Вопрос 1.Электроника, ее основные области исследования; вакуумная, твердотельная, квантовая электроника, особенности физических процессов.

Вопрос 1.Электроника, ее основные области исследования; вакуумная, твердотельная, квантовая электроника, особенности физических процессов.

ФОЭ - научное направление в электронике, в котором изучаются взаимодействия электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, различных средах (газы, жидкости, твердые тела, плазмы) и у границы их раздела.

Электроника включает три направления: вакуумная, твердотельная, квантовая.

I.Вакуумная электроника:

Изучаются взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме; основные предметы исследования: электронная эмиссия; формирование и управлении потоками электронов; катодолюминесценция.

На их базе создаются приборы:

диоды, триоды, тетроды, СВЧ, фотоэлектронные приборы.

Особенности процессов:

- при взаимодействии электронов с электромагнитными полями в вакууме нет столкновений со связанными атомами, а вероятность столкновения с остаточными газами мала, следовательно, потери энергии малы, КПД процессов достигает 90%;

- остаточная энергия электронных потоков рассеивается на электродах с большой поверхности, которые могут интенсивно отражаться, что позволяет получать мощности в несколько МВт.

II.Твердотельная электроника:

Изучаются процессы в твердых телах (полупроводниках, диэлектриках, магнитных материалах, пьезоэлектриках) для преобразования электромагнитной энергии в широком диапазоне частот от постоянного тока до СВЧ.

Основные направления:

1) полупроводниковая электроника – исследуются эффекты взаимодействия электронов с электромагнитными полями в п/п;

2) акустоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия высокочастотных акустических волн с электронами проводимости;

3) оптоэлектроника – исследуются эффекты взаимодействия волн оптического диапазона с электронами в твердых телах;

4) магнитоэлектроника – магнитные явления в твердых телах.

Приборы:

диоды, транзисторы, приборы с заряд.связью, интегральные микросхемы.

Особенности процессов:

1.Одновременное существование двух типов подвижных носителей заряда.

2. Сильная зависимость типа и величины электропроводности от концентрации и типа атомов примесей.

3. Возникновение на границе двух п/п с различными типами электропроводности потенциальных барьеров.

4. Сильная чувствительность свойств п/п к воздействию света, электр. и магнитных полей и т.д.

5. Туннельные переходы электронов через потенциальный барьер.

6. Лавинные размножения НЗ в сильных электрических полях.

III.Квантовая электроника:

Изучаются методы генерации и усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов.

Приборы: квантовые генераторы (лазеры), усилители.

Особенности устройств:

1. Высокая стабильность частоты колебаний.

2. Низкий уровень шумов.

3. Большая мощность в импульсе излучения.

Развитие элементной базы, этапы:

1) Дискретная электроника на ЭВП;

2) Дискретная электроника на п/п приборах;

3) Интегральная электроника на микросхемах (в том числе и функциональная электроника);

4) Наноэлектроника.

Врпрос 2.

Сингонии

Типы КР

Сингония	Параметры элементарной ячейки
a, b, c	α, β, γ
1. Триклинная	a ≠ b ≠ c	α ≠ β ≠ γ ≠90º
2. Мноноклинная	a ≠ b ≠ c	α ≠ γ =90º, β≠90º
3. Ромбическая	a ≠ b ≠ c	α =β= γ =90º
4. Тетрагональная	a = b ≠ c	α= β= γ =90º
5. Тригональная	a = b = c	α =β = γ ≠90º
6. Гексагональная	a = b ≠ c	α= β=90º, γ=120º
7. Кубическая	a = b = c	α= β=γ =90º

Фононы

 

Частные случаи его решения.

1) после прекращения внешнего воздействия G=0 – уравнение рекомбинации

В интервале τ(индекс р) избыточная концентрация уменьшается в е раз, время жизни характеризует быстродействие приборов.

2)G≠0

.τ(индекс_р) характерезует скорость нарастания избыточной концентрации, а так же ее уст. Велечину G/τ(индекс р)

Вопрос 19.

Тепловой ток:

Ток I₀ называется тепловым током перехода или обратным током насыщения. Обусловлен термогенерацией неосновных носителей в нейтральных областях, прилегающих к переходу.

Тепловой ток резко уменьшается при увеличении ширины запрещенной зоны.

ВАХ p-n перехода:

. Вентильные свойства перехода тем лучше, чем меньше обратный ток (при заданном U_обр) и чем меньше прямой ток (при заданном U_пр)_. Изменение тока в одном направлении сопровождается изменением U в другом направлении.

Токи утечки

Реальный переход имеет участки выходящие на поверхность кристалла. На поверхности в след. поверхностных энергетических уровней, молекулярных и ионных пленок могут образоваться токопроводящие каналы по которым протекает ток утечки.

Iут может превысить Iо и Ig. Зависимость от температуры слабая. Для устранения Iут на микросхемах поверхность покрывают оксидной пленкой.

Вопрос 22

Различают 3 вида пробоя р-n перехода при достаточно больших обратных напряжениях: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением электрического поля в переходе, а третий – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Под высотой барьера понимается ширина запрещенной зоны з, а под его толщиной – расстояние d между противолежащими зонами.

В основе лавинного пробоя лежит «размножение» носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома п/п. В результате рождается новая пара электрон – дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. Обратный ток при этом возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новый пары, ионизация приобретает лавинный характер.

Ход ВАХ в области «размножения» вплоть до пробоя описывается полуэмпирической формулой

Где М – коэффициент ударной ионизации

Одной из отличительных особенностей лавинного и туннельного пробоев яв-ся разный знак температурного коэффициента пробивного напряжения. Это объясняется тем, что напряжение туннельного пробоя находится в прямой зависимости от ширины з.з., поэтому уменьшение величины з с ростом температуры вызывает уменьшение Uz. Напряжение лавинного пробоя находится в обратной зависимости от подвижности, поэтому уменьшение величины µ с ростом температуры вызывает увеличение UM.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока. С ростом температуры обратные токи резко возрастают, и соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Тепловой пробой может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрел достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

Важной особенностью ВАХ яв-ся обратная зависимость м/у прямым напряжением и тепловым током: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение и наоборот. Еще один факт, что прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода

Вопрос 29

Фотоэлектрические явления – это электрические явления (изменение электропроводности, эмиссия электрона, возникновение ЭДС и другие), происходящие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения оптического диапазона. ФЭЯ возникают в тех случаях, когда энергия поглощённого веществом фотона () затрачивается на квантовый переход электрона с состояния с большей энергией. Если в твёрдых телах (металлах и полупроводниках) энергия фотонов достаточна для преодоления электронами поверхности потенциального барьера, то возникает фотоэлектронная эмиссия – внешний фотоэффект. При меньших значениях поглощения энергии в полупроводнике возникают неравновесные носители заряда (электроны и дырки проводимости), что проявляется в изменении электропроводности и возникновении в нём ЭДС – внутренний фотоэффект. Рассмотрим внутренний фотоэффект и две его составляющие: эффект фотопроводимости (фоторезистивный эффект) и фотогальванический эффект.

Эффект фотопроводимости в полупроводнике.

Оптическое излучение взаимодействует с веществом (полупроводником), частично отражается от поверхности, частично поглощается полупроводником и частично проходит через кристалл без поглощения. Каждый процесс характеризуется своими коэффициентами.

1) Коэффициент отражения

-отношение мощности отражения к мощности излучения, падающего на поверхность

2) Коэффициент пропускания

-отношение мощности излучения, прошедшего через полупроводник, к мощности излучения, падающего на поверхность

3) Коэффициент поглощения

-относительное изменение мощности падающего излучения в слой полупроводника единичной толщины

На расстоянии мощность светового излучения уменьшается в e раз.

Энергетические параметры связаны с переносимой излучением энергией и характеризуют излучение безотносительно к действию его на какой-либо приёмник. В области фотометрии вместо мощности P в Вт используют Ф[Лм](в люменах)-световой поток.

 

Плотность фотонов N0-число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в единицу времени при монохроматическом световом потоке. Тогда световой поток равен:

Запишем выражение для светового потока, взаимодействующего с кристаллом:

ФЭЯ проявляются в основном при поглощении светового излучения.

Вопрос 30

Механизмы поглощения:

1) Собственное (основное)

2) Примесное

3) Экситонное

4) Решётчатое

5) Свободными носителями

 

1)Энергия затрачивается на разрыв валентной связи, атомы переводят электроны в ЗП, энергия фотона при этом больше

В диапазоне волн , а , коэффициент поглощения резко падает, поэтому спектр собственного поглощения имеет чётко выраженную границу, называемую красной границей фотоэффекта. Красная граница соответствует минимуму энергии фотона для перевода электрона из ВЗ в ЗП. Переходы электронов из ВЗ могут быть прямые и непрямые. При прямом переходе импульс электрона практически не изменяется, так как импульс фотона ничтожно мал, то им можно пренебречь. Непрямые переходы происходят в полупроводниках с экстремумами ВЗ и ЗП, расположенными в разных точках области квазиимпульсов.

Для соблюдения закона сохранения импульсов требуется участие третьей частицы -фонона. Энергия, затраченная на прямой переход, меньше, чем затраченная на непрямой. Но вероятность непрямого перехода мала, поскольку для непрямого перехода необходима встреча трёх частиц в одном месте.

Коэффициент с непрямым переходом связан меньше, чем с прямым. С понижением вначале происходят непрямые переходы (требуется меньше энергии), с ростом энергии фотона будут происходить только прямые. На величину , кроме типа полупроводника, влияет температура. При росте температуры ширина ЗЗ падает и смещается в область длинных волн.

2) При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию примесей. При этом .

Коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше коэффициента собственного поглощения, так как плотность примесного состояния гораздо меньше плотности состояний в разрешённых зонах. Электроны в атомах примесей могут находиться и в возбуждённом, и в невозбуждённом состоянии, поэтому степень ионизации будет различной, тогда спектр примесного поглощения состоит из нескольких экстремумов. С ростом температуры происходит тепловая ионизация. Коэффициент при этом падает, так как число неионизованных примесей тоже падает.

3) При экситонном поглощении энергия фотона расходуется на образование экситона. Экситон – электронейтральное возбуждение в атоме (кристалле), обусловленное появлением связанных друг с другом электрона и дырки. При экситонном поглощении энергия фотона меньше , поэтому электрон из ВЗ не может перейти в ЗП, однако электрон способен удалиться от атома, оставаясь связанным с оставшейся дыркой. Связанная пара может перемещаться вдоль кристалла, но, будучи связанной, не создаёт электричество и ток. Влияние экситонной проводимости косвенное. Столкновение с экситоном или фононом может привести: 1)к потере им энергии, что эквивалентно возвращению энергии к валентному донору; 2)к получению энергии, то есть электрон переходит в ЗП с образованием дырки в ВЗ. В обоих случаях экситон расщепляется.

4) Если кристаллическая решётка содержит атомы различных веществ, то её можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи интенсивно поглощают энергию на частоте собственных колебаний. Поглощение излучения сопровождается появлением большого числа фононов. При этом тепловая энергия полупроводника растёт, поэтому концентрация свободных носителей растёт, изменяется их подвижность и энергия.

5) Поглощение излучения свободными носителями в ЗП и ВЗ связано с переходом с одних энергетических уровней на другие в пределах зоны. Зоны близко, поэтому спектр без экстремумов и непрерывный. невелик из-за малой концентрации свободных носителей.

Вопрос 31 Фотопроводимость.

При эффективной фотопроводимости происходит изменение электропроводности полупроводника под действием оптического излучения. Если световой поток отсутствует Ф=0, T=const, то проводимость (темновая или обычная) рассчитывается:

. При поглощении излучения в полупроводнике появляются избыточные носители Ф 0=const, =const. Наступает динамическое равновесие с избыточными концентрациями и , поэтому проводимость изменяется на -фотопроводимость. . Полная проводимость при этом: .

При собственном поглощении красная граница фотопроводимости совпадает с красной границей . При уменьшении длины волны резко растёт. При достижении некоторой величины длины волны падает. Причина уменьшения -уменьшение области генерации избыточных носителей, так как растёт, общее количество избыточных носителей падает. При собственном поглощении происходит генерация пар = , поэтому проводимость называют бинарной.

При примесном поглощении растёт концентрация носителей только одного знака и фотопроводимость называется униполярной. На проводимость могут влиять и экситоны, которые способны переносить энергию по кристаллу и возбуждать носителей заряда из примесей или ловушек. Они сами могут увеличить фотопроводимость, распадаясь в областях неоднородностей на два свободных носителя.

Поглощение энергии свободными носителями не меняет их концентрацию, но увеличивает их , и фотопроводимость называют -проводимостью.

При решётчатом поглощении температура растёт и на фотопроводимость оказывают влияние два взаимопротивоположных фактора: 1) с ростом температуры растёт концентрация свободных носителей, поэтому растёт; 2)падает , поэтому падает .

Эффективное поглощение характеризуется квантовым выходом полупроводника:

(отношение числа неравновесных избыточных носителей к плотности поглощённых фотонов)

ФЭЯ в электрических переходах(фотогальванический эффект).

Рассмотрим идеальный p-n-переход, облучённый монохроматическим световым потоком с энергией фотонов, превышающей . При собственном поглощении в переходе и прилегающих к нему областях генерируются избыточные носители(электроны и дырки). Электрическое поле перехода разделяет носители, перемещая дырки в p-область, а электроны – в n-область. Процессу разделения подвергаются носители, генерируемые в обеднённом слое и прилегающих областях с шириной меньше либо равной диффузионной длины. Возникает дрейфовый фототок неосновных неравновесных носителей заряда . Неравновесные основные носители (электроны n-области и дырки p-области) не могут преодолеть потенциальный барьер и остаются в области генерации. В результате разделения оптически генерируемых носителей в n-области появляется избыточный отрицательный заряд, а в p-области – избыточный положительный. Возникающая, таким образом, разность потенциалов, называется фотоЭДС (Eф) или напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой цепи. Уровни Ферми при этом смещаются друг относительно друга на величину фотоЭДС.

Потенциальный барьер, как и при прямом смещении, понижается до величины q(l0-UM), при разомкнутом – понижается до q(l0-Uхх), что приводит к появлению тока диффузии. Он направлен навстречу дрейфовому фототоку. И при Ф=const эти токи компенсируют друг друга и I=Iдр-Iф=0.

ФотоЭДС приложено к переходу в прямом направлении и увеличивается с ростом интенсивности светового потока:

-ток насыщения.

Uхх не может превысить величину контактной разности потенциалов перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля не будет разделения оптически генерируемых носителей.

Дрейфовый фототок: , следовательно, дрейфовый фототок пропорционален концентрации неосновных носителей, генерируемых в единицу времени в области размером Lф=l+Ln+Lp, где l – толщина перехода. Концентрация носителей пропорциональна величине потока, значит, световой поток и и фототок связаны между собой линейной зависимостью: I=kФ. При подключении нагрузки к освещённому переходу разность потенциалов создаётся только частью носителей заряда, а остальная часть участвует в создании фототока и обеспечивает ток нагрузки.

У нагретого спая большее кол-во ионизированных примесей, следовательно больше концентрация носителей, следовательно возникает дифф. градиента концентрации. В областях нагретых спаев носители заряда приобретают большую энергию, следовательно происходит диффузия от нагретого спая каждой ветви связанной с выравниванием средней энергии носителей, приходящейся на носитель каждого знака.

Фононная – при увеличение температуры в одной из областей генерируются фононы, которые увлекают за собой носители заряда. Если есть градиент температур, то будет и движение фононов и перемещение носителей зарядов. Наблюдается при низких температурах.

Результирующее термо-ЭДС зависит от электрофизических свойств п\п, напряженности и т.д.

где α₁₂ — коэффициент термо-ЭДС.

Гальваномагнитные явления

Совокупность физ. явлений под действием магнитного поля в твердых средах(проводники, п/проводники) при протекании в них эл. тока. Физические ГМЯ обусловлены искривлением траектории носителей зарядов в магн. поле под действием F Лоренца.

ГМЯ Холла - возникновение попеременной разности потенциалов в п/п по которому проходит ток

Пренебрегаем статистическим разбросом скоростей e. Между боковыми гранями возникает разность потенциалов – ЭДС Холла

 

Перемещение постоянных носителей заряда прекращается, когда

Χ=1/(qp) коэффициент Холла для р-типа

А=1,18 расс. на кристаллической решетке

A=1,93 расс. на ионах примеси

А=1 для вырожденного п/п

 

Х= металлы. X=

 

После возникновения ЭДС Холла и уравновешивания силы лоренца, все заряды будут двигаться по прямолинейной траектории в соответствии с направлением внешнего поля

E суммарное=E + E холла

Напряжение отличается от технического напряжения вектора плотности тока на угол Холла φ

tg φ =

Эффект Холла – нечетное ГМЯ

 

Используется: для преобразования Холла(E~IB), для измерения магнитных полей, множительных фазочувствительных устройств.

Вопрос 36

Эффект Гаусса-изменение удельной проводимости п/п под действием магнитного поля. Носители у которых скорость больше средней, смещается к одной грани пластины и на них Действует F лоренца > F холла, носители с меньшей скоростью смещаются к другой грани и F л < F х,

 

Если F лоренца > F холла или F холла =0

Траектория носителей заряда искривляется под действием силы лоренца и расстояние, которое проходят носители в направлении внешнего поля уменьшается, à удельная проводимость изменяется под действием магнитного поля, уменьшается длина свободного пробега. Зависимость проводимости от напряженности более эффективна, если устранить действия эффекта Холла.

МРЭ – четная функция, изменение вектора E влияет на изменение удельной проводимости.

 

Вопрос 38.

Безызлучательные – это переходы, при которых может отдаваться или отбираться без участия электромагнитного поля, без взаимодействия с другой микрочастицой, без увеличения или уменьшения кинетич.энергии второй микрочастицы.

Основные виды квантовых переходов:

4) спонтанные

5) вынужденные

6) релаксационные

Вынужденные(индуцированные) – это излучательные квантовые переходы частиц под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода. При этом возможны переходы: с Е2 на Е1, с Е1 на Е2.

Вынужд.излучения имеют такую же частоту и фазу, направление распространения и поляризацию, как и вынуждающие излучения, значит, вынужденные излучения повышают энергию электромагнитного поля с частотой и служат предпосылкой квантовых генераторов.

При каждом вынужденном излучении снизу вверх затрачивается энергия Е=h , которая имеет вероятностный характер. Вероятностные коэффициенты: W21 – сверху вниз, W12- снизу вверх в 1 секунду.

(11.7)

где В12 и В21 – коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов

- объемная плотность энергии внешнего поля (плотность излучения)

W12 и W21 имеют смысл вероятности вынужденных переходов в 1 секунду при единичной плотности энергии внешнего поля ( =1)

Число вынужденных переходов сверху вниз и излучением энергии в единицу времени n21:

(11.8)

Аналогично

(11.9)

при =1, В21=В12=В

3) релаксационные – квантовые переходы, способствующие состоянию термодинамического равновесия

релаксация – переход системы в состояние термодинамического равновесия.

При неупругих столкновениях часть Wкин одной частицы может перейти во внутреннюю энергию другой частицы – это неупругие столкновения I рода.

неупругие столкновения II рода – когда внутренняя энергия одной частицы переходит в Wкин др.частицы.

В состоянии термодинамического равновесия, температура и внутр.энергия остаются неизменными

(11.10)

где Nm и Nn – населенности энергетических уровней Em и En.

Если нарушить равновесие путем резкого увеличения температуры до величины Т2, то при новой температуре, средняя Wкин всех частиц возрастет, а внутр.энергия некоторое время будет неизменной. В рез-те неупр.столкновений происходит возрастание внутр.энергии, и будут уже новые распределения частиц по энергиям для новой Т2 (та же формула 11.10)

постоянная времени в состоянии термодин.равновесия равна релаксации.

Переход Wкин одной частицы во внутр.энергию другой частицы при неупругих столкновениях – это пример релаксационных переходов. Эти переходы носят статистический характер, а значит характеризуются вероятностями: R12 и R21.

релаксационные переходы в основном – безызлучательные. В состоянии термодин.равновесия, населенность уровней не меняется во времени, следовательно:

n12(без.) = n21(без.), где n – число переходов с уровня на уровень

(11.11)

учитываем (11.10)

(11.12)

значит, вероятность безызлучательных переходов сверху вниз больше, чем сверху вниз.

Ширина спектральной линии.

Если частицы располагаются плотнее друг к другу, то их энерг.уровни расщепляются.

(11.13)

где и - неопределенности энергии возбужденного состояния и времени нахождения в возбужденном состоянии.

Определим частоту излучения при переходе с Е2 на Е1:

рассмотрим неопределенность частоты перехода между размытыми уровнями:

рассмотрим график спектральной линии (зависимость интенсивности излучения от частоты)

ширина контура спектральной линии - это разность частот, на которых интенсивность равна половине максимального значения. Частота квантового перехода - это максимум спектральной линии.

естественная ширина спектральной линии – это ширина, определяемая только временем жизни частиц по спонтанному излучению (она минимальна)

реальная спектральная линия имеет ширину, большую естественной, т.к. есть наличие неупругих столкновений, при которых совершаются дополнительные переходы через уровни. эти доп.переходы уменьшают время жизни, что ведет к усилению размытости энергетического уровня и расширению спектра излучения.

Вопрос 39. Принципы усиления электромагнитного поля в квантовых системах

Т.к. вынужденное излучение возбужденных частиц при переходах с Е2 на Е1 когерентно с вынуждающим, то появляется возможность усиления энергии. рассмотрим обмен энергии между полем и веществом: пусть вещество имеет 2 энергетических уровня с населенностями N1 и N2.

при объемной плотности энергии , число переходов с единицы времени в единицы объема:

(11.14)

выделение энергии при переходе (11.15)

(11.16)

(11.17)

с учетом 15 и 17, изменение электромагнитной энергии:

(11.18)

эта мощность называется мощностью взаимодействия. если Р>0, то в системе происходит усиление эл-маг.поля, и наоборот.

(11.19)

т.к N2>N1 – это инверсное соотношение по отношению к состоянию термодин.равновесия, значит это – состояние с инверсной населенностью уровней, значит в состоянии с инверсией возможно усиление эл.-маг.поля

температура перехода по закону Больцмана:

(11.20)

значит, в состоянии с инверсией населенностей уровней Tn<0

Активная среда – это среда, в которой имеется инверсия населенностей уровней.

для того, чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нем волну, его необходимо привести в возб.состояние, в котором хотя бы для двух уровней, населенность верхнего оказалась меньшей. Переход в такое возб.состояние осуществляется под действием внешнего мощного излучения – накачки.

Порог инверсии – наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется инверсия.

Рассмотрим систему накачки по трехуровневой системе:

В энергетическом спектре атомов кристалла рубина наряду с уровнями Е1 и Е2 (возб.метастаб.состояние), имеется широкая полоса поглощения Е3, выполняющая роль третьего уровня. Под действием оптической накачки, атомы рубина переходят из сост-я Е1 в сост-е Е3 до насыщения, когда населенности этих станут одинаковыми (N3=N1).

Через короткое время, атомы безызлучательно переходят в состояние Е2.

жизни атомов в сост-ии Е2 >> чем в сост-ии Е3 ( с).

При частом переходе атомов из основного состояния в состояние Е3, плотность числа частиц в сост-ии Е2 окажется больше чем в Е1, и при дальнейшем переходе с Е2 на Е1 происходит лазерная генерация.

Четырехуровневая система:

между Е3 и Е1 существует промежуточный уровень Е2, который расположен настолько ниже основного, что его населенность незначительна. Лазерная генерация происходит при переходе с уровня Е3 на Е1.

Генерация электромагнитных волн осуществляется активной средой, помещенной в резонатор. В активной среде неизбежно происходят спонтанные переходы с верхнего уровня на нижний (излучение квантов). Если резонатор настроить на частоту этого излучения, то оно многократно отразится от стенок резонатора, успевая вызвать излучение еще нескольких частиц, которые, воздействуя на активную среду, вызывают новое индуцированное излучение.

значит, собственное спонтанное излучение усиливается за счет вынужденных переходов. Инверсную населенность можно создать несколькими способами:

1) Оптическая накачка – возбуждение атомов в-ва квантами света от мощного источника.

2) Эффекты сильного электрического поля – лавинное размножение или туннелирование. При переходе электронов с энергетических уровней вблизи потолка валентной зоны, на энергетические уровни вблизи дна зоны проводимости.

3) Электронное возбуждение – при бомбардировке вещества пучком быстрых электронов.

4) Инжекция носителей заряда при прямом включении p-n-перехода (инжекционные лазеры)

5) Химическая накачка – химические реакции в лазерном веществ

Вопрос 40 Физические основы эмиссионной электроники.

Эмиссия-испускание электронов или ионов твердыми телами, которые происходят на границе твердого тело и газа при воздействии на поверхность тела физических факторов:

1. Электрического поля

2. Светового излучения

3. Электронной или ионной бомбардировки

Вещество с поверхности которого происходит эмиссия – эмиттер, устройство – катод. Работа выхода(двойной слой и сила зеркального отображения). А_вых – это работа по преодолению силы действующий на электрон со стороны двойного слоя плюс сила зеркального отображения. Двойной слой образуется вылетевшими электронами и положительными ионами. Электроны непрерывно вылетают за пределы узлов(граничного слоя узлов кристаллической решетки) и возвращаются обратно. Отсюда следует что образуется двойной слой: электронное облако(мешает вылету электронов), поверхность ионной решетки.

По Шоттки двойной слой можно рассматривать как конденсатор с расстоянием между обкладками (1-3)а а – размер постоянной кристаллической решетки. Двойной слой тормозит электроны путем воздействия электрического поля на электроны. ;

Из электростатики известно, что при удалении на расстояние х, много большее, чем а, на электрон действует кулоновская сила между удаляющимся электроном и наведённым в твёрдом теле зеркально расположенным положитель