Лазеры на гетероструктурах

Особое значение имеют гетероструктурные лазеры, которые не требуют охлаждения и работают при комнатнойтемпературе. Этими проблемами занимался академик Жорес ИвановичАлферов, получивший в 2000г. за выдающиеся открытия в области гетероструктур Нобелевскую премию.

Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя полупроводникамис различной шириной запрещенной зоны.

Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры, например переходы, созданные из так называемых «твердых растворов»: AlGaAs-GaAs, InP-GaInAs и т.д.

Этим гетеропереходы отличаются от гомопереходов.

Гомопереход – этопереход, созданный на основе одного полупроводника с различной проводимостью (например, контакт кремния с электронной и дырочной проводимостью).

Рассмотрим p-n гетеропереход, у которого ширина запрещенной зоны n-полупроводника больше, чем у p-полупроводника:

n p

W_П`

W_П Ө

W`

W_В`

W

W_В

W> W`

Как видно из энергетической диаграммы такого перехода, высота энергетического барьера для электронов, движущихся из n-области в p-область ( ) гораздо меньше энергетического барьера для дырок, движущихся из p-области в n-область ( ). Поэтому при подаче на такой гетеропереход прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, т.е. получится односторонняя инжекция. Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода.

Гетеропереход может быть создан на основе полупроводников одного типа проводимости (p-p⁺ или n-n⁺).

p p⁺

W_П`

W`

W_П Ө

W_В`

W_В W

W< W`

Высота энергетического барьера для электронов (ННЗ), переходящих из p в p⁺-область, будет значительной, т.е. в базе (p⁺-область) не будут накапливаться ННЗ, следовательно, не требуется время на их рассасывание, а значит, повышается быстродействие (переключение прибора, построенного на таком переходе, будет значительно быстрее.)

Использование двойных гетероструктур (ДГС),таких как p-n-n⁺ или n-p-p⁺ позволили получить сверхинжекцию и, тем самым, увеличить коэффициент усиления и повысить КПД.

Применение гетеропереходов:

а) Гетеропереходы n-n⁺ и p-p⁺ применяются для создания:

· сверхскоростных интегральных микросхем;

· малошумящих сверхвысокочастотных полевых транзисторов, которые используются в системах спутникового телевидения.

б) Свойство односторонней инжекции в p-n гетеропереходе используется для создания биполярных гетероструктурных транзисторов, на основе которых работают усилители в мобильных телефонах.

в) Солнечные элементы на основе гетероструктур широко используются в космосе (космическая станция «Мир» проработала на таких солнечных элементах 15 лет, пока не была затоплена в океане).

г) С помощью гетероструктур можно изменять параметры полупроводниковых кристаллов (ширину запрещенной зоны, эффективную массу НЗ и их подвижность, показатель преломления, энергетический спектр и т.д.), т.е. искусственно создавать новые типы полупроводников – гетерополупроводники.

Применение лазеров

а) Полупроводниковые лазеры на основе двойных гетероструктур (ДГС), работающие при комнатной температуре, т.е. не требующие охлаждения, стали основой волоконно-оптической связи. Волоконные световоды представляют собой кабели из специального стекла или прозрачной пластмассы и обладают высокой прозрачностью и очень малым затуханием лазерного луча. Если к волоконному световоду присоединить с одного конца полупроводниковый лазер, а с другого – фотоприемник, то получится волоконно-оптическая линия связи. Волоконные световоды позволяют экономить цветные металлы, из которых производятся обычные металлические кабели, имеют малую массу, не подвержены коррозии, не окисляются.

б) Лазер на основе ДГС присутствует почти в каждом доме в виде проигрывателя лазерных компакт-дисков (CD), являясь устройством считывания информации с диска.

в) Лазеры на гетероструктурах используют для преобразования инфракрасного излучения (невидимого) в видимое (например, зеленое).

г) Лазерные диоды на основе гетероструктур широко используются в:

· дисплеях;

· современных светофорах;

· устройствах декодирования товарных ярлыков;

· лампах тормозного освещения в автомобилях;

· лазерных указках.

д) Лазерные лучи применяются:

· для точных геодезических измерений;

· для сварки;

· для резки сверхпрочных материалов и пробивания отверстий;

· для изготовления микросхем.

е) Лазерное излучение используется:

· в локаторах, имеющих гораздо бо̀льшую точность, чем радиолокатор;

· при швартовке судов (лазерный лоцман).

ж) На использовании лазерного излучения основана голография (область науки, занимающаяся получением объемных изображений). Примером голографии может служить стереофильм.

з) Лазеры эффективно применяются в медицине:

· в качестве скальпеля (Лазерным скальпелем можно делать «бескровные» операции, т.к. световое излучение попутно еще и «прижигает» кровеносные сосуды. Такой скальпель не требует стерилизации, воздействие его на ткань происходит очень быстро и безболезненно);

· для лечения глазных болезней (с помощью лазера приваривают к глазному дну отслоившуюся сетчатку, удаляют катаракту, выжигают глазные опухоли, лечат глаукому);

· в стоматологии лазер используется в качестве бормашины (действует быстрее и безболезненно, избирательно разрушает пораженную кариесом зубную ткань);

· в терапии (эффективное лечение лазером незаживающих ран, переломов, очищение кровеносных сосудов от холестериновых бляшек и т.д.);

· в хирургии с помощью лазерного луча дробят камни в почках на мелкие частички, которые выходят естественным путем, не доставляя человеку болезненных ощущений;

· сверхкороткие импульсы лазерного излучения дают возможность изучать детали строения и функционирования молекул ДНК и, тем самым, влиять на процессы наследственности (с помощью лазерной технологии была получена клонированная овечка Долли);

· большинство современной диагностической медицинской аппаратуры является лазерной.

и) Широкое применение нашли лазеры в военной промышленности:

· приборы ночного видения;

· дальномеры;

· снайперские винтовки;

· ракеты с лазерным наведением;

· В г.Саров запущена лазерная установка «Искра-6», позволяющая моделировать в лабораторных условиях термоядерный взрыв. Таким образом, не надо производить дорогие и опасные для экологии ядерные испытания где-то в океане или под землей, тем более, что наша страна подписала договор о нераспространении ядерного оружия и о прекращении ядерных взрывов. Но изучать, проводить исследования термоядерной реакции в мирных и военных целях мы, в силу действия этого договора, тоже не могли. Теперь этот вопрос решен.

к) Активно использует лазеры шоу-бизнес (лазерные шоу).

л) С помощью лазеров изучается процесс фотосинтеза в растениях, т.е. преобразование солнечной энергии в химическую.

м) Широко распространены лазеры в компьютерной технике (лазерные принтеры, CD-ROMы) и т.д.