2798
.pdf
зующих электродах называют гомозарядами. А заряды, возникающие за счет различных релаксационных механизмов поляризации, имеющие противоположный знак с поляризующими электродами, называют гетерозарядами. Сразу после окончания процесса поляризации преобладающее влияние на электрическое поле электрета оказывают гетерозаряды. Но спустя некоторое время за счет теплового движения и релаксационных процессов значение гетерозарядов уменьшается (рис.4.7 в) и преобладают гомозаряды. Гомозаряды определяют долговременную стабильность электретного эффекта, так как они не свободны, а захвачены нейтральными ловушками (дефектами структуры). Время жизни электретов в нормальных условиях может сохраняться в течение десятков лет, но оно уменьшается при наличии большой влажности и повышенной температуры. Электретный эффект более стабилен от времени в диэлектриках с очень высоким удельным сопротивлением. Если электрет поместить между двумя электродами как показано на рис.4.8 (случай соответствует монтажу
Рис.4.8. Схема включения электрета в электрическую
цепь
электрических мембран в электретном микрофоне), то на электродах будет индуцироваться заряд Qинд
Qинд |
|
Q |
|
, |
(4.16) |
|
|
|
|||
h1 |
/ h2 |
|
|||
|
1 |
|
|||
151
где Q – заряд на поверхности электрета; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; h1 – зазор между электродом и электретом; h2 – толщина электрета.
В расчет заряда не входит зазор между второй поверхностью электрета и электродом, так как он бесконечно мал. При изменении зазора h1, под действием различных внешних сил в электрической цепи будет проходить переменный электрический ток, частота которого будет равна частоте изменения зазора h1.
Для получения электретов в настоящее время наибольшее применение нашли полимерные пленки толщиной 3-100 мкм с малым значением диэлектрической проницаемости и с высоким удельным сопротивлением – полиэтилентерефталат (лавсан, поликарбонат, политетрафторэтилен и др.).
Наиболее стабильным электретным эффектом обладают электреты на основе политетрафторэтилена.
Электреты нашли применение для изготовления микрофонов, сейсмических датчиков, датчиков механических вибраций, измерителей атмосферного давления, клавишах вычислительных машин и т.п.
4.5. Материалы твердотельных лазеров
Лазеры представляют из себя источники оптического когерентного излучения высокой направленности и большой плотностью энергии. Твердотельные лазеры – это лазеры, активный элемент которых выполнен из диэлектрика, находящегося в нормальных условиях в твердом состоянии. Основным элементом твердотельного лазера является активная среда, представляющая из себя кристаллическую или аморфную матрицу, в которой распределены активные ионы - активаторы люминесценции. Активная среда должна обладать вполне определенной системой энергетических уровней. Для примера на рис.4.9 представлены энергетические уровни ионов хрома в рубине.
152
Рис.4.9. Энергетические уровни хрома в запрещенной зоне рубина. ε 1 – основное состояние; ε2 ε3 ε4 - возбужденное состояние.
Ионы хрома создают в широкой запрещенной зоне систему энергетических уровней, которые отличаются от уровней энергии в свободных атомах хрома. Уровень ε 1 соответствует невозбужденному состоянию. Уровни, расположенные выше, характеризуют возбужденное состояние ионов активатора. При возбуждении атома хрома электроны переходят на уровни ε3 , ε4 , время пребывания на которых очень мало (10-8 с), а затем безизлучательным путем переходят на уровень ε2. Уровень ε2 является метастабильным, т.е. характеризует возбужденное состояние с большим временем жизни (около 10-3 с). Это приводит к накоплению электронов на уровне ε2 и созданию инверсной населенности, что необходимо для генерации вынужденного излучения.
Для создания лазерных элементов с оптической накачкой активирующие элементы должны удовлетворять следующим требованиям:
1)ионы активаторов должны иметь узкие линии люминисценций с квантовым выходом на рабочем режиме ;
2)наличие достаточно широких полос активного поглощения в области излучения источника накачки;
3)активатор должен создавать возбужденные метаста-
153
бильные уровни с достаточно большим временем жизни электронов;
4) активирующие ионы должны вводиться в матрицу без нарушения ее оптической однородности, термостойкости, механической прочности.
В качестве активаторов применяются элементы с незастроенными внутренними 3d; 4f – электронными оболочками. Из переходных металлов применяются элементы с недостроенной 3dоболочкой: Cr, V, Co, Ni. Также широко применяют лантаноиды с незастроенной 4f-оболочкой - наибольшее применение из этих элементов в качестве активатора нашел неодим Ne.
Хотя матрица не участвует в процессах генерации, многие свойства активного вещества лазеров определяются матрицей, к которой предъявляются высокие требования.
1.Неактивированные матрицы не должны иметь ни собственного, ни примесного поглощения в области лазерного излучения (переход ε2 → ε1).
2.Матрица должна быть оптически прозрачной в области излучения накачки.
3.Матрицаы должны обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, передаваему решетке при безизлучательных переходах (ε4 → ε2, ε3 → ε2).
3.Материал матрицы должен обладать высокими оптическими свойствами и быть оптически однородный, так как различные микровключения, свили, пузыри и границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощению и рассеивание светаЮ ухудшают диаграмму направленности луча и ослабляют его интенсивность.
5.Материал матрицы должен быть устойчив к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки, т.е. обладать высокой фотохимической стойкостью.
6.Материал должен обладать высокой механической прочностью и нагревостойкостью.
154
7.Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение заданного активатора.
8.Материал должен быть технологичен в изготовлении активных элементов необходимых размеров.
Перечисленным требованиям в определенной мере
удовлетворяют кристаллы: оксиды (α-Al2O3, Y2O3), алюминаты (YAlO3), гранаты (Y3Al5О12), вольфраматы (CaWO4, CaMoO4), ниобаты (CaNbO3), фториды различных металлов, а также аморфные материалы на основе силикатных стекол и фторобериллатных стекол, основу последних составляет
BeFr.
Одним из наиболее освоенных материалов в лазерной
технике является рубин, в котором часть атомов алюминия изоморфно замещена атомами хрома (Al2O3:Cr3+). В лазерной технике используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05 %. Ценными качествами рубина являются высокая механическая прочность и теплопроводность. Кристаллы рубина выращивают методом Вернейля и по методу Чохральского. Лазерные рубиновые активные элменеты обычно изготавливают в виде стержней диаметром 3,5-16 мм
идлиной 45-240 мм. Рубиновый лазер имеет следующие примерные характеристики: длина волны излучения Λ = 0,69 мкм режим работы импульсный, коэффициент полезного действия (КПД) ≈ 1%, энергия в импульсе до 500 Дж .
Наряду с рубином важным материалом для лазерной
техники является алюмоиттриевый гранат (Y3Al5O12), активированный неодимом Nd3+ ( ≈ 3%). Лазеры на основе алюмоиттриевого граната имеют следующие примерные характеристики: длина волны излучения λ = 1,06 мкм, работа в непрерывном и высокочастотном режимах, мощность излучения до 1000 Вт и выше, КПД = 5-7 %.
На рис. 4.10. показана структурная схема твердотельного лазера.
155
Рис. 4.10. Структурная схема лазера.
Лазер состоит из активного материала, помещенного в оптический резонатор, источника накачки и, если необходимо, охлаждающего устройства для отвода тепла от активного тела. Оптический резонатор в лазерах представляет два зеркала, параллельных друг другу с высокой точностью. Для вывода излучающей энергии одно из зеркал делается прозрачным. Излучение, возникшее в лазерном стержне, отражаясь от зеркал, многократно проходит через активный материал вызывя все усиливающиеся стимулированное испускание. При этом активный ион переходит в основное состояние не спонтанно, а вынужденно под действием электромагнитной волны, если частота волны при многократном отражении от зеркал соответствует частоте перехода ε2 → ε1. Таким образом, резонатор осуществляет положительную обратную связь с излучающей системой, заставляя при каждом прохождении через активный материал высвечивать активные центры. Многократное отражение получает та часть излучения, которая совпадает с оптической осью цилиндрического стержня и, проходя большой путь через активное вещество, получает большое усиление за счет стимулированного испускания. Ко-
156
гда усиление становится достаточно большим и накопленная энергия значительной, то стимулированное когерентное излучение выходит из кристалла через полупрозрачное зеркало резонатора в виде остронаправленного светового импульса.
Генерация оптического излучения в лазере происходит на резонансных частотах, удовлетворяющих условию
L = n(λ/2), |
(4.17) |
где L размер резонатора; n – целое число; λ – длина волны излучения.
При этом условии волны, испытавшие многократное отражение от зеркал, оказываются в фазе друг с другом и их амплитуды складываются. Ширина полосы частот излучения определяется добротностью оптического резонатора, а стабильность частоты - стабильностью размера L.
В настоящее время лазеры находят широкое применение в системах оптической передачи информации, оптической локации, информационно-вычислительной технике, медицине и т.п., а также в технологических целях: сварке, пайке, размерной обработке непрозрачных материалов и др.
Вопросы для самопроверки
1.Какие диэлектрики называют активными и почему?
2.Какие диэлектрики называют сегнетоэлектриками? Как изменяется диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках от температуры и напряженности электрического поля?
3.Приведите классификацию сегнетоэлектриков по химическому составу.
4.Приведите примеры практического использования сегнетоэлектрических материалов в устройствах РЭС. На каких свойствах материалов основано их применение?
5.Что такое прямой и обратный пьезоэлектрические
157
эффекты? В каких диэлектриках наблюдается пьезоэффект?
6.Какими основными параметрами характеризуются пьезоматериалы?
7.Какие основные срезы существуют в монокристаллическом кварце? Какой из срезов обладает наибольшей температурной стабильностью.
8.Приведите примеры применения кварцевых резонаторов в устройствах РЭС.
9.Какие пьезоэлектрические материалы применяются при изготовлении различных функциональных устройств на поверхностных акустических волнах? Каким требованиям должны отвечать эти материалы?
10.Назовите основные поликристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. В чем преимущества поликристаллических пьезоэлектриков перед монокристаллическими и в чем их недостаток?
11.Что такое электретное состояние диэлектрика и каким способом его получают?
12.Назовите основные материалы, на основе которых получают электреты и область применения электретов.
13.Какие основные требования предъявляются к диэлектрику, как лазерному материалу и к активатору?
14.Назовите основные материалы, используемые при изготовлении твердотельных лазеров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены диэлектрические материалы, широко используемые при изготовлении РЭС и ЭВС. При этом приведены пассивные диэлектрики, электрические свойства которых не зависят от внешнего электрического поля и активные диэлектрики, основные параметры которых управляются внешним электрическим полем.
Учебное пособие написано в соответствии с програм-
158
мой дисциплины «Материаловедение и материалы радиоэлектронных средств». Оно излагается без рассмотрения глубоких физических процессов, протекающих в диэлектриках и применения сложного математического аппарата, которые рассматриваются в дисциплине «Физико-химические основы микроэлектроники». Поэтому в учебном пособии основное внимание уделено особенностям структуры и свойств диэлектриков, как материалов, влиянию на параметры внешних факторов: температуры, влажности, частоты и напряженности электрического поля; приведены также области применения диэлектриков.
В учебном пособии в виде таблиц даны основные фи- зико-механические и электрические параметры некоторых диэлектрических материалов, которые полезно знать как при изучении их студентами, так и при выборе наиболее эффективного материала для конкретного изделия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1986. 368 с.
2.Материалы электронной техники/ Под ред. В.М.Андреева. М.: Радио и связь. 1989. 350 с.
3.Справочник по электротехническим материалам./ Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. М.: Энергоиздат, 1986.Том 1. 368 с.
4.Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. М.: Энергоатомиздат, 1987, Том 2. 364 с.
5.Диэлектрические резонатора/ Под ред. М.Е. Ильченко. М.: Радио и связь, 1989. 326 с.
6.Викторов Н.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. 156 с.
7.Справочник по электротехническим материалам/
159
Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Л.: Энергоатомиздат, 1988.Том 3 726 с.
8. Акустические кристаллы Справочник/ Под ред. М.П.Шальской. М.: Наука, 1982. 632 с.
160