тема 6. Основы теории полупроводников. Электролюминесценция (продолжение)....................... 115 Раздел 6.2. Электрические переходы в полупроводниках...................................................... 115 Раздел 6.3. Люминесценция ....................................... 121 Лекция 8.............................................................................. 128 Тема 7. Светоизлучающие диоды.................................. 128 Введение ...................................................................... 128 Раздел 7.1. Основные принципы работы светоизлучающих диодов (СИД)............................... 129 Раздел 7.2. Конструкции светоизлучающих диодов........................................................................... 132 4 Раздел 7.3. Светоизлучающие диоды на основе одинарного и двойного гетеропереходов. Характеристики светоизлучающих диодов.............. 135 Лекция 9.............................................................................. 143 Тема 8. Полупроводниковые инжекционные лазеры .. 143 Введение ...................................................................... 143 Раздел 8.1. Полупроводниковый лазер на основе гомоперехода ............................................................... 148 Раздел 8.2. Полупроводниковый лазер на основе одинарного гетероперехода ....................................... 151 Лекция 10............................................................................ 155 Тема 8. Полупроводниковые инжекционные лазеры (продолжение) ................................................ 155 Раздел 8.3. Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода ........................................... 155 Раздел 8.4. Устройство и параметры современного лазера на двойном гетеропереходе ... 159 Раздел 8.5. Вертикально-излучающие лазеры.......... 163 Лекция 11............................................................................ 169 Тема 9. Фотоприёмники ................................................. 169 Введение ...................................................................... 169 Раздел 9.1. Фоторезистор ........................................... 170 Раздел 9.2. Фотодиоды ............................................... 172 Раздел 9.3. Фотодиоды с p-i-n структурой................ 180 Раздел 9.4. Фотодиоды с поверхностным барьером Шоттки ........................................................ 184 Раздел 9.5. Фотодиоды с гетеропереходом .............. 187 Раздел 9.6. Оптроны.................................................... 190 Заключение......................................................................... 198 Список литературы .......................................................... 199 Глоссарий ........................................................................... 201 5 Список сокращений и обозначений АХ — амплитудная характеристика ВАХ — вольт-амперная характеристика ВИЛ — вертикально излучающий лазер КСВ — коэффициент стоячей волны КБВ — коэффициент бегущей волны КВЧ — крайневысокие частоты ЛБВ — лампа бегущей волны ЛОВ — лампа обратной волны ОКГ — оптический квантовый генератор ОР — оптический резонатор РБО-лазер — лазер с распределенным брэгговским отражателем РОС-лазер — лазер с распределенной обратной связью СВЧ — сверхвысокие частоты СИД — светоизлучающий диод УКВ — ультракороткие волны УИС — управляемый источник света ЭКП — электронно-квантовый прибор ЭВП — электронно-вакуумный прибор 6 Введение Особенности рассматриваемых диапазонов В рамках курса «Приборы СВЧ и оптического диапазонов» рассматриваются приборы, работающие в диапазонах СВЧ ( 1 м < l < 10 -3 м ) и оптическом ( 10 -3 м > l > 0.3 × 10 -6 м ), т.е. на волнах от 1 м и до ультрафиолетовых. Практическое освоение СВЧ диапазона началось примерно со времени Второй мировой войны, когда дециметровые и сантиметровые волны были впервые использованы для целей радиолокации, а оптического диапазона — в 60-е годы, когда были предложены и реализованы генераторы оптического диапазона (лазеры). Использование указанных диапазонов, особенно оптического, весьма перспективно, что объясняется теми потенциальными возможностями, которые заложены в этих диапазонах, а также в самом принципе действия оптических генераторов. Полоса частот. Рассматриваемые диапазоны ограничены волнами l = 1 ¸ 0.3 × 10 -6 м и частотами f = 3 × 10 8 ¸ 10 15 Гц . Полная полоса частот составляет Df = 10 15 ¸ 10 8 » 10 15 Гц . Оптический и СВЧ диапазоны позволяют разместить почти безграничное по современным масштабам число каналов связи. Высокая направленность излучателей. Из теории антенн известно, что степень направленности излучения определяется отношением геометрических размеров антенны к длине волны. Чем больше относительные размеры антенны, тем более узкий луч она может излучать. Уже в сантиметровом диапазоне волн не представляет технических трудностей создание антенны, размеры которой в сотни раз превышают длину волны. А при переходе в оптический диапазон эти возможности возрастают на несколько порядков. Поэтому антенны диапазона СВЧ и тем более оптического диапазона излучают энергию, как правило, в виде узкого луча. Это явилось одной из причин быстрого освоения сантиметрового диапазона для целей радиолокации, поскольку для точного определения самолета требуются остронаправленные антенны. В качестве примера можно отметить также, что современные 7 генераторы оптического диапазона даже в лабораторном оформлении легко реализуют узконаправленные лучи с расходимостью луча порядка угловой минуты и менее. Малые период колебаний и длина волны в рассматриваемых диапазонах приводят к тому, что угол пролета1 электронов при любых реально выполнимых зазорах и напряжениях оказывается относительно большим уже в дециметровом диапазоне, а на сантиметровых и более коротких волнах обычные радиолампы из-за большого угла пролета практически работать не могут. Поэтому работа усилителей и генераторов СВЧ и оптического диапазонов основана на принципиально новых методах. Кроме того, в приборах указанных диапазонов из-за паразитного излучения энергии и взаимного влияния отдельных элементов практически не удается применять цепи с сосредоточенными параметрами (конденсаторы, индуктивности и резисторы). Избежать этих недостатков позволяют лишь волноводы и резонаторы. Два принципа усиления в СВЧ и оптическом диапазонах В настоящее время в указанных диапазонах применяют два типа приборов, использующих различные принципы усиления: электронные и квантовые. В соответствии с этим настоящий курс состоит из двух сравнительно независимых частей. В первой части рассматриваются электронные приборы СВЧ (клистроны, лампы бегущей волны — ЛБВ и лампы обратной волны — ЛОВ), а во второй части — квантовые приборы (лазеры). Электронные приборы СВЧ. В приборах этого типа длительное время пролета электронов является необходимым условием их работы, в то время как в обычных радиолампах даже малое, но конечное время пролета, либо ухудшает их работу, либо делает ее невозможной. Приборы, использующие этот принцип, называются электронными приборами СВЧ. К ним относятся клистроны, магнетроны, ЛБВ и ЛОВ. Диапазон их 1 Углом пролета q называется угол, на который изменяется фаза колебаний за время t пролета электроном рассматриваемого расстояния: q = wt = 2pt T 8 применения примерно от 1 м до 1 мм. На более коротких волнах использовать указанный принцип, по-видимому, нецелесообразно, так как здесь требуемые размеры прибора и точность его изготовления не соответствуют современным техническим возможностям. Квантовые приборы. Принцип действия квантовых приборов основан на эффекте усиления волны в активной среде (активной называется среда с населенностью верхнего энергетического уровня, большей населенности одного из нижерасположенных уровней). Активные среды создают искусственно, так как в обычных условиях они не встречаются. Приборы, работающие по этому принципу, называются квантовыми усилителями и генераторами. Диапазон их применения в настоящее время примерно от 1 м и до ультрафиолетовых волн. Сам же принцип позволяет создавать усилители и генераторы и за пределами указанного диапазона, например, на более коротких волнах. Квантовые приборы принято делить на усилители и генераторы диапазона СВЧ и усилители и генераторы оптического диапазона. Первые часто называют мазерами, а вторые — лазерами2. Классификация электронно-квантовых приборов (ЭКП) Классификация по методам управления электронными потоками. Существует два метода управления электронными потоками — электростатический и динамический. а) Электростатический метод осуществляется с помощью управляющей сетки. Характерная особенность — практически нулевое потребление мощности источника управляющего напряжения, однако в СВЧ диапазоне с возрастанием частоты, растет потребляемая мощность. Основной фактор, ухудшающий 2 Слово maser составлено из первых букв английского названия microwave amplification by stimulated of radiation — усиление радиоволн СВЧ-диапазона путем использования индуцированного излучения. Соответственно слово laser: light amplification by stimulated of radiation — усиление радиоволн светового диапазона путем использования индуцированного излучения. 9 управляющее действие сетки — конечное значение угла пролета электронов, возрастание влияния реактивных сопротивлений электронов. Длина волн в триодах не больше 5-10 см. б) Динамический метод управления. Электроны взаимодействуют непосредственно с электромагнитным полем СВЧ. Осуществляется модуляция электронов по скорости, которая переходит в модуляцию по плотности. Такое возможно при разных скоростях электронов v = dx dt . На рис. В.1 показаны временно-пространственная диаграммы группировки электронов. x t1 t2 t3 t Рис. В.1. Пространственно-временная диаграмма группирования электронов, выходящих из управляющего устройства в разные моменты времени, но одновременно поступающих в выходное устройство. Классификация по характеру энергообмена. r r а) Приборы типа О. Векторы E и B постоянного электрического и магнитного поля — коллинеарны (параллельны). В приборах такого типа СВЧ поле отбирает у электронного потока кинетическую энергию. К приборам такого типа относятся лампы бегущей и обратной волн типа О (ЛБВО и ЛОВО). r r б) Приборы типа М. Векторы E и B постоянного электрического и магнитного поля — скрещены (направлены под углом друг к другу). Здесь СВЧ поле отбирает у электронного потока потенциальную энергию. К приборам такого типа относятся магнетроны, лампы бегущей и обратной волн типа М (ЛБВМ и ЛОВМ). 10 Классификация по методу отбора энергии. Любой электронно-вакуумный прибор СВЧ преобразует энергию постоянного электрического тока, создаваемого электронным потоком в энергию СВЧ. Рассмотрим механизм отбора энергии от электронного потока в межсеточном зазоре СВЧ резонатора (рис. В.2). 1 v0 2 ÑÂ×-ðåçîíàòîð v  v0 v0 v  v0 iíàâ ê íàãðóçêå Рис. В.2. Отбор энергии от электронов в плоском межсеточном зазоре СВЧрезонатора. Знаками «+» и «–» обозначена полярность напряжения, созданного на сопротивлении R в результате протекания наведенного тока Электроны, влетающие в зазор резонатора, имеют скорость v 0 . Во время движения электрона в зазоре на сопротивлении R наводится ток i нав . На выходе зазора скорость электронов уменьшается до величины v . Обозначим разность кинетических энергий электрона на входе и выходе через DW : mv 02 mv 2 . 2 2 Эта разность кинетической энергии на входе и выходе из зазора и отдается СВЧ-полю. Амплитуда СВЧ-сигнала U 1 не должна превышать амплитуду ускоряющего напряжения U 0 . Оптимальный режим работы возникает при условии U 0 » U 1 . Приборы с полыми резонаторами называются устройства с DW = 11 кратковременным взаимодействием (клистроны). Основной недостаток работы таких приборов — это узкополосность. Приборы с длительным взаимодействием осуществляют обмен энергией между электронами и СВЧ-полем в течение прохождения через пространство дрейфа с помощью замедляющей системы (ЗС). В простейшем представлении ЗС может быть описана как система связанных резонаторов длиной l . В начале ЗС электроны группируются по скорости, затем группируются по плотности и на расстоянии равном 2/3 длины ЗС сгустки электронов отдают свою кинетическую энергию СВЧ-полю. Приборы с длительным взаимодействием относятся к широкополосным устройствам (ЛБВ, ЛОВ). Основные параметры, характеризующие электронновакуумные приборы U0 гии: 1. Скорость электронов. Пусть электроны под действием ускоряющего напряжения приобретают скорость v 0 , тогда из закона сохранения энер- mv 02 = eU 0 , 2 определяем скорость электронов: 2eU 0 v0 = . (В.6) m 2. Время пролета электронов. Время пролета электрона от одной сетки резонатора до другой можно найти по формуле: t = t 2 - t1 = S2 ò S1 dS , v (В.7) где t 1 — момент время, когда электрон пролетает через первый электрод, t 2 — момент время, когда электрон пролетает через второй электрод (см. рис. В.2). Представляет интерес случай, когда во время пролета электрона через резонатор на его сетках постоянное напряже12 ние: U 1 = const , но начальная скорость v 0 отлична от нуля. Подобная ситуация встречается в клистронах., где электроны, поступающие в плоский зазор через отверстия в первом электроде, двигаются далее по инерции. Время пролета через такой зазор равно: d (В.8) t= , v0 где d — расстояние между сетками резонатора. Абсолютная величина времени пролета сама по себе недостаточно полно характеризует влияние инерции электронов на работу прибора. Поведение электронного прибора в значительной степени зависит от того, является ли время пролета соизмеримым с периодом колебания. Поэтому более важным является отношение времени пролета к периоду колебаний Т, то есть величина t T . 3. Угол пролета электронов. При анализе пролетных явлений в электронных приборах принято рассматривать угол пролета электронов q , пропорциональный t T и определяемый отношением t q = 2p . (В.9) T Поскольку период Т связан с круговой частотой w соотношением w = 2p T , то предыдущее уравнение можно переписать: q = wt. (В.10) Угол пролета здесь выражается в радианах. Его величину можно выражать также в градусах по соотношению t q = 360 o × . T С физической точки зрения, угол пролета показывает изменение фазы напряжения, приложенного к рассматриваемым электродам за время движения электрона между этими электродами. 13 Лекция 1 Тема 1. Пролетный клистрон Введение К электронным приборам СВЧ относятся довольно различные по схеме приборы (клистроны, магнетроны, ЛБВ, ЛОВ и др.). Однако детальное рассмотрение показывает, что принцип взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем у всех этих приборов во многом аналогичен — взаимодействие сводится к трем сравнительно простым физическим процессам: - модуляция по скорости; - модуляция по плотности; - переходу кинетической энергии электронных сгустков в СВЧ-энергию. Только в одних приборах эти процессы разделены в пространстве и во времени и протекают как бы раздельно и независимо друг от друга, а в других — протекают одновременно, изза чего их исследование кажется сложным. Наиболее типичным прибором с ярко выраженным разделением указанных процессов и в пространстве, и во времени является двухрезонаторный клистрон, у которого это разделение столь велико, что самостоятельное рассмотрение этих процессов, по существу, неотделимо от рассмотрения самого прибора как единого целого. Клистроны относятся к классу электронно-лучевых приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком. Раздел 1.1. Устройство и принцип работы двухрезонаторного пролетного клистрона Детализированные цели изучения раздела Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципе работы двухрезонаторного пролетного клистрона. 14 Содержательная часть Схема устройства двухрезонаторного пролетного клистрона изображена на рис. 1.1. Вход СВЧ Выход СВЧ Рез 2 Рез 1 Анод Под Кат U0 d1 L d2 Кол r v(t) r v0 Вакуум U(t )  Um sin t  Рис. 1.1. Схема двухрезонаторного пролетного клистрона Катод и ускоряющая сетка (электронная пушка) формируют пучок электронов. Для возникновения термоэлектронной эмиссии электронов с катода (Кат) используется подогреватель (Под). В пространстве между катодом и анодом под действием постоянного напряжения U 0 осуществляется разгон электронов r до одинаковой скорости v 0 , определяемую из закона сохранения энергии: mv 02 2eU 0 ; v0 = , m 2 где e и m — заряд и масса электрона. Когда электроны двигаются в пространстве между анодом и входным резонатором (Рез1), создаваемый ими конвекционный ток является постоянным, так как электроны двигаются с одинаковой скоростью и электронный поток не промодулирован по плотности. Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется иногда группирователем. Второй резонатор служит для отбора высокочасeU 0 = 15 тотной энергии от пучка электронов, имеющего модуляцию по плотности. Металлическая труба, находящаяся между двумя резонаторами, экранирует пространство дрейфа от внешних полей. Выводы по разделу 1. Когда электроны двигаются в пространстве между анодом и входным резонатором (Рез1), создаваемый ими конвекционный ток является постоянным. 2. Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется иногда группирователем. 3. Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка электронов, имеющего модуляцию по плотности. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте схему двухрезонаторного пролетного клистрона (Ответ на стр. 15). 2. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет подогреватель? (Ответ на стр. 15). 3. Какую функцию в пролетном клистроне выполняют катод и анод? (Ответ на стр. 15). 4. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет первый резонатор? (Ответ на стр. 15). 5. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет второй резонатор? (Ответ на стр. 15). Раздел 1.2. Уравнение скоростной модуляции Детализированные цели изучения раздела Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о скоростной модуляции электронного потока в пролетном клистроне. 16 Содержательная часть Рассмотрим процесс изменения скорости электронов в первом резонаторе под действием гармонического напряжения: U = U m sin ( wt ) . Выберем начало координат x 0 в середине зазора первого резонатора. Энергия, приобретаемая одиночным электроном, при прохождении пути dx внутри зазора, равна U (1.1) dW = edU = e m sin ( wt ) dx. d1 Обозначим через t 1 момент прохождения электрона через центр зазора первого резонатора (плоскость) x = 0 , тогда время движения электрона от центра зазора: x t = t1 + , v0 где v 0 — невозмущенная скорость электрона. Полное приращение кинетической энергии электрона при прохождении зазора резонатора толщиной d 1 запишется в виде DW = d1 2 ò e -d 1 2 = d1 2 ò -d 1 2 e æ Um wx ö sin ç wt 1 + ÷ dx = d v0 ø è Um é wx wx ù + cos wt 1 sin ú dx = êsin wt 1 cos d ë v0 v0 û =e U m v0 wx sin wt 1 sin d w v0 = eU m sin wt 1 d1 2 (1.2) = -d 1 2 sin ( q 2 ) = eU m M sin wt 1 , ( q 2) где q = wd 1 v 0 — невозмущенный угол пролета; 17 M= sin ( q 2 ) ( q 2) — коэффициент взаимодействия электронно- го потока с электромагнитным полем зазора. На рис. 1.2 приведена зависимость M ( q ) . M(q) 0.8 0.6 0.4 0.2 p/2 2p p -0.2 -0.4 2 4 6 8 10 q Рис 1.2. Зависимость коэффициента взаимодействия от угла пролёта Полная кинетическая энергия электрона, вошедшего в зазор с начальной скоростью v 0 на выходе зазора имеет величину: mv 2 W= = eU 0 + DW , 2 где DW находится по формуле (1.2). Учитывая предыдущие вычисления, получаем из последней формулы: mv 2 = eU 0 + eM U m sin wt 1. 2 Из последнего соотношения определяется скорость электрона на выходе из первого резонатора: 18 v= æ MU m ö 2e U 0 ç1 + sin wt 1 ÷ = m U0 è ø = v0 1+ MU m sin wt 1 . U0 Будем полагать U m = U 0 (метод малых амплитуд), тогда в последней формуле разложим корень в ряд: 2 ìï 1 MU üï 2e 1 æ MU m ö 2 m v= U 0 í1 + sin wt 1 - ç ÷ sin wt 1 + Ký » m 8è U0 ø ïî 2 U 0 ïþ (1.3) » v 0 + v1 sin wt 1 , где MU m (1.4) v1 = v0. 2U 0 Наибольшая амплитуда скоростной модуляции достигается при M ® 1 , т. е. при q ® 0 . При q = 2p скоростная модуляция отсутствует. Активную проводимость зазора, обусловленную постоянной составляющей конвекционного тока I 0 , принято называть активной проводимостью электронной нагрузки: I æ sin q ö G эл.н. = 0 ç M 2 ( q ) ÷. 2U 0 è q ø Выводы по разделу Наибольшая амплитуда скоростной модуляции достигается при M ® 1 , т. е. при q ® 0 . При q = 2p скоростная модуляция отсутствует. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Чему равна энергия, приобретаемая одиночным электроном, при прохождении пути dx внутри зазора первого резонатора? (Ответ на стр. 17) 19 2. Чему равно полное приращение кинетической энергии электрона при прохождении зазора резонатора толщиной d 1 ? (Ответ на стр. 17) 3. Запишите выражение для определения невозмущенного угла пролета электроном зазора первого резонатора. (Ответ на стр. 17) 4. Запишите выражение для определения коэффициента взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем зазора. (Ответ на стр. 18) 5. В каком случае достигается наибольшая амплитуда скоростной модуляции достигается? (Ответ на стр. 19) Раздел 1.3. Группировка электронного пучка по плотности методом дрейфа Детализированные цели изучения раздела Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о группировке электронного пучка по плотности методом дрейфа в пролетном клистроне. Содержательная часть Явление группировки, когда «быстрые электроны» догоняют медленные поясняется ниже с помощью пространственновременной диаграммы на рис. 1.3. Рассмотрим движение 4-ех типов электронов, прошедших модулирующий зазор в различные моменты времени t 0 . Электроны 1 и 2- типов попадают в нулевое поле и не меняют скорости. Электроны 3-го типа скачком увеличивают скорость, так как попадают в ускоряющее поле, в то же время электроны типа 4, попадая в максимум тормозящего поля, несколько уменьшают свою скорость. Двигаясь в пространстве дрейфа, быстрые электроны типа 3 , догоняют электроны типа 1, в то же время «медленные» типа 4 отстают от электронов типа 2. В результате в некоторой плоскости, где может быть расположен выходной зазор, электронный поток оказывается сгруппированным, то есть приобретает модуляцию по плотности. Глубина этой модуляции зависит от расстоянии между управляющим и выходным 20 устройством, то есть от времени пролета электрона в пространстве дрейфа. Центрами сгустков, приходящих в выходное устройство при преобразовании методом дрейфа, являются электроны, прошедшие середину управляющего зазора в момент нулевого СВЧ поля. Период следования сгустков в точности равен периоду модулирующего напряжения. x x1=const x2=const 4 132 t U(t) 413 2 t Рис. 1.3. Пространственно-временная диаграмма преобразования модуляции по скорости в модуляцию по плотности методом дрейфа Преобразование модуляции по скорости в модуляцию электронного потока по плотности описывается формулой: i конв = I 0 + i ( t ) , где важно получить наибольшую модуляционную добавку i ( t ) . Выводы по разделу 1. Центрами сгустков, приходящих в выходное устройство при преобразовании методом дрейфа, являются электроны, про21 шедшие середину управляющего зазора в момент нулевого СВЧ поля. 2. Период следования сгустков в точности равен периоду модулирующего напряжения. 3. Важно получить наибольшую модуляционную добавку i (t ) . Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте пространственно-временную диаграмму, поясняющую явление группировки электронов. (Ответ на стр. 21) 2. Объясните с помощью пространственно-временной диаграммы явление группировки электронов. (Ответ на стр. 20) 3. Какие электроны являются центрами сгустков, приходящих в выходное устройство при преобразовании методом дрейфа? (Ответ на стр. 21) 4. Чему равен период следования сгустков? (Ответ на стр. 21) 5. Напишите уравнение, описывающее преобразование модуляции по скорости в модуляцию электронного потока по плотности. (Ответ на стр. 21) Раздел 1.4. Кинематическая теория группировки электронов при использовании преобразования методом дрейфа Детализированные цели изучения раздела Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о кинематической теории группировки электронов при использовании преобразования методом дрейфа. Содержательная часть Обозначим через t 1 — момент времени прохождения электрона через центр зазора первого резонатора. Будем пользоваться методом малых амплитуд, считая, что U 1 U 0 = 1 . 22 Пусть на первый резонатор подается гармонический сигнал U = U 1 sin wt , где скорость электронов описывается уравнением скоростной модуляции: v = v 0 + v1 sin wt 1 , где v1 = v 0 ( M 1U 1 ) ( 2U 0 ) . Коэффициент взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем в первом резонаторе M 1 через угол пролета q 1 , описывается выражением: sin ( q 1 2 ) M1 = . ( q1 2 ) Углы пролета в первом q 1 и во втором резонаторах q 2 , соответственно равны: wd 1,2 q 1,2 = , v0 где d 1 и d 2 — расстояния между сетками первого и второго резонатора, соответственно. Время прилета электрона в центр второго резонатора можно найти по формуле: ö v L L Læ t 2 = t1 + = t1 + = t 1 + ç1 + 1 sin wt 1 ÷ v v 0 + v1 sin wt 1 v0 è v0 ø -1 , где S — расстояние между центрами резонаторов. Раскладывая второй множитель в ряд по малому параметру v1 v 0 = 1 , получаем: L Lv1 sin wt 1. v 0 v 02 Умножая обе части последнего уравнения на w , получаем: wLv wL wt 2 = wt 1 - 2 1 sin wt 1. (1.5) v0 v0 В формуле (1.5) введем обозначение: wLv X = 21. (1.6) v0 t 2 » t1 + 23 Безразмерная величина Х, называемая параметром группировки, играет важную роль в теории клистронов и найдет широкое применение в дальнейшем изложении. Используя выражение (1.4) для скорости электрона, равенство (1.6) можно переписать в виде: M U wL M 1U 1 (1.7) =Q 1 1, X= v 0 2U 0 2U 0 где Q = ( wL ) v 0 — угол пролета невозмущенного электрона пространства дрейфа. Используя выражение (1.6), формулу (1.5) можно переписать в следующем виде: wt 2 - Q = wt 1 - X sin wt 1. (1.8) Это уравнение определяет фазу прибытия электрона во второй зазор.  t2   X0 X 12 2 1 X 1 -1 X 2 -2 -3 -3 -2 -1 1 2  t1 Рис. 1.4. График зависимости фазы прибытия электрона во второй зазор от фазы прохождения через первый зазор При X = 0 : wt 2 - Q = wt 1 — группировка отсутствует. При X ¹ 0 — зависимость фазы прибытия во второй зазор от фазы прохождения через первый зазор перестает быть линейной; это означает, что существует группировка элек24 тронов. График зависимости фазы прибытия электрона во второй зазор от фазы прохождения через первый зазор показан на рис. 1.4. Выводы по разделу 1. Безразмерная величина Х, называемая параметром группировки, играет важную роль в теории клистронов и найдет широкое применение в дальнейшем изложении 2. При X = 0 : wt 2 - Q = wt 1 — группировка отсутствует. 3. При X ¹ 0 — зависимость фазы прибытия во второй зазор от фазы прохождения через первый зазор перестает быть линейной; это означает, что существует группировка электронов. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите уравнение скоростной модуляции. (Ответ на стр. 23) 2. Напишите выражение для определения времени прилета электрона в центр второго резонатора. (Ответ на стр. 23) 3. Напишите выражение для определения параметра группировки (Ответ на стр. 24) 4. Напишите выражение для определения угла пролета невозмущенного электрона пространства дрейфа. (Ответ на стр. 24) 5. Напишите уравнение для определения фазы прибытия электрона во второй зазор. (Ответ на стр. 24) Раздел 1.5. Форма волны конвенционного тока в пространстве дрейфа и в выходном зазоре Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о форме волны конвенционного тока в пространстве дрейфа и в выходном зазоре. Содержательная часть Будем считать, что средний конвекционный ток пучка одинаков в любом сечении. Применим закон сохранения заряда — полный заряд одинаков при прохождении электронов первого и второго зазоров: 25 dq1 = dq 2 Þ i 2 dt 2 = i1dt 1 , где i1 и i 2 — соответственно мгновенные значения конвенционного тока пучка в центре первого и второго зазоров. Конвенционный ток, поступающий во второй резонатор , оказывается равным: dt dt (1.9) i 2 = i1 1 = I 0 1 , dt 2 dt 2 где I 0 — конвекционный ток, создаваемый электронами на выходе с анода. Можно принять i1 = I 0 , в силу того, что модуляция электронного пучка в центре первого зазора еще отсутствует. Учитывая, что: L Lv1 t 2 = t1 + sin wt1 , v 0 v 02 можно получить следующее выражение: dt 2 wLv = 1 - 2 1 cos wt1 = 1 - X cos wt 1 , dt 1 v0 подставляя это равенство в формулу (1.9), получим: I I0 i 2 = dt0 = . (1.10) 1 - X cos wt 1 2 dt 1 Запишем следующие выражения: ì 1 - X cos wt 1 = y ; (1.10а) í î wt 2 - Q = x, где x = wt 1 - X sin wt 1 . Для удобства обозначим: wt 1 = j . Тогда конвекционный ток определяется формулой: i 2 = I 0 y . 26 i2 X<1 I0 x а) i2 X=1 I0 x б) i2 X>1 I0 2p 4p x в) Рис. 1.5. Форма волны конвенционного тока в 2-х резонаторном клистроне при трех типичных значениях параметра группировки Х. Можно заметить, что уравнения (1.10а) описывают кривую, называемую трохоидой. Трохоида — это кривая, которую описывает точка на колесе радиуса R , катящегося без скольжения. Уравнение трохоиды в параметрическом виде в общем виде записывается так: 27 ì x = jR - r sin j ; í î y = R - r cos j , где r — расстояние от центра колеса до точки, которая описывает кривую; j — азимутальный угол в полярной системе координат. Из формулы (1.10а) следует, что в нашем случае: R = 1, r = X . Ток i 2 определяется соотношением i 2 = I 0 y , которое обратно пропорционально уравнению трохоиды. Вместо функции i 2 = f ( t 2 ) , оказывается достаточным проанализировать за- висимость 1 y ( x ) = f ( x ) . Возможны три типичных случая, определяемых параметром X (рис. 1.5). Неоднозначность функции y = f ( x) ( X > 1) — физически объяснима: происходит перегон одними группами электронов других групп, то есть присутствует одновременное прохождение через выходной зазор нескольких сгустков электронов, прошедших через первый зазор в различные моменты времени. Выводы по разделу Неоднозначность функции зависимости конвекционного тока во втором резонаторе от фазы прибытия электронов в него при X > 1 физически объяснима: происходит перегон одними группами электронов других групп, то есть присутствует одновременное прохождение через выходной зазор нескольких сгустков электронов, прошедших через первый зазор в различные моменты времени. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для определения конвенционного тока, поступающего во второй резонатор. (Ответ на стр. 26) 2. Нарисуйте форму волны конвенционного тока в 2-х резонаторном клистроне при X < 1 , X = 1 и X > 1 . (Ответ на стр. 27) 28 3. Объясните физически неоднозначность функции зависимости конвекционного тока во втором резонаторе от фазы прибытия электронов в него при X > 1 . (Ответ на стр. 28) Раздел 1.6. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о методе определения электронного КПД двухрезонаторного клистрона. Содержательная часть Пусть в выходной зазор клистрона поступает электронный поток, переменная составляющая конвекционного тока которого описывается уравнением (1.10). В виду несинусоидального характера тока i 2 и учитывая его четность — ток i 2 можно представить рядом Фурье следующего вида: ¥ i 2 ( x ) = A0 + å An cos nx, (1.11) n =1 где p A0 = p 1 2 i 2 ( x ) dx, An = ò i 2 ( x ) cos ( nx ) dx . ò p0 p0 (1.12) Дифференцируя уравнение wt 2 - Q = x , получаем: dx = wdt 2 . (1.13) Поскольку выходной зазор клистрона является частью полого резонатора, достаточно рассмотреть лишь одну из гармоник наведенного тока, близкого к частоте, на которую настроен выходной резонатор. Подставим в уравнение (1.12) выражения (1.10) и (1.13): 29 p w p A0 = dt 1 1 I 0 1 wdt 2 = ò I 0 wdt 1 = I 0 , ò p 0 dt 2 p0 An = dt 2 I 0 1 wdt 2 cos ( nj - nX sin j ) = ò p p dt 2 p 1 = 2 I 0 ò cos ( nj - nX sin j ) d j = 2 I 0 J n ( nX ) . p0 где J n ( X ) — функция Бесселя 1-го рода n-го порядка. Окончательное разложение мгновенного значения конвенционного тока клистрона в ряд Фурье имеет вид: ¥ i 2 ( x ) = I 0 + 2 I 0 å J n ( nX ) cos nX . (1.14) n =1 Таким образом, амплитуда n -ой гармоники, конвекционного тока поступающего во второй резонатор, равна: I 2n = An = 2 I 0 J n ( nX ) . (1.15) Амплитуда тока, наведенного в выходном резонаторе, равна амплитуде конвекционного тока I 2n , умноженной на коэффициент взаимодействия на частоте данной гармоники. Обозначим этот коэффициент через M 2n . Тогда связь между наведенным и конвекционным током опишется выражением: I 2 n, нав = M 2n I 2 n, конв . Мощность, отдаваемая электронным пучком в выходном резонаторе на n -ой гармонике: 1 P2n = U 2 n M 2 n I 2n cos y, 2 где y — угол сдвига между наведенным током и напряжением. Подставив в последнюю формулу значение I 2n из (1.15), получим: P2n = U 2n M 2 n I 0 J n ( nX ) cos y. Мощность постоянного тока, подведенная к ускоряющему зазору (электронной пушке) клистрона, равна: 30 P0 = I 0U 0 . Будем называть электронным КПД h эл следующее отношение: P M U h эл = 2 n = 2 n 2 n J n ( nX ) cos y. P0 U0 Рассмотрим условия, при которых достигается максимальный электронный КПД клистрона. При M 2 n = 1 ; U 2 n = U 0 ; cos y = 1 — электронный КПД достигает максимального значения. При этом: ( h эл ) max = éë J n ( nX ) ùû = éë J 1 ( X )ùû , max max где X опт = 1.84; J 1 ( X опт ) = 0.58. Реальный КПД типичных двухрезонаторных клистронов составляет 25-30%. Выводы по разделу 1. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона определяP M U ется по формуле: h эл = 2 n = 2 n 2 n J n ( nX ) cos y. P0 U0 2. При M 2 n = 1 , U 2 n = U 0 и cos y = 1 электронный КПД достигает максимального значения. 3. Реальный КПД типичных двухрезонаторных клистронов составляет 25-30%. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для определения электронного КПД двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 31) 2. При каких параметрах достигается максимальный КПД двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 31) 3. Чему равен реальный КПД типичных двухрезонаторных клистронов? (Ответ на стр. 31) 31 Раздел 1.7. Двухрезонаторные клистронные усилители Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о двухрезонаторных клистронных усилителях. Содержательная часть В сравнении с приборами, использующими электростатическое управление электронным потоком, двухрезонаторные клистронные усилители имеют следующие преимущества. 1. Более высокий КПД в диапазоне спектра волн; 2. Малая величина мощности, потребляемой для группирования электронного потока, то есть более высокий коэффициент усиления; 3. Способность работать в диапазоне более высоких частот. Если ввести следующие обозначения: G1 — активная проводимость, характеризующая потери в «холодном» (то есть при отсутствии электронов) резонаторе; G эл.н.1 — активная проводимость электронной нагрузки, обусловленной прохождением через 1-й резонатор немодулированного электронного потока; G эл.н.2 — активная проводимость электронной нагрузки, обусловленной прохождением через 2-й резонатор немодулированного электронного потока. Обычно углы пролета через резонаторы q i выбирается от p 2 до p . Мощность входного сигнала Pвх при выполнении условия согласования связана с амплитудой напряжения на первом зазоре резонатора клистрона U 1 соотношением: U12 (2.16) ( G1 + G эл.н.1 ) . 2 Если выразить напряжение U 1 на сетках первого зазора через параметр группировки X по формуле (2.6), то будем иметь: Pвх = 32 2U 0 2U 0 2 (G1 + G эл.н.1 ) 2 X , Pвх = X . M 1Q M 1 2Q 2 Перейдем к рассмотрению мощности, отдаваемой модулированным по плотности электронным потоком во втором резонаторе клистрона. Зазор, пронизываемый группированным электронным пучком, представим генератором тока с комплексной амплитудой M 2 I& 2 . Тогда комплексная амплитуда напряжения на втором зазоре U& определяется следующим образом: U1 = 2 U& 2 = M 2 I& 2 ( G 2 + G¢н + G эл.н.2 ) + j ( B 2 + B¢н ) , (2.17) здесь G ¢н и B¢н — активная и реактивная проводимости нагрузки; G 2 и B 2 — активная и реактивная проводимости выходного резонатора, соответственно. Выходная мощность усилителя Pвых определяется мощностью, рассеиваемой на трансформированной активной проводимости нагрузки G ¢н , то есть: 2 1 Pвых = U& 2 G ¢н . 2 Используя формулу (2.16) и равенство I 2n = 2 I 0 J 1 ( X ) , получим G ¢н 2 . (2.18) Pвых = 2 M 2 2 I 0 2 { J 1 ( X )} ( G 2 + G¢н + G эл.н.2 ) 2 + ( B 2 + B¢н ) 2 Уравнения (2.16) и (2.18) показывают, что входная и выходная мощности клистронного усилителя при прочих равных условиях связаны с параметром группировки соотношениями: Pвх ~ X 2 , Pвых ~ { J 1 ( X )} . 2 2 ( ) На рис. 2.6а приведен график J 1 ( X ) ~ f X 2 , определяющий в относительных единицах зависимость Pвых = f ( Pвх ) для двухрезонаторного клистронного усилителя. На рис. 2.6б приведена зависимость выходной мощности от частоты. 33 {J1(X)}2~Pвых Pвх/Pвых v=const 1 Pвх=const Q`н=100 0.5 Dv/v02 область перегруппировки область недогруппировки 2 4 6 X2~Pвых Dv/v02,% -1.0 1.0 б) а) Рис. 2.6. Зависимость выходной мощности двухрезонаторного клистрона от мощности входного сигнала (а) и частоты (б) Выводы по разделу 1. В сравнении с приборами, использующими электростатическое управление электронным потоком, двухрезонаторные клистронные усилители имеют следующие преимущества:1. более высокий КПД в диапазоне спектра волн; 2. малая величина мощности, потребляемой для группирования электронного потока, то есть более высокий коэффициент усиления; 3. способность работать в диапазоне более высоких частот. 2. Выходная мощность усилителя Pвых определяется мощностью, рассеиваемой на трансформированной активной проводимости нагрузки G ¢н . 3. Входная и выходная мощности клистронного усилителя при прочих равных условиях связаны с параметром группировки соотношениями: Pвх ~ X 2 , Pвых ~ { J 1 ( X )} . 2 Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. В чем преимущества клистронных усилителей? (Ответ на стр. 32) 2. Напишите выражение для определения мощности входного сигнала при выполнении условия согласования. (Ответ на стр. 32) 34 3. Как обычно выбираются углы пролета через резонаторы. (Ответ на стр. 32) 4. Напишите выражение для определения комплексной амплитуды напряжения на втором зазоре. (Ответ на стр. 33) 5. Напишите выражение для определения выходной мощности усилителя, рассеиваемой на трансформированной активной проводимости нагрузки. (Ответ на стр. 33) Раздел 1.8. Коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о методе расчета коэффициента усиления двухрезонаторного клистрона. Содержательная часть Общее определение для коэффициента усиления клистронного усилителя P (2.19) K 0 = 10lg вых . Pвх Подставим в формулу (2.19) соотношения (2.16) и (2.18) и в результате получим: ìï üï M 1M 2 I 0 QJ 1 ( X ) K 0 = 20lg í ý . (2.20) 2 U G + G G + G X ( )( ) 1 эл.н.1 2 эл.н.2 îï 0 þï Соотношение (2.20) для коэффициента усиления справедлива при условии: ì B 2 + B¢н = 0; í î G ¢н = G 2 + G эл.н.2 . При использовании двухрезонаторных клистронных усилителей необходимо производить тщательную настройку обоих резонаторов. Двухрезонаторные клистронные усилители используются в диапазоне сантиметровых волн, где они позволяют получать в непрерывном режиме выходные мощности порядка единиц или десятков ватт. 35 Для получения более высокого коэффициента усиления и КПД используются многорезонаторные клистроны, которые отличаются от двухрезонаторных тем, что между входным и выходным резонаторами расположено несколько не связанных с внешними СВЧ-цепями промежуточных резонаторов. Двухрезонаторные клистроны могут также использоваться как умножители частоты и как генераторы. При всех своих достоинствах (удобство эксплуатации, надежность, высокий КПД) приборы с кратковременным взаимодействием (клистроны) обладают принципиальным недостатком, а именно: сравнительно узкой полосой пропускания для усилителей и малым диапазоном электронной перестройки частоты для генераторов. Выводы по разделу 1. При использовании двухрезонаторных клистронных усилителей необходимо производить тщательную настройку обоих резонаторов. 2. Для получения более высокого коэффициента усиления и КПД используются многорезонаторные клистроны, которые отличаются от двухрезонаторных тем, что между входным и выходным резонаторами расположено несколько не связанных с внешними СВЧ-цепями промежуточных резонаторов. 3. При всех своих достоинствах (удобство эксплуатации, надежность, высокий КПД) приборы с кратковременным взаимодействием (клистроны) обладают принципиальным недостатком, а именно: сравнительно узкой полосой пропускания для усилителей и малым диапазоном электронной перестройки частоты для генераторов. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для определения коэффициента усиления двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 35) 2. В каком случае справедливо это выражение? (Ответ на стр. 35) 36 3. Какую мощность в непрерывном режиме в сантиметровом диапазоне длин волн позволяют получить двухрезонаторные клистронные усилители? (Ответ на стр. 35) 4. Какие клистроны нужно использовать для получения более высокого коэффициента усиления? (Ответ на стр. 36) 5. Назовите принципиальные недостатки приборов с кратковременным взаимодействием. (Ответ на стр. 36) Выводы по теме 1. Когда электроны двигаются в пространстве между анодом и входным резонатором (Рез1), создаваемый ими конвекционный ток является постоянным. 2. Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется иногда группирователем. 3. Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии от пучка электронов, имеющего модуляцию по плотности. 4. Наибольшая амплитуда скоростной модуляции достигается при M ® 1 , т. е. при q ® 0 . При q = 2p скоростная модуляция отсутствует. 5. Центрами сгустков, приходящих в выходное устройство при преобразовании методом дрейфа, являются электроны, прошедшие середину управляющего зазора в момент нулевого СВЧ поля. 6. Период следования сгустков в точности равен периоду модулирующего напряжения. 7. Важно получить наибольшую модуляционную добавку i (t ) . 8. Безразмерная величина Х, называемая параметром группировки, играет важную роль в теории клистронов и найдет широкое применение в дальнейшем изложении 9. При X = 0 : wt 2 - Q = wt 1 — группировка отсутствует. 10. При X ¹ 0 — зависимость фазы прибытия во второй зазор от фазы прохождения через первый зазор перестает быть линейной; это означает, что существует группировка электронов. 37 11. Неоднозначность функции зависимости конвекционного тока во втором резонаторе от фазы прибытия электронов в него при X > 1 физически объяснима: происходит перегон одними группами электронов других групп, то есть присутствует одновременное прохождение через выходной зазор нескольких сгустков электронов, прошедших через первый зазор в различные моменты времени. 12. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона определяP M U ется по формуле: h эл = 2 n = 2n 2 n J n ( nX ) cos y. P0 U0 13. При M 2 n = 1 , U 2 n = U 0 и cos y = 1 электронный КПД достигает максимального значения. 14. Реальный КПД типичных двухрезонаторных клистронов составляет 25-30%. 15. В сравнении с приборами, использующими электростатическое управление электронным потоком, двухрезонаторные клистронные усилители имеют следующие преимущества:1. более высокий КПД в диапазоне спектра волн; 2. малая величина мощности, потребляемой для группирования электронного потока, то есть более высокий коэффициент усиления; 3. способность работать в диапазоне более высоких частот. 16. Выходная мощность усилителя Pвых определяется мощностью, рассеиваемой на трансформированной активной проводимости нагрузки G ¢н . 17. Входная и выходная мощности клистронного усилителя при прочих равных условиях связаны с параметром группировки соотношениями: Pвх ~ X 2 , Pвых ~ { J 1 ( X )} . 2 18. При использовании двухрезонаторных клистронных усилителей необходимо производить тщательную настройку обоих резонаторов. 19. Для получения более высокого коэффициента усиления и КПД используются многорезонаторные клистроны, которые отличаются от двухрезонаторных тем, что между входным и выходным резонаторами расположено несколько не связанных с внешними СВЧ-цепями промежуточных резонаторов. 38 20. При всех своих достоинствах (удобство эксплуатации, надежность, высокий КПД) приборы с кратковременным взаимодействием (клистроны) обладают принципиальным недостатком, а именно: сравнительно узкой полосой пропускания для усилителей и малым диапазоном электронной перестройки частоты для генераторов. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Нарисуйте схему двухрезонаторного пролетного клистрона (Ответ на стр. 15). 2. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет подогреватель? (Ответ на стр. 15). 3. Какую функцию в пролетном клистроне выполняют катод и анод? (Ответ на стр. 15). 4. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет первый резонатор? (Ответ на стр. 15). 5. Какую функцию в пролетном клистроне выполняет второй резонатор? (Ответ на стр. 15). 6. Чему равна энергия, приобретаемая одиночным электроном, при прохождении пути dx внутри зазора первого резонатора? (Ответ на стр. 17) 7. Чему равно полное приращение кинетической энергии электрона при прохождении зазора резонатора толщиной d 1 ? (Ответ на стр. 17) 8. Запишите выражение для определения невозмущенного угла пролета электроном зазора первого резонатора. (Ответ на стр. 17) 9. Запишите выражение для определения коэффициента взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем зазора. (Ответ на стр. 18) 10. В каком случае достигается наибольшая амплитуда скоростной модуляции достигается? (Ответ на стр. 19) 11. Нарисуйте пространственно-временную диаграмму, поясняющую явление группировки электронов. (Ответ на стр. 21) 12. Объясните с помощью пространственно-временной диаграммы явление группировки электронов. (Ответ на стр. 20) 39 13. Какие электроны являются центрами сгустков, приходящих в выходное устройство при преобразовании методом дрейфа? (Ответ на стр. 21) 14. Чему равен период следования сгустков? (Ответ на стр. 21) 15. Напишите уравнение, описывающее преобразование модуляции по скорости в модуляцию электронного потока по плотности. (Ответ на стр. 21) 16. Напишите уравнение скоростной модуляции. (Ответ на стр. 23) 17. Напишите выражение для определения времени прилета электрона в центр второго резонатора. (Ответ на стр. 23) 18. Напишите выражение для определения параметра группировки (Ответ на стр. 24) 19. Напишите выражение для определения угла пролета невозмущенного электрона пространства дрейфа. (Ответ на стр. 24) 20. Напишите уравнение для определения фазы прибытия электрона во второй зазор. (Ответ на стр. 24) 21. Напишите выражение для определения конвенционного тока, поступающего во второй резонатор. (Ответ на стр. 26) 22. Нарисуйте форму волны конвенционного тока в 2-х резонаторном клистроне при X < 1 , X = 1 и X > 1 . (Ответ на стр. 27) 23. Объясните физически неоднозначность функции зависимости конвекционного тока во втором резонаторе от фазы прибытия электронов в него при X > 1 . (Ответ на стр. 28) 24. Напишите выражение для определения электронного КПД двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 31) 25. При каких параметрах достигается максимальный КПД двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 31) 26. Чему равен реальный КПД типичных двухрезонаторных клистронов? (Ответ на стр. 31) 27. В чем преимущества клистронных усилителей? (Ответ на стр. 32) 28. Напишите выражение для определения мощности входного сигнала при выполнении условия согласования. (Ответ на стр. 32) 29. Как обычно выбираются углы пролета через резонаторы. (Ответ на стр. 32) 40 30. Напишите выражение для определения комплексной амплитуды напряжения на втором зазоре. (Ответ на стр. 33) 31. Напишите выражение для определения выходной мощности усилителя, рассеиваемой на трансформированной активной проводимости нагрузки. (Ответ на стр. 33) 32. Напишите выражение для определения коэффициента усиления двухрезонаторного клистрона. (Ответ на стр. 35) 33. В каком случае справедливо это выражение? (Ответ на стр. 35) 34. Какую мощность в непрерывном режиме в сантиметровом диапазоне длин волн позволяют получить двухрезонаторные клистронные усилители? (Ответ на стр. 35) 35. Какие клистроны нужно использовать для получения более высокого коэффициента усиления? (Ответ на стр. 36) 36. Назовите принципиальные недостатки приборов с кратковременным взаимодействием. (Ответ на стр. 36) 41 Лекция 2 Тема 2. Отражательный клистрон Введение Отражательный клистрон представляет собой автогенератор СВЧ малой мощности, широко применяемый в различных СВЧ-устройствах в качестве гетеродинов и маломощных генераторов. Раздел 2.1. Устройство и принцип работы отражательного клистрона Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципе работы отражательного клистрона. Содержательная часть Принципиальная схема отражательного клистрона изображена на рис. 2.1, на рис. 2.2 показано распределение постоянного потенциала в отражательном клистроне. На отражатель подается отрицательное напряжение под действием, которого происходит группировка электронов в пространстве группировки. Рез Анод Под Отр D d r v(t) r v0 Кат Вакуум U0 u(t) = U1 cos (w t) Выход СВЧ Uотр Рис. 2.1. Устройство отражательного клистрона 42 -U |Uотр | |U0| катод СВЧ зазор отража- x тель Рис. 2.2. Распределение постоянного потенциала в отражательном клистроне Механизм группировки электронного потока в тормозящем поле показан на рис. 2.3. Электроны типа 3 попадают в ускоряющее СВЧ поле и дальше всех пролетают в пространстве группировки. Электроны типа 1 находятся в нулевом СВЧ поле и пролетают меньшее расстояние пространстве группировки , чем электроны типа 3. Электроны типа 4 попадают в замедляющее СВЧ поле и пролетают самое маленькое расстояние в пространстве группировки, так как имеют наименьшую скорость. Электроны типа 3 догоняют электроны типа 1 и вместе они догоняют электроны типа 4, таким образом, образуется сгусток электронов. Сгустки образуются вокруг электронов попадающих в нулевое СВЧ поле и частота сгустков равна частоте СВЧ сигнала. 43 x пространство группировки плоскость отражателя 3 1 4 2 c2 c1 U 4 3 1 2 t Рис. 2.3. Группировка электронного потока методом тормозящего поля. Основные физические принципы работы электронноквантовых приборов присущи и отражательным клистронам, а именно: группировка электронов по скорости; затем группировка электронов по плотности; отдача сгустками электронов своей кинетической энергии СВЧ полю. 44 x плоскость отражателя n=0 плоскость зазора îïò t 3  T 4 x n=1 t  3 îïò  1   T  4 Рис. 2.4. Пространственно-временные диаграммы движения электронов при двух значениях оптимального времени пролета в пространстве группировки. Для того чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания сгустки должны проходить через зазор при обратном движении в моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле. Пространственновременные диаграммы, соответствующие прохождению центра сгустка в наиболее благоприятных условиях — в моменты максимального тормозящего поля — показаны на рис. 2.3. Здесь следует учитывать изменение направления движения электронов, в результате чего меняются ролями ускоряющие и тормозящие полупериоды поля в зазоре. Оптимальное время пролета t опт , как это видно из рис. 2.4, находится по формуле: 45 3 3ö æ t опт = T + nT = ç n + ÷ T , (2.1) 4 4ø è где T — период СВЧ колебаний, n = 0, 1, 2, 3… Вычислим полное время пролета электронов t в пространстве группировки в зависимости от междуэлектродных расстояний и постоянных напряжений U 0 и U отр . Допустим, что колебания в клистроне уже возникли. Тогда мгновенное высокочастотное напряжение на зазоре можно записать в виде U = - U 1 sin wt , (2.2) причём U 1 = U 0 . Частота колебаний w предполагается близкой к собственной частоте полого резонатора w 0 . Отрицательный знак в выражении (2.2) означает, что отсчет времени ведется относительно электронов поменявших направление движения на противоположное. Обозначим через t 1 момент прохождения электронов через центр зазора в прямом направлении. Скорость электрона v на выходе из зазора определяется с учетом (2.2) уравнением скоростной модуляции v = v 0 - v1 sin w t 1 , (2.3) где v 0 = 2eU 0 m , v1 = v 0 MU 1 ( 2U 0 ) , e и m — заряд и масса электрона, соответственно. Напишем уравнение движения электронов в пространстве между второй сеткой и отражателем: mx&& = - eE , (2.4) где E — постоянное электрическое поле, определяемое, как следует из рис. 2.2, следующей формулой: U 0 + U отр U 0 - U отр E= = , (2.5) D D где d — ширина СВЧ зазора; D — расстояние от второй сетки зазора до отражателя. Из уравнения (2.4) получаем eE && x=- . m Проинтегрировав один раз, получим 46 eE t + c, (2.6) m где c — постоянная интегрирования. Обозначим через t = t ¢ — момент прохождения электроном через сетку зазора, обращенную к отражателю. Через t ¢¢ будем в дальнейшем обозначать момент, когда тот же электрон возвращается в плоскость рассматриваемой сетки. Постоянная интегрирования c находится из следующего условия: eE v = - t ¢ + c. m В результате уравнение (2.6) перепишем следующим образом: eE x& = v (2.7) ( t - t ¢) . m Проинтегрировав (2.7), получим: x& = - 2 eE ( t - t ¢ ) . (2.8) m 2 Время пролёта электрона в пространстве группировки можно найти из условий x = 0 , t = t ¢¢ . При их подстановке в формулу (2.8) получаем: x = v (t - t¢) - 0 = v ( t ¢¢ - t ¢ ) - eE ( t ¢¢ - t ¢ ) , m 2 2 откуда eE t ¢¢ - t ¢ - v = 0. m 2 Решение первого уравнения тривиально, решение второго равенства дает 2m t ¢¢ - t ¢ = v, (2.9) eE где t ¢¢ - t ¢ — время пролета электрона в тормозящем поле. К этому времени следует добавить удвоенное время пролёта от центра зазора и обратно , равное d ( 2v ) и тогда получаем d 2m t= + v. (2.10) v eE t ¢¢ - t ¢ = 0, 47 Вместо v можно использовать v 0 , так как скорость электрона, являющегося центром сгустка не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора. Подставляя полученное соотношение для t в уравнение (2.1), определяющее оптимальную величину времени пролета электронного сгустка t опт , имеем d 2m 3ö æ + v 0 = T ç n + ÷. v 0 eE 4ø è Подставляя в последнее равенство соотношение (2.5), получаем: 2eU 0 d 2m 3ö æ + = T ç n + ÷. 4ø m æ U 0 - U отр ö 2eU 0 è eç ÷ m D è ø t опт = Вводя вместо периода Т частоту генерируемых колебаний n = 1 T , получаем D 8U 0 ö 3 mæ d =n + (2.11) ç ÷. e çè 2U 0 U 0 - U отр ÷ø 4 При d = D в этом уравнении часто оказывается возможным пренебречь первым членом в скобках. В этом случае получается более простое соотношение: 8mU 0 nD 3 e . n+ = (2.12) 4 U 0 - U отр n+ Уравнения (2.11) и (2.12) определяют фазовые условия, при которых возможна максимальная отдача энергии электронами в резонаторе. Отражательный клистрон имеет дискретные области (зоны) возбуждения. При U = const зависимость генерируемой мощности от напряжения на отражателе имеет вид, качественно показанный на рис. 2.5. 48 Генерируемая мощность n=1 n=2 n=4 n=3 -Uотр Рис. 2.5. Зоны генерации отражательного клистрона Выводы по разделу 1. На отражатель подается отрицательное напряжение под действием, которого происходит группировка электронов в пространстве группировки. 2. Сгустки образуются вокруг электронов попадающих в нулевое СВЧ поле и частота сгустков равна частоте СВЧ сигнала. 3. Основные физические принципы работы электронноквантовых приборов присущи и отражательным клистронам, а именно: группировка электронов по скорости; затем группировка электронов по плотности; отдача сгустками электронов своей кинетической энергии СВЧ полю. 4. Для того чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания сгустки должны проходить через зазор при обратном движении в моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле. 5. Отражательный клистрон имеет дискретные области (зоны) возбуждения. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напряжение какой полярности подается на отражатель? (Ответ на стр. 42) 2. Вокруг чего образуются сгустки электронов? (Ответ на стр. 43) 3. В какой момент времени электроны должны проходить через зазор при обратном движении, чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания? (Ответ на стр. 45) 49 4. Запишите уравнение скоростной модуляции для отражательного клистрона. (Ответ на стр. 46) 5. В чем особенность зависимости мощности генерируемых колебаний от напряжения отражателя? (Ответ на стр. 48) Раздел 2.2. Конвекционный ток в отражательном клистроне Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципе действия отражательного клистрона. Содержательная часть Закон сохранения заряда позволяет записать мгновенный конвенционный электронный ток i 2 , поступающий в центр высокочастотного зазора после движения в пространстве группировки (без учета изменения направления движения электронов), в виде dt (2.13) i2 = I 0 1 , dt 2 где t1 , t 2 — моменты первого и второго прохождения одного и того же электрона через центр зазора; I 0 — постоянная составляющая конвенционного тока пучка. Используем уравнение (2.10), которое определяет суммарное время пролета электрона от центра зазора к отражателю и обратно d 2m t = t 2 - t1 = + v. v eE Подставляя сюда (2.3) и (2.5) и умножая обе части уравнения на круговую частоту колебаний w , имеем: wd 2m wD w( t 2 - t1 ) = + ( v 0 - v1 sin wt1 ). (2.14) v 0 - v1 sin wt 1 e U 0 - U отр Считая, что U 1 = U 0 , и раскладывая в ряд первый член в правой части уравнения, ограничиваясь двумя членами разложения 50 wd wd wd » + v1 2 sin wt 1 + K v 0 - v1 sin wt 1 v 0 v0 Подставляя это разложение в уравнение (2.14) и группируя члены, получаем wd 2m wDv 0 w( t 2 - t1 ) = + v0 e U 0 - U отр (2.15) æ 2m wD wd ö -v 1 ç ÷ sin wt 1. ç e U 0 - U отр v 2 ÷ è ø Первый член в правой части уравнения есть невозмущённый угол пролета зазора резонатора клистрона: wd q= . v0 По аналогии второй член правой части уравнения представляет собой невозмущённый угол пролета пространства группировки, или, иначе говоря, угол пролета центра сгустка от второй сетки к отражателю и обратно. Обозначим этот угол пролета через Q : 2m wDv 0 Q= , e U 0 - U отр или Q= wD U 0 - U отр 2mU 0 wD = e v0 1- 4 . U отр U0 Перепишем уравнение (2.15) с учетом введенных обозначений: wt 2 - ( Q + q ) = wt 1 - X sin wt 1. (2.16) Через X обозначен параметр группировки, равный в данном случае æ 2m wD wd ö v X = v0 ç - 2 ÷ = 1 ( Q - q) , ç e U 0 - U отр v ÷ v 0 0 ø è но, учитывая, что 51 v1 = v 0 MU 1 , 2U 0 получим: MU 1 (2.17) ( Q - q). 2U 0 Через М здесь, как обычно, обозначен коэффициент взаимодействия высокочастотного поля в зазоре клистрона с электронным потоком: sin ( q 2 ) . M= ( q 2) X= Зависимость M ( q ) приведена на рис. 2.6. M(q) 0.8 0.6 0.4 0.2 p/2 p 2p -0.2 -0.4 2 4 6 8 10 q Рис. 2.6. Зависимость коэффициента взаимодействия от угла пролета зазора Дальнейший ход расчета конвекционного тока не отличается от анализа пролетных клистронов I0 dt 1 i2 = I 0 1 = I 0 = . dt dt 2 1 - X cos wt 1 2 dt 1 Таким образом, форма волны конвекционного тока в отражательном клистроне в общем случае такая же, как в двухрезонаторных клистронах. 52 Следует учесть, что высшие гармоники наведенного тока не могут быть использованы при обычной конструкции отражательного клистрона. Поскольку для модуляции и отбора энергии используется один и тот же резонатор, внешняя цепь зазора играет роль практически короткого замыкания для всех гармоник тока, кроме первой. Следовательно, достаточно ограничится лишь рассмотрением первой гармоники конвекционного тока, мгновенное значение которой равно: (2.18) ( i 2 ) 1 = 2 I 0 J 1 ( X ) cos éw ë t 2 - ( Q + q ) ùû , где J 1 ( X ) — функция Бесселя 1-го порядка. Одним из путей эффективного расчета параметров отражательного клистрона, как и всякого автогенератора, является использование комплексной электронной проводимости. Выводы по разделу 1. Форма волны конвекционного тока в отражательном клистроне в общем случае такая же, как в двухрезонаторных клистронах. 2. Для модуляции и отбора энергии используется один и тот же резонатор, внешняя цепь зазора играет роль практически короткого замыкания для всех гармоник тока, кроме первой. 3. Одним из путей эффективного расчета параметров отражательного клистрона, как и всякого автогенератора, является использование комплексной электронной проводимости. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для определения невозмущённого угол пролета зазора резонатора клистрона. (Ответ на стр. 51) 2. Напишите выражение для определения угла пролета центра сгустка от второй сетки к отражателю и обратно. (Ответ на стр. 51) 3. Напишите выражение для определения параметра группировки. (Ответ на стр. 52) 4. Какой элемент отражательного клистрона используется для модуляции электронного потока и отбора у него энергии? (Ответ на стр. 53) 53 5. Напишите выражение для первой гармоники конвекционного тока. (Ответ на стр. 53) Раздел 2.3. Основные параметры и характеристики отражательного клистрона. Условие самовозбуждения Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об основных параметрах и характеристиках отражательного клистрона и условии самовозбуждения. Содержательная часть Мгновенные значения первой гармоники наведенного в резонаторе тока и напряжения на зазоре при прохождении сгустка находятся по формулам: i нав = - M 2 I 0 J 1 ( x ) cos éw (2.19) ë t 2 - ( Q - q ) ùû , u = - U 1 sin wt 2 . (2.20) Знак «-» учитывает изменение направления движения электронов. Можно записать pö æ U = U 1 cos ç wt 2 - ÷ . 2ø è Тогда комплексные амплитуды напряжения и наведенного тока можно записать p . . i -i Q+q U = U 1e 2 , I нав = - M 2 I 0 J 1 ( x ) e ( ) . Определим комплексную электронную проводимость за- зора: . Y эл = I нав 2MI 0 J 1 ( x ) pö æ - i ç Q-q- ÷ 2ø è . e = (2.21) . U1 U Учитывая, что параметр группировки Х определяется по формуле: MU 1 X= ( Q - q) , 2U 0 54 выразим U 1 через Х и подставим это выражение в формулу (2.21): æ Y эл = G эл + iB эл где pö - i ç Q+q- ÷ M 2I 0 2ø = , ( Q - q) F ( x ) e è 2U 0 2J 1 ( x) . X График функции F ( X ) приведен на рис. 2.7. F ( x) = F X  (2.22) (2.23) 2J1  X  X XJ1  X 1.5 1 0.5 1 2 3 x Рис. 2.7. Графики функций, определяющих электронную проводимость и к.п.д. отражательного клистрона G эл Из (2.22) найдем активную и реактивную проводимости и B эл : G эл = M 2I 0 ( Q - q ) F ( X ) sin ( Q + q ) , 2U 0 (2.24) M 2I 0 (2.25) ( Q - q ) F ( X ) cos ( Q + q ) . 2U 0 Необходимым, хотя и недостаточным условием самовозбуждения всякого автогенератора СВЧ является отрицательная величина активной электронной проводимости B эл = 55 sin ( Q + q ) = -1, откуда 3ö æ Q + q = 2p ç n + ÷ , ( n = 0,1, 2,3,K) . (2.26) 4ø è Это условие обеспечивает прохождение сгустков в моменты максимального тормозящего поля. Углы пролета в зазоре отражательного клистрона выбираются обычно: q » ( 0.5 ¸ 0.8 ) p. Полная высокочастотная мощность Р, отдаваемая электронным пучком в резонатор и нагрузку, в установившемся режиме может быть выражена через амплитуду напряжения U 1 и суммарную активную проводимость зазора G полн , равную G полн = G + G ¢н , где G ¢н — проводимость резонатора и нагрузки, G — проводимость холодного (без электронов) резонатора. Но в режиме установившихся колебаний всегда должно выполняться условие: G полн + G эл (U 1 ) = 0 , тогда полная мощность равна: M 2U 12 I 0 1 P = - U 12G эл = F ( X )( Q - q ) sin ( Q + q ) . 2 4 U0 Выразим величину U 1 через параметр группировки X , как делали при выводе формулы (2.22) и подставим в последнее выражение: sin ( Q + q ) P = -U 0 I 0 2 XJ 1 ( X ) . (2.27) Q-q Мощность, подводимая к клистрону от источника ускоряющего напряжения, равна P0 = I 0U 0 . Отсюда электронный КПД отражательного клистрона: sin ( Q + q ) P (2.28) h эл = =2 XJ 1 ( X ) . P0 Q-q 56 Обозначим через P1 и h эл1 — величины полной колебательной мощности и электронный КПД в центрах зон генерации. Используя выражение (2.26), получаем для центров зон генерации: X J1 ( X ) XJ 1 ( X ) P1 = I 0U 0 , h эл1 = . p( n + 3 4) p ( n + 3 4) Так как из рис. 2.7 следует, что: XJ 1 ( X ) = max при X = 2.41, то 2.41J 1 ( 2.41) 0.398 . = ( h эл1 ) max = p ( n + 3 4) n+3 4 В таблице ниже приведены значения ( h эл1 ) max для различных зон генерации: n ( h эл1 ) max , % 1 2 3 53.1 22.7 14.5 10.6 … 7 5.1 Из уравнения U1 = 2U 0 X , M ( Q - q) при X = 2.41 , имеем: 0.767 U 0 . M ( n + 3 4) В случае M = 1 , уравнение даст для нулевой зоны генерации величину U 1 = 1.02U 0 — но этот результат несовместим с исходным допуском, что U 1 = U 0 . При n = 3 : U 1 = 0.2U 0 . При n = 6 : U 1 = 0.113U 0 . В отличии от пролетных клистронов электронный КПД отражательного клистрона в различных зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны. C учетом оседания электронов на сетке и СВЧ потерь в резонаторе для первой зоны: h » 3% . U1 = 57 Выводы по разделу 1. Необходимым, хотя и недостаточным условием самовозбуждения всякого автогенератора СВЧ является отрицательная величина активной электронной проводимости, т.е. должно выполняться условие: Q + q = 2p ( n + 3 4 ) , ( n = 0,1, 2,3,K) . Это условие обеспечивает прохождение сгустков в моменты максимального тормозящего поля. 2. В режиме установившихся колебаний всегда должно выполняться условие: G полн + G эл (U 1 ) = 0 . 3. В отличии от пролетных клистронов электронный КПД отражательного клистрона в различных зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для комплексной электронной проводимости зазора. (Ответ на стр. 54) 2. Назовите необходимое условие самовозбуждения отражательного клистрона. (Ответ на стр. 55) 3. Напишите выражение для полной высокочастотной мощности, отдаваемой электронным пучком в резонатор и нагрузку, в установившемся режиме. (Ответ на стр. 56) 4. Напишите выражения для определения электронного КПД отражательного клистрона. (Ответ на стр. 56) 5. Какое условие должно выполняться в режиме установившихся колебаний? (Ответ на стр. 56) Раздел 2.4. Электронная перестройка частоты в отражательном клистроне Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об основных способах электронной перестройки частоты в отражательном клистроне. 58 Содержательная часть Связь между частотой автоколебаний и параметрами резонатора и электронного пучка можно определить уравнением: é ù 1 n ген = n 0 ê1 + ctg ( Q + q )ú , ë 2Q н û где Q н — нагруженная добротность резонатора. Положим 3ö æ Q + q = 2p ç n + ÷ + dQ, 4ø è где dQ — приращение суммарного угла пролёта, обусловленного изменением U 0 или U отр . Тогда æ tg dQ ö n ген = n 0 ç1 ÷. 2Q н ø è Можно говорить об электронной перестройке частоты генерации отражательного клистрона в зависимости от U 0 или U отр . n ген = f (U 0 ) при U отр = const ; ( ) n ген = f U отр при U 0 = const . f (U 0 ) имеет недостаток — это потребление значительной мощности от источника управляющего напряжения. 59 Pген nген P n0 Pген n Dn -Uотр nген n0 n=3 n=2 n=1 -Uотр Рис. 2.8. Электронная перестройка частоты в отражательном клистроне Рассмотрим изменение угла пролета при изменении напряжения на отражателе относительно центра зоны dU îòð 3ö æ Q + q = 2p ç n + ÷ , 4ø è с учетом dQ = ¶Q Q dU отр = dU отр , ¶U отр U 0 - U отр или 3ö æ 2p ç n + ÷ - q 4ø dQ = è dU отр , U 0 - U отр или пренебрегая малостью q при n > 0 60 ìï é 2p ( n + 3 4 ) ù üï 1 (2.29) n ген = n 0 í1 tg ê dU отр ú ý. úû ïþ ïî 2Q н êë U 0 - U отр Уравнение (2.29) показывает, что частота колебаний изменяется в пределах зоны генерации по закону тангенса. Отражательные клистроны используются для создания маломощных СВЧ генераторов. Такие генераторы просты в настройке, надежны в работе и обладают небольшой электронной перестройкой рабочей частоты. Выводы по разделу 1. Можно говорить об электронной перестройке частоты генерации отражательного клистрона в зависимости от анодного напряжения или напряжения отражателя. 2. Способ электронной перестройки частоты с помощью изменения анодного напряжения имеет недостаток — это потребление значительной мощности от источника управляющего напряжения. 3. Отражательные клистроны используются для создания маломощных СВЧ генераторов. Такие генераторы просты в настройке, надежны в работе и обладают небольшой электронной перестройкой рабочей частоты. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите уравнение, устанавливающее связь между частотой автоколебаний и параметрами резонатора и электронного пучка можно определить уравнением. (Ответ на стр. 59) 2. Какими способами можно проводить электронную перестройку частоты в отражательном клистроне? (Ответ на стр. 59) 3. В чем недостаток способа электронной перестройки частоты посредством изменения анодного напряжения? (Ответ на стр. 59) 4. Напишите уравнение, описывающее электронную перестройку частоты с помощью напряжения отражателя. (Ответ на стр. 61) 5. Для чего применяются отражательные клистроны? (Ответ на стр. 61) 61 Выводы по теме 1. На отражатель подается отрицательное напряжение под действием, которого происходит группировка электронов в пространстве группировки. 2. Сгустки образуются вокруг электронов попадающих в нулевое СВЧ поле и частота сгустков равна частоте СВЧ сигнала. 3. Основные физические принципы работы электронноквантовых приборов присущи и отражательным клистронам, а именно: группировка электронов по скорости; затем группировка электронов по плотности; отдача сгустками электронов своей кинетической энергии СВЧ полю. 4. Для того чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания сгустки должны проходить через зазор при обратном движении в моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле. 5. Отражательный клистрон имеет дискретные области (зоны) возбуждения. 6. Форма волны конвекционного тока в отражательном клистроне в общем случае такая же, как в двухрезонаторных клистронах. 7. Для модуляции и отбора энергии используется один и тот же резонатор, внешняя цепь зазора играет роль практически короткого замыкания для всех гармоник тока, кроме первой. 8. Одним из путей эффективного расчета параметров отражательного клистрона, как и всякого автогенератора, является использование комплексной электронной проводимости. 9. Необходимым, хотя и недостаточным условием самовозбуждения всякого автогенератора СВЧ является отрицательная величина активной электронной проводимости, т.е. должно выполняться условие: Q + q = 2p ( n + 3 4 ) , ( n = 0,1,2,3,K) . Это условие обеспечивает прохождение сгустков в моменты максимального тормозящего поля. 10. В режиме установившихся колебаний всегда должно выполняться условие: G полн + G эл (U 1 ) = 0 . 62 11. В отличии от пролетных клистронов электронный КПД отражательного клистрона в различных зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны. 12. Можно говорить об электронной перестройке частоты генерации отражательного клистрона в зависимости от анодного напряжения или напряжения отражателя. 13. Способ электронной перестройки частоты с помощью изменения анодного напряжения имеет недостаток — это потребление значительной мощности от источника управляющего напряжения. 14. Отражательные клистроны используются для создания маломощных СВЧ генераторов. Такие генераторы просты в настройке, надежны в работе и обладают небольшой электронной перестройкой рабочей частоты. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Напряжение какой полярности подается на отражатель? (Ответ на стр. 42) 2. Вокруг чего образуются сгустки электронов? (Ответ на стр. 43) 3. В какой момент времени электроны должны проходить через зазор при обратном движении, чтобы клистрон мог генерировать незатухающие СВЧ колебания? (Ответ на стр. 45) 4. Запишите уравнение скоростной модуляции для отражательного клистрона. (Ответ на стр. 46) 5. В чем особенность зависимости мощности генерируемых колебаний от напряжения отражателя? (Ответ на стр. 48) 6. Напишите выражение для определения невозмущённого угол пролета зазора резонатора клистрона. (Ответ на стр. 51) 7. Напишите выражение для определения угла пролета центра сгустка от второй сетки к отражателю и обратно. (Ответ на стр. 51) 8. Напишите выражение для определения параметра группировки. (Ответ на стр. 52) 9. Какой элемент отражательного клистрона используется для модуляции электронного потока и отбора у него энергии? (Ответ на стр. 53) 63 10. Напишите выражение для первой гармоники конвекционного тока. (Ответ на стр. 53) 11. Напишите выражение для комплексной электронной проводимости зазора. (Ответ на стр. 54) 12. Назовите необходимое условие самовозбуждения отражательного клистрона. (Ответ на стр. 55) 13. Напишите выражение для полной высокочастотной мощности, отдаваемой электронным пучком в резонатор и нагрузку, в установившемся режиме. (Ответ на стр. 56) 14. Напишите выражения для определения электронного КПД отражательного клистрона. (Ответ на стр. 56) 15. Какое условие должно выполняться в режиме установившихся колебаний? (Ответ на стр. 56) 16. Напишите уравнение, устанавливающее связь между частотой автоколебаний и параметрами резонатора и электронного пучка можно определить уравнением. (Ответ на стр. 59) 17. Какими способами можно проводить электронную перестройку частоты в отражательном клистроне? (Ответ на стр. 59) 18. В чем недостаток способа электронной перестройки частоты посредством изменения анодного напряжения? (Ответ на стр. 59) 19. Напишите уравнение, описывающее электронную перестройку частоты с помощью напряжения отражателя. (Ответ на стр. 61) 20. Для чего применяются отражательные клистроны? (Ответ на стр. 61) 64 Лекция 3 Тема 3. Лампа бегущей волны типа О Введение Лампа бегущей волны типа О — это электровакуумный прибор, служащий для усиления СВЧ сигнала, в основе принципа работы которого лежит длительное взаимодействие между электронным потоком и бегущей электромагнитной волны. В ЛБВО происходят те же самые физические процессы, что и в клистронах — группировка электронов по скорости, по плотности и отбор энергии от сгруппированного электронного потока. Однако все эти процессы в ЛБВО происходят одновременно по всей длине лампы. В этом и состоит принцип длительного взаимодействия между электронным потоком и СВЧ полем. Кроме того, в клистронах электроны взаимодействуют происходит с колебаниями СВЧ поля между сетками резонатора, а в ЛБВО — с бегущей электромагнитной волной по всей длине устройства. Благодаря этому основным преимуществом ЛБВО перед клистронными усилителями является их широкополосность. В самом деле, во всех усилительных приборах с резонансной колебательной системой (например, пролетных клистронах) полоса частот ограничивается нагруженной добротностью рабочего типа колебания резонатора. Напротив, в ЛБВО резонансная колебательная система заменена на волновод и указанное ограничение снимается. Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитной волной необходимо соблюдать условие фазового синхронизма, которое заключается в приближенном равенстве скорости электронов v 0 и фазовой скорости волны v ф : v0 » vф. (3.1) Поскольку скорость электронов всегда меньше скорости света в вакууме, то условие (3.1) не выполняется без использования замедляющих систем. В большинстве ЛБВ используются замедляющие системы, в которых v ф < c . 65 Примерами таких структур являются волновод с встречными диафрагмами (рис. 3.1а) и спиральный волновод (рис. 3.1б). Металл S а) z L R б) Рис. 3.1. Виды замедляющих систем Процесс уменьшения фазовой скорости в спиральном волноводе заключается в следующем. Фронт волны всегда расположен перпендикулярно проводнику. Волна распространяется вдоль спирали (по её виткам) со скоростью света и между двумя соседними спиралями её фронт проходит расстояние 2pR . С другой стороны расстояние между двумя витками по оси Oz равно L . При взаимодействии с электронным потоком важна проекция фазовой скорости на ось Oz , которая соотносится со скоростью распространения волны вдоль спирали следующим образом: 66 v фz L . (3.2) c 2pR На практике используются спиральные замедляющие системы, у которых R >> L , следовательно, v фz < c . = Параметр v фz / c = k зам называется коэффициентом замедления. Рассмотрим процесс группировки электронов в сгустки и передачу энергии от них к волне. Эти процессу удобно описывать пространственно-временной диаграммой. Выберем систему координат, движущуюся вместе с электромагнитной волной со скоростью v ф . Через Dz обозначим смещение электрона относительно волны. На рис. 3.2 показаны три возможные ситуации. t vô  v0 t vô  v0 ~ 3 1 2 а) t v0  vô ~ 3 z 1 2 б) 3 z 1 2 в) z Рис. 3.4. Условие фазового синхронизма В случае идеального выполнения условия фазового синхронизма ( v ф = v 0 ) сгусток образуется при нулевом поле волны (рис. 3.2а). При v ф ‰ v 0 волна «обгоняет» электроны и сгусток образуется в ускоряющем полупериоде поля волны, поэтому электроны забирают энергию у волны и сгусток ускоряется (рис. 3.2б). При v 0 ‰ v ф электроны немного обгоняют волну и сгруппируются в области тормозящего поля. В результате этого электроны отдадут свою энергию СВЧ-волне, что необходимо для усиления входного сигнала. На практике скорость электронов: v 0 » 1.05 × v ф . 67 Раздел 3.1. Устройство и принцип работы ЛБВО Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципе работы ЛБВО. Содержательная часть Рассмотрим устройство и принцип работы лампы бегущей волны усилительного типа. Коэффициент усиления ЛБВО определяется отношением мощностей СВЧ сигнала на выходе и входе лампы. Устройство ЛБВО схематично показано на рис. 3.4. Лампа имеет спиральную замедляющую систему (ЗС) с коаксиальными входом и выходом СВЧ. Вход СВЧ Выход СВЧ Ïîãë Кол Анод Под Кат r v0 ÇÑ Вакуум r v(t ) r H0 ÔÑ U0 Рис. 3.4. Лампа бегущей волны усилительного типа Фокусирующая система (ФС) представляет собой внешr ний соленоид, создающий постоянное магнитное поле H 0 в продольном направлении лампы. Это поле фокусирует электроr r r ны при помощи силы Лоренца: F = em 0 éëv 0 , H 0 ùû ( m 0 — магнитная постоянная вакуума). Для возникновения термоэлектронной эмиссии электронов с катода (Кат) используется подогреватель (Под). В пространстве между катодом и анодом под действием постоянного 68 напряжения U 0 осуществляется разгон электронов до одинакоr вой скорости v 0 , определяемую из закона сохранения энергии: eU 0 = mv 02 2; v 0 = 2eU 0 m , (3.3) где e и m — заряд и масса электрона. Оптимальное значение ускоряющего напряжения U 0 выбирается следующим образом. Фазовая скорость волны в замедляющей системе определяется как v ф = c sin y , где y — угол накрутки спирали, который определяется как ( 2pR ) 2 + L2 . sin y = L (3.4) Используя выражения (3.3), (3.4), с учетом условия фазового синхронизма (3.1) получаем оптимальное значение ускоряющего напряжения: 2 2 mc 2 L L (3.5) (U 0 ) опт = 2 æç ö÷ » 0.65 ×10 4 × æç ö÷ [ В]. 8p e è R ø èRø При удалении значения U 0 от (U 0 ) опт условие фазового синхронизма (3.1) выполняется все более в худшей степени, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ЛБВ. Типичный вид зависимости коэффициента усиления K от ускоряющего напряжения U 0 приведен на рис. 3.4. K Kmax v0  vô 1 U0 îïò U0 Рис. 3.4. Зависимость коэффициента усиления ЛБВО от ускоряющего напряжения 69  z Рис. 3.5. Модуляция электронов по плотности вдоль замедляющей системы ЛБВО Начальный участок спиральной замедляющей системы выполняет модуляцию электронов по скорости. По мере движения вдоль лампы электроны за счет разницы скоростей группируются в сгустки (модуляция электронов по плотности). Эти сгустки, попадая в тормозящие полупериоды поля волны, отдают энергию СВЧ полю, тем самым усиливая входной сигнал. Процесс образования электронных сгустков показывает зависимость плотности электронного потока r от продольной координаты z , которая приведена на рис. 3.5. Центры сгустков первоначально располагаются в областях тормозящего электрического поля (залитые области), но на выходе лампы сгустки образуются вблизи точек перехода поля от ускоряющего к тормозящему. Рассмотрим взаимодействие между электронным потоком и электромагнитной волной в замедляющей системе. Продольr ная составляющая вектора E волны определяется следующим образом: ), E z = E mz e ( (3.6) где E mz — амплитуда поля; w — круговая частота; b — постоянная распространения волны. i wt -b z 70 В ЛБВО на электроны действует продольная составляющая электрического поля волны, поэтому уравнение движения электрона имеет вид: dv ( z , t ) m = -eE z ( z , t ) . (3.7) dt Электромагнитная волна модулирует электронный поток по скорости по закону изменения составляющей E z (3.6), поэтому для скорости электрона можно записать: ), v = v 0 + v1e ( (3.8) где v1 = v 0 — изменение скорости электрона вследствие скоростной модуляции. Подставляя выражение (3.8) в уравнение движения (3.7) и учитывая, что dv ¶v ¶v = + v, dt ¶t ¶z запишем уравнение движения в следующем виде: dv i wt -b z ) m = m ( iwv1 - bv 0v1 ) e ( = - eE z . (3.9) dt Из уравнения (3.9) несложно определить переменную составляющую скорости электронов: eE mz v1 = . (3.10) æ w ö mv 0 ç i - b ÷ è v0 ø i wt -bz Параметр b эл = w v 0 называется электронным волновым числом. Вычислим конвекционный ток, создаваемый электронным потоком. В замедляющей системе происходит модуляция электронов по плотности, поэтому: ), r = r 0 + r 1e ( (3.11) где r 0 — плотность электронного потока при выходе с анода; r 1 = r 0 — изменение плотности электронного потока вследствие модуляции по плотности. i wt -b z 71 Конвекционный ток определяется следующим образом: ) . (3.12) j ( z , t ) = r ( z , t ) v ( z , t ) = r 0 v 0 + ( r 0 v1 + r 1v 0 ) e ( Первое слагаемое в выражении (3.12) определяет плотность конвекционного тока при выходе электронов с анода; второе слагаемое — гармоническую добавку за счет модуляции электронов по плотности. Таким образом, конвекционный ток в ЛБВО представляет собой «волну», состоящую из электронных сгустков. Для подавления положительной обратной связи и самовозбуждения в лампе используются поглотители (Погл. — на рис. 3.3), которые расположены ближе к началу замедляющей системы. Их назначение — поглощения обратной волны, отраженной от СВЧ-выхода лампы. Самовозбуждение имеет место при выполнении двух условий: 1. Амплитуда «вторичной» (дважды отраженной от выхода и входа) волны сравнима с амплитудой «первичной» волны на входе. 2. Фазы «вторичной» и «первичной» бегущих волн сдвинуты на 2pn ( n — целое число). В этом случае при условии nl = l 2 ( l — длина ЗС; l — длина волны в ЗС) в лампе установятся автоколебания на частотах: n eU 0 . (3.13) ( f ген ) n = l 2m Поглотитель является взаимным элементом, поэтому он поглощает и «первичную» волну, распространяющуюся от СВЧвхода к выходу. Именно поэтому его располагают ближе к СВЧвходу, чтобы на оставшемся участке за счет отбора энергии у электронов СВЧ-сигнал усиливался. i wt -b z Выводы по разделу 1. При удалении значения U 0 от (U 0 ) опт условие фазового синхронизма выполняется все более в худшей степени, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ЛБВ 2. Начальный участок спиральной замедляющей системы выполняет модуляцию электронов по скорости. По мере движения 72 вдоль лампы электроны за счет разницы скоростей группируются в сгустки (модуляция электронов по плотности). 3. В ЛБВО на электроны действует продольная составляющая электрического поля волны. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте схематично устройство ЛБВО. (Ответ на стр. 68) 2. Для чего в ЛБВ нужна фокусирующая система? (Ответ на стр. 68) 3. Для чего в ЛБВ нужна замедляющая система? (Ответ на стр. 69) 4. Напишите выражение для определения оптимального значения ускоряющего напряжения. (Ответ на стр. 69) 5. Почему при отдалении ускоряющего напряжения от оптимального значения уменьшается коэффициент усиления ЛБВ? (Ответ на стр. 69) Раздел 3.2. Основные параметры и характеристики ЛБВО Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об основных параметрах и характеристиках ЛБВО. Содержательная часть 1. Параметр усиления C . C=3 R св I 0 , 4U 0 (3.14) где I 0 — конвекционный ток на выходе с анода; R св — сопротивление связи. 2. Выходная мощность ЛБВО. P= E zm 2 = 2CI 0U 0 . (3.15) 2b эл R св 3. Частотная характеристика ЛБВ — это зависимость выходной мощности от частоты СВЧ-сигнала. Качественный 73 вид частотной характеристики ЛБВ показан на рис. 3.6. Как видно из приведенного графика существует оптимальная частота f опт , на которой в ЛБВ происходит максимальное усиление. На этой частоте выполняется условие фазового синхронизма (3.1). При удалении от оптимальной частоты, вследствие дисперсии пространственных гармоник в замедляющей системе изменяется фазовая скорость и условие (3.1) выполняется все более в худшей степени. Это приводит к уменьшению выходной мощности. Полоса усиления ЛБВ определяется как 2 Df = f в - f н . v0  vô P Pmax 1 0.5 2f fí fîïò fâ f Рис. 3.6. Частотная характеристика ЛБВО 4. Амплитудная характеристика ЛБВ — это зависимость выходной мощности от входной мощности СВЧ-сигнала. Качественный вид амплитудной характеристики ЛБВ показан на рис. 3.7. P Pâõ Рис. 3.7. Амплитудная характеристика ЛБВО 74 Начальный участок зависимости выходной мощности Pвых от входной Pвх , как и у большинства других усилителей, имеет примерно линейный характер, так как здесь с увеличением входной мощности увеличивается поле волны в замедляющей системе, что ведет к усилению процессов модуляции по скорости и плотности и увеличению отбора полем кинетической энергии электронов. При этом коэффициент усиления на линейном участке можно определить по формуле Пирса: l (3.16) K= A - 9.54, дБ, l зам где l l зам — число замедленных длин волн, укладывающихся вдоль замедляющей системы лампы, а А — коэффициент, зависящий от конкретной конструкции лампы и ее режима; его значения обычно лежат в пределах от 1 до 10. Практически коэффициент усиления ЛБВ бывает порядка 20 ¸ 40 дБ. Получение более высокого КУ затрудняется склонностью ЛБВ к самовозбуждению, а также другими факторами. Выводы по разделу 1. Основными параметрами и характеристиками ЛБВО являются: параметр усиления, коэффициент усиления рассматриваемой волны, выходная мощность, частотная характеристика и амплитудная характеристика. 2. Начальный участок зависимости выходной мощности Pвых от входной Pвх , как и у большинства других усилителей, имеет примерно линейный характер 3. Практически коэффициент усиления ЛБВ бывает порядка 20 ¸ 40 дБ. Получение более высокого КУ затрудняется склонностью ЛБВ к самовозбуждению, а также другими факторами. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите выражение для параметра усиления. (Ответ на стр. 73) 75 2. Напишите выражение для определения выходной мощности. (Ответ на стр. 73) 3. Нарисуйте качественно частотную характеристику. (Ответ на стр. 74) 4. Нарисуйте качественно амплитудную характеристику. (Ответ на стр. 74) 5. Напишите выражение для определения коэффициента усиления. (Ответ на стр. 75) Выводы по теме 1. Основными параметрами и характеристиками ЛБВО являются: параметр усиления, коэффициент усиления рассматриваемой волны, выходная мощность, частотная характеристика и амплитудная характеристика. 2. Начальный участок зависимости выходной мощности Pвых от входной Pвх , как и у большинства других усилителей, имеет примерно линейный характер 3. Практически коэффициент усиления ЛБВ бывает порядка 20 ¸ 40 дБ. Получение более высокого КУ затрудняется склонностью ЛБВ к самовозбуждению, а также другими факторами. 4. При удалении значения U 0 от (U 0 ) опт условие фазового синхронизма выполняется все более в худшей степени, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ЛБВ 5. Начальный участок спиральной замедляющей системы выполняет модуляцию электронов по скорости. По мере движения вдоль лампы электроны за счет разницы скоростей группируются в сгустки (модуляция электронов по плотности). 6. В ЛБВО на электроны действует продольная составляющая электрического поля волны. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Напишите выражение для параметра усиления. (Ответ на стр. 73) 2. Напишите выражение для определения выходной мощности. (Ответ на стр. 73) 76 3. Нарисуйте качественно частотную характеристику. (Ответ на стр. 74) 4. Нарисуйте качественно амплитудную характеристику. (Ответ на стр. 74) 5. Напишите выражение для определения коэффициента усиления. (Ответ на стр. 75) 6. Нарисуйте схематично устройство ЛБВО. (Ответ на стр. 68) 7. Для чего в ЛБВ нужна фокусирующая система? (Ответ на стр. 68) 8. Для чего в ЛБВ нужна замедляющая система? (Ответ на стр. 69) 9. Напишите выражение для определения оптимального значения ускоряющего напряжения. (Ответ на стр. 69) 10. Почему при отдалении ускоряющего напряжения от оптимального значения уменьшается коэффициент усиления ЛБВ? (Ответ на стр. 69) 77 Лекция 4 Тема 4. Лампа обратной волны типа О Введение Лампа обратной волны типа О (ЛОВО)— это электровакуумный прибор, служащий для генерации (усиления) СВЧ сигнала, в основе принципа работы которого лежит длительное взаимодействие между электронным потоком и обратными пространственными гармониками электромагнитного поля в замедляющей системе. В усилительном режиме ЛОВО узкополосна и, не имея других заметных преимуществ по сравнению с ЛБВО, не может конкурировать с последней, поэтому в усилительном режиме она используется редко. В генераторном режиме ЛОВО позволяет осуществлять широкую электронную перестройку генерируемой частоты (невозможную в ЛБВО), что и обусловливает ее практическое применение в качестве гетеродинов и измерительных генераторов качающейся частоты, в которых возможность электронной перестройки является существенным достоинством прибора. Раздел 4.1. Устройство и принцип работы ЛОВО Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципе работы ЛОВО. Содержательная часть Рассмотрим устройство и принцип работы ЛОВО генераторного типа. Схема лампы представлена на рис. 4.1. 78 Выход СВЧ S Ïîãë Кол Анод Под Кат ÇÑ r v0 Вакуум r v(t) vô,p r H0 vãð ÔÑ U0 Рис. 4.1. Лампа обратной волны генераторного типа Лампа представляет собой стеклянный вакуумный баллон. В устройство ЛОВО входит «электронная пушка» (система «катод-анод»), служащей для ускорения электронов под действием постоянного напряжения U 0 и создания электронного потока. Для возникновения термоэлектронной эмиссии электронов с катода (Кат) используется подогреватель (Под). Коллектор служит для сбора электронов и возвращения их на источник питания. Фокусирующая система (ФС) представляет собой внешний соленоид или постоянный магнит, создающий продольное постоянное магнитное поле, которое обеспечивает неизменное поперечное сечение электронного пучка. В генераторной ЛОВО имеется только СВЧ-выход, служащий для вывода СВЧ-энергии из лампы во внешнюю цепь. Обычно выход конструктивно соединен с коаксиальной линией передачи или полым прямоугольным волноводом. Замедляющая система (ЗС) служит для уменьшения фазовой скорости электромагнитной волны в замедляющей системе. Это необходимо для выполнения фазового синхронизма между электронным потоком и СВЧ-волной. Обычно в ЛОВО используется гребенчатая замедляющая система, образованная выступами металлических диафрагм. В пространстве между катодом и анодом под действием постоянного напряжения U 0 осуществляется разгон электронов 79 r до одинаковой скорости v 0 , определяемую из закона сохранения энергии: mv 02 2eU 0 eU 0 = ; v0 = , (4.1) 2 m где e и m — заряд и масса электрона. При включении ЛОВО в ней отсутствует СВЧ-поле. Электроны, пролетая вблизи замедляющей системы, наводят на ней СВЧ-токи, которые являются источниками электромагнитного поля в замедляющей периодически-неоднородной системе. Согласно теоремы Флоке, электромагнитное поле в соседних ячейках периодически-неоднородной системы одинаково и поэтому продольную составляющую электрического поля E z в ЗС можно представить в виде ряда Фурье по продольной координате z : E z ( x, y , z; t ) = +¥ å p =- ¥ E zp e i ( wt -b p z ) , (4.2) где b p = b 0 + 2pp S , E zp = E 0 z A p , A p — коэффициенты разложения; S — период замедляющей системы. Поле в периодической замедляющей системе, как видно из (4.2.), можно представить в виде бесконечной суммы бегущих волн с одинаковой частотой w и различными фазовыми коэффициентами b p и амплитудами E zp . Эти волны называются пространственными гармониками (гармониками Хартри). Они могут существовать только совместно, в сумме представляя реальное поле в замедляющей системе. Рассмотрим основные свойства пространственных гармоник. 1. Постоянные распространения пространственных гармоник определяются соотношением: 2pp b p = b0 + , p = 0, ± 1, ± 2,K (4.3) S Гармоники с p > 0 называются прямыми; с p < 0 — обратными. Гармоника с p = 0 называется основной. В формуле (4.3) b 0 — постоянная распространения нулевой гармоники. 2. Фазовые скорости пространственных гармоник: 80 w w , p = 0, ± 1, ± 2,K (4.4) = b p b + 2pp S 3. Для взаимодействия электронного потока с p -ой пространственной гармоникой должно выполняться условие фазового синхронизма: 2eU 0 v ф, p » v 0 = . (4.5) m 4. Длины волн пространственных гармоник: 2p 2p lp = = , p = 0, ± 1, ± 2,K (4.6) b p b + 2pp S 5. Групповые скорости пространственных гармоник: dw dw dw v гр, p = = = = v гр,0 . (4.7) 2pp ö d b 0 db p æ d çb0 + S ÷ø è Все пространственные гармоники имеют одинаковую групповую скорость. Гармоники не могут существовать отдельно друг от друга и лишь суперпозиция всех их описывает электромагнитное поле в периодически-неоднородной ЗС. Электрические токи, наводимые в замедляющей системе пролетающими рядом электронами, создают в ней электромагнитное поле, которое распространяется в виде двух встречных волн — прямой и обратной. Это поле представляется в виде бесконечной суммы пространственных гармоник (4.2). Если бы ЗС была однородной и поле ее не содержало бы пространственных гармоник, то фазовая скорость была бы направлена только в сторону движения энергии волны (к СВЧ-выходу). Однако фазовые скорости пространственных гармоник могут совпадать по направлению с групповой скоростью (прямые гармоники) и быть противоположно направленными по отношению к v гр (обратные гармоники). v ф, p = Таким образом, направление движения электронов совпадает с направлением фазовых скоростей v ф,- p обратных гармо81 ник. Направления движения электронов, прямых и обратных пространственных гармоник показаны на рис. 4.2. v0 vô,p vãð vô,p Рис. 4.2. Направления скоростей электронов, фазовых и групповых скоростей пространственных гармоник В результате в ЛОВО электронный поток будет взаимодействовать с обратными пространственными гармониками поля в ЗС. Подберем ускоряющее напряжение U 0 таким образом, чтобы обеспечить фазовый синхронизм между электронами и одной из обратных пространственных гармоник с номером - p . Для этого положим: v 0 » v ф,- p . С использованием формулы (4.4) получаем значение ускоряющего напряжения: 2 ù mé w U0 = ê ú . 2e ëê b 0 - 2p p S ûú (4.8) Известно, что для поддержания генерации в устройстве необходимо наличие положительной обратной связи. В ЛОВО она является внутренней и возникает вследствие того, что направления движения электронов и групповой скорости СВЧволны противоположны друг другу. Электроны, двигаясь от катода, в начале ЗС модулируется обратной гармоникой по скорости. По мере распространения электронов вдоль ЗС эта модуляция переходит в модуляцию по плотности. Электроны группируются в сгустки, тем самым увеличивая конвекционный ток, который принимает максимальное значение в конце ЗС. Электромагнитная волна распространяется в сторону СЧ-выхода, поэтому ее поле в конце ЗС мало. На этом участке преобладает процесс отбора кинетической энергии от электронного потока СВЧ-волной, что приводит к увеличению амплитуды обратных 82 гармоник. С другой стороны, у СВЧ-выхода амплитуда поля волны велика, а электроны еще не сгруппированы. Поэтому на этом участке преобладает процесс группировки электронов под действием поля волны. Это неразрывное влияние электронов на волну и обратно происходит по всей длине ЗС, но степень влияния на разных участках — различна. Это показано на рис. 4.3. ÑÂ × âûõîä Ez Êîëëåêòîð Iêîíâ z Рис. 4.3. Внутренняя обратная связь в ЛОВО На рис. 4.3 показаны зависимости конвекционного тока I конв (сплошные линии) и модуля продольной составляющей электрического поля E z (штриховые линии) от продольной координаты z . Внизу качественно показан процесс образования электронных сгустков при различных значениях z . Стрелками показано преобладающее направление двухсторонней обратной связи между электронами и СВЧ-волной. Таким образом, электронный поток в ЛОВО играет двойную роль — как источник энергии и как элемент обратной связи. Обратная связь в ЛОВО распределена по всей ЗС и присуща самому принципу работы лампы, то есть является принципиально неустранимой. Если к СВЧ-выходу подключена хорошо согласованная нагрузка, то не играет роли какое сопротивление включено на другом конце замедляющей системы. Однако при рассогласовании внешней нагрузки, волна, отраженная от нее начинает распространяться вдоль ЗС к коллектору. Затем она отражается от конца ЗС и начинает взаимодействовать с электронами, что при83 водит к скачкам выходной мощности. В этом случае электронный поток взаимодействует уже с прямыми гармониками волны отраженной от конца ЗС. Для устранения этого явления на конце ЗС (вблизи коллектора) ставят поглотитель, который представляет собой согласованную нагрузку и предотвращает возбуждение ЛОВО на прямых гармониках. Очевидно, что при согласованной выходной нагрузке поглотитель не оказывает никакого влияния на величину выходной мощности ЛОВО. Поля пространственных гармоник убывают при удалении от замедляющей системы, причем тем быстрее, чем больше номер гармоники. Поэтому работа ЛОВО производится обычно лишь на первой обратной пространственной гармонике с p = -1 . Выводы по разделу 1. Замедляющая система (ЗС) служит для уменьшения фазовой скорости электромагнитной волны в замедляющей системе. Это необходимо для выполнения фазового синхронизма между электронным потоком и СВЧ-волной. Обычно в ЛОВО используется гребенчатая замедляющая система, образованная выступами металлических диафрагм. 2. Электрические токи, наводимые в замедляющей системе пролетающими рядом электронами, создают в ней электромагнитное поле, которое распространяется в виде двух встречных волн — прямой и обратной. Это поле представляется в виде бесконечной суммы пространственных гармоник (гармоник Хартри). Все пространственные гармоники имеют одинаковую групповую скорость. Гармоники не могут существовать отдельно друг от друга и лишь суперпозиция всех их описывает электромагнитное поле в периодически-неоднородной ЗС. 3. Фазовые скорости прямых пространственных гармоник совпадают с направлением групповой скорости волны, а фазовые скорости обратных гармоник противоположны ему. 4. В ЛОВО электронный поток взаимодействует с обратными пространственными гармониками поля в ЗС. 84 Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Для чего служит замедляющая система и в виде чего она выполнена в ЛОВО? (Ответ на стр. 79) 2. Откуда берется электромагнитное поле в ЛОВО? (Ответ на стр. 80) 3. Что такое прямые и обратные гармоники? (Ответ на стр. 81) 4. С какими гармониками взаимодействует электронный поток и почему? (Ответ на стр. 81-82) 5. Как в ЛОВО выполнена положительная обратная связь? (Ответ на стр. 82-83) Раздел 4.2. Зоны генерации ЛОВО Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о зонах генерации ЛОВО. Содержательная часть Электронный поток, поступающий в ЗС не имеет модуляции по скорости и по плотности. В ЗС на него начинает действовать продольная составляющая напряженности электрического поля E z , которая модулирует скорость электронов. За счет разницы в скоростях по мере движения вдоль ЗС электроны группируются в сгустки (модуляция по плотности). Затем, двигаясь в тормозящем поле волны, сгустки отдают свою энергию, тем самым усиливая СВЧ-сигнал. Для наиболее полной отдачи кинетической энергии СВЧ-полю сгусток за время пролета по длине ЗС должен двигаться только в тормозящий полупериод поля волны (рис. 4.4а). В этом случае сгусток будет отдавать всю свою энергию обратной пространственной гармонике, а следовательно и всей СВЧ-волне. Этот режим соответствует зоне генерации с n = 0 . Генерация будет происходить и в том случае, если сгусток вдоль длины ЗС 2/3 пути движется в тормозящем поле волны и 1/3 — в ускоряющем поле (рис. 4.4б). Этот режим соответствует зоне генерации с n = 1 . Очевидно, что для перехода на работу ЛОВО в этой зоне генерации необходимо увеличить ускоряю85 щее напряжение U 0 , что эквивалентно взаимодействию электронов с уже другой пространственной гармоникой. Аналогично, зона генерации с n = 2 получается, когда сгусток вдоль длины ЗС 3/5 пути движется в тормозящем поле и 2/5 — в ускоряющем поле (рис.4.4в) и т.д. Таким образом, условие образования зоны генерации с номером n имеет вид: wl wl = ( 2n + 1) p , (4.9) v ф,- p v 0 где l — длина всей ЗС; n = 0,1, 2,K — номер зоны генерации. С учетом соотношения (4.8) получаем условие генерации ЛОВО на частоте f : m n +1 2 1 = . 2eU 0 v ф,- p fl (4.10) На рис. 4.5 приведена зависимость генерируемой мощности от постоянного конвекционного тока пучка I 0 . Практический интерес представляет только работа в зоне генерации n = 0 . Для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах n = 0 и n = 1 рабочий ток (ускоряющее напряжение) выбирается больше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока первой зоны. 86 z Ez à) z Ez á) Ez z Ez â) Рис. 4.4. Механизм образования зон генерации в ЛОВО Pâûõ n0 Óñèëåíèå n 1 Ãåíåðàöèÿ Iïóñê 0 I0 ðàá Iïóñê 1 n2 I0 Рис. 4.5. Зоны генерации ЛОВО 87 Выводы по разделу 1. Для наиболее полной отдачи кинетической энергии СВЧполю сгусток за время пролета по длине ЗС должен двигаться только в тормозящий полупериод поля волны 2. Условие образования зоны генерации с номером n имеет wl wl вид: = ( 2n + 1) p. v ф,- p v 0 3. Практический интерес представляет только работа в зоне генерации n = 0 . Для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах n = 0 и n = 1 рабочий ток (ускоряющее напряжение) выбирается больше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока первой зоны. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Опишите процесс модуляции по плотности. (Ответ на стр. 85) 2. В каком случае будет происходить наиболее полная отдача кинетической энергии СВЧ-полю? (Ответ на стр. 85) 3. В каких случаях будет происходить генерация? (Ответ на стр. 85) 4. Какой вид имеет условие образования зоны генерации с номером n ? (Ответ на стр. 86) 5. Что нужно сделать для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах n = 0 и n = 1 ? (Ответ на стр. 86) Раздел 4.3. Электронная перестройка частоты в ЛОВО Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о способах электронной перестройки частоты в ЛОВО. Содержательная часть Электронная перестройка частоты — это изменение частоты генерируемых СВЧ колебаний при изменении какоголибо электрического параметра устройства. 88 Электронная перестройка частоты в лампе обратной волны — это изменение частоты генерируемой СВЧ-волны при изменении ускоряющего напряжения U 0 . Как видно из формулы (4.10), частота генерируемой волны в ЛОВО зависит от ускоряющего напряжения U 0 . Физически возможность электронной перестройки частоты в ЛОВ можно объяснить следующим образом. Замедляющая система представляет собой волновод, поэтому пространственные гармоники обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты. Между электронным потоком и обратной пространственной гармоникой (например, с p = -1 ) существует фазовый синхронизм, то есть v 0 » v ф,- p . При изменении ускоряющего напряжения U 0 изменяется скорость электронного потока. Для того, чтобы по-прежнему выполнялось условие синхронизма должна измениться фазовая скорость первой обратной пространственной гармоники. Вследствие дисперсии это возможно только при изменении частоты генерируемых колебаний. Таким образом, изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению частоты генерируемого СВЧ-сигнала. Дисперсионные характеристики пространственных гармоник определяются следующим выражением (см. формулу (4.4)): w v ф, p = , p = 0, ± 1, ± 2,K (4.11) 2pp b0 + S Заметим, что при p > 0 увеличение частоты w приводит к уменьшению фазовой скорости, то есть прямые гармоники обладают нормальной дисперсией. При p < 0 увеличение частоты w приводит к росту фазовой скорости, то есть обратные гармоники обладают аномальной дисперсией. С учетом вышесказанного из формулы (4.10) следует, что частота генерируемых колебаний в ЛОВО должна возрастать при увеличении ускоряющего напряжения U 0 . Подставляя выражение (4.11) в формулу (4.10), получаем соотношение, описывающее электронную перестройку частоты в ЛОВО в нулевой зоне генерации ( n = 0 ): 89 2eU 0 éë( b 0 S - 2pp ) l - pS ùû . (4.11) 2p mSl Как видно из формулы (4.11), частота генерируемых колебаний f ~ U 0 . На рис. 4.6 приведен качественный вид завиf = симости частоты f от ускоряющего напряжения U 0 . f f U0 U0 Рис. 4.6. Электронная перестройка частоты в ЛОВ Для характеристики электронной перестройки частоты в ЛОВО вводится параметр S , называемый крутизной электронной перестройки частоты: Df (4.12) S= [ МГц В], DU 0 = 1В который показывает насколько изменяется частота генерируемой СВЧ волны при изменении ускоряющего напряжения на 1 Вольт. Выводы по разделу 1. Изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению частоты генерируемого СВЧ-сигнала. 90 2. Прямые гармоники обладают нормальной дисперсией, а обратные гармоники — аномальной. 3. Частота генерируемых колебаний f ~ U 0 . Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Как осуществляют электронную перестройку частоты в ЛОВО? (Ответ на стр. 89) 2. Как изменяется частота при увеличении ускоряющего напряжения? (Ответ на стр. 89) 3. Какой дисперсией обладают прямые и обратные гармоники? (Ответ на стр. 89) 4. Напишите выражение, описывающее электронную перестройку частоты в ЛОВО. (Ответ на стр. 90) 5. Какой параметр используется для характеристики электронной перестройки частоты в ЛОВО? (Ответ на стр. 90) Выводы по теме 1. Замедляющая система (ЗС) служит для уменьшения фазовой скорости электромагнитной волны в замедляющей системе. Это необходимо для выполнения фазового синхронизма между электронным потоком и СВЧ-волной. Обычно в ЛОВО используется гребенчатая замедляющая система, образованная выступами металлических диафрагм. 2. Электрические токи, наводимые в замедляющей системе пролетающими рядом электронами, создают в ней электромагнитное поле, которое распространяется в виде двух встречных волн — прямой и обратной. Это поле представляется в виде бесконечной суммы пространственных гармоник (гармоник Хартри). Все пространственные гармоники имеют одинаковую групповую скорость. Гармоники не могут существовать отдельно друг от друга и лишь суперпозиция всех их описывает электромагнитное поле в периодически-неоднородной ЗС. 3. Фазовые скорости прямых пространственных гармоник совпадают с направлением групповой скорости волны, а фазовые скорости обратных гармоник противоположны ему. 91 4. В ЛОВО электронный поток взаимодействует с обратными пространственными гармониками поля в ЗС. 5. Для наиболее полной отдачи кинетической энергии СВЧполю сгусток за время пролета по длине ЗС должен двигаться только в тормозящий полупериод поля волны 6. Условие образования зоны генерации с номером n имеет wl wl вид: = ( 2n + 1) p. v ф,- p v 0 7. Практический интерес представляет только работа в зоне генерации n = 0 . Для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах n = 0 и n = 1 рабочий ток (ускоряющее напряжение) выбирается больше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока первой зоны. 8. Изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению частоты генерируемого СВЧ-сигнала. 9. Прямые гармоники обладают нормальной дисперсией, а обратные гармоники — аномальной. 10. Частота генерируемых колебаний f ~ U 0 . Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Для чего служит замедляющая система и в виде чего она выполнена в ЛОВО? (Ответ на стр. 79) 2. Откуда берется электромагнитное поле в ЛОВО? (Ответ на стр. 80) 3. Что такое прямые и обратные гармоники? (Ответ на стр. 81) 4. С какими гармониками взаимодействует электронный поток и почему? (Ответ на стр. 81-82) 5. Как в ЛОВО выполнена положительная обратная связь? (Ответ на стр. 82-83) 6. Опишите процесс модуляции по плотности. (Ответ на стр. 85) 7. В каком случае будет происходить наиболее полная отдача кинетической энергии СВЧ-полю? (Ответ на стр. 85) 8. В каких случаях будет происходить генерация? (Ответ на стр. 85) 92 9. Какой вид имеет условие образования зоны генерации с номером n ? (Ответ на стр. 86) 10. Что нужно сделать для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах n = 0 и n = 1 ? (Ответ на стр. 86) 11. Как осуществляют электронную перестройку частоты в ЛОВО? (Ответ на стр. 89) 12. Как изменяется частота при увеличении ускоряющего напряжения? (Ответ на стр. 89) 13. Какой дисперсией обладают прямые и обратные гармоники? (Ответ на стр. 89) 14. Напишите выражение, описывающее электронную перестройку частоты в ЛОВО. (Ответ на стр. 90) 15. Какой параметр используется для характеристики электронной перестройки частоты в ЛОВО? (Ответ на стр. 90) 93 Лекция 5 Тема 5. Гелий-неоновый лазер Введение Газовый лазер — это оптический квантовый генератор (ОКГ), в котором для генерации монохроматических когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона используется явление вынужденного излучения в газообразной активной среде. Исследуемый прибор относится к классу атомных газоразрядных лазеров. Первая характеристика — атомный — означает, что для генерации излучения используются вынужденные квантовые переходы между энергетическими уровнями нейтральных атомов газа. Вторая характеристика — газоразрядный — означает, что инверсия населенностей энергетических уровней, необходимая для возбуждения вынужденного излучения, достигается за счет соударения атомов газа с быстролетящими электронами в процессе электрического разряда. В исследуемом приборе активной средой является смесь газов гелия (He) и неона (Ne), которая заполняет активный элемент – газоразрядную трубку. Неон является рабочим газом; это означает, что лазерными уровнями, то есть уровнями, используемыми для генерации вынужденного излучения, являются уровни возбужденных атомов неона. Гелий является вспомогательным газом, посредником при передаче возбуждения от электронов к атомам неона. Раздел 5.1. Принцип работы гелий-неонового лазера Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о принципе работы гелий-неонового лазера. Содержательная часть Для пояснения принципа работы гелий-неонового лазера на рис. 5.1 представлена диаграмма энергетических уровней и квантовых переходов в гелий-неоновом лазере. Основные со94 стояния атомов гелия и неона обозначены через e 1 , возбужденные состояния гелия — через e 2 , e 3 . Возбужденные состояния неона обозначены по Пашену: ns — метастабильные уровни, np — короткоживущие уровни. Эти состояния являются вырожденными — каждое из них представляет собой группу близко расположенных подуровней. Подуровни каждого состояния нумеруются в порядке убывания энергии дополнительными индексами, которые указываются сбоку около каждой группы. Так около состояния 2 p стоят цифры 1…10; это означает, что 10 подуровней этого состояния нумеруются от 2 p1 до 2 p10 . энергия, эВ 21 e3 II e2 20 3s 2s II 2 l1 3p 1 5 2 5 10 l2 l3 2p 19 I III IV 1 10 18 V 17 1s 2 5 16 VI e1 He Ne-рабочий газ основной уровень Рис. 5.1. Диаграмма энергетических уровней и квантовых переходов в гелий-неоновом лазере 95 Электрическая накачка Спонтанные переходы Рабочие (лазерные) переходы; Безизлучательные переходы; e 1 — основной уровень; e 2 , e 3 — возбужденные метастабильные уровни He; I — заселение верхних уровней He путем электрической накачки; II — резонансная передача возбуждения от атомов He атомам Ne при их соударениях, сопровождающаяся переходом атомов He в основное состояние (III), а атомов Ne — в возбужденное состояние (IV); V — спонтанное излучение Ne (обычное свечение Ne); VI — диффузия при соударениях со стенками; 3s Þ 3 p ® l 1 (ИК) ; 3s Þ 2 p ® l 2 (ВИД) ; 2 s Þ 2 p ® l 3 (ИК) . Для создания инверсии населенностей используется электрическая накачка — возбуждение тлеющего разряда в газообразной трубке. При разряде вследствие неупругих соударений со свободными электронами происходит возбуждение атомов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни e 2 и e 3 (стрелки I). Эти уровни близки к уровням 2s или 3s неона. Поэтому при неупругих соударениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит передача избыточной энергии атомов гелия атомам неона (стрелки II).Атомы гелия переходят в основное состояние (стрелки III), а атомы неона – в возбужденные состояния 2s и 3s (стрелки IV). Так как время жизни атомов неона на уровнях 2s , 3s больше, чем на уровнях 2 p , 3p (уровни 2s , 3s — метастабильные, а уровни 2 p , 3p — короткоживущие), при определенном токе разряда возникает инверсия населенностей и вынужденное излучение в переходах: 3s Þ 3 p — излучение в ИК диапазоне; 3s Þ 2 p — излучение в диапазоне видимых лучей (ВИД); 2 s Þ 2 p — излучение в ИК диапазоне. Частицы с уровней 3 p,2 p возвращаются на основной уровень e 1 в два этапа. Сначала происходит спонтанный пере- 96 ход на метастабильный уровень 1s , сопровождающийся обычным свечением неона (стрелка V). Затем частицы удаляются с уровня 1s из-за диффузии на стенки трубки, которым они отдают избыток своей энергии (стрелка VI). Вследствие кратности состояний неона инверсию населенностей и генерацию можно получить на большом числе переходов с различными длинами волн. Выделение генерации на одном из переходов с определенной длиной волны излучения осуществляется за счет избирательных свойств колебательной системы. Выводы по разделу 1. Для создания инверсии населенностей используется электрическая накачка — возбуждение тлеющего разряда в газообразной трубке. 2. Вследствие кратности состояний неона инверсию населенностей и генерацию можно получить на большом числе переходов с различными длинами волн. 3. Выделение генерации на одном из переходов с определенной длиной волны излучения осуществляется за счет избирательных свойств колебательной системы. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что означает вырожденное состояние? (Ответ на стр. 95) 2. Как создается инверсия населенностей в гелий-неоновом лазере? (Ответ на стр. 96) 3. Начертите энергетическую диаграмму, поясняющую принцип работы гелий-неонового лазера. (Ответ на стр. 95) 4. Поясните принцип работы гелий-неонового лазера с помощью энергетической диаграммы. (Ответ на стр. 94) 5. Как осуществляется выделение генерации на одном из переходов с определенной длиной волны излучения? (Ответ на стр. 97) 97 Раздел 5.2. Устройство гелий-неонового лазера Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве гелийнеонового лазера. Содержательная часть Устройство гелий – неонового лазера схематически показано на рис. 5.2. В комплект прибора входят источник питания 1 и излучатель 2. Основными элементами излучателя 2 являются колебательная система 3,4 и активный элемент 5. 2 5 He+Ne 8 8 qб 3 4 7 6 1 - ~ Рис. 5.2. Устройство гелий-неонового лазера 1 — источник питания; 2 — излучатель; 3,4 — оптический резонатор (3 — сферическое зеркало, 4 — плоское выходное зеркало); 5 — активный элемент — двухэлектродная газоразрядная трубка; 6 — анод; 7 — катод; 8 — кварцевые пластины. Колебательная система представляет собой оптический резонатор Фабри-Перо. Он образован двумя диэлектрическими многослойными зеркалами (сферическим 3 и плоским 4), обладающими весьма большими значениями коэффициента отраже98 ния (примерно 0.98). Вывод излучения осуществляется со стороны плоского зеркала 6. Зеркала закреплены в торцевых фланцах держателя оптики. Держатель оптики выполнен на основе уголка из алюминиевого сплава. Активный элемент 5 представляет собой двухэлектродную газоразрядную трубку постоянного тока, наполненную смесью газов гелия и неона, находящейся при низком давлении. В отростках газоразрядной трубки расположены анод 6 и подогревной катод 7. Использование подогревного катода позволяет снизить напряжение поджига за счет увеличения начальной концентрации свободных электронов. Выходные окна 8 активного элемента 5 выполнены в виде кварцевых пластин, ориентированных так, что нормали к ним составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера q бр . Благодаря этому отраженное от окон излучение поляризовано нормально к плоскости падения, а излучение, поляризованное в плоскости падения, проходит через окна без потерь на отражение. Такое расположение окон эквивалентно их просветлению для одного вида поляризации, в результате чего генерируемое излучение имеет поляризацию, близкую к линейной. Выводы по разделу 1. Колебательная система представляет собой оптический резонатор Фабри-Перо. 2. Использование подогревного катода позволяет снизить напряжение поджига за счет увеличения начальной концентрации свободных электронов. 3. Выходные окна активного элемента выполнены в виде кварцевых пластин, ориентированных так, что нормали к ним составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, в результате чего генерируемое излучение имеет поляризацию, близкую к линейной. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Начертите схему устройства гелий-неонового лазера. (Ответ на стр. 98) 99 2. Что представляет собой представляет собой оптический резонатор Фабри-Перо? (Ответ на стр. 98) 3. Зачем в гелий-неоновом лазере используют подогревной катод? (Ответ на стр. 99) 4. В виде чего выполняются выходные окна активного элемента? (Ответ на стр. 99) 5. Каким образом добиваются того, что генерируемое излучение гелий-неонового лазера имеет поляризацию, близкую к линейной? (Ответ на стр. 99) Выводы по теме 1. Для создания инверсии населенностей используется электрическая накачка — возбуждение тлеющего разряда в газообразной трубке. 2. Вследствие кратности состояний неона инверсию населенностей и генерацию можно получить на большом числе переходов с различными длинами волн. 3. Выделение генерации на одном из переходов с определенной длиной волны излучения осуществляется за счет избирательных свойств колебательной системы. 4. Колебательная система представляет собой оптический резонатор Фабри-Перо. 5. Использование подогревного катода позволяет снизить напряжение поджига за счет увеличения начальной концентрации свободных электронов. 6. Выходные окна активного элемента выполнены в виде кварцевых пластин, ориентированных так, что нормали к ним составляют с оптической осью резонатора угол Брюстера, в результате чего генерируемое излучение имеет поляризацию, близкую к линейной. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Что означает вырожденное состояние? (Ответ на стр. 95) 2. Как создается инверсия населенностей в гелий-неоновом лазере? (Ответ на стр. 96) 3. Начертите энергетическую диаграмму, поясняющую принцип работы гелий-неонового лазера. (Ответ на стр. 95) 100 4. Поясните принцип работы гелий-неонового лазера с помощью энергетической диаграммы. (Ответ на стр. 94) 5. Как осуществляется выделение генерации на одном из переходов с определенной длиной волны излучения? (Ответ на стр. 97) 6. Начертите схему устройства гелий-неонового лазера. (Ответ на стр. 98) 7. Что представляет собой представляет собой оптический резонатор Фабри-Перо? (Ответ на стр. 98) 8. Зачем в гелий-неоновом лазере используют подогревной катод? (Ответ на стр. 99) 9. В виде чего выполняются выходные окна активного элемента? (Ответ на стр. 99) 10. Каким образом добиваются того, что генерируемое излучение гелий-неонового лазера имеет поляризацию, близкую к линейной? (Ответ на стр. 99) 101 Лекция 6 Тема 6. Основы теории полупроводников. Электролюминесценция Введение Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле. В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию — их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий. Согласно постулатам Бора, в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей). В случае нескольких атомов, объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном числу атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали. При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (число атомов более 10 20 ), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон. Наивысшая из разрешённых энергетических зон в полупроводниках и диэлектриках, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней — зоной проводимости. В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны при температуре 0 К. В основе зонной теории лежат следующие главные приближения: 102 1. Твёрдое тело представляет собой идеально периодический кристалл. 2. Равновесные положения узлов кристаллической решётки фиксированы, то есть ядра атомов считаются неподвижными (адиабатическое приближение). Малые колебания атомов вокруг равновесных положений, которые могут быть описаны как фононы, вводятся впоследствии как возмущение электронного энергетического спектра. 3. Многоэлектронная задача сводится к одноэлектронной: воздействие на данный электрон всех остальных описывается некоторым усредненным периодическим полем. В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы: металлы — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы. полупроводники — зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток. диэлектрики — зоны не перекрываются, и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят. Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и 103 проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала. Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также проводимость можно увеличить, создав разрёшенный энергетический уровень в запрещённой зоне путём легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации носителей заряда (отрицательного — электрона, и положительного — дырки), обратный переход — процессом рекомбинации. Раздел 6.1. Зонная структура полупроводников Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о зонной структуре полупроводников. Содержательная часть Кристаллы полупроводников обладают зонной структурой. Существуют три зоны: валентная зона (которая полностью заполнена электронами при T = 0 К), запрещенная зона (в которой отсутствуют возможные квантовые состояния, в которых могли бы находиться электроны) и зона проводимости (которая полностью свободна при T = 0 К). Зонная структура полупроводника приведена на рис. 6.1. E Зона проводимости Ec Eg Запрещённая зона Ev Валентная зона Рис. 6.1. Зонная структура полупроводника 104 Основным отличием полупроводника от металла с точки зрения зонной структуры является наличие запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. Ширина запрещенной зоны по энергии у полупроводников составляет порядка 0.1-3 эВ. Например, для кремния E g (Si) = 1.12 эВ; для германия E g (Ge) = 0.66 эВ; для арсенида галлия E g (GaAs) = 1.42 эВ. Данные приведены при T = 300 К. Для диэлектрика ширина запрещенной зоны E g > 3 эВ. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры: E g (T ) = E g (0) aT 2 ( b + T ) -1 , (6.1) где a, b — некоторые постоянные. Из формулы (6.1) видно, что с увеличением температуры ширина запрещенной зоны уменьшается. При повышении температуры часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Места в валентной зоне, оставленные электронами называют дырками. Дырка — это незаполненное место в ковалентной связи между двумя атомами кристалла. Электроны, попадая в зону проводимости, становятся свободными, то есть не принадлежат конкретному атому, а могут двигаться по всему кристаллу. Электроны в зоне проводимости определяют электропроводность полупроводника. Таким образом, чем больше температура, тем большее число электронов переходит в зону проводимости и тем выше проводимость полупроводника. Процесс перехода электрона из ковалентной связи в валентной зоне в зону проводимости показан на рис. 6.2. E Ec Eg Ev Рис. 6.2 105 Заметим, что проводимость полупроводников обусловлена не только электронами, попавшими в зону проводимости. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается дырка, то есть незаполненная ковалентная связь, которую можно отождествить с положительной частицей с зарядом + e . Если число свободных электронов в зоне проводимости всегда равно числу дырок в валентной зоне, то полупроводник называется собственным. В собственном полупроводнике отсутствуют какиелибо примеси и он является химически чистым. Рассмотрим процесс образования электронно-дырочных пар в кристалле кремния. Кремний имеет 14 электронов в атоме. Напомним, как располагаются электроны по оболочкам. Существуют следующие оболочки (табл. 6.1). Для кремния заполнение происходит следующим образом (табл. 6.2). Таблица 6.1 Оболочка Число электронов s p d f 2 6 10 14 Таблица 6.2 K-оболочка 1S 2 L-оболочка 2S 2P 2 6 3S 2 M-оболочка 3P 2 3D Из табл. 6.2 видно, что у кремния в M-оболочке имеются 4 валентных электрона, при помощи которых атом кремния образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Ковалентная связь между атомами кремния осуществляется парой электронов с противоположными спинами (по одному валентному электрону от каждого атома). При T = 0 К валентная зона чистого кремния полностью заполнена, а зона проводимости — свободная. Таким образом, при T = 0 К все ковалентные связи в кристалле кремния являются заполненными (рис. 6.3а). 106 T¹0К T=0К Si Si Si Si Si Si Si Si а) б) Рис. 6.3 Кристалл кремния При T ¹ 0 К или под действием других факторов (освещение кристалла светом и др.) электрон можно вырвать из ковалентной связи, он станет свободным, а на его месте в ковалентной связи возникнет дырка (рис. 6.3б). Теперь этот электрон движется в пространстве между атомами кристалла и может проделать длинный путь. Таким образом, проводимость собственного полупроводника является вынужденной, так как происходит под действием внешних факторов. Проводимость полупроводника, обусловленная движением свободных электронов в кристалле называется электронной. Заметим, что свободный электрон может занять место в другой ковалентной связи, то есть дырка может перескакивать с одной ковалентной связи на другую. Проводимость, обусловленная скачкообразным движением дырки в валентной зоне, называется дырочной. Процесс создание пары «свободный электрон-дырка» называется генерацией электронно-дырочной пары. В собственных полупроводниках генерация может быть только вынужденной и происходить под действием внешних факторов. 107 E Ec Eg hw hw Ev Рис. 6.4. Генерация и рекомбинация носителей Наряду с генерацией электронно-дырочных пар под действием внешних факторов может происходить процесс рекомбинации, при котором свободный электрон занимает незаполненную ковалентную связь, что эквивалентно его переходу из зоны проводимости в валентную зону с выделением энергии. На рис. 6.4 показаны процессы генерации и рекомбинации электроннодырочных пар. Процесс генерации происходит под действием кванта электромагнитной энергии (фотона) с энергией hw . Заметим, для того, чтобы электрон разорвал ковалентную связь и стал свободным необходима энергия кванта hw ³ E g . При рекомбинации выделяется фотон с частотой w » E g / h . Легирование полупроводников Электропроводимость полупроводниковых кристаллов можно изменять путем внедрения некоторого количества атомов примеси, замещающих атомы основного полупроводника. Электропроводность, обусловленная наличием в полупроводнике атомов других химических элементов, называется примесной. Процесс внедрения в полупроводник атомов примеси называется легированием полупроводника. Рассмотрим процесс легирования полупроводника на примере кристаллов кремния и германия. 1. Внедрение V валентной примеси. Для кремния V валентной примесью являются атомы фосфора P; для германия — атомы мышьяка As. 108 Si Si Si Si P Si Si Si Si Рис. 6.5. Внедрение атома фосфора в кристалл кремний Строение атома фосфора: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 . У атома фосфора в 3P состояние 3 электрона; в Mоболочке — 5 электронов. Для образования ковалентной связи с соседними атомами кремния необходимо 4 электрона, поэтому 1 электрон фосфора остается не задействованным в ковалентных связях. При T ¹ 0 К этот электрон становится свободным и принадлежит всему кристаллу. Он может перемещаться по кристаллу, внося вклад в электронную проводимость полупроводника. С энергетической точки зрения это означает, что он находится в зоне проводимости. Число электронов в зоне проводимости за счет замещения атомов основного полупроводника равно числу внедренных атомов примеси. При внедрении атома фосфора в кристалл кремния на энергетической диаграмме в запрещенной зоне появляется разрешенный энергетический уровень, соответствующий фосфору. 109 Этот уровень называется донорным и лежит вблизи «дна» зоны проводимости кремния, поэтому небольшое сообщение ему энергии (например, температура T ¹ 0 К) приводит к тому, что электрон с этого уровня переходит в зону проводимости полупроводника. Энергия, необходимая электрону фосфора для перехода его в зону проводимости, называется энергией активации и составляет порядка 0.044 эВ. E Ec Уровень фосфора Eg Ev Рис. 6.6 Примесь, которая отдает свои электроны кристаллу полупроводника, называется донорной. После того, как атом фосфора отдает свой электрон кристаллу, он превращается в ион P + . Вследствие того, что электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости, концентрация электронов в зоне проводимости становится гораздо больше концентрации дырок в валентной зоне. Проводимость полупроводника, обусловленная электронами в зоне проводимости, называется электронной. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками n-типа. Если полупроводник слабо легирован донорной примесью, то будем обозначать его n (например, n - Si ). Если концентрация примеси значительна, то принято использовать обозначение n + . 2. Внедрение III валентной примеси. Для кремния III валентной примесью являются атомы алюминия Al; для германия — атомы индия In и бора B. 110 Si Si Si Si Al Si дырка Si Si Si Рис. 6.7. Внедрение атома алюминия в кристалл кремний Строение атома алюминия: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . У атома алюминия в 3P состояние 1 электрон; в Mоболочке — 3 электрона. Для образования ковалентной связи с соседними атомами кремния необходимо 4 электрона, поэтому одна ковалентная связь не может быть создана ввиду отсутствия необходимого валентного электрона. Таким образом, образуется дырка — незаполненная ковалентная связь между атомами кремния и алюминия. Валентному электрону из связи Si Û Si энергетически выгодно заполнить вакансию в незаполненной ковалентной связи Si Û Al . В результате атом алюминия ионизируется и превращается в ион Al - , а в одной из связей Si Û Si появляется разорванная ковалентная связь, то есть дырка. Таким образом, при введение атомов алюминия в кристалл кремния возникает скачкообразное перемещение дырок по связям Si Û Si . 111 При внедрении атома алюминия в кристалл кремния на энергетической диаграмме в запрещенной зоне появляется разрешенный энергетический уровень, соответствующий алюминию. Этот уровень называется акцепторным и лежит вблизи «потолка» валентной зоны кремния, поэтому электрону из валентной зоны энергетически выгоднее перейти на этот разрешенный уровень, чем переходить в зону проводимости. Энергия, необходимая электрону кремния для перехода его из валентной зоны на акцепторный уровень, называется энергией ионизации и составляет порядка 0.04 эВ. E Ec Eg Уровень алюминия Ev Рис. 6.8 Примесь, которая получает от полупроводника электроны, называется акцепторной. Вследствие того, что электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни, концентрация дырок в валентной зоне становится гораздо больше концентрации электронов в зоне проводимости. Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок в валентной зоне, называется дырочной. Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками p-типа. Если полупроводник слабо легирован акцепторной примесью, то будем обозначать его p (например, p - Si ). Если концентрация примеси значительна, то принято использовать обозначение p + . Вывод: при внедрении в кристалл полупроводника донорной или акцепторной примеси его электропроводимость возрастает. 112 Возможна ситуация, при которой замещение атомов основного полупроводника проводится атомами химических элементов, примесные уровни которых лежат вблизи середины запрещенной зоны основного полупроводника (например, внедрение в кристалл полупроводника атомов золота Au). Эти примеси могут быть как донорными, так и акцепторными. Внедрение такой примеси не оказывает влияние на электропроводность полупроводника, так как энергия активации или ионизации сравнима с энергией межзонного перехода E g . Однако такие «глубокие» примесные уровни могут играть роль центров рекомбинации и генерации. E Ec Eg Ev Уровень золота 1 эВ Рис. 6.9. Генерация и рекомбинация носителей Если электрон из валентной зоны напрямую за счет внешней энергии переходит в зону проводимости (рис. 6.4), то этот переход называется межзонной генерацией электроннодырочной пары. Если электрон из зоны проводимости напрямую переходит в валентную зону (рис. 6.4), то этот переход называется межзонной рекомбинацией электронно-дырочной пары. Оба упомянутых выше перехода являются межзонными. Рассмотрим подробнее процесс генерации. Для его совершения необходима внешняя энергия (например, фотон), которая передается электрону в валентной зоне. Он тратит ее на разрыв ковалентной связи и переходит в зону проводимости. Энергия необходимая для межзонной генерации E = hw » E g . При условии E < E g межзонный переход состояться не может. Однако энергии E может хватить электрону для перехода на примесный уровень, расположенный в центре запрещенной 113 зоны и на первом этапе электрон перейдет на него. Следующая порция энергии будет достаточна для перехода электрона в зону проводимости. Таким образом, переход электрона из валентной зоны в зону проводимости через примесный уровень происходит в два этапа. Если электрон из валентной зоны за счет внешней энергии переходит в зону проводимости через примесный уровень (рис. 6.9), то этот переход называется генерацией электроннодырочной пары через примесный уровень. Если электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону (рис. 6.9), попадая сначала на примесный уровень, то этот переход называется рекомбинацией электронно-дырочной пары через примесный уровень. Выводы по разделу 1. Кристаллы полупроводников обладают зонной структурой. 2. Чем больше температура, тем большее число электронов переходит в зону проводимости и тем выше проводимость полупроводника. 3. Электропроводимость полупроводниковых кристаллов можно изменять путем внедрения некоторого количества атомов примеси, замещающих атомы основного полупроводника 4. При внедрении в кристалл полупроводника донорной или акцепторной примеси его электропроводимость возрастает. 5. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости через примесный уровень происходит в два этапа. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Как зависит проводимость полупроводника от температуры? (Ответ на стр. 105) 2. Как можно изменять электропроводимость полупроводника? (Ответ на стр. 108) 3. Что такое донорная примесь? (Ответ на стр. 110) 4. Что такое акцепторная примесь? (Ответ на стр. 112) 5. Как изменятся электропроводность полупроводника при введении донорной или акцепторной примеси? (Ответ на стр. 112) 114 Лекция 7 Тема 6. Основы теории полупроводников. Электролюминесценция (продолжение) Раздел 6.2. Электрические переходы в полупроводниках Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об электрических переходах в полупроводниках. Содержательная часть Электрический переход в полупроводнике — это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются. Электронно-дырочный переход (p-n-переход) — это электрический переход между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности. Гомопереход (гомо-p-n-переход) — это p-n переход между двумя областями одного и того же полупроводника с различным типом электропроводности. Например, p - Si Û n - Si . Гетеропереход (гетеро-p-n-переход) — это p-n переход между двумя различными полупроводниками с различным типом электропроводности. Например, p - GaAs Û n - GaAlAs . Если одна из областей, образующих электрический переход является металлом, переход называется контактом металлполупроводник. Гомопереход Он представляет собой область вблизи контакта двух легированных полупроводников с различными типами электропроводимости в едином кристалле. С точки зрения энергетической диаграммы p-n-переход представляет собой потенциальный барьер DE . 115 U=0 p-область U=0 n-область n-область p-область Ev Eg Ec DE Eg Рис. 6.10. Энергетическая диаграмма p-n-перехода Основными носителями в p-области являются дырки в валентной зоне; в n-области — свободные электроны в зоне проводимости. При U = 0 существует потенциальный барьер DE , который мешает переходу электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Таким образом, при отсутствии напряжения ток через p-n-переход не течет. U¹0 n-область p-область n-область p-область Ev Eg Eg Ec Рис. 6.11. Энергетическая диаграмма p-n-перехода при прямом смещении При приложении прямого напряжения ( «+» к p-области; «–» — к n-области) потенциальный барьер снижается и становится равным DE ¢ = DE - U . Дырки из p-области переходят в nобласть, где они являются неосновными носителями, создавая 116 дырочный ток. Электроны из n-области переходят в p-область, где они являются неосновными носителями, создавая электронный ток. Таким образом, при прямом смещении через p-nпереход начинает протекать ток, обусловленный движением основных носителей. Процесс перехода носителей в область, где они являются неосновными, называется инжекцией. Процесс перемещения носителей в полупроводнике под действием внешнего электрического поля называется дрейфом. Отметим, что в полупроводнике существует еще один механизм движения носителей, называемый диффузией. Он происходит в случае неравномерного распределения носителей по полупроводнику. Носители смещаются в область, где меньше их концентрация. Дрейф является более быстродействующим механизмом перемещения, так как он обусловлен действием поля и носителя смещаются по направлению действия электрического поля. U¹0 n-область p-область n-область p-область Ev Eg Ec Eg Рис. 6.12. Энергетическая диаграмма p-n-перехода при обратном смещении При приложении обратного напряжения ( «–» к p-области; «-» — к n-области) потенциальный барьер возрастает и становится равным DE ¢ = DE + U . Он мешает переходу электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Таким 117 образом, при обратном смещении ток через p-n-переход не течет. Заметим, что при U = 0 и обратном смещении через p-nпереход протекает обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей: дырок из n-области в p-область и электронов из p-области в n-область. Этот ток очень мал, так как концентрация неосновных носителей в легированных полупроводниках очень малая. Вывод: p-n-переход обладает вентильными свойствами. При приложении прямого напряжения через переход течет ток, значение которого экспоненциально увеличивается при увеличении напряжения U . При обратном смещении через p-nпереход течет малый ток, значение которого не зависит от приложенного напряжения и увеличивается с ростом температуры. Гетеропереход Гетеропереход — это переход между двумя различными полупроводниковыми кристаллами, которые обладают различным типом электропроводимости. Очевидно, что кристаллы между которыми создан гетеропереход обладают различной шириной запрещенной зоны ( E g1 ¹ E g2 ). 118 U=0 p-GaAs U=0 n-GaAlAs n-GaAs p-GaAlAs Ev DEe Eg1 Ec Eg2 DEh а) U¹0 p-GaAs n-GaAlAs Ev Eg1 hw Eg2 Ec б) Рис. 6.13. Энергетическая диаграмма гетероперехода а) при нулевом смещении; б) при прямом смещении 119 Это приводит к тому, что потенциальные барьеры для электронов DE e и для дырок DE h будут различными (рис. 6.13). Это приводит к возможности локализации носителей вблизи перехода. При приложении прямого напряжения потенциальные барьеры снизятся: электроны из n-GaAlAs будут дрейфовать в p-GaAs (рис. 6.14). Дырки же не смогут преодолеть потенциальный барьер и поэтому останутся в p-области. Таким образом, в p-области вблизи перехода будет значительная концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приведет к резкому возрастанию рекомбинации. Это явление имеет очень большое значение при создании источников оптического излучения, таких как светоизлучающие диоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Выводы по разделу p-n-переход обладает вентильными свойствами. При приложении прямого напряжения через переход течет ток, значение которого экспоненциально увеличивается при увеличении напряжения U . При обратном смещении через p-n-переход течет малый ток, значение которого не зависит от приложенного напряжения и увеличивается с ростом температуры. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что такое p-n переход (Ответ на стр. 115) 2. Что такое гомопереход? (Ответ на стр. 115) 3. Что такое гетеропереход? (Ответ на стр. 115) 4. Нарисуйте энергетические диаграмму для гомоперехода при прямом смещении. (Ответ на стр. 116) 5. Нарисуйте энергетическую диаграмму для гетероперехода при прямом смещении (Ответ на стр. 119) 120 Раздел 6.3. Люминесценция Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о люминесценции. Содержательная часть Электролюминесценция (определение: по Вавилову) — это электромагнитное излучение, превышающее тепловое излучение при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Название «люминесценция» происходит от лат. lumen (luminis) — свет; escent — действие. Для наблюдения люминесценции вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, то есть возбудить. Она возникает вследствие квантовых переходов атомов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения (рис. 6.14). Если эти переходы совершаются самопроизвольно, то они называются спонтанными. Если E 2 — энергия атома в возбужденном состоянии, E1 — энергия атома в невозбужденном состоянии, то при спонтанном переходе выделяется фотон частоты w = ( E 2 - E1 ) / h (постулат Бора). E2 hw E1 Рис. 6.14. Спонтанный квантовый переход Спонтанный переход совершается самопроизвольно, так как квантовая система (атом) всегда стремится к минимуму своей энергии. Вероятность такого перехода обратно пропорциональна времени жизни атома в возбужденном состоянии на уровне E 2 . Электромагнитное излучение, создаваемое в результате спонтанных переходов является некогерентным, то есть 121 фотоны излучаемые при различных спонтанных переходах обладают различными свойствами (фазой, поляризацией и т.д.). При люминесценции каждый из актов возбуждения и излучения разделен промежуточными процессами, что приводит к конечным значениям длительности послесвечения. Люминесценция, обладающая малой длительностью послесвечения ( 10 -8 с и менее), называется флюоресценцией. Люминесценция, обладающая большой длительностью послесвечения (от 10 -8 с и вплоть до часов), называется фосфороресценцией. Для большинства твердых тел люминесцентные свойства выражены очень слабо. Легирование вещества специальными примесями (например, химическими соединениями с фосфором) с целью повышения эффективности люминесценции называется активацией, а используемые для этого примеси — активаторами. Активированные диэлектрики, обладающие высокой эффективностью люминесценции в видимой области спектра, называется люминофорами. В оптоэлектронных устройствах используется явление электролюминесценции в полупроводниках. Электролюминесценция в полупроводниках Для наблюдения явления люминесценции в полупроводниковом материале необходимо использовать легированные полупроводники. Само явление люминесценции обусловлено рекомбинацией неравновесных носителей заряда (появляющихся в результате возбуждения полупроводника, например, электрическим током) и поэтому оно (явление) называется также рекомбинационным излучением. Вклад в люминесценцию дает лишь излучательная рекомбинация, при которой избыток энергии рекомбинирующих частиц выделяется в виде фотона. Рассмотрим физические процессы, протекающие в полупроводнике, которые приводят к люминесценции. Люминесценция в полупроводнике происходит в два этапа. 1. Генерация электронно-дырочных пар при внешнем возбуждении. Под воздействием внешнего электрического тока в 122 полупроводнике образуются неравновесные электроннодырочные пары: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. 2. Рекомбинация электронов и дырок с выделением энергии в виде фотонов. В основном используется межзонная рекомбинация по типу «зона проводимости-валентная зона». Межзонная рекомбинация в различных полупроводниках может происходить по-разному. Существует два типа межзонной рекомбинации. 1. Прямые излучательные переходы. Такие переходы присущи полупроводникам типа GaAs, InP, GaAlAs и т.п. Межзонные переходы удобно рассматривать с использованием диаграммы E (k ) (зоны Бриллюэна) (рис. 6.15). E Ec En (kf ) Ef hw электрон hw фотон Ep (kj ) Ev Ej k дырка Рис. 6.15. Прямой межзонный переход Пусть электрон в зоне проводимости находится в состоянии с энергией E f и волновым числом k f (импульсом p f = hk f ), а дырка — в валентной зоне в состоянии с энергией E j и волновым числом k j (импульсом p j = hk j ). При рекомбинации электрон переходит в состояние E j без изменения импульса: p f = p j и избыток энергии выделяется только в виде фотона с энергией hw » E f - E j . 2. Непрямые излучательные переходы. Такие переходы присущи полупроводникам типа Ge, Si и т.п. Межзонные не123 прямые переходы удобно рассматривать с использованием диаграммы E (k ) (зоны Бриллюэна) (рис. 6.16). В этом случае минимум энергии в зоне проводимости по волновому числу k не совпадает с максимумом энергии валентной зоне, то есть переход принципиально будет совершаться с изменением импульса рекомбинирующей частицы. E En (kf ) Ef Ec hW Ev Ej электрон hw k фонон hW hw фотон Ep (kj ) дырка Рис. 6.16. Непрямой межзонный переход Пусть электрон в зоне проводимости находится в состоянии с энергией E f и волновым числом k f (импульсом p f = hk f ), а дырка — в валентной зоне в состоянии с энергией E j и волновым числом k j (импульсом p j = hk j ). При рекомбинации электрон переходит в состояние E j с изменением импульса: Dp = p f - p j и избыток энергии выделяется в виде фотона с энергией hw » E f - E j и фонона с энергией hW . Фонон представляет собой квант теплового колебания кристаллической решетки, то есть избыток импульса рекомбинирующих частиц передается кристаллической решетке атома, узлы которой начинают колебаться. Очевидно, что явление люминесценции наиболее эффективно проявляется в материалах, в которых возможны прямые межзонные переходы и избыток энергии выделяется только в виде фотона электромагнитного излучения. Основные материалы для полупроводниковых излучателей — арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP и тройные соединения на их основе 124 GaAlAs, GaAsP и др. В таких материалах каждая прямая межзонная рекомбинация сопровождается излучением фотона с длиной волны, определяемой шириной запрещенной зоны данного материала: l [мкм] » 1.24 / E g [эВ]. Следовательно, чтобы УИС работал в диапазоне видимого излучения ( 0.38 ¸ 0.78 мкм) необходимо использование полупроводников с шириной запрещенной зоны E g » 1.5 ¸ 3.0 эВ. В полупроводниках процесс возбуждения связан с действием внешнего напряжения приложенного к p-n-переходу. Генерация оптического излучения обеспечивается с помощью инжекции носителей через p-n-переход, поэтому люминесценция в полупроводниках называется инжекционной электролюминесценцией. E2 hw E1 Рис. 6.17. Инжекционная электролюминесценция Выводы по разделу 1. Для наблюдения люминесценции вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, то есть возбудить. Она возникает вследствие квантовых переходов атомов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения 2. Межзонная рекомбинация в различных полупроводниках может происходить по-разному. Существует два типа межзонной рекомбинации: прямые излучательные переходы и непрямые излучательные переходы. 3. Чтобы УИС работал в диапазоне видимого излучения ( 0.38 ¸ 0.78 мкм) необходимо использование полупроводников с шириной запрещенной зоны E g » 1.5 ¸ 3.0 эВ. 125 Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Вследствие чего возникает люминесценция? (Ответ на стр. 121) 2. Что такое спонтанные переходы? (Ответ на стр. 121) 3. Что такое прямые излучательные переходы? (Ответ на стр. 123) 4. Что такое непрямые излучательные переходы? (Ответ на стр. 123) 5. Нарисуйте энергетические диаграммы для прямых и непрямых излучательных переходов. (Ответ на стр. 123) Выводы по теме 1. Кристаллы полупроводников обладают зонной структурой. 2. Чем больше температура, тем большее число электронов переходит в зону проводимости и тем выше проводимость полупроводника. 3. Электропроводимость полупроводниковых кристаллов можно изменять путем внедрения некоторого количества атомов примеси, замещающих атомы основного полупроводника 4. При внедрении в кристалл полупроводника донорной или акцепторной примеси его электропроводимость возрастает. 5. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости через примесный уровень происходит в два этапа. 6. p-n-переход обладает вентильными свойствами. При приложении прямого напряжения через переход течет ток, значение которого экспоненциально увеличивается при увеличении напряжения U . При обратном смещении через p-n-переход течет малый ток, значение которого не зависит от приложенного напряжения и увеличивается с ростом температуры. 7. Для наблюдения люминесценции вещество необходимо вывести из состояния термодинамического равновесия, то есть возбудить. Она возникает вследствие квантовых переходов атомов из верхнего возбужденного энергетического состояния в нижнее с испусканием электромагнитного излучения 8. Межзонная рекомбинация в различных полупроводниках может происходить по-разному. Существует два типа межзон126 ной рекомбинации: прямые излучательные переходы и непрямые излучательные переходы. 9. Чтобы УИС работал в диапазоне видимого излучения ( 0.38 ¸ 0.78 мкм) необходимо использование полупроводников с шириной запрещенной зоны E g » 1.5 ¸ 3.0 эВ. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Как зависит проводимость полупроводника от температуры? (Ответ на стр. 105) 2. Как можно изменять электропроводимость полупроводника? (Ответ на стр. 108) 3. Что такое донорная примесь? (Ответ на стр. 110) 4. Что такое акцепторная примесь? (Ответ на стр. 112) 5. Как изменятся электропроводность полупроводника при введении донорной или акцепторной примеси? (Ответ на стр. 112) 6. Что такое p-n переход (Ответ на стр. 115) 7. Что такое гомопереход? (Ответ на стр. 115) 8. Что такое гетеропереход? (Ответ на стр. 115) 9. Нарисуйте энергетические диаграмму для гомоперехода при прямом смещении. (Ответ на стр. 116) 10. Нарисуйте энергетическую диаграмму для гетероперехода при прямом смещении (Ответ на стр. 119) 11. Вследствие чего возникает люминесценция? (Ответ на стр. 121) 12. Что такое спонтанные переходы? (Ответ на стр. 121) 13. Что такое прямые излучательные переходы? (Ответ на стр. 123) 14. Что такое непрямые излучательные переходы? (Ответ на стр. 123) 15. Нарисуйте энергетические диаграммы для прямых и непрямых излучательных переходов. (Ответ на стр. 123) 127 Лекция 8 Тема 7. Светоизлучающие диоды Введение Оптоэлектронные приборы — это устройства, излучающие и преобразующие излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра или использующие для своей работы электромагнитное излучение, частота которого лежит в указанных областях. Устройства оптоэлектроники обладают рядом преимуществ перед электронными приборами. 1. Они обеспечивают полную гальваническую развязку между входной и выходной цепями, так как связь осуществляется по оптическому сигналу. 2. В оптоэлектронных устройствах отсутствует обратное влияние приемника электромагнитного сигнала на его источник. 3. Они обеспечивают согласование электрических цепей с различными входными и выходными сопротивлениями (импедансами). 4. Оптоэлектронным устройствам присущи большое быстродействие и высокая информационная емкость используемых оптических каналов связи на частотах f ~ 10 13 ¸ 10 15 Гц. 5. В оптоэлектронных устройствах отсутствуют помехи, вызываемые различными внешними электрическими и магнитными полями, так как в оптической цепи носителями энергии являются электрически-нейтральные фотоны электромагнитного излучения. Управляемый источник света (УИС) — это источник, световой поток F которого является однозначной функцией электрического сигнала поступающего на его вход I вх (рис. 7.1). Iвх F УИС Рис.7.1. Принцип действия управляемого источника света 128 В основе работы УИС лежит одно из следующих физических явлений: — температурное свечение (явление испускание электромагнитных волн нагретым материалом); — электролюминесценция (явление излучения некогерентных электромагнитных волн при возбуждении материала электрическим током); — индуцированное излучение (явление излучения когерентных электромагнитных волн при возбуждении активной среды, в которой создана инверсия населенностей). Раздел 7.1. Основные принципы работы светоизлучающих диодов (СИД) Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об основных принципах работы СИД. Содержательная часть Светоизлучающие диоды — это оптоэлектронные приборы, служащие для создания некогерентного излучения в оптическом диапазоне и преобразующие электрическую энергию в энергию оптического излучения. p-GaAs n+-GaAs Рис. 7.2. Устройство светоизлучающего диода В основе работы СИД лежит явление инжекционной электролюминесценции. Устройство СИД показано на рис. 7.2. Ос129 новным элементом СИД является p-n-переход, созданный в монокристалле полупроводника, например GaAs . Энергетическая диаграмма СИД в отсутствие приложенного напряжения U = 0 показана на рис. 7.3. Область p-типа называют базой, область nтипа — эмиттером. Эмиттер обычно делается сильно легированным, чтобы число электронов в зоне проводимости было значительным. При U = 0 электронам из n-области перейти в pобласть мешает потенциальный барьер DE . U=0 p-область n+-область Ev Eg Ec DE Eg Рис. 7.3. Энергетическая диаграмма СИД при отсутствие напряжения При приложении напряжения U p-n-переход смещается в прямом направлении, потенциальный барьер DE снижается и электроны из n-области переходят в p-область, в которой они являются неосновными носителями заряда. Таким образом, происходит инжекция неосновных носителей в p-область. Заметим, что одновременно происходит инжекция дырок из p-области в n-область, однако этот процесс менее интенсивный, так как изначально p-область менее сильно легирована по сравнению с nобластью (рис. 7.4). В p-области создается неравновесная концентрация носителей и происходит прямая межзонная рекомбинация (электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной зоне), в результате чего выделяется фотон с частотой w » E g / h . Фотоны, образуют некогерентную опти- 130 ческую волну, которая излучается из p-области (именно поэтому ее принято называть базой). U¹0 n+-область p-область Ev Eg hw Eg Ec Рис. 7.4. Энергетическая диаграмма СИД при прямом смещении Следует отметить, что наряду с излучательной рекомбинацией имеют место и другие переходы: 1. Рекомбинация через центры — примесные уровни в середине запрещенной зоны (избыток энергии в этом случае выделяется в виде длинноволновых фотонов или фононов). 2. Ударная или Оже-рекомбинация — это взаимодействие трех носителей заряда. Если концентрация носителей велика, то существует вероятность при рекомбинации электрона и дырки передачи энергии частице, которая расположена вблизи рекомбинирующей пары. Вероятность Оже-рекомбинации возрастает при увеличении концентрации носителей заряда, то есть при увеличении инжекции электронов из n-области. Выводы по разделу При приложении напряжения p-n-переход смещается в прямом направлении, потенциальный барьер снижается и электроны из n-области переходят в p-область. Таким образом, происходит инжекция неосновных носителей в p-область, где создается неравновесная концентрация носителей и происходит 131 прямая межзонная рекомбинация, в результате чего выделяется фотон, который создает некогерентную оптическую волну. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте схему устройства СИД. (Ответ на стр. 129) 2. Нарисуйте энергетическую диаграмму СИД в отсутствие приложенного напряжения. (Ответ на стр. 130) 3. Нарисуйте энергетическую диаграмму СИД при прямом смещении. (Ответ на стр. 131) 4. Поясните принцип работы СИД с помощью энергетических диаграмм. (Ответ на стр. 130) 5. Какие еще переходы имеют место наряду с излучательной рекомбинацией? (Ответ на стр. 131) Раздел 7.2. Конструкции светоизлучающих диодов Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об основных видах конструкций СИД. Содержательная часть Существует две общие конструкции светодиодов — объемная, используемая в оптоэлектронике (рис. 7.5а) и плоская, используемая в интегральной оптике (рис. 7.5б). база Полимерная линза n -GaAs p-GaAs Изолятор: SiO2 p-GaAs эмиттер n+-GaAs p+-GaAs Изолятор: SiO2 Область: Zn или Au Омический контакт а) б) Рис. 7.5. Конструкции светоизлучающих диодов 132 Объемная конструкция. В такой конструкции полупроводниковый кристалл с p-n-переходом расположен на подложке из изолятора (например, SiO 2 или Si 3 N 4 ), а сверху покрыт полимерной линзой куполообразной формы. Эта линза служит для создания равномерной интенсивности свечения светодиода. Пусть показатель преломления полупроводника n 0 . При отсутствии линзы из-за полного внутреннего отражения наружу выйдет только свет с углами падения на границу раздела q > q 0 = arcsin (1/ n 0 ) , остальные лучи отразятся обратно в кристалл. Таким образом, через границу «полупроводник-воздух» выйдет свет только в пределах конуса с углом раскрыва 2q 0 . Например, для GaP q 0 = 17.7 o и в этом случае во внешнее пространство выходит только порядка 4% света, излучаемого p-nпереходом (рис. 7.6). Полимерная линза улучшает условия вывода излучения из светодиода. Размеры светодиодов из GaAs порядка 2-5 мм, их масса порядка 0.5 грамм. Мощность излучения при токе инжекции 100 mA составляет 0.5 мВт; рабочее напряжение p-n-перехода порядка 1.7 В. p-GaAs 2q0 n+-GaAs Рис. 7.6. Выход света из СИД Плоская конструкция. В этом случае на подложке p-типа (известно, что проще выращивать эпитаксиальные слои именно на p-слое) создаются при помощи метода эпитаксии слои, образующие p-n-переход. Простейшим плоским (планарным) светодиодом является гомоструктура на основе перехода p-GaAs — 133 n-GaAs. Обычно в качестве эмиттера выступает дополнительный слой p+-GaAs, который инжектирует дырки в n-область, где они являются неосновными носителями. На границе p-GaAs — n-GaAs возникает межзонная рекомбинация и в n-GaAs образуются фотоны. Заметим, что использование гомопереходов при создании СИД является неэффективным. С точки зрения процесса рекомбинации необходимо, что в области, где этот процесс происходит были большие концентрации электронов и дырок. Рассмотрим случай гомо-p-n-перехода (рис. 7.4б). Как видно, в структуре осуществляется инжекция электронов из n-области в pобласть. Однако существует и обратная инжекция: дырки из pобласти переходят в n-область. Этот процесс уменьшает концентрацию дырок вблизи границы областей и тем самым приводит к уменьшению актов рекомбинации. Выводы по разделу 1. Объемная конструкция СИД используется в оптоэлектронике, а плоская, используемая в интегральной оптике. 2. В объемных конструкциях СИД через границу «полупроводник-воздух» выйдет свет только в пределах конуса с углом раскрыва 2q 0 . 3. Использование гомопереходов при создании СИД является неэффективным. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Начертите схему объемной конструкции СИД. (Ответ на стр. 132) 2. Начертите схему плоской конструкции СИД. (Ответ на стр. 132) 3. Как улучшить условия вывода излучения из СИД объемной конструкции? (Ответ на стр. 133) 4. Что является простейшим плоским (планарным) светодиодом? (Ответ на стр. 133) 5. Почему использование гомопереходов при создании СИД является неэффективным? (Ответ на стр. 134) 134 Раздел 7.3. Светоизлучающие диоды на основе одинарного и двойного гетеропереходов. Характеристики светоизлучающих диодов Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о принципах работы СИД на основе одинарного и двойного гетероперехода, а также о характеристиках СИД Содержательная часть Явление обратной инжекции может быть устранено при использовании гетероперехода. Рассмотрим СИД на основе перехода n+-GaAlAs — pGaAs, показанный на рис. 7.7. На подложке из n+-GaAlAs эпитаксиально выращивается слой p-GaAs. Такая структура получила название одинарного гетероперехода. Область n+-GaAlAs выполняет роль эмиттера и ее назначение — инжекция электронов в p-область, в которой они являются неосновными; область p-GaAs является базой и служит для излучения. Поэтому частота оптической волны определяется как w = E g (GaAs) / h . база p-GaAs эмиттер n+-GaAlAs Изолятор: SiO2 Омический контакт Область: Zn или Au Рис. 7.7. СИД на основе одинарного гетероперехода 135 Зонные диаграммы для одинарного гетероперехода при U = 0 и U > 0 показаны на рис. 7.8. U=0 p-GaAs Ev Eg1 DEe Ec U¹0 n+-GaAlAs p-GaAs n+-GaAlAs Ev Eg1 hw Eg2 Ec Eg2 DEh Рис. 7.8. Энергетические диаграммы одинарного гетероперехода При наличии гетероперехода потенциальные барьеры для электронов DE e и для дырок DE h будут различными (рис. 7.8). Это приводит к возможности локализации носителей вблизи перехода. При приложении прямого напряжения ( U ¹ 0 ) потенциальные барьеры снизятся: электроны из n+-GaAlAs будут дрейфовать в p-GaAs (рис. 7.8). Дырки же не смогут преодолеть потенциальный барьер и поэтому останутся в p-области. Таким образом, в p-области вблизи перехода будет значительная концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приведет к резкому возрастанию рекомбинации. Этот процесс называется односторонней инжекцией. Если теперь эмиттер сделать широким, а базу p-GaAs — тонкой, то в результате односторонней инжекции резко повысится вероятность межзонной рекомбинации вблизи границы раздела (чем больше неравновесных носителей, тем больше вероятность рекомбинации). Однако не все электроны успевают рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода и многие из них глубоко проникают в p-область, что приводит к снижению их концентрации вблизи перехода. В связи с эти необходимо ограничить распространение неравновесных электронов вглубь p-области (то есть создать для них некоторый потенциальный барьер). Для этого необходимо использовать структуру на основе двойного гетероперехода. 136 Двойной гетеропереход — это структура, в которой слой из одного полупроводникового материала эпитаксиально выращен между двумя слоями из другого материала. Пример гетероперехода: p-GaAlAs — p-GaAs — nGaAlAs. Рассмотрим СИД на основе перехода n+-GaAlAs — pGaAs — p-GaAlAs, показанный на рис. 7.9. На подложке из n+GaAlAs эпитаксиально выращивается слой p-GaAs, на нем — pGaAlAs. Такая структура является двойным гетеропереходом. Область n+-GaAlAs выполняет роль эмиттера для электронов и ее назначение — инжекция электронов в p-область, в которой они являются неосновными; область p-GaAs является базой и служит для излучения. Поэтому частота оптической волны определяется как w = E g (GaAs) / h . Область p-GaAlAs является вспомогательной и выполняет две функции: инжекции дырок в область p-GaAs и создания потенциального барьера для электронов. p-GaAlAs база p-GaAs эмиттер n+-GaAlAs Изолятор: SiO2 Омический контакт Область: Zn или Au Рис. 7.9. СИД на основе двойного гетероперехода Энергетическая диаграмма СИД на основе двойного гетероперехода показана на рис. 7.10. 137 U¹0 p-GaAlAs n+-GaAlAs p-GaAs DE¢ Eg2 Ev Eg1 hw Eg2 DE Ec D Рис. 7.10. Энергетическая диаграмма двойного гетероперехода При приложении прямого смещения начинается инжекция электронов из эмиттера n+-GaAlAs в узкую базу толщиной D , в которой они являются неосоновными носителями. Из-за наличия потенциального барьера DE на гетеропереходе n+-GaAlAs — p-GaAs дырки не могут перейти в эмиттер и остаются в базе. Кроме того, концентрация дырок в базе увеличивается за счет притока большого количества дырок из области p-GaAlAs. Электроны, приходящие в базу из эмиттера скапливаются в ней, так как не могут перейти в область p-GaAlAs из-за наличия потенциального барьера DE ¢ . Таким образом, в базе создается значительная концентрация неравновесных дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, что приводит к увеличению излучательной межзонной рекомбинации в базе. Использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей в базе при уменьшении ее ширины D вплоть до микрометров. Это позволяет значительно увеличить быстродействие СИД на основе двойного гетероперехода. Другая отличительная особенность гетероструктур — это разница оптических свойств базы и эмиттера, так как они обладают различной шириной запрещенной зоны. 138 Характеристики светоизлучающих диодов Ф, Вт 10 20 I, mA Imax Рис. 7.11. Световая характеристика СИД S (l) 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 l, мкм Рис. 7.12. Спектральная характеристика СИД Выводы по разделу 1. Явление обратной инжекции может быть устранено при использовании гетероперехода. 2. Наличие гетероперехода обеспечивает возможность локализации носителей вблизи перехода. 3. В одинарной гетероструктуре не все электроны успевают рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода и многие из них глубоко проникают в p-область, что приводит к снижению 139 их концентрации вблизи перехода. Это явление может быть устранено при использовании двойного гетероперехода. 4. Использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей в базе при уменьшении ее ширины D вплоть до микрометров. Это позволяет значительно увеличить быстродействие СИД на основе двойного гетероперехода. 5. Другая отличительная особенность гетероструктур — это разница оптических свойств базы и эмиттера, так как они обладают различной шириной запрещенной зоны. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Как можно устранить явление обратной инжекции? (Ответ на стр. 135) 2. Нарисуйте схему устройства СИД на основе одинарного гетероперехода. (Ответ на стр. 135) 3. Почему при наличии гетероперехода обеспечивается возможность локализации носителей вблизи перехода? (Ответ на стр. 136) 4. В чем недостаток одинарного гетероперехода? (Ответ на стр. 136) 5. Начертите энергетическую диаграмму для одинарного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 136) 6. Что такое двойной гетеропереход? (Ответ на стр. 137) 7. нарисуйте схему устройства СИД на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 137) 8. Начертите энергетическую диаграмму для двойного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 138) 9. В чем еще отличительная особенность гетероструктур? (Ответ на стр. 138) 10. Перечислите основные характеристики СИД и нарисуйте их качественный вид. (Ответ на стр. 139) Выводы по теме 1. При приложении напряжения p-n-переход смещается в прямом направлении, потенциальный барьер снижается и элек140 троны из n-области переходят в p-область. Таким образом, происходит инжекция неосновных носителей в p-область, где создается неравновесная концентрация носителей и происходит прямая межзонная рекомбинация, в результате чего выделяется фотон, который создает некогерентную оптическую волну. 2. Объемная конструкция СИД используется в оптоэлектронике, а плоская, используемая в интегральной оптике. 3. В объемных конструкциях СИД через границу «полупроводник-воздух» выйдет свет только в пределах конуса с углом раскрыва 2q 0 . 4. Использование гомопереходов при создании СИД является неэффективным. 5. Явление обратной инжекции может быть устранено при использовании гетероперехода. 6. Наличие гетероперехода обеспечивает возможность локализации носителей вблизи перехода. 7. В одинарной гетероструктуре не все электроны успевают рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода и многие из них глубоко проникают в p-область, что приводит к снижению их концентрации вблизи перехода. Это явление может быть устранено при использовании двойного гетероперехода. 8. Использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию инжектированных носителей в базе при уменьшении ее ширины D вплоть до микрометров. Это позволяет значительно увеличить быстродействие СИД на основе двойного гетероперехода. 9. Другая отличительная особенность гетероструктур — это разница оптических свойств базы и эмиттера, так как они обладают различной шириной запрещенной зоны. Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Нарисуйте схему устройства СИД. (Ответ на стр. 129) 2. Нарисуйте энергетическую диаграмму СИД в отсутствие приложенного напряжения. (Ответ на стр. 130) 3. Нарисуйте энергетическую диаграмму СИД в отсутствие приложенного напряжения. (Ответ на стр. 131) 141 4. Поясните принцип работы СИД с помощью энергетических диаграмм. (Ответ на стр. 130) 5. Какие еще переходы имеют место наряду с излучательной рекомбинацией? (Ответ на стр. 131) 6. Начертите схему объемной конструкции СИД. (Ответ на стр. 132) 7. Начертите схему плоской конструкции СИД. (Ответ на стр. 132) 8. Как улучшить условия вывода излучения из СИД объемной конструкции? (Ответ на стр. 133) 9. Что является простейшим плоским (планарным) светодиодом? (Ответ на стр. 133) 10. Почему использование гомопереходов при создании СИД является неэффективным? (Ответ на стр. 134) 11. Как можно устранить явление обратной инжекции? (Ответ на стр. 135) 12. Нарисуйте схему устройства СИД на основе одинарного гетероперехода. (Ответ на стр. 135) 13. Почему при наличии гетероперехода обеспечивается возможность локализации носителей вблизи перехода? (Ответ на стр. 136) 14. В чем недостаток одинарного гетероперехода? (Ответ на стр. 136) 15. Начертите энергетическую диаграмму для одинарного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 136) 16. Что такое двойной гетеропереход? (Ответ на стр. 137) 17. нарисуйте схему устройства СИД на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 137) 18. Начертите энергетическую диаграмму для двойного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 138) 19. В чем еще отличительная особенность гетероструктур? (Ответ на стр. 138) 20. Перечислите основные характеристики СИД и нарисуйте их качественный вид. (Ответ на стр. 139) 142 Лекция 9 Тема 8. Полупроводниковые инжекционные лазеры Введение Полупроводниковые инжекционные лазеры, в отличие от СИД, в оптоэлектронике используются для создания когерентного направленного излучения. СИД создает некогерентное электромагнитное излучение и основным физическим процессом в них является межзонная рекомбинация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, которая сопровождается излучением фотона с энергией hw . Данные переходы являются спонтанными и излучаемые в результате них фотоны обладают различными фазами и поляризациями. Эти фотоны создают на выходе из СИД некогерентную электромагнитную волну, которая в общем случае является хаотически-поляризованной. Таким образом, спонтанная межзонная рекомбинация всегда приводит к созданию некогерентного оптического излучения. Для создания когерентного оптического излучения необходимо, чтобы в полупроводнике была возможна вынужденная рекомбинация — рекомбинация электрона из зоны проводимости и дырки в валентной зоне под действием падающего фотона. Вынужденная рекомбинация возможна только в том случае, когда в активной (излучающей) области создана инверсия населенности: концентрация электронов в зоне проводимости значительно больше концентрации дырок в валентной зоне. Кроме того, для работы лазера (оптического квантового генератора) принципиально необходима положительная обратная связь, для создания которой в устройстве должен присутствовать оптический резонатор (ОР). ОР возвращает часть созданных в активной среде фотонов обратно в нее и они вновь вызывают вынужденные рекомбинационные акты. В настоящее время известны три типа оптических резонаторов, используемых в полупроводниковых лазерах. Самым простым является резонатор на основе сколотых граней полупроводникового кристалла (рис. 8.1). На рисунке заштрихован активный слой лазера, в котором создается излучение. 143 h Рис. 8.1. Оптические резонаторы для полупроводниковых лазеров Грани полупроводникового монокристалла скалываются вдоль одной из кристаллографических плоскостей. Этот резонатор обладает значительным недостатком, связанным с тем, что в результате многократного отражения оптической волны от граней кристалла происходит сильное нагревание полупроводника. Это приводит к тому, что полупроводниковый лазер с таким резонатором может использоваться только в импульсном режиме генерации или при низких температурах. В современных лазерах используются два типа оптических резонаторов на основе брэгговских отражателей — распределенный брэгговский отражатель (РБО) (рис. 8.2а) и распределенная обратная связь (РОС) (рис. 8.2б). покровный слой h h подложка a) б) Рис. 8.2. РБО и РОС-лазеры В РБО-лазере брэгговский отражатель (дифракционная решетка) наносится непосредственно на поверхность активного слоя и занимает лишь некоторую часть длины лазера. Период дифракционной решетки подбирается таким образом, чтобы на длине волны излучения l выполнялось условие Вульфа-Брэгга. В этом случае при отражении от РБО электромагнитная волна будет возвращаться обратного в активный слой. Активный слой выступает в роли световедущей пленки трехслойного волновода. Недостатком РБО является то, что для ЭМВ на участке РБО ухудшается полное внутреннее отражение из-за несовершенства 144 границы раздела. Это приводит к излучению некоторой части энергии ЭМВ через РБО во внешнюю область. В РОС-лазере РБО находится не на границе активного слоя, а в подложке или в покровном слое не некотором расстоянии d от активного слоя. Кроме того, РБО в РОС располагается по всей длине лазера. В РОС-лазере наличие РБО не влияет на полное внутреннее отражение, так как гофрируется не граница раздела активного слоя. ЭМВ испытывает дифракцию на РБО, так как ее поле проникает в подложку и покровный слой и на длине волны излучения l выполняется условие Вульфа-Брэгга. В современных полупроводниковых инжекционных лазерах используются распределенные брэгговские решетки, расположенные либо в подложке, либо в покровном слое. Выбор материала для создания когерентного излучения Основным механизмом создания лазерного излучения является межзонная рекомбинация без изменения импульса рекомбинирующей частицы. Такие процессы могут протекать только в полупроводниковых материалах, в которых возможны прямые межзонные переходы, то есть на диаграмме Бриллюэна (рис. 8.3) экстремумы валентной зоны и зоны проводимости должны совпадать. E Ec En (kf ) Ef hw hw электрон фотон Ep (kj ) Ev Ej k дырка Рис. 8.3. Прямая межзонная рекомбинация В связи с этим для создания лазера нельзя использовать кремний и германий, в которых прямые переходы невозможны. Прямая межзонная рекомбинация наблюдается в следующих 145 полупроводниковых материалах: GaAs (арсенид галлия), GaAlAs , InP (фосфид индия), GaP (фосфид галлия), InGaAsP , InGaAs и др. Кроме того, эта прямая межзонная рекомбинация должна происходить под действием возбуждающего фотона. Вторым условием создания лазерного излучения в полупроводнике является необходимость создания в активном слое инверсии населенности. Лазер должен базироваться на p-nпереходе. В квантовой физике доказывается, что в полупроводнике можно создать инверсию населенности только при выполнении следующего условия: E Fn - E Fp > E g , (8.1) где E Fn — уровень Ферми в полупроводнике n-типа; E Fp — уровень Ферми в полупроводнике p-типа; E g — ширина запрещенной зоны полупроводника, использующегося в качестве активной области. Условие (8.1) впервые было сформулировано Бернаром и Дюрафором. Известно, что в нелегированных полупроводниках уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны (рис. 8.4): 1 E F = ( E c + E v ). (8.2) 2 E Зона проводимости Ec EF Ev EFn EFp Eg Валентная зона Рис. 8.4. Уровень Ферми в полупроводнике 146 Для выполнения условия (8.1) необходимо, чтобы уровень Ферми n-слоя лежал в зоне проводимости или уровень Ферми pслоя располагался в валентной зоне: E Fn > E c I E Fp < E v . (8.3) Полупроводники, для которых выполняется одно из условий (8.3), называются вырожденными. Известно, что при легировании полупроводников уровни Ферми определяются выражениями: æN ö 1 E Fn = ( E c + E v ) + k bT ln ç d ÷ , 2 è Nc ø (8.4) æ Na ö 1 E Fp = ( E c + E v ) - k bT ln ç ÷, 2 è Nv ø где N d — концентрация атомов донора в полупроводнике nтипа; N a — концентрация атомов акцептора в полупроводнике p-типа; N c — концентрация атомов полупроводника n-типа; N v — концентрация атомов полупроводника p-типа; k b — постоянная Больцмана; T — температура. Как видно из формул (8.4), при легировании полупроводника донорной примесью уровень Ферми смещается вверх от середины запрещенной зоны (n-тип); при легировании полупроводника акцепторной примесью уровень Ферми смещается вниз от середины запрещенной зоны (p-тип). Это показано на рис. 8.4. Таким образом, чтобы полупроводник стал вырожденным его необходимо очень сильно легировать. В этом случае уровень Ферми сместится либо в зону проводимости ( n + при + N d ? N c ), либо в валентную зону ( p при N a ? N v ). Вторым способом выполнения условия (8.1) является использование n- и p-слоев из различных полупроводниковых материалов, то есть создание гетероперехода. Например, пусть используется переход n - GaAs ® p - GaAlAs . В этом случае условие (1) запишется следующим образом: E Fn ( GaAs ) - E Fp ( GaAlAs ) > E g ( GaAs ) . 147 Предполагается, что излучение происходит в слое на основе GaAs. Вывод: для создания инверсии населенности в полупроводнике необходимо: либо сильно легировать один из слоев гомоперехода (например, n + - GaAs ® p - GaAs ), либо использовать гетеропереход (например, n - GaAs ® p - GaAlAs ). Необходимые условия для создания лазерного излучения 1. Использование полупроводника, в котором возможны прямые межзонные переходы. 2. Использование p-n-перехода, для которого выполняется условие E Fn - E Fp > E g (либо сильное легирование полупроводников, либо использование гетероперехода). В этом случае возможно создание инверсии населенности. 3. Наличие оптического резонатора, обеспечивающего положительную обратную связь. 4. Ток накачки, определяемый инжекцией носителей в активную область, должен быть больше некоторого порогового значения: I > I пор ( I — ток через p-n-переход при приложении внешнего прямого напряжения). Раздел 8.1. Полупроводниковый лазер на основе гомоперехода Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о принципах работы полупроводниковых лазеров на основе гомоперехода. Содержательная часть Простейший полупроводниковый лазер представляет собой p-n-переход, созданный в кристалле арсенида галлия (рис. 8.5). Излучающая область представляет собой границу раздела между p- и n-слоями. Частота излучения определяется как w = E g ( GaAs ) h . К p-n-переходу приложено прямое смещение, определяемое напряжением U . Напряжение к p-n-переходу прикладывается посредствам металлических контактов, нане148 сенных на p- и n-области. Оптический резонатор в простейшем случае образуют торцевые грани кристалла полупроводника, сколотые вдоль одной из кристаллографических граней. Таким образом изготовленные и отшлифованные грани отражают обратно в полупроводник порядка 35% излучения, создаваемого при вынужденной рекомбинации. За счет внешнего напряжения создается инжекция основных носителей (электронов из n-слоя в p-область). Заметим, что напряжение U должно больше, чем ширина запрещенной зоны. Только в этом случае будет создана инверсия населенности. I U p-GaAs n+-GaAs Проводящий контакт Рис. 8.5. Полупроводниковый лазер на основе гомоперехода Рассмотрим процесс работы лазера на основе энергетической диаграммы, показанной на рис. 8.6. Заметим, что область n является более сильно легированной, чем область p. Это необходимо для создания инверсии населенности. При приложении прямого смещения потенциальные барьеры для электронов и для дырок между n- и p-областями снижаются. 149 U¹0 p-область n+-область Ev Eg Eg Ec Рис. 8.6. Энергетическая диаграмма работы лазера на гомопереходе Электроны из n-области переходят в p-область, в которой они являются неосновными носителями заряда и рекомбинируют с дырками вблизи p-n-перехода (рис. 8.6). В результате межзонной рекомбинации спонтанно излучаются фотоны с частотой w » E g h . Эти фотоны затем, отражаясь от сколотых граней, играют роль вынуждающих фотонов. Под их действием вновь происходит рекомбинация электронов и дырок вблизи p-nперехода, которая теперь является вынужденной и появляющиеся фотоны обладают свойствами идентичными, как и у падающих. Таким образом, создается индуцированное когерентное излучение. Заметим, что дырки из p-области также дрейфуют в nобласть, уменьшая свою концентрацию вблизи p-n-перехода и тем самым уменьшая вероятность рекомбинации с электронами. Таким образом, в лазере на основе гомоперехода имеет место двухсторонняя инжекция носителей, что является существенным недостатком. Для устранения этого недостатка используется гетеропереход между p- и n-областями. Лазер на основе гомоперехода впервые был создан Холлом, Феннером и Кингсли в 1962 году. Он мог работать только в импульсном режиме и при низких температурах. 150 Выводы по разделу В лазере на основе гомоперехода имеет место двухсторонняя инжекция носителей, что является существенным недостатком. Для устранения этого недостатка используется гетеропереход между p- и n-областями. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 148) 2. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 149) 3. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе гомоперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 149) 4. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе гомоперехода создается индуцированное когерентное излучение? (Ответ на стр. 150) 5. Назовите основной недостаток полупроводниковых лазеров на основе гомоперехода и способ его устранения. (Ответ на стр. 150) Раздел 8.2. Полупроводниковый лазер на основе одинарного гетероперехода Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о принципах работы полупроводниковых лазеров на основе одинарного гетероперехода. Содержательная часть Полупроводниковый лазер на основе гетероперехода представляет собой p-n-переход, созданный на границе раздела GaAs и GaAlAs . Слой GaAs легирован акцепторной примесью; слой GaAlAs — донорной примесью. Излучающая область представляет собой границу раздела между p- и n-слоями. Частота излучения определяется как w = E g ( GaAs ) h , так как ре151 комбинация электронов и дырок осуществляется в p-области. Ширина запрещенных зон определяется неравенством: E g ( GaAlAs ) > E g ( GaAs ) . Причем, они принимают следующие E g ( GaAs ) = 1.4 эВ , значения: E g ( GaAlAs ) = 2 эВ . К p-n- переходу приложено прямое смещение, определяемое напряжением U , которое должно быть больше ширины запрещенной зоны. Устройство лазера на основе гетероперехода показано на рис. 8.7. I U p-GaAs n-GaAlAs Проводящий контакт Рис. 8.7. Полупроводниковый лазер на основе одинарного гетероперехода На рис. 8.8 приведены энергетические диаграммы при отсутствии напряжения на p-n-переходе и при прямом смещении. U=0 p-GaAs Ev Eg1 DEe Ec U¹0 n-GaAlAs p-GaAs n-GaAlAs Ev Eg1 Eg2 Ec Eg2 DEh Рис. 8.8. Энергетическая диаграмма работы лазера на одинарном гетеропереходе 152 При приложении прямого смещения электроны из nобласти переходят в p-область, в которой они являются неосновными носителями заряда и рекомбинируют с дырками вблизи p-n-перехода (рис. 8.8). В результате межзонной рекомбинации спонтанно излучаются фотоны с частотой w » E g h . Эти фотоны затем, отражаясь от сколотых граней, играют роль вынуждающих фотонов. Под их действием вновь происходит рекомбинация электронов и дырок вблизи p-n-перехода, которая теперь является вынужденной и появляющиеся фотоны обладают свойствами идентичными, как и у падающих. Таким образом, создается индуцированное когерентное излучение. Благодаря гетеропереходу, область рекомбинации вблизи p-n-перехода значительно сужается до величины порядка 1 мкм, так как для дырок существует потенциальный барьер DE h > DE e . Дырки из p-области в n-область переходить не могут, так им мешает потенциальный барьер DE h > DE e , что является следствием гетероперехода. Процесс дрейфа только одного типа носителей в область, где они являются неосновными называется односторонней инжекцией. Прямое напряжение U подбирается таким образом, чтобы при нем потенциальный барьер для дырок не уменьшился до такой величины, чтобы дырки смогли бы переходить в область n и началась бы двухсторонняя инжекция. Электроны, не успевшие рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода могут глубоко проникать в p-область, тем самым уменьшая свою концентрацию вблизи перехода и уменьшая вероятность рекомбинации. Это является недостатком лазера на основе одинарного гетероперехода. Для устранения указанного недостатка используются полупроводниковые лазеры с двойным гетеропереходом. 153 Выводы по разделу 1. Благодаря гетеропереходу, область рекомбинации вблизи pn-перехода значительно сужается до величины порядка 1 мкм, так как для дырок существует потенциальный барьер D E h > DE e . 2. Прямое напряжение U подбирается таким образом, чтобы при нем потенциальный барьер для дырок не уменьшился до такой величины, чтобы дырки смогли бы переходить в область n и началась бы двухсторонняя инжекция. 3. Электроны, не успевшие рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода могут глубоко проникать в p-область, тем самым уменьшая свою концентрацию вблизи перехода и уменьшая вероятность рекомбинации. Это является недостатком лазера на основе одинарного гетероперехода. Для устранения указанного недостатка используются полупроводниковые лазеры с двойным гетеропереходом. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 151) 2. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе одинарного гетероперехода. (Ответ на стр. 152) 3. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе одинарного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 152) 4. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе одинарного гетероперехода подбирается прямое напряжение U ? (Ответ на стр. 152) 5. Назовите основной недостаток полупроводниковых лазеров на основе одинарного гетероперехода и способ его устранения. (Ответ на стр. 153) 154 Лекция 10 Тема 8. Полупроводниковые инжекционные лазеры (продолжение) Раздел 8.3. Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний о принципах работы полупроводниковых лазеров на основе двойного гетероперехода. Содержательная часть Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода представляет собой структуру, состоящую из трех слоев. Активный слой GaAs с обеих сторон окружен слоями на основе GaAlAs , которые обладают различными типами электропроводимости. Излучающая область представляет собой узкий (порядка 1 мкм) слой арсенида галлия между p- и n-слоями. Частота излучения определяется как w = E g ( GaAs ) h , так как рекомбинация электронов и дырок осуществляется в GaAs . Ширина запрещенных зон определяется неравенством: E g ( GaAlAs ) > E g ( GaAs ) . К p-n-переходу приложено прямое смещение, определяемое напряжением U , которое должно быть больше ширины запрещенной зоны. Устройство лазера на основе двойного гетероперехода показано на рис. 8.9. Отметим, что рассматриваемый лазер представляет собой трехслойный оптический волновод с активной световедущей пленкой из арсенида галлия. Боковые n- и p-слои играют роль покровного слоя и подложки. Более того, показатели преломления: n ( GaAlAs ) = 3 < n ( GaAs ) = 3.6 , поэтому когерентная электромагнитная волна, генерируемая в лазере, распространяется по активному слою путем переотражения от p- и n-областей. Это обеспечивает положительную обратную связь в продольном направлении структуры. Кроме того, лазер на основе двойного гетероперехода легко стыкуется с трехслойным оптическим вол155 новодом, который является приемником созданного в полупроводниковом лазере когерентного оптического излучения. I U p-GaAlAs GaAs n-GaAlAs Проводящий контакт Рис. 8.9. Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода На рис. 8.10 приведены энергетическая диаграмма полупроводникового лазера на основе двойного гетероперехода при прямом смещении. Через E g1 обозначена ширина запрещенной зоны GaAs ; через E g 2 — материала GaAlAs . При приложении прямого смещения электроны из nобласти переходят активный слой и рекомбинируют там с дырками (рис. 8.10). В результате межзонной рекомбинации спонтанно излучаются фотоны с частотой w » E g1 ( GaAs ) h . Эти фотоны затем, отражаясь от сколотых граней, играют роль вынуждающих фотонов. Под их действием вновь происходит рекомбинация электронов и дырок в активном слое из GaAs , которая теперь является вынужденной и появляющиеся фотоны обладают свойствами идентичными, как и у падающих. Таким образом, создается индуцированное когерентное излучение. 156 U¹0 p-GaAlAs GaAs n-GaAlAs DE¢ Eg2 Ev Eg1 Eg2 DE Ec D Рис. 8.10. Энергетическая диаграмма работы лазера на двойном гетеропереходе Электроны из активного слоя не могут пройти дальше в p-область, так как им мешает потенциальный барьер DE ¢ , поэтому их концентрация в активном слое очень большая. Дырки из p-области проходят в активный слой GaAs , где и рекомбинируют с электронами. Кроме того, дырки локализуются в узкой активной области, так как перейти в n-слой им мешаем потенциальный барьер DE . Таким образом, двойной гетеропереход позволяет локализовать электроны и дырки в активной области, в которой при приложении прямого смещения их концентрация становится максимальной. Активный слой не должен быть слишком узкий, так как в этом случае концентрация в ней носителей будет настолько велика, что будет преобладать не излучательная рекомбинация, а ударная (Оже-) рекомбинация. Ожерекомбинация — это рекомбинация двух частиц, при которой энергия передается третьей частице, которая близко расположена к рекомбинирующей паре. В этом случае фотоны не излучаются, что значительно уменьшает интенсивность генерируемой лазером оптической волны. 157 Выводы по разделу 1. Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода представляет собой структуру, состоящую из трех слоев. Активный слой GaAs с обеих сторон окружен слоями на основе GaAlAs , которые обладают различными типами электропроводимости. 2. Двойной гетеропереход позволяет локализовать электроны и дырки в активной области, в которой при приложении прямого смещения их концентрация становится максимальной. 3. Активный слой не должен быть слишком узкий, так как в этом случае концентрация в ней носителей будет настолько велика, что будет преобладать не излучательная рекомбинация, а ударная (Оже-) рекомбинация. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 155) 2. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 155) 3. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе двойного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 156) 4. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе двойного гетероперехода создается индуцированное когерентное излучение? (Ответ на стр. 156) 5. Назовите основное преимущество полупроводниковых лазеров на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 156) 158 Раздел 8.4. Устройство и параметры современного лазера на двойном гетеропереходе Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и параметрах современного лазера на двойном гетеропереходе. Содержательная часть Устройство современного инжекционного лазера на двойном гетеропереходе показано на рис. 8.11. В качестве оптического резонатора используется РОС-резонатор, расположенный в покровном слое. Активный слой GaAs с обеих сторон окружен слоями на основе GaAlAs , которые обладают различными типами электропроводимости. Излучающая область представляет собой узкий (порядка 1 мкм) слой арсенида галлия между p- и n-слоями. Частота излучения определяется как w = E g ( GaAs ) h , так как рекомбинация электронов и дырок осуществляется в GaAs . Металлические контакты занимают не всю поверхность лазера, а представляют собой небольшие диффузионные области из цинка Zn , изготовленные в изоляторе ( SiO 2 или Si 3 N 4 ). Это позволяет осуществлять инжекцию не по всему поперечному сечению лазера, а в некотором «канале» (на рис. 8.11 он заштрихован), вследствие чего апертура луча значительно уменьшается. I p-GaAlAs GaAs n-GaAlAs инжекция РОС Область Zn Изолятор Проводник Рис. 8.11. Полупроводниковый РОС-лазер на основе двойного гетероперехода 159 Высота лазера порядка 100 мкм; длина 200-500 мкм; ширина 200-400 мкм. Толщина активного слоя порядка 0.1-1 мкм. К инжекционному лазеру приложено напряжение U ~ 1.5 ¸ 3 В. КПД составляет порядка 50% (что в 100 раз больше, чем у газовых лазеров). Мощность в режиме непрерывной генерации составляет 0.1 Вт. Длительность импульсов порядка 0.01 нс. Длины волн излучения приведены в табл. 8.1. Таблица 8.1. Длины волн излучения современного полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе Активная область GaAs GaAlAs GaInAsP GaAlAsSb Длина волны, мкм 0.92 0.88—0.9 1.2—1.3 1.2—1.3 На рис. 8.12 приведены диаграммы направленности излучения полупроводникового инжекционного лазера при токе инжекции I > I пор (сплошная линия) и I < I пор (штриховая линия) ( I пор — ток, при котором выполняется условие инверсии населенности). При I < I пор излучение не обладает свойством когерентности и направленности и лазер, по сути, выполняет роль светоизлучающего диода. Диаграмма направленности представляет собой распределение модуля напряженности электрического поля волны излучения по азимутальному углу в полярной системе координат. |E| Рис. 8.12. Диаграммы направленности полупроводникового лазера и светодиода 160 Как видно из рис. 8.12, диаграмма направленности излучения инжекционного лазера представляет собой один узкий «лепесток» в направлении j = 0 . Ширина «лепестка» определяется шириной излучающей активной (области). При I < I пор диаграмма направленности становится более равномерной по всем направлениям азимутального угла. В настоящее время основной системой материалов при создании гетероструктурных полупроводниковых лазеров является GaInAsP / InP . В качестве активного слоя используется InGaAsP , в котором создается излучения с длиной волны l = 1.55 мкм. На рис. 8.13 приведено устройство современного интегрального инжекционного лазера на основе GaInAsP / InP с двойным гетеропереходом, который встык соединен с трехслойным плоским диэлектрическим волноводом. I Контакт Инжекция Ig РБО Перестройка p-InP n-InP InGaAsP n-InP Контакт p+-InP Диэлектрик Актив. слой InGaAsP Диэлектрик Волновод Рис. 8.13. Современный инжекционный лазер на основе GaInAsP/InP В качестве оптического резонатора используется РБО. Лазер оснащен системой электронной перестройки длины излучаемой волны. Перестройка осуществляется при изменении тока подстройки I g . Металлические контакты созданы на основе соединения Zn / Au . Показатель преломления InGaAsP больше, чем у фосфида индия, который используется в качестве материала для боковых слоев. 161 Выводы по разделу 1. Металлические контакты занимают не всю поверхность лазера, а представляют собой небольшие диффузионные области из цинка Zn , изготовленные в изоляторе ( SiO 2 или Si 3 N 4 ). Это позволяет осуществлять инжекцию не по всему поперечному сечению лазера, а в некотором «канале», вследствие чего апертура луча значительно уменьшается. 2. Диаграмма направленности излучения инжекционного лазера представляет собой один узкий «лепесток» в направлении j=0. 3. Лазер оснащен системой электронной перестройки длины излучаемой волны. Перестройка осуществляется при изменении тока подстройки I g . Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте схему устройства современного полупроводникового РОС-лазера на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 159) 2. Как в современном полупроводниковом лазере выполнены металлические контакты и почему именно так? (Ответ на стр. 159) 3. Какая основная система материалов в настоящее время используется при создании гетероструктурных полупроводниковых лазеров? (Ответ на стр. 160) 4. Какой материал используется для создания активного слоя? (Ответ на стр. 130) 5. Нарисуйте схему устройства современного инжекционного лазера на основе GaInAsP/InP. (Ответ на стр. 161) 162 Раздел 8.5. Вертикально-излучающие лазеры Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы вертикально-излучающих лазеров. Содержательная часть Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры (ВИЛ) находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи информации. В настоящее время начат промышленный выпуск ВИЛ, излучающих в диапазонах длин волн вблизи l 1 = 0.85 мкм и l 2 = 0.98 мкм. Однако более важной задачей на сегодняшний момент времени является создание ВИЛ для работы на длинах волн l = 1.3 мкм и 1.55 мкм. Это связано с тем, что в кварцевых стеклах, используемых для изготовления оптоволокна, наименьшие потери приходятся на l = 1.55 мкм; на l = 1.3 мкм — минимальная дисперсия, что позволяет уменьшить уширение импульсов при их прохождении по волокну и, за счет этого, повысить скорость передачи информации. GaAs Верхний РБО GaAlAs Активный слой Нижний РБО Рис. 8.14. Устройство вертикально-излучающего лазера В традиционных полупроводниковых лазерах, рассмотренных выше, излучение выводится через одну из двух торцевых граней кристалла. В ВИЛ излучение выводится через верхнюю поверхность структуры, параллельную активной области. Оптический резонатор в ВИЛ представляет собой набор распределенных брэгговских отражателей, сформированных на основе 163 чередующихся слоев различных материалов (например, GaAs и GaAlAs ) толщиной в l 4 (с учетом показателя преломления материала). Структуры ВИЛ выращиваются методами молекулярно-пучковой эпитаксии или эпитаксии из паров металлоорганических соединений. Устройство ВИЛ приведено на рис. 8.14. По сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами ВИЛ обладают более симметричной диаграммой направленности выводимого оптического излучения, что обеспечивает более эффективный ввод излучения в оптоволокно. Основные ограничения при использовании традиционной системы материалов InGaAsP / InP связаны с относительно плохими характеристиками РБО. Это обусловлено меньшей (по сравнению с системой GaAlAs / GaAs ) разностью показателей преломления слоев, что уменьшает добротность резонатора на основе чередующихся слоев. Поэтому в настоящее время технология изготовления ВИЛ основана на использовании подложек из GaAs . В физико-техническом институте им. Иоффе создан ВИЛ на основе системы InGaAsN / InGaAs , рассчитанный на l = 1.3 мкм. Выводы по разделу 1. Полупроводниковые ВИЛ находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи информации. 2. Более важной задачей на сегодняшний момент времени является создание ВИЛ для работы на длинах волн l = 1.3 мкм и 1.55 мкм. 3. В ВИЛ излучение выводится через верхнюю поверхность структуры, параллельную активной области. 4. По сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами ВИЛ обладают более симметричной диаграммой направленности выводимого оптического излучения, что обеспечивает более эффективный ввод излучения в оптоволокно. 5. В настоящее время технология изготовления ВИЛ основана на использовании подложек из GaAs . 164 Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Где применяются полупроводниковые ВИЛ? (Ответ на стр. 163) 2. Нарисуйте схему устройства ВИЛ. (Ответ на стр. 163) 3. Как в ВИЛ выводится излучение. (Ответ на стр. 163) 4. В чем преимущество полупроводникового ВИЛ по сравнению с другими полупроводниковыми лазерами? (Ответ на стр. 164) 5. С чем связаны основные ограничения при использовании традиционной системы материалов InGaAsP / InP ? (Ответ на стр. 164) Выводы по теме 1. В лазере на основе гомоперехода имеет место двухсторонняя инжекция носителей, что является существенным недостатком. Для устранения этого недостатка используется гетеропереход между p- и n-областями. 2. Благодаря гетеропереходу, область рекомбинации вблизи pn-перехода значительно сужается до величины порядка 1 мкм, так как для дырок существует потенциальный барьер D E h > DE e . 3. Прямое напряжение U подбирается таким образом, чтобы при нем потенциальный барьер для дырок не уменьшился до такой величины, чтобы дырки смогли бы переходить в область n и началась бы двухсторонняя инжекция. 4. Электроны, не успевшие рекомбинировать с дырками вблизи p-n-перехода могут глубоко проникать в p-область, тем самым уменьшая свою концентрацию вблизи перехода и уменьшая вероятность рекомбинации. Это является недостатком лазера на основе одинарного гетероперехода. Для устранения указанного недостатка используются полупроводниковые лазеры с двойным гетеропереходом. 5. Полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода представляет собой структуру, состоящую из трех слоев. Активный слой GaAs с обеих сторон окружен слоями на основе 165 GaAlAs , которые обладают различными типами электропроводимости. 6. Двойной гетеропереход позволяет локализовать электроны и дырки в активной области, в которой при приложении прямого смещения их концентрация становится максимальной. 7. Активный слой не должен быть слишком узкий, так как в этом случае концентрация в ней носителей будет настолько велика, что будет преобладать не излучательная рекомбинация, а ударная (Оже-) рекомбинация. 8. Металлические контакты занимают не всю поверхность лазера, а представляют собой небольшие диффузионные области из цинка Zn , изготовленные в изоляторе ( SiO 2 или Si 3 N 4 ). Это позволяет осуществлять инжекцию не по всему поперечному сечению лазера, а в некотором «канале», вследствие чего апертура луча значительно уменьшается. 9. Диаграмма направленности излучения инжекционного лазера представляет собой один узкий «лепесток» в направлении j=0. 10. Лазер оснащен системой электронной перестройки длины излучаемой волны. Перестройка осуществляется при изменении тока подстройки I g . 11. Полупроводниковые ВИЛ находят все более широкое применение в быстродействующих оптоволоконных системах передачи информации. 12. Более важной задачей на сегодняшний момент времени является создание ВИЛ для работы на длинах волн l = 1.3 мкм и 1.55 мкм. 13. В ВИЛ излучение выводится через верхнюю поверхность структуры, параллельную активной области. 14. По сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами ВИЛ обладают более симметричной диаграммой направленности выводимого оптического излучения, что обеспечивает более эффективный ввод излучения в оптоволокно. 15. В настоящее время технология изготовления ВИЛ основана на использовании подложек из GaAs . 166 Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. В чем основное отличие полупроводникового лазера от СИД? (Ответ на стр. 143) 2. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 148) 3. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 149) 4. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе гомоперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 149) 5. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе гомоперехода создается индуцированное когерентное излучение? (Ответ на стр. 150) 6. Назовите основной недостаток полупроводниковых лазеров на основе гомоперехода и способ его устранения. (Ответ на стр. 150) 7. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе гомоперехода. (Ответ на стр. 151) 8. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе одинарного гетероперехода. (Ответ на стр. 152) 9. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе одинарного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 152) 10. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе одинарного гетероперехода подбирается прямое напряжение U ? (Ответ на стр. 152) 11. Назовите основной недостаток полупроводниковых лазеров на основе одинарного гетероперехода и способ его устранения. (Ответ на стр. 153) 12. Напишите формулу для определения частоты излучения полупроводникового лазера на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 155) 13. Нарисуйте схематично полупроводниковый лазер на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 155) 167 14. Начертите энергетическую диаграмму полупроводникового лазера на основе двойного гетероперехода и поясните принцип его работы. (Ответ на стр. 156) 15. Каким образом в полупроводниковом лазере на основе двойного гетероперехода создается индуцированное когерентное излучение? (Ответ на стр. 156) 16. Назовите основное преимущество полупроводниковых лазеров на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 156) 17. Нарисуйте схему устройства современного полупроводникового РОС-лазера на основе двойного гетероперехода. (Ответ на стр. 159) 18. Как в современном полупроводниковом лазере выполнены металлические контакты и почему именно так? (Ответ на стр. 159) 19. Какая основная система материалов в настоящее время используется при создании гетероструктурных полупроводниковых лазеров? (Ответ на стр. 160) 20. Какой материал используется для создания активного слоя? (Ответ на стр. 130) 21. Нарисуйте схему устройства современного инжекционного лазера на основе GaInAsP/InP. (Ответ на стр. 161) 22. Где применяются полупроводниковые ВИЛ? (Ответ на стр. 163) 23. Нарисуйте схему устройства ВИЛ. (Ответ на стр. 163) 24. Как в ВИЛ выводится излучение. (Ответ на стр. 163) 25. В чем преимущество полупроводникового ВИЛ по сравнению с другими полупроводниковыми лазерами? (Ответ на стр. 164) 26. С чем связаны основные ограничения при использовании традиционной системы материалов InGaAsP / InP ? (Ответ на стр. 164) 168 Лекция 11 Тема 9. Фотоприёмники Введение Фотоприемники — это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных носителей в полупроводнике. Процесс создания дополнительных носителей заряда внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект бывает двух видов (табл. 9.1). Таблица 9.1. Виды фотоэффекта Фотогальванический эффект Возникает только в полупроводнике с p-n-переходом. Он создается в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером, который разделяет возникшие под действием оптического излучения дополнительные носители, что приводит к созданию фото-ЭДС. Этот эффект находит применение в фотодиодах и фототранзисторах. Фотопроводимость Возникает в полупроводнике без p-n-перехода. Он состоит лишь в создании дополнительных носителей (фотоносителей) в результате чего происходит увеличение проводимости полупроводника. Этот эффект находит применение в фоторезисторах. Таким образом, под действием оптического излучения в полупроводнике всегда создаются дополнительные носители (электроны и дырки), которые принято называть фотоносителями. 169 Раздел 9.1. Фоторезистор Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы фоторезисторов. Содержательная часть Фоторезистор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Фоторезистор представляет собой плоскую пластину полупроводника, на поверхностях которого расположены металлические электроды. При создании фоторезисторов используются в основном следующие материалы: TaS (сернистый таллий), TeSe (селенистый теллур), ViS (сернистый висмут), CdSe (селенистый кадмий) и др. Существует две конструкции фоторезисторов — продольная и поперечная (в зависимости от того, с какой стороны падает электромагнитное излучение), (рис. 9.1). Ф I0 На схеме I I0 I Ф Поперечная конструкция Продольная конструкция Рис. 9.1 Конструкции фоторезистора Основные характеристики фоторезистора 1. Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока I , протекающего через фоторезистор от напряжения U , приложенного к его выводам при фиксированном значении светового потока. 170 Типичная ВАХ фоторезистора приведена на рис.9.2а. Ток при F = 0 , называется темновым ( I t ). При F > 0 ток называется общим ( I общ ). Фототок определяется как разность общего и темнового токов: I ф = I общ - I t . I Iф Вольт-амперная характеристика Люкс-амперная характеристика Ф2 > Ф1 Ф1>0 Ф=0 Ф (или E) U а) б) Рис. 9.2. ВАХ и люкс-амперная характеристика фоторезистора 2. Люкс-амперная (энергетическая) характеристика — это зависимость фототока I ф от светового потока (или освещенности) при постоянном напряжении на металлических контактах фоторезистора. Если рассчитывается зависимость фототока от светового потока, то характеристика называется люксамперной (так как F измеряется в люксах); если вычисляется зависимость фототока от освещенности E = d F dS (которая является энергетической характеристикой и измеряется в люкс / м 2 ), то характеристика называется энергетической. Типичный вид люкс-амперной характеристики фоторезистора приведен на рис. 9.2б. В области малых значений светового потока F она — линейная, при росте F увеличение фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей зарядка через глубокие примесные уровни и уменьшения времени их жизни. Фоторезисторы на основе селенистого кадмия работают при напряжении U = 20 В и имеют максимум чувствительности S ( l ) на длине волны излучения порядка 0.7 мкм. 171 Выводы по разделу 1. Фоторезистор представляет собой плоскую пластину полупроводника, на поверхностях которого расположены металлические электроды. 2. Существует две конструкции фоторезисторов — продольная и поперечная 3. В области малых значений светового потока F люксамперная характеристика фоторезистора линейная, при росте F увеличение фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей зарядка через глубокие примесные уровни и уменьшения времени их жизни. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что представляет собой фоторезистор? (Ответ на стр. 170) 2. Какие материалы в основном используются при создании фоторезисторов? (Ответ на стр. 170) 3. Какие бывают конструкции фоторезисторов? (Ответ на стр. 170) 4. Нарисуйте схемы конструкции фоторезисторов (Ответ на стр. 170) 5. Перечислите основные характеристики фоторезистора. (Ответ на стр. 170) Раздел 9.2. Фотодиоды Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы фотодиодов. Содержательная часть Фотодиод — это фотоприемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода. 172 На рис. 9.3 приведены структура простейшего фотодиода, его обозначение на схемах и схематично показаны процессы, происходящие вблизи p-n-перехода. E0 База n Eф p p n SiO2 Ф Ф c0 w d Рис. 9.3. Устройство фотодиода на гомопереходе На подложке из оксида кремния создаются n и p-слои из одного и того же полупроводникового материала. Толщина подложек выбирается такой, чтобы фотоны поглощались в nобласти. Фотоны внешнего излучения проникают на глубину c 0 в n-область и поглощаются в полупроводнике. Это возможно лишь в том случае, если энергия фотонов hw > E g ( E g — ширина запрещенной зоны n-области). На расстоянии c 0 от поверхности генерируются электронно-дырочные пары. Они представляют собой неравновесные носители заряда и, следовательно, возникают градиенты их концентраций в n-области Ñn n и Ñp n . Фотоносители начинают диффундировать к p-n-переходу по направлению градиентов концентраций. Диффузия на рис. 9.3 показана штриховыми стрелками. Ширина n-области w такова, что большая часть образовавшихся фотоносителей в ней не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-nперехода. Там из-за наличия пространственных зарядов положительных и отрицательных ионов (они возникают при образоr вании p-n-перехода) существует электрическое поле E 0 . Оно заставляет дырки дрейфовать в p-область, а электроны не могут преодолеть это поле и скапливаются в n-области на границе перехода. Дрейф на рис. 9.3 показан сплошными стрелками. 173 Таким образом, фототок через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. В результате фотоносители — дырки и электроны пространственно разделены в r p- и n-областях и создают поле E ф , которое противоположно r направлено полю E 0 . Рассмотрим процессы, протекающие в фотодиоде при помощи энергетических диаграмм. Пусть к p-n-переходу не приложено напряжение. На рис. 9.4а показана диаграмма в случае отсутствия светового потока ( F = 0 ). В равновесном состоянии при F = 0 диффузионная составляющая тока через p-n-переход (ток основных носителей) приблизительно равна дрейфовой составляющей тока неосновных носителей (электронов из p- в n-область и дырок в обратном направлении). Основные носители не могут преодолеть потенциальный барьер E 0 . При F ¹ 0 (рис. 9.4б) в n-области под действием фотонов генерируются неравновесные дырки в валентной зоне и электроны в зоне проводимости. Образовавшиеся дырки дрейфуют в p-область, а электроны не могут из n-области перейти в pобласть, так как им мешает потенциальный барьер. Таким образом, осуществляется пространственное разделение носителей. Скопление положительных дырок в p-области и электронов в nобласти приводит к созданию поля E ф , которое приводит к снижению потенциального барьера E 0 до величины E 0 - E ф . Это может приводить к дальнейшему ухудшению разделения носителей, поэтому искусственно необходимо увеличить потенциальный барьер E 0 за счет приложения обратного смещения. Дрейфовый поток фотоносителей (дырок в p-область) образует фототок I ф . Из-за разделения фотоносителей возникает разность потенциалов, называемая фото-ЭДС ( E ф ). Именно она и снижает потенциальный барьер. Если E ф > E 0 , разделение носителей будет прекращено. 174 Ф=0 p Ф>0 p n E0 Eg Eс Eg n E0 – Eф Eс EF G Ev а) Ev б) Рис. 9.4. Энергетические диаграммы фотодиода на гомопереходе Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. Поэтому фотодиод работает либо вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), либо при обратном внешнем смещении (фотодиодный режим). Фотогальванический режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода, который работает генератором фото-ЭДС. Схема, соответствующая фотогальваническому режиму работы приведена на рис. 9.5а. Ток фотодиода определяется формулой: I = U R = I ф - I pn = I ф ( F ) - I 0 éëexp (U j T ) - 1ùû , где I ф — ток фотоносителей; I pn — ток через p-n-переход; I 0 — тепловой ток p-n-перехода; j T — температурный потенциал. Выражение I 0 éëexp (U j T ) - 1ùû соответствует ВАХ p-n- перехода. 175 Uобр U а) R U Iф R б) Рис. 9.5. Фотогальванический и фотодиодный режимы работы В фотодиодном режиме последовательно с фотодиодом в цепь включается источник обратного напряжения U обр . Схема, соответствующая фотодиодному режиму работы приведена на рис. 9.5б. В этом режиме потенциальный барьер E 0 возрастает и ток через p-n-переход определяется фототоком и обратным током, равным тепловому. Так как тепловой ток обусловлен движением неосновных носителей заряда, то он мал и полный ток определяется только фототоком: I фд = I ф ( F ) - I pn = I ф ( F ) - I 0 » I ф ( F ) . Основные характеристики фотодиодов 1. Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока I , протекающего через фотодиод от напряжения U , приложенного к его выводам при фиксированном значении светового потока. Типичная ВАХ фоторезистора приведена на рис. 9.6. В общем случае при любой полярности ток фотодиода описывается выражением: I фд = I ф ( F ) - I 0 éëexp (U j T ) - 1ùû . Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода от напряжения U при разных значениях светового потока F . На рис. 9.6 квадрант I — это не рабочая область для фотодиода: здесь к p-n-переходу приложено прямое смещение. 176 Iфд II I Темновой ток Ф=0 It Eф2 Ф1>0 U Eф2 Eф1 Ф2> Ф1 Ф3> Ф2 III IV R1 Рис. 9.6. ВАХ фотодиода Диффузионная составляющая при прямом смещении полностью подавляет фототок ( I pn ? I ф ). Фотоуправление током через фотодиод становится невозможным. Квадрант III — это фотодиодный режим работы. К p-nпереходу приложено обратное смещение. Следует отметить, что фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. При заданном потоке излучения F фотодиод является источником тока I ф по отношению ко внешней цепи (фотодиод и резистор соединены последовательно и следовательно через них будет протекать одинаковый ток I ф ). Значения тока I ф от параметров внешней цепи ( U обр , R ) практически не зависят. Квадрант IV — это фотогальванический режим работы. По точкам пересечения ВАХ с осью напряжения можно определить значения фото-ЭДС при различных потоках F . Для фотодиодов на основе Si типичные значения фото-ЭДС составляют прядка 0.5-0.55 В. При заданном значении тока по ВАХ фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы в фотогаль177 ваническом режиме. Под оптимальным режимом понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в нее будет передаваться максимальная электрическая мощность. Площадь прямоугольника (см. рис. 9.6) с вершиной в точке пересечения линий ВАХ и сопротивления должна быть максимальной. Рабочее напряжение для фотодиодов на основе Si порядка 0.4 В. 2. Энергетическая характеристика фотодиода — это зависимость фототока I ф от потока излучения F , падающего на поверхность фотодиода. В квантовой физике доказывается следующая зависимость: qhm б F Iф = , hw где h — внутренний квантовый выход (число сгенерированных электронно-дырочных пар); m б — коэффициент переноса, определяющий долю непрорекомбинировавших в базе фотоносителей от общего числа носителей, появившихся в результате действия излучения. Энергетическая характеристика фотодиода приведена на рис. 9.7. S Iф Спектральная характеристика Eф Энергетическая характеристика Iф Eф l Ф Рис. 9.7. Спектральная и энергетическая характеристики фотодиода В фотодиодном режиме энергетическая характеристика — линейная. Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n-перехода и принимают участие в образовании фототока. 178 В фотогальваническом режиме в качестве энергетической характеристики выступает зависимость фото-ЭДС E ф от потока излучения F . При больших потоках закон изменения существенно отличается от линейного. Наличие участка насыщения свидетельствует о том, что из-за больших потоков создается большое количество фотоносителей, которые резко снижают потенциальный барьер и поле вблизи p-n-перехода все в меньшей степени разделяет носители, следовательно, рост фотоЭДС уменьшается. 3. Спектральная характеристика фотодиода — это зависимость чувствительности S от длины волны излучения l , падающего на поверхность фотодиода. Она зависит от материала фотодиода и введенных примесей. Спектральные характеристики фотодиода обычно захватывают практически всю видимую область ( 0.3 ¸ 0.7 мкм) и инфракрасную область спектра. Предел чувствительности фотодиода определяется длинноволновой границей. Спектральные характеристики фотодиодов из двух различных материалов приведены на рис. 9.7. Чувствительность обычно составляет порядка 20 мA/люмен. Выводы по разделу 1. Фотодиод — это фотоприемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода. 2. Фототок через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. В результате фотоносители — дырки и электроны пространственно разделены в p- и n-областях и созr r дают поле E ф , которое противоположно направлено полю E 0 . 3. Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. 4. Фотодиод работает либо вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), либо при обратном внешнем смещении (фотодиодный режим). 179 5. Под оптимальным режимом понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в нее будет передаваться максимальная электрическая мощность. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что такое фотодиод? (Ответ на стр. 172) 2. Чем обусловлен фототок через p-n-переход? (Ответ на стр. 173) 3. Что необходимо сделать для обеспечения высокой чувствительности к излучению? (Ответ на стр. 175) 4. В каких режимах может работать фотодиод? (Ответ на стр. 175) 5. Что понимают под оптимальным режимом работы фотодиода? (Ответ на стр. 178) Раздел 9.3. Фотодиоды с p-i-n структурой Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы фотодиодов с p-i-n структурой. Содержательная часть Для увеличения быстродействия и чувствительности разработан фотодиод с p-i-n структурой. Этот фотоприемник состоит из трех полупроводниковых слоев — между p- и nобластями расположен широкий слой собственного (i, без примеси) полупроводника, который имеет удельное сопротивление в 10 6 - 10 7 раз больше, чем сопротивления легированных областей. Широкий i-слой называется базой. На рис. 9.8 приведены структура фотодиода с p-i-n структурой и схематично показаны процессы, происходящие в нем. 180 n i E0 p + p i База n+ Ф c0 w Ф Рис. 9.8. Устройство фотодиода с p-i-n структурой Необходимо, чтобы глубина проникновения c 0 лежала в i-слое, поэтому слой n, через который падает излучение должен быть достаточно тонким (порядка 3 мкм). P-n-переход смещается в обратном направлении, в результате чего к нему приложено r поле E 0 . При достаточно большом значении напряженности r поля E 0 оно полностью пронизывает i-слой. Поскольку эта область может быть сделана достаточно широкой (порядка 50 мкм), то такая структура создает основу для получения быстродействующего и чувствительного фотоприемника. Падающее излучение, пронизывая n-слой, поглощается в i-базе. В результате поглощения фотонов там генерируются электронно-дырочные пары (фотоносители), которые мгновенно разделяются электрическим полем: электроны дрейфуют в nслой, дырки дрейфуют в p-слой. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычного фотодиода с p-n-переходом, в p-i-n структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. Фотодиод с p-i-n структурой работает при обратном напряжении порядка 0.1-0.2 В. На рис. 9.9 приведена энергетическая диаграмма для фотодиода с p-i-n структурой. 181 Ф>0 i p n Eg G Eс Eg Ev Рис. 9.9. Энергетические диаграммы фотодиода с p-i-n структурой Основные достоинства фотодиодов с p-i-n структурой: 1. Сочетание высокой чувствительности и высокого быстродействия. 2. Возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины iслоя. 3. Малые значения напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость фотодиодов с p-i-n структурой с интегральными микросхемами. Недостатками фотодиодов с p-i-n структурой является необходимость высокой чистоты i-базы и плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных микросхем. 182 Выводы по разделу 1. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычного фотодиода с pn-переходом, в p-i-n структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. 2. Основные достоинства фотодиодов с p-i-n структурой: сочетание высокой чувствительности и высокого быстродействия; возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-слоя; малые значения напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость фотодиодов с p-i-n структурой с интегральными микросхемами. 3. Недостатками фотодиодов с p-i-n структурой является необходимость высокой чистоты i-базы и плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных микросхем. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Нарисуйте схему устройства p-i-n диодов. (Ответ на стр. 181) 2. Нарисуйте энергетическую диаграмму для фотодиода с p-in структурой. (Ответ на стр. 182) 3. Чем обусловлено повышение быстродействия p-i-n диодов? (Ответ на стр. 181) 4. Перечислите основные достоинства p-i-n диодов. (Ответ на стр. 182) 5. Что является недостатками p-i-n диодов? (Ответ на стр. 182) 183 Раздел 9.4. Фотодиоды с поверхностным барьером Шоттки Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы фотодиодов с поверхностным барьером Шоттки. Содержательная часть В основе такого типа фотодиода лежит контакт «металл-полупроводник». Фотодиоды с поверхностным барьером Шоттки позволяют достичь быстродействия до 10 10 с и выше. Тонкий слой металла толщиной 0.1 мкм наносится на легированный полупроводник методом вакуумного распыления. Энергетическая диаграмма фотодиода с поверхностным барьером Шоттки приведена на рис. 9.10. Пусть используется полупроводник, легированный донорной примесью (n-слой). Для того, чтобы получился поверхностный барьер Шоттки необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны полупроводника была больше работы выхода металла: E g > Aвых . В противном случае имел бы место омический контакт (он используется при создании контактов на поверхности полупроводника для подачи напряжения). 184 Ф>0 n Aвых Eс G G Eg Ev Рис. 9.10. Энергетическая диаграмма фотодиода с поверхностным барьером Шоттки Рассмотрим физические принципы работы фотодиода с поверхностным барьером Шоттки. Так как Aвых < E g , то свободные электроны в металле (появившиеся в результате действия на металл фотонов излучения) преодолевают потенциальный барьер и переходят в полупроводник. Заметим, что так как Aвых < E g , то фотоны с энергией hw ~ Aвых < E g также будут создавать свободные электроны в металле. Это увеличивает частотный диапазон работы фотодиода по сравнению с обычном фотодиодом с p-n-переходом (существует возможность поглощения квантов света с hw < E g ). В результате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн. В силу того, что из металла вблизи контакта уходят электроны, с другой стороны контакта в полупроводнике возникает 185 положительно заряженная область и возникает электрическое поле, которое и разделяет носители заряда. Так как на границе «металл-полупроводник» в n-области расположен положительный пространственный заряд и существует электрическое поле, то в случае hw ³ E g наибольшее поглощение фотонов будет происходить в этой области. Электрическое поле будет очень эффективно разделять фотоносители. Следовательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сместится в область более коротких волн. Таким образом, спектральная характеристика фотодиода с барьером Шоттки значительно шире, чем S ( l ) фотодиода с p-n-переходом из того же материала. Выводы по разделу 1. В основе такого типа фотодиода лежит контакт «металлполупроводник». 2. Для того, чтобы получился поверхностный барьер Шоттки необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны полупроводника была больше работы выхода металла: E g > Aвых . 3. Спектральная характеристика фотодиода с барьером Шоттки значительно шире, чем S ( l ) фотодиода с p-n-переходом из того же материала. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что лежит в основе фотодиода с барьером Шоттки? (Ответ на стр. 184) 2. Какое условие должно выполняться для того, чтобы получился поверхностный барьер Шоттки? (Ответ на стр. 184) 3. Нарисуйте энергетическая диаграмма фотодиода с поверхностным барьером Шоттки и поясните физические принципы его работы. (Ответ на стр. 185) 4. Почему длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн? (Ответ на стр. 186) 186 5. Почему коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн? (Ответ на стр. 186) Раздел 9.5. Фотодиоды с гетеропереходом Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы фотодиодов с гетеропереходом. Содержательная часть Фотодиод с гетеропереходом представляет собой структуру, состоящую из двух областей p- и n-типа из различных полупроводников. Возможно использование дополнительного третьего сильно-легированного слоя такого же типа проводимости, как и активный слой (в котором происходит поглощение и генерация электронно-дырочных пар). В качестве материалов для фотодиода с гетеропереходом могут использоваться, например, GaAs и GaAlAs . На рис. 9.11 приведены структура фотодиода с гетеропереходом и схематично показаны процессы, происходящие в нем. Очень часто n- и p-слои сильно легируются. На рис. 9.12 приведена энергетическая диаграмма работы фотодиода с гетеропереходом. Слой p + - GaAlAs изготавливается такой толщины, чтобы глубина проникновения излучения c 0 лежала в n-слое. При этом поглощение фотонов будет происходить именно в n-слое. Появившиеся фотоносители будут эффективно разделяться из-за наличия потенциальных барьеров электроны сразу будут переходить в n + - GaAs , а дырки — в p + -слой. При приложении обратного напряжения потенциальные барьеры DE возрастут и разделение носителей будет еще более эффективным. 187 Ф p+ n n+ p+-GaAlAs n-GaAs n+-GaAs Активный слой Ф c0 c0 Рис. 9.11. Устройство фотодиода на гетеропереходе Ширина активного слоя подбирается таким образом, чтобы обеспечить поглощение всего излучения именно в этом слое. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического спектра. Это преимущество обусловлено тем, что в гетероструктуре рабочая длина волны определяется разницей ширины запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения c 0 . Вследствие хороших возможностей выбора материала базы (активного слоя) достигаемое значение фото-ЭДС у фотодиодов с гетероструктурой составляет 0.8-1.1 В (в 2-3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов на гомопереходе). 188 Ф>0 n+-GaAs n-GaAs p+-GaAlAs Eс DE Eg2 Ev Eg1 Рис. 9.12. Энергетическая диаграмма фотодиода с гетеропереходом Выводы по разделу 1. Ширина активного слоя подбирается таким образом, чтобы обеспечить поглощение всего излучения именно в этом слое. 2. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического спектра. 3. Вследствие хороших возможностей выбора материала базы (активного слоя) достигаемое значение фото-ЭДС у фотодиодов с гетероструктурой составляет 0.8-1.1 В (в 2-3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов на гомопереходе). 189 Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что представляет собой фотодиод с гетеропереходом? (Ответ на стр. 187) 2. Нарисуйте структуру фотодиода с гетеропереходом и схематично покажите процессы, происходящие в нем. (Ответ на стр. 188) 3. Нарисуйте энергетическую диаграмму работы фотодиода с гетеропереходом и поясните по ней принцип его работы. (Ответ на стр. 189) 4. Как подбирается ширина активного слоя? (Ответ на стр. 188) 5. Чем обусловлена возможность фотодиода с гетеропереходом работать практически в любой части оптического спектра? (Ответ на стр. 188) Раздел 9.6. Оптроны Целью изучения данного раздела является формирование у студента системы необходимых знаний об устройстве и принципах работы оптронов. Содержательная часть Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. 190 Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств. Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи K i , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Рис 9.13. Обобщенная структурная схема оптрона Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t нар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U разв и R разв и проходной емкостью C разв . В структурой схеме рис. 9.13 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном до191 пустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи. Назначение оптической среды — передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления. В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие. Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор). Общая структурная схема рис. 9.13 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники: ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов — приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 9.13; каждый из указанных блоков может включать в 192 себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона. Выводы по разделу 1. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. 2. Практическое распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. 3. Выделяют три основные группы приборов оптронной техники: ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов — приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС. Теоретические вопросы, упражнения и задачи и задания для самоконтроля 1. Что такое оптрон? (Ответ на стр. 190) 2. Объясните в чем заключается принцип действия любого оптрона? (Ответ на стр. 190) 3. Что такое оптопара? (Ответ на стр. 191) 4. Нарисуйте обобщенную структурную схему оптрона. (Ответ на стр. 191) 5. Назовите три основные группы приборов оптронной техники. (Ответ на стр. 192) 193 Выводы по теме 1. Фоторезистор представляет собой плоскую пластину полупроводника, на поверхностях которого расположены металлические электроды. 2. Существует две конструкции фоторезисторов — продольная и поперечная 3. В области малых значений светового потока F люксамперная характеристика фоторезистора линейная, при росте F увеличение фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей зарядка через глубокие примесные уровни и уменьшения времени их жизни. 4. Фотодиод — это фотоприемник, принцип действия которого основан на фотогальваническом эффекте и фоточувствительный элемент которого имеет структуру полупроводникового диода. 5. Фототок через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. В результате фотоносители — дырки и электроны пространственно разделены в p- и n-областях и созr r дают поле E ф , которое противоположно направлено полю E 0 . 6. Для обеспечения высокой чувствительности к излучению необходимо, чтобы в фотодиоде диффузионная составляющая тока была минимальной. 7. Фотодиод работает либо вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим), либо при обратном внешнем смещении (фотодиодный режим). 8. Под оптимальным режимом понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в нее будет передаваться максимальная электрическая мощность. 9. Повышение быстродействия обусловлено тем, что процесс диффузии через базу, характерный для обычного фотодиода с pn-переходом, в p-i-n структуре заменяется дрейфом носителей через i-область в сильном электрическом поле. 10. Основные достоинства фотодиодов с p-i-n структурой: сочетание высокой чувствительности и высокого быстродействия; возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спектра при увеличении ширины i-слоя; малые значения напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую совместимость фотодиодов с p-i-n структурой с интегральными микросхемами. 194 11. Недостатками фотодиодов с p-i-n структурой является необходимость высокой чистоты i-базы и плохая технологическая совместимость с тонкими легированными слоями интегральных микросхем. 12. В основе такого типа фотодиода лежит контакт «металлполупроводник». 13. Для того, чтобы получился поверхностный барьер Шоттки необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны полупроводника была больше работы выхода металла: E g > Aвых . 14. Спектральная характеристика фотодиода с барьером Шоттки значительно шире, чем S ( l ) фотодиода с p-n-переходом из того же материала. 15. Ширина активного слоя подбирается таким образом, чтобы обеспечить поглощение всего излучения именно в этом слое. 16. Гетероструктура позволяет, выбрав подходящие пары полупроводников для фотодиодов, работать практически в любой части оптического спектра. 17. Вследствие хороших возможностей выбора материала базы (активного слоя) достигаемое значение фото-ЭДС у фотодиодов с гетероструктурой составляет 0.8-1.1 В (в 2-3 раза выше, чем у кремниевых фотодиодов на гомопереходе). 18. Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. 19. Практическое распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами. 20. Выделяют три основные группы приборов оптронной техники: ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов — приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС. 195 Вопросы и задания для самоконтроля по теме 1. Что представляет собой фоторезистор? (Ответ на стр. 170) 2. Какие материалы в основном используются при создании фоторезисторов? (Ответ на стр. 170) 3. Какие бывают конструкции фоторезисторов? (Ответ на стр. 170) 4. Нарисуйте схемы конструкции фоторезисторов (Ответ на стр. 170) 5. Перечислите основные характеристики фоторезистора. (Ответ на стр. 170) 6. Что такое фотодиод? (Ответ на стр. 172) 7. Чем обусловлен фототок через p-n-переход? (Ответ на стр. 173) 8. Что необходимо сделать для обеспечения высокой чувствительности к излучению? (Ответ на стр. 175) 9. В каких режимах может работать фотодиод? (Ответ на стр. 175) 10. Что понимают под оптимальным режимом работы фотодиода? (Ответ на стр. 178) 11. Нарисуйте схему устройства p-i-n диодов. (Ответ на стр. 181) 12. Нарисуйте энергетическую диаграмму для фотодиода с p-in структурой. (Ответ на стр. 182) 13. Чем обусловлено повышение быстродействия p-i-n диодов? (Ответ на стр. 181) 14. Перечислите основные достоинства p-i-n диодов. (Ответ на стр. 182) 15. Что является недостатками p-i-n диодов? (Ответ на стр. 182) 16. Что лежит в основе фотодиода с барьером Шоттки? (Ответ на стр. 184) 17. Какое условие должно выполняться для того, чтобы получился поверхностный барьер Шоттки? (Ответ на стр. 184) 18. Нарисуйте энергетическая диаграмма фотодиода с поверхностным барьером Шоттки и поясните физические принципы его работы. (Ответ на стр. 185) 196 19. Почему длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн? (Ответ на стр. 186) 20. Почему коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки сдвигается в сторону более длинных волн? (Ответ на стр. 186) 21. Что представляет собой фотодиод с гетеропереходом? (Ответ на стр. 187) 22. Нарисуйте структуру фотодиода с гетеропереходом и схематично покажите процессы, происходящие в нем. (Ответ на стр. 188) 23. Нарисуйте энергетическую диаграмму работы фотодиода с гетеропереходом и поясните по ней принцип его работы. (Ответ на стр. 189) 24. Как подбирается ширина активного слоя? (Ответ на стр. 188) 25. Чем обусловлена возможность фотодиода с гетеропереходом работать практически в любой части оптического спектра? (Ответ на стр. 188) 26. Что такое оптрон? (Ответ на стр. 190) 27. Объясните в чем заключается принцип действия любого оптрона? (Ответ на стр. 190) 28. Что такое оптопара? (Ответ на стр. 191) 29. Нарисуйте обобщенную структурную схему оптрона. (Ответ на стр. 191) 30. Назовите три основные группы приборов оптронной техники. (Ответ на стр. 192) 197 Заключение Студент, изучивший курс «Приборы СВЧ и оптического диапазона», должен знать: · современные тенденции развития оптоэлектронных и СВЧ приборов и устройств; · устройство и физические принципы работы приборов СВЧ и оптического диапазона, а также их основные параметры и характеристики; · принципы, методы и способы проектирования оптоэлектронных и СВЧ приборов и устройств. Студент, изучивший курс «Приборы СВЧ и оптического диапазона», должен уметь: · строить математические модели различных оптоэлектронных и СВЧ приборов и устройств; · грамотно производить выбор типа устройства на основе анализа заданных технических требований; · производить расчет и измерение параметров оптоэлектронных и СВЧ приборов и устройств; Студент, изучивший курс «Приборы СВЧ и оптического диапазона», должен владеть: · навыками по работе с современными измерительными приборами, предназначенными для измерений параметров оптоэлектронных и СВЧ приборов и устройств. 198 Список литературы 1. Электронные устройства СВЧ. Электронные приборы и техника СВЧ. Кн.1,2 / Под ред. И.В. Лебедева. М.: Радиотехника, 2008. 2. Базовые лекции по электронике. Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника. Т.1,2 / Под ред. В.М. Пролейко. М: Техносфера, 2009. 3. Ермаков О.Н., Пихтин А.Н., Протасов Ю.Ю., Тарасов С.А. Оптоэлектроника. Ч.1: Физические основы полупроводниковой оптоэлектроники. Когерентная оптоэлектроника. М.: Янус-К, 2010. 4. Ермаков О.Н., Пихтин А.Н., Протасов Ю.Ю., Тарасов С.А. Оптоэлектроника. Ч.2. Оптроника. М.: Янус-К, 2011. 5. Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника СПб.: Лань, 2011. 6. Щука А.С. Электроника. С.-П.: BHV, 2006. 7. Пихтин А.Н. Квантовая и оптическая электроника. М.: АБРИС, 2012. 8. Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника. М: Лань, 2011. 9. Киселев Г.Л. Квантовая и оптическая электроника. М: Лань, 2011. 10. Звелто О. Принципы лазеров. М: Лань, 2008. 11. Сигов А.С., Попо Р.А. Элементная база электронной техники. М: Издательство «САЙНС-ПРЕСС», 2009. 12. Тарасов Л.В. Физика лазера. М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2011. 13. Тарасов Л.В. Четырнадцать лекций о лазерах. М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2011. 14. Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники: Оптический диапазон. М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2010. 15. Балошин Ю.А., Дейнека Г.Б., Ищенко Е.Ф., Протасов Ю.С. Лазерные системы. Ч. 2: Элементная база лазерных установок. / Под ред. Ю.С. Протасова. М.: Янус-К, 2010. 16. Долгих Г.И., Привалов В.Е. Лазеры. Лазерные системы Владивосток: Дальнаука, 2009. 17. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008. 199 18. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007. 19. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. М.: Физматкнига, 2011. 20. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. М.: Физматкнига, 2012. 200 Глоссарий А Анод — электрод электронного прибора (ионного прибора), соединяемый с положительным полюсом источника электрического тока. Г Гетеропереход — контакт двух различных полупроводников. Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в многослойных полупроводниковых структурах (гетероструктурах). Гетеропереход двойной — это структура, в которой слой из одного полупроводникового материала эпитаксиально выращен между двумя слоями из другого материала. Гомопереход — контакт двух областей с разными типами проводимости (или концентрациями легирующей примеси) в одном и том же кристалле полупроводника. Различают переходы типа p—n или n—p, в которых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, другая — акцепторами, (n+—n)переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разной степени; знак + означает большую степень легирования) и (p+—p)-переходы (обе области легированы акцепторной примесью). З Замедляющая система (замедляющая структура) — устройство, формирующее и канализирующее электромагнитные волны с фазовой скоростью v, меньшей скорости света с в вакууме (замедленные волны) и обеспечивающее их длительное, синхронное взаимодействие с потоками заряженных частиц. И Инверсия населенностей — неравновесное состояние вещества, при котором населенность верхнего из пары уровней энергии одного типа атомов (ионов, молекул), входящих в состав веще201 ства, превышает населенность нижнего. Инверсия населенностей лежит в основе работы лазеров и других приборов квантовой электроники. Индуцированное излучение — явление излучения когерентных электромагнитных волн при возбуждении активной среды, в которой создана инверсия населенностей. К Катод — электрод электровакуумного прибора или газоразрядного ионного прибора, служащий источником электронов, обеспечивающих проводимость междуэлектродного пространства в вакууме либо поддерживающих стационарность прохождения электрического тока в газе. В зависимости от механизма испускания (эмиссии) электронов различают термоэлектронные катоды, фотоэлектронные катоды (фотокатоды), холодные катоды и др. Клистрон — электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ поля. Клистроны подразделяются на 2 класса: пролётные и отражательные. В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов два: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами. В отражательном клистроне используется один резонатор, через который электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода — отражателя. Конструкция СИД объемная. В такой конструкции полупроводниковый кристалл с p-n-переходом расположен на подложке из изолятора (например, SiO 2 или Si 3 N 4 ), а сверху покрыт поли202 мерной линзой куполообразной формы. Эта линза служит для создания равномерной интенсивности свечения светодиода. Конструкция СИД плоская. В этом случае на подложке p-типа (известно, что проще выращивать эпитаксиальные слои именно на p-слое) создаются при помощи метода эпитаксии слои, образующие p-n-переход. Простейшим плоским (планарным) светодиодом является гомоструктура на основе перехода p-GaAs — n-GaAs. Обычно в качестве эмиттера выступает дополнительный слой p+-GaAs, который инжектирует дырки в n-область, где они являются неосновными носителями. На границе p-GaAs — n-GaAs возникает межзонная рекомбинация и в n-GaAs образуются фотоны. Коэффициентом замедления — параметр v фz / c = k зам , показывающий во сколько раз фазовая скорость волны в замедляющей системе меньше скорости света в вакууме. Л Лазер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Лазер газовый — это оптический квантовый генератор, в котором для генерации монохроматических когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона используется явление вынужденного излучения в газообразной активной среде. Лазер полупроводниковый — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. Полупроводниковые инжекционные лазе203 ры, в отличие от СИД, в оптоэлектронике используются для создания когерентного направленного излучения. покровный слой h h подложка a) б) Рис. Г.1. а) РБО-лазер; б) РОС-лазер Лазер РБО (РБО-лазер) — полупроводниковый лазер с распределенным брэгговским отражателем. В РБО-лазере брэгговский отражатель (дифракционная решетка) наносится непосредственно на поверхность активного слоя и занимает лишь некоторую часть длины лазера (рис. Г.1а). Период дифракционной решетки подбирается таким образом, чтобы на длине волны излучения l выполнялось условие Вульфа-Брэгга. В этом случае при отражении от РБО электромагнитная волна будет возвращаться обратного в активный слой. Активный слой выступает в роли световедущей пленки трехслойного волновода. Недостатком РБО является то, что для ЭМВ на участке РБО ухудшается полное внутреннее отражение из-за несовершенства границы раздела. Это приводит к излучению некоторой части энергии ЭМВ через РБО во внешнюю область. Лазер РОС (РОС-лазер) — полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью. В РОС-лазере РБО находится не на границе активного слоя, а в подложке или в покровном слое не некотором расстоянии d от активного слоя. Кроме того, РБО в РОС располагается по всей длине лазера (рис. Г.1б). В РОСлазере наличие РБО не влияет на полное внутреннее отражение, так как гофрируется не граница раздела активного слоя. ЭМВ испытывает дифракцию на РБО, так как ее поле проникает в подложку и покровный слой и на длине волны излучения l выполняется условие Вульфа-Брэгга. 204 Лампа бегущей волны (ЛБВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении (в отличие от лампы обратной волны (ЛОВ)). Лампа обратной волны (ЛОВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной, бегущей по замедляющей системе в направлении, обратном направлению движения электронов (в отличие от лампы бегущей волны (ЛБВ)). М Метод управления динамический — метод управления электронным потоком, при котором электроны взаимодействуют непосредственно с электромагнитным полем СВЧ. Осуществляется модуляция электронов по скорости, которая переходит в модуляцию по плотности. Метод управления электростатический — метод управления электронным потоком с помощью управляющей сетки. О Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств. 205 П Приборы оптоэлектронные — это устройства, излучающие и преобразующие излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра или использующие для своей работы электромагнитное излучение, частота которого лежит в указанных областях. r r Приборы электронные типа М. Векторы E и B электромагнитного поля волны — скрещены (направлены под углом друг к другу). Здесь СВЧ поле отбирает у электронного потока потенциальную энергию. К приборам такого типа относятся магнетроны и др. r r Приборы электронные типа О. Векторы E и B электромагнитного поля волны — коллинеарны (параллельны). В приборах такого типа СВЧ поле отбирает у электронного потока кинетическую энергию. К приборам такого типа относятся лампы бегущей и обратной волн (ЛБВ и ЛОВ). Р Резонатор оптический — совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор (в отличие от закрытых объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ), формирующих стоячую световую волну. Оптические резонаторы являются одним из основных элементов лазеров, обеспечивая обратную связь для взаимодействия лазерного излучения с активным элементом. Резонатор Фабри-Перо — оптический резонатор, образованный двумя диэлектрическими многослойными зеркалами (сферическим и плоским), обладающими весьма большими значениями коэффициента отражения (примерно 0.98). Вывод излучения осуществляется со стороны плоского зеркала. Зеркала закреплены в торцевых фланцах держателя оптики. Вынужденная рекомбинация — рекомбинация электрона из зоны проводимости и дырки в валентной зоне под действием падающего фотона. Вынужденная рекомбинация возможна только в том случае, когда в активной (излучающей) области создана 206 инверсия населенности: концентрация электронов в зоне проводимости значительно больше концентрации дырок в валентной зоне. Рекомбинация через центры — рекомбинация через примесные уровни в середине запрещенной зоны (избыток энергии в этом случае выделяется в виде длинноволновых фотонов или фононов). Рекомбинация ударная (Оже-рекомбинация) — это взаимодействие трех носителей заряда. Если концентрация носителей велика, то существует вероятность при рекомбинации электрона и дырки передачи энергии частице, которая расположена вблизи рекомбинирующей пары. Вероятность Оже-рекомбинации возрастает при увеличении концентрации носителей заряда, то есть при увеличении инжекции электронов из n-области. С Светоизлучающие диоды (СИД) — это оптоэлектронные приборы, служащие для создания некогерентного излучения в оптическом диапазоне и преобразующие электрическую энергию в энергию оптического излучения. СИД создает некогерентное электромагнитное излучение и основным физическим процессом в них является межзонная рекомбинация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, которая сопровождается излучением фотона с энергией hw . Т Температурное свечение — явление испускание электромагнитных волн нагретым материалом. У Угол пролета — называется угол q , на который изменяется фаза колебаний за время t пролета электроном рассматриваемого расстояния: q = wt = 2pt T . Угол Брюстера — угол падения светового луча, при котором отражённый от диэлектрика свет полностью поляризован. 207 Условие фазового синхронизма — условие, которое заключается в приближенном равенстве скорости электронов v 0 и фазовой скорости волны v ф : v 0 » v ф . Управляемый источник света (УИС) — это источник, световой поток F которого является однозначной функцией электрического сигнала поступающего на его вход I вх Ф Фотогальванический эффект (фотовольтаический эффект) — возникновение электрического тока при освещении образцаполупроводника или диэлектрика, включённого в замкнутую цепь (фототок), или возникновение ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи (фото ЭДС). Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотогальваническом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов. Фотоприемники — это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Фотопроводимость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения. Фотопроводимость свойственна полупроводникам Фоторезистор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Фоторезистор представляет собой плоскую пластину полупроводника, на поверхностях которого расположены металлические электро208 ды. При создании фоторезисторов используются в основном следующие материалы: TaS (сернистый таллий), TeSe (селенистый теллур), ViS (сернистый висмут), CdSe (селенистый кадмий) и др. Э Электронная перестройка частоты — это изменение частоты генерируемых СВЧ колебаний при изменении какого-либо электрического параметра устройства. Электролюминесценция — явление излучения некогерентных электромагнитных волн при возбуждении материала электрическим током. 209