Носителями тока в полупроводнике являются электроны проводимости т. е. электроны, способные перемещаться по кристаллу, и так называемые дырки — положительно заряженные носители тока в полупроводнике, или, как их называют в физике, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью. Не так просто популярно объяснить, что представляют собой положительно заряженные носители тока, названные дырками. Мы воспользуемся для этого словами известного советского ученого А. И. Китайгородского из его научно-популярной книги «Электроны»[360]. «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того чтобы выровнять строй, дана команда соседу „дырки“ передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место „дырки“. Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то „дырка“ будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников».
В идеальных кристаллах электроны проводимости и дырки появляются всегда парами, в результате чего концентрации обоих типов носителей проводимости равны. В реальных кристаллах с присущими им примесями других веществ и дефектами структуры равенство обоих типов носителей тока нарушается, и в этом случае проводимость осуществляется только одним носителем тока — отрицательным (электроны проводимости) или положительным (дырки).
Третий период развития электроники, начало которому было положено в первой четверти 60-х годов, именуется периодом микроэлектроники или интегральной микроэлектроники.
Новым в этом случае является создание таких крошечных электронных элементов, что на первый взгляд это кажется фантастикой: посудите сами — до 10 тыс. в 1 см3 полупроводникового кристалла.
Создание интегральных микроэлектронных приборов является еще более тонким и трудным делом, чем производство обычных электронных приборов. Для их производства пришлось отказаться от существовавшей ранее технологии изготовления электронных приборов, заключавшейся в сборке отдельных их элементов — транзисторов, сопротивлений и др., соединяемых между собой проводниками, и перейти к конструированию электронного прибора непосредственно внутри (и на поверхности) полупроводникового кристалла. Эта более чем ювелирная работа производится путем внесения в нужные места кристалла (который должен быть превращен в интегральный, полупроводниковый, электронный прибор, могущий состоять из тысяч электронных элементов) примеси с отрицательными или положительными носителями тока. Иными словами, надо реконструировать полупроводниковый кристалл и превратить его в электронный (микроэлектронный) прибор.
Эта сложная работа, на сколько-нибудь подробном описании которой мы не можем останавливаться, была выполнена. Результатом явились различные микроминиатюризованные изделия высокого качества.
Нам предстоит теперь перейти к изложению принципа действия квантовых усилителей и генераторов (в число которых входят оптические квантовые генераторы — лазеры) — предмету, о котором особенно трудно рассказать в популярной форме.
Создание квантовых усилителей и генераторов явилось крупным научно-техническим событием, имевшим большое значение для развития электроники. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия излучения с веществом, открытый Эйнштейном еще в 1917 г., — вынужденное испускание (рис. 54).
Рис. 54. Схематическое изображение трех типов взаимодействия излучения с веществом
Слева — состояние системы до элементарного анта, справа — после. Поглощение ослабляет поток фотонов, вынужденное испускание — усиливает.
Рассмотрим атом, внешний электрон которого может двигаться по разным орбитам, обладая соответственно энергией Е1, Е2, Е3 и т. д. (см. рис. 54). Пусть сквозь такой атом пролетает фотон с энергией ε = hv = Е2 — Е1. Если атом находится в состоянии с энергией Е1 то он может поглотить такой фотон и перейти в состояние Е2 (возбудится); электрон перейдет при этом на более удаленную от ядра орбиту 2. Произойдет акт поглощения. При этом в потоке фотонов станет на один фотон меньше.
Возбужденный атом может испустить фотон и перейти при этом в состояние с энергией Е1 Электрон атома перейдет на орбиту 1. Произойдет акт спонтанного (самопроизвольного) испускания. Это второй тип взаимодействия излучения с веществом.
Третий тип взаимодействия излучения с веществом сводится к следующему. Атом возбужден и находится в состоянии с энергией Е2. Летят фотоны с энергией hv = Е2 — Е1 Оказывается, пролетающий фотон может стимулировать переход 2 → 1. Испущенный при этом атомом фотон по всем параметрам (частота, направление движения и др.) идентичен фотону, который стимулировал переход. Это и есть вынужденное испускание. Поток фотонов при этом усиливается.
Число актов поглощения, ослабляющих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 1 (n1,). Число актов вынужденного испускания, усиливающих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 2 (n2). Ясно, что если n2 > n1, то усиление потока фотонов будет преобладать над его ослаблением. Интенсивность потока фотонов по мере движения в такой среде будет возрастать. Это и есть принцип действия квантового усилителя.
Среды, у которых атомов в состоянии Е2 больше, чем в состоянии Е1 (среды с «инверсной заселенностью»), могут быть созданы различными способами: воздействием внешнего излучения, посредством химических реакций и др. Инверсная заселенность может быть создана в газообразных, жидких и твердых телах, а также в низкотемпературной плазме.
Рис. 55 поясняет принцип действия квантового усилителя. Здесь же показана схема квантового генератора. В последнем случае нет внешнего потока фотонов, который (как в квантовом усилителе) усиливается при прохождении среды с инверсной заселенностью. У квантового генератора в торцах трубки, в которой создается инверсная заселенность, устанавливаются два зеркала: обычное (А) — у одного торца и полупрозрачное (Б) — у другого. Поток фотонов движется вдоль оси трубки. Попадая на полупрозрачное зеркало, фотоны частично проходят сквозь него. Остальные фотоны отражаются и летят в противоположном направлении (на рис. 55 справа налево), затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов в результате каждого прохождения среды с инверсной заселенностью многократно усиливается. Разумеется, квантовые усилители и генераторы непрерывного действия требуют постоянного восстановления инверсной заселенности (часто называемой накачкой или подпиткой).
Рис 55. Схема квантового усилителя (а) и квантового генератора (б).
Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием[361]. Это связано с отмеченной выше идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.
Квантовые усилители и генераторы (особенно квантовый генератор оптического диапазона волн — лазер[362]) получили широкое практическое использование.
Лазеры получили широкое применение в технике (в обработке металлов, в частности в их сварке, резке, сверлении), в медицине (в хирургии, офтальмологии), в различных научных исследованиях. Перечисленное применение лазеров является, несомненно, только началом. Известные советские ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров являются одними из основоположников теории и создания квантовых генераторов.
361
Напомним, что у прожектора вследствие значительной угловой расходимости луча интенсивность светового пучка обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния.
362
Название лазер возникло как сочетание первых букв английского определения «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation» (усиление света в результате вынужденного излучения).