Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Рекомбинация пары электрон — «дырка» — это, по сути дела, переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Энергия, которую теряет электрон, как раз и расходуется на излучение. И она, эта энергия, естественно, тем больше, чем выше энергетическая ступенька, с которой «спрыгнул» электрон. А чем большая энергия вложена в квант излучения, тем выше его частота, короче длина волны.
В зоне проводимости, так же как и в валентной, много близких уровней, и из области p-n-перехода, где рекомбинируют электроны и «дырки», идет излучение разных, хотя и довольно близких, частот. Излучение, разумеется, появляется лишь тогда, когда через р-n-переход идет ток, и расходится оно по кристаллу во все стороны. Пока это еще не лазер; так работает, скажем, светодиод: создал ток, получил свет. Чтобы получить лазерный луч, т. е. монохроматическое, когерентное излучение, нужно выполнить целый ряд особых условий. Главное из них — необходимо добиться, чтобы многие электроны одновременно излучали на близких частотах. На очень близких. А для этого в свою очередь нужно, чтобы большое количество электронов поднялось на очень близкие энергетические ступеньки в зоне проводимости. И итог, к сожалению, не очень радостный — для получения лазерного излучения из р-n-перехода нужно пропустить через него большой ток (рис. 3). Этот ток не что иное, как ток накачки, он поставляет в р-n-переход сами излучатели, поставляет электроны и «дырки».
В огромном семействе лазеров полупроводниковые лазеры выделяются несколькими неповторимыми особенностями. В них, например, легко управлять интенсивностью излучения, модулировать его, для этого достаточно просто менять силу тока через переход; эти лазеры миниатюрны, только они пока могут на равных войти в современную электронику, где размеры деталей измеряются миллиметрами и микронами.
Идея полупроводниковых лазеров появилась лет двадцать назад, на заре квантовой электроники, огромный вклад в ее реализацию внесли советские физики, главным образом в Москве, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, и в Ленинграде, в Физтехе. В течение сравнительно короткого времени были найдены десятки полупроводниковых материалов для лазеров, созданы конкретные приборы. Однако долгие годы оставался практически неустранимым главный недостаток приборов — необходимость большого тока накачки. Из-за этого, в частности, лазеры, работающие в непрерывном режиме, приходилось сильно охлаждать, обычно до температуры жидкого азота (—196 °C). И именно идея гетеропереходов открыла путь к резкому снижению тока накачки.
В полупроводниковом лазере с простейшей гетероструктурой одна из областей кристалла, скажем зона р, образована из двух разных веществ (рис. 5). Причем вещество, которое находится дальше от р-n-перехода, имеет большую ширину запрещенной зоны. И благодаря этому оно как бы отталкивает в сторону р-n-перехода электроны, которые за счет диффузии неизбежно пролезают на чужую территорию. В более сложной структуре еще и вещество зоны n подбирают с таким расчетом, чтобы в нее за счет диффузии не протекали «дырки», В результате в узкой области самого перехода «бесплатно» повышается концентрация электронов и «дырок», а значит, уже нужен меньший ток для накачки лазера. И появляются гетеролазеры, дающие непрерывное излучение при сравнительно высокой температуре, вплоть до комнатной и выше. Впервые в мире такие лазеры были созданы в Физтехе в 1969 г.
Это только просто говорится «кристалл образован из двух разных веществ». В действительности же стыковка двух веществ в одном кристалле для лазера — дело очень сложное. Прежде всего нужно с высокой точностью согласовать постоянную решетки— расстояние между атомами исходных веществ (рис. 4).
Если постоянная решетки будет различаться хотя бы на несколько сотых долей ангстрема, то никакого лазера не получится, все излучение погибнет внутри кристалла, на его внутренних дефектах. Кроме того, должны быть подобраны температурные и оптические характеристики материалов. Переход от одного материала к другому должен сопровождаться определенным изменением ширины запрещенной зоны — в этом-то и смысл гетероперехода. Причем запрещенная зона активной области должна обеспечивать заданную длину волны излучения. Кстати, именно эта сторона дела была предметом исследований героев нашего повествования.
Дело в том, что первые гетеролазеры излучали в инфракрасной и красной областях — запрещенная зона излучающего вещества, как правило, получалась довольно узкой. И задача ставилась так: создать гетероструктуру с более широкозонной излучающей областью. Работы велись с трехкомпонентными твердыми растворами соединений АВ, в то время уже традиционными; обозначение А3B5 говорит о том, что в соединение входят элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева, например фосфор и индий (InP) или галлий и мышьяк (GaAs). Твердый раствор — это, по сути дела, гибрид двух кристаллов; он выращивается из расплава, в котором есть компоненты и одного, и другого. А характеристики гибрида зависят от соотношения этих компонентов (рис. 6).
Поиски новых материалов для гетероструктур — чрезвычайно трудоемкая экспериментальная работа. Ведется она, разумеется, не вслепую, каждый новый результат анализируется с позиций тонкой теории полупроводников, из него извлекаются какие-то полезные выводы для следующих проб.
Исследование сложных трехкомпонентных растворов привело к парадоксальному, казалось бы, выводу: нужно еще больше усложнить систему, от трех веществ перейти к четырем. Работать с четырехкомпонентной системой, конечно, сложней, чем с трехкомпонентной, — резко возрастает число возможных комбинаций исходных веществ. Но одновременно и больше возможностей для согласования различных областей сложной гетероструктуры. Именно сделав трудный шаг к четырехкомпонентным твердым растворам и начав, по сути дела, новый раунд исканий, молодые физики в итоге добились успеха — созданные ими гетероструктуры дали лазерное излучение и сдвинулась, наконец, вверх сама частота излучения — удалось получить оранжевый лазерный луч и даже зеленый.
И еще один результат — о нем рассказывает Жорес Иванович Алферов:
— Работа, удостоенная премии Ленинского комсомола, не просто находится на передовых рубежах мировой науки, результаты работы на ряде участков далеко продвинулись за эти рубежи. Выполненные в условиях жесткой конкуренции с крупными научными центрами США и Японии, эти исследования дали нашей стране лидирующее положение в одной из важных областей физики и технологии полупроводниковых приборов. Хочется особо отметить, что методы исследований и технологические приемы были получены самими молодыми физиками, а не их старшими товарищами. И таким образом, важным результатом всей этой работы нужно, наверное, считать рождение четырех серьезных исследователей со своим научным почерком — исследователей, умеющих принимать самостоятельные решения и брать на себя ответственность за их результаты.
2:0 в пользу телевизора
Успехи микроэлектроники позволили создать приставку к телевизору, которая превращает его экран в своего рода спортивную площадку и позволяет вам, не выходя из комнаты, играть в „хоккей“, „теннис“ и другие телевизионные игры.
Очень похоже, что телевизор — это размноженное миллионными тиражами чудо радиотехники и электроники — осваивает новый развлекательный жанр и тем самым выигрывает еще один раунд в борьбе за наш досуг. Речь идет о домашних телевизионных играх, в которых экран телевизора, полностью отключившись от программ, прибывающих из эфира, становится ареной очень забавных состязаний, таких, например, как «теннис», «хоккей», «футбол». Играете вы в них со своим сидящим рядом партнером, и это развлечение чем-то напоминает настоящий теннис или настоящий хоккей. С той, конечно, разницей, что не нужно бегать и прыгать, ударять клюшкой или ракеткой, не нужно преодолевать усталость, утирать соленый пот с лица и в борьбе за победу выкладывать свои физические силы. Все атрибуты телевизионной игры — хоккейные ворота или теннисная сетка, мяч, шайба, клюшки, ракетки, границы поля — в виде некоторых условных фигурок и линий появляются на телевизионном экране, и, сражаясь с противником, вы ударяете «ракеткой» по «мячу», двигая для этого рычажки или поворачивая ручки.
Чтобы читателю легче было представить себе, что такое домашние телевизионные игры, попробуем более или менее подробно описать одну из них — простейший теннис. (Мы, пожалуй, больше не будем употреблять кавычки, иначе они просто заполонят эти страницы; все называемые дальше спортивные игры и предметы спортивного инвентаря — это не более чем условность.)
