Вклад Ж.И.Алферова в развитие оптической и квантовой электроники на примере полупроводникового лазера

Министерство сельского  хозяйства

ФГБОУ ВПО «Томская государственная сельскохозяйственная академия»

Кафедра энергообеспечения  сельского хозяйства

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

тема: «Вклад Ж.И.Алферова в развитие оптической и квантовой электроники на примере полупроводникового лазера»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск, 2012 г.

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

История развития энергетики 3

ЖОРЕС ИВАНОВИЧ АЛФЕРОВ: БИОГРАФИЯ. 5

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Ж.И. АЛФЕРОВА. 6

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ  ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА И РАЗВИТИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Ж.И. АЛФЕРОВА В БУДУЩЕМ. 9

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 14

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Развитие экономики любой  страны, на настоящем этапе развития цивилизации, невозможно без использования энергии. Наиболее универсальная форма энергии - электричество. Наличие энергии - одно из необходимых условий для решения практически любой задачи в современном мире.

Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии  лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии  предполагает ее получение в виде удобном для использования, а  само получение - только преобразование из одного вида в другой. Основой  энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и  газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества. [11].

История развития энергетики

Для истории развития энергетики характерны четыре основных периода.

Первый из них начался  в 1920 г., когда VIII Всероссийским съездом  Советов был принят план электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом предусматривалось  опережающее развитие энергетики, сооружение 30 крупных районных станций, использование  местных топлив, развитие централизованного  энергоснабжения, рациональное размещение электростанций на территории страны. Задания плана ГОЭЛРО были выполнены  уже в 1931 г.

За годы Великой Отечественной  войны выработка электроэнергии снизилась почти в два раза, около 60 крупных станций было разрушено, поэтому основной задачей второго периода развития энергетики (1940-1950 г.г.) было восстановление разрушенного энергетического хозяйства.

Для третьего этапа развития энергетики (1951-1965 г.г.) характерна концентрация энергоснабжения за счет создания объединенных энергосистем, строительство мощных тепловых электростанций, сооружение первых атомных станций.

Четвертый период (с 1966 г. по настоящее время) характеризуется  переходом к качественно новому уровню развития топливно-энергетического  комплекса. Внедряется блочная схема  компоновки электростанций, причем мощность блоков непрерывно повышается. Пар  сверхкритических параметров теперь используется не только на конденсационных электростанциях (КЭС), но и на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Формируется единая энергосистема  страны. [12].

В развитии современной энергетики большую роль играют научные разработки современных ученых, таких как Жорес Иванович Алферов.

 

ЖОРЕС ИВАНОВИЧ АЛФЕРОВ: БИОГРАФИЯ.

 

Жорес Иванович Алферов родился  в Белоруссии, в Витебске, 15 марта 1930 г. Необычное имя – Жорес  отец, старый большевик, дал ему в  честь Жана Жореса, основателя Французской  социалистической партии.

Во время Великой Отечественной войны семья Алфёровых переехала в Туринск (Свердловская область), где его отец работал директором целлюлозно-бумажного завода, и после её окончания вернулась в разрушенный войной Минск.

 Окончив с золотой медалью среднюю школу № 42 в Минске, Алферов по совету учителя физики Якова Борисовича Мельцерзона поехал поступать в ЛЭТИ¹, куда был принят без экзаменов.

На третьем курсе Алферов пошел работать в вакуумную лабораторию профессора Б.П. Козырева. Там он начал экспериментальную работу под руководством Наталии Николаевны Созиной. Со студенческих лет Жорес Иванович привлекал к участию в научных исследованиях других студентов. Так, в 1950 году полупроводники стали главным делом его жизни [2].

С 1953 года работал в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе, где был младшим научным сотрудником в лаборатории В. М. Тучкевича и принимал участие в разработке первых отечественных транзисторов и силовых германиевых приборов.

Кандидат физико-математических наук (1961). В 1970 году Алфёров защитил диссертацию, обобщив новый этап исследований гетеропереходов в полупроводниках, и получил степень доктора физико-математических наук.

В 1972 году Алфёров стал профессором, а через год — заведующим базовой кафедрой оптоэлектроники ЛЭТИ. С начала 1990-х годов Алфёров занимался исследованием свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек. С 1987 по май 2003 года — директор ФТИ им. А. Ф. Иоффе, с мая 2003 по июль 2006 года — научный руководитель. С 1988 г. (момента основания) декан физико-технического факультета СПбГПУ, который был создан совместно Ленинградским Политехническим институтом и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ), готовящим исследователей для работы в областях физики космоса, твердого тела, физики плазмы, микроэлектроники и полупроводниковых приборов [1].

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Ж.И. АЛФЕРОВА.

 

В начале 1950-х шли активные исследования полупроводниковых устройств – транзисторов, созданных в 1949 г. в США Дж. Бардиным, У.Браттейном и У. Б. Шокли. Одновременно проводились интенсивное изучение свойств полупроводников.

 

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия— кузкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. [3].

 

Перед лабораторией, в которой работал Алферов стояла задача: получение монокристаллов чистого германия и создание на его основе плоскостных диодов и триодов. При его участии были разработаны первые отечественные транзисторы и силовые германиевые приборы.

 

Транзистор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде. [4].

В полевых и биполярных транзисторах управление током в  выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или  тока. Небольшое изменение входных  величин может приводить к  существенно большему изменению  выходного напряжения и тока. Это  усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т.п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т.п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. [5].

 

После этого перед Ж.И. Алфёровым встал вопрос о выборе дальнейшего направления исследований. Накопленный опыт позволял ему перейти к разработке собственной темы. В те годы была высказана идея использования в полупроводниковой технике гетеропереходов. Создание совершенных структур на их основе могло привести к качественному скачку в физике и технике.

В то время во многих журнальных публикациях и на различных научных  конференциях неоднократно говорилось о бесперспективности проведения работ  в этом направлении, т.к. многочисленные попытки реализовать приборы  на гетеропереходах не приходили  к практическим результатам. Причина  неудач крылась в трудности создания близкого к идеальному перехода, выявлении  и получении необходимых гетеропар.

Но это не остановило Жореса Ивановича. В основу технологических  исследований им были положены эпитаксиальные методы, позволяющие управлять такими фундаментальными параметрами полупроводника, как ширина запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная  масса носителей тока, показатель преломления и т.д. внутри единого  монокристалла.

Для идеального гетероперехода подходили GaAs и AlAs, но последний почти мгновенно на воздухе окислялся. Значит, следовало подобрать другого партнера. И он нашелся тут же, в институте, в лаборатории, возглавляемой Н.А. Горюновой. Им оказалось тройное соединение AIGaAs. Так определилась широко известная теперь в мире микроэлектроники гетеропара GaAs/AIGaAs.

Ж.И. Алфёров с сотрудниками не только создали в системе AlAs – GaAs гетероструктуры, близкие по своим свойствам к идеальной модели, но и первый в мире полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. [2].

 

Гетероструктура (англ. heterostructure) — термин в физике полупроводников, обозначающий выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников, в общем случае отличающихся шириной запрещённой зоны. Между двумя различными материалами формируется гетеропереход, на котором возможна повышенная концентрация носителей, и отсюда — формирование вырожденного двумерного электронного газа.

В отличие от гомоструктур обладает большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и валентной зоны. Для роста используют много методов, среди которых можно выделить два: молекулярно-лучевая эпитаксия и MOCVD. Первый метод позволяет выращивать гетероструктуры с прецизионной точностью (с точностью до долей атомного монослоя). Второй же не отличается такой точностью, но по сравнению с первым методом обладает более высокой скоростью роста. Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для электронов и дырок в гетероструктурах. [6].

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА И РАЗВИТИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Ж.И. АЛФЕРОВА В БУДУЩЕМ.

 

Открытие Ж.И. Алфёровым идеальных гетеропереходов и новых физических явлений – «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах – позволило также кардинально улучшить параметры большинства известных полупроводниковых приборов и создать принципиально новые, особенно перспективные для применения в оптической и квантовой электронике.[2] 

Принцип действия полупроводникового лазера можно рассмотреть с помощью  рис. 1. на котором показаны валентная  зона полупроводника V, зона проводимости С и ширина запрещенной зоны Eg. Если предположить для простоты, что полупроводник находится при температуре Т = 0 К, то валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет пуста (см. рис 1а, где заштрихованная область является областью заполненных состояний). [8, 9]

Предположим теперь, что электроны каким-либо образом переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри этой зоны электроны за очень короткое время ( ~ 10 с) перейдут на ее самый нижний уровень, а электроны вблизи максимума валентной зоны также перейдут на самые нижние из незанятых уровней, так что верхушка валентной зоны будет заполнена дырками.

Отсюда следует, что между  валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия населенностей (рис. 1б). Электроны из зоны проводимости сваливаются назад в валентную зону (т.е. они рекомбинируют с дырками), испуская при этом фотон (рекомбинационное излучение). [7, 8, 9]

Рис.1 Принцип действия полупроводникового лазера

 

Если между зоной проводимости и валентной зоной существует инверсия населенностей как показано на рис. 1б, то процесс вынужденного рекомбинационного излучения приведет к генерации при наличии подходящего резонатора и выполнении соответствующих пороговых условий.

Лазерную генерацию на основе вынужденного рекомбинационного излучения в полупроводниковых p-n-переходах наблюдали почти одновременно четыре группы исследователей в I962 г, причем три из них использовали GaAs.

И настоящее время создано  большое количество полупроводниковых  лазеров различных типов; охлаждаемых и неохлаждаемых с различными схемами возбуждения, на различных материалах: ZnS; ZnO; ZnSe; CdS; CdTe; GaSe; GaTe; GaAs; GaAs _1-xSbx; Al _1-xGa _xAs; GaSb; PbS; PbSe; PbTe; InSb; и т.д. Эти лазеры перекрывают значительный диапазон длин волн от ультрафиолета до дальней инфракрасной области: 0,33; 0,37; 0,46; 0,49; 0,53; 0,59; 0,63...0,9; 0,78; 0,83...0,91; 0,9...1,5; 1,01...1,55; 2,1; 3,1; 3,1...5,4; 3...15; 4,3; 5,2; 6,5; 39...8,5; 6; 28; 8...31,2 и т. д. Большим их достоинством являются малые габариты и высокий КПД (около 80%). Полупроводниковые лазеры из-за особенностей энергетической структуры активного вещества существенно отличаются от лазеров других типов.[10].