2. Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях.

Отступление от закона Ома. В сильных электрических полях нару­шается пропорциональность между плот­ностью тока в полупроводнике и напряжен­ностью внешнего электрического поля. Это является следствием физических процессов, вызывающих изме­нение удельной проводимости полупровод­ника. Напряженность поля, которую можно условно принять за границу меж­ду областью слабых I и сильных II по­лей, называют критической E_кр. рис:

- зависимость уд проводимости полупроводников от напряженности Эл поля при различных температурах. Эта граница не является резкой к опреде­ленной и зависит от природы полупровод­ника, концентрации примесей и темпера­туры окружающей среды. Для выяснения физики явления изменения удельной проводимости полупроводника от напряженности поля рассмотрим предварительно влияние поли отдельно на подвижность и концентрацию носителей заряда в объеме полупроводника.

Влияние напряженности поля на подвижность носителей заряда.

В области сильных полей подвижность носителей заряда может как убывать, так и возрастать с увеличением напряжен­ности электрического поля Е.

На практике однако далеко не всегда удается наблюдать умень­шение проводимости полупроводников в сильном электрическом иоле вследствие снижения подвижности носителей заряда. Это объясняется тем, что в большинстве случаев возрастание напряженности поля при­водит к значительному увеличению концентрации носителей заряда.

рис. 4.26 схема поясняющая механизм термоэлеткронной ионизации.

Влияние напряженности поля на концентрацию носителей заряда. При напряженности электрического поля более 10⁶ В/м в полупровод­нике начинают появляться избыточные носители заряда и удельная проводимость его возрастает. Различают несколько механизмов увели­чения концентрации носителей.

1)Термоэлектронная ионизация. Внешнее электри­ческое поле изменяет вид потенциальных барьеров между атомами крис­таллической решетки2)Ударная ионизация. Свободный электрон, ускоряясь под действием большой напряженности электрического поля на длине свободного пробега, может накопить энергию, достаточную для иони­зации примеси или собственного атома полупроводника. 3)Туннельный эффект (или электростатичес­кая ионизация). Сильному электрическому полю в полупро­воднике соответствует большой наклон энергетических зон (рис. 4.27). В этих условиях электроны могут проходить сквозь узкий потенциаль­ный барьер (толщиной Δх) без изменения своей энергии — туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Эффект ГаннаК эффектам сильного поля, обусловленным изменением подвижности носителей заряда, относится также эффект Ганна, открытый в 1963 г. Сущность его заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряженности.

3. Оптические и лазерные материалы.

Лазер* представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А. Эйнштейном явление вынужденного(стимилированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля.

Основыми элементами на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки Активной средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований.

1) неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2) вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах;

3)матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного лучу, ослабляется его интенсивность;

4)материал основы должен обладать высокой нагревостойкость; и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки

5) матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетов го излучения ламп накачки;

6) материал должен быть технологичен, т. е. доступен для массово го производства цилиндрических стержней необходимых размеров.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения [окислы гранаты, вольфраматы, молибдаты, ниобаты, алюминаты цирко-наты и др.],

Основные требования к активатору сводятся к следующему:

1. Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкие сильные линии люминесценции.

2. Активатор должен создавать возбужденные метастабильные уровни (т. е. уровни с большим временем жизни), на которых можно накопить значительное количество электронов.

3. Ионы активатора должны вводиться в матрицу без нарушения ее оптической однородности, механической прочности и термостойкости.

Билет 6