• Області, основні розділи і напрямки електроніки
  • Вакуумна електроніка
  • Твердотельная електроніка
  • Історична довідка.
  • Колективні взаємодії.
  • Відмінності і переваги плазмової електроніки.
  • Релятивістська плазмова електроніка.
  • Фізичні основи квантової електроніки.
  • Історичний нарис.
  • Застосування квантової електроніки
  • Коротка історична довідка.
  • Фізичні основи напівпровідникової електроніки.
  • Особливості ПП виробництва.
  • Продукція напівпровідникової електроніки.
  • Перспективи розвитку.
  • Список використаної літератури
  • Питання для самоперевірки
  • Розробка RTL-моделі розширювача ліній введення-виведення мікроконтролера




    Скачати 69.65 Kb.
    Дата конвертації04.05.2017
    Розмір69.65 Kb.
    ТипКурсова робота (т)

    зміст

    Вступ

    поняття електроніки

    Області, основні розділи і напрямки електроніки

    плазмова електроніка

    квантова електроніка

    напівпровідникова електроніка

    Список використаної літератури

    Питання для самоперевірки

    Вступ

    У сьогоднішньому світі величезну роль грає електроніка та електронні прилади. Сьогодні все електротехнічне стало таким же звичайним як біологічне. Навіть більше того - сьогодні деякі школярі ніколи не бачили живу курку або кінь, але всі вони бачили і добре знають комп'ютер та інтернет. Це анітрохи не парадоксально просто кілька десятків років тому ситуація була докорінно іншою. Але сьогодні складно уявити, як людство обходилося без комп'ютерів, інтернету, та й простих електричних лампочок. Використання передових технологій дозволило людству вийти на новий рівень існування. За цією наукою майбутнє - з часом електронні засоби дозволять створити такі речі як електромобілі або нові покоління обчислювальних пристроїв - надпотужні комп'ютери і ноутбуки.

    поняття електроніки

    Поняття електроніка включає в себе таку розлогу область людської діяльності, що тільки простий перелік її розділів зайняло б занадто багато місця. Однак у всіх цих розділах є загальне: фізичною основою електроніки є рух електронів і закони цього руху. Електроніка - найважливіша складова сучасної технічної цивілізації; важко навіть уявити собі, як виглядав би наш світ без електронних пристроїв (ЕУ). ЕУ розраховують графіки руху поїздів і результати наукових досліджень, управляють автоматичними верстатами і складанням автомобілів, накопичують інформацію і перетворюють її в форму, зручну для сприйняття людиною.

    Але, мабуть, найближча всім нам область застосування електроніки - це передача інформації. Сьогодні здається абсолютно природним, що в кожному будинку по вечорах спалахують блакитні екрани телевізорів, що можна включити радіоприймач, щоб дізнатися останні новини і зведення погоди, що магнітофон дає можливість почути записи виступів улюблених співаків та музикантів, що у всіх куточках нашої неосяжної Батьківщини завжди є сьогоднішні газети і що телеграма від Москви до Хабаровська йде лічені години. Все це досягається завдяки бездоганній роботі ЕУ - передавачів і приймачів інформації. Лінії зв'язку складні і різноманітні, вони включають в себе численні проміжні пункти обробки інформації, в тому числі і розташовані на штучних супутниках Землі.

    Вихід людства в навколоземний космічний простір також нерозривно пов'язаний з електронікою. ЕУ здійснюють контроль за підготовкою космічних кораблів до старту і за їх польотом, забезпечують стиковку кораблів на орбіті, посадку і пошук спускаються. В останньому випадку використовуються спеціальні ЕУ - радіолокатори, періодично посилають радіохвилі, т. Е. Пучки електромагнітної енергії, і по їхньому відображенню від предметів визначають напрямок руху космічних об'єктів і відстань до них.

    В останні роки з'явилися нові класи ЕУ, засновані на законах так званої квантової електроніки. Це широко відомі лазери - генератори когерентних світлових і радіохвиль. Діапазон застосування лазерів дуже широкий - від дослідження поверхні Місяця до дуже точної зварювання металів в промисловості або надточних операцій на сітківці ока в медицині.

    З появою лазерів пов'язано і виникнення в середині 60-х рр. нового напряму в області електроніки - оптоелектроніки, що використовує оптичну (фотонну) зв'язок для передачі інформації. Оптична зв'язок має ряд переваг перед електричної зв'язком. Через електричної нейтральності фотонів в оптичному каналі зв'язку не порушуються електричні і магнітні поля, супутні протіканню електричного струму. Іншими словами, фотони не створюють перешкод в лініях зв'язку.

    Передача інформації за допомогою світлового променя не супроводжується накопиченням і розсіюванням електромагнітної енергії в лінії, і це забезпечує швидкодію передачі інформації і мінімальний рівень її спотворення. Висока частота оптичних коливань (10м - 1015 Гц) обумовлює і великий обсяг інформації, і її швидкодію, а мінімальна довжина хвилі (до 10 ~ 4 - 10 5 см) надає можливість для микроминиатюризации передавальних і приймальних пристроїв. Основні елементи оптоелектроніки: джерела світла (лазери, світлодіоди), оптичні середовища (активні і пасивні) і фотоприймачі.

    Не так давно з'явилася нова перспективна, область електроніки - створення і застосування в різних галузях техніки акустоелектронних пристроїв.

    Говорячи про електроніку, не можна не сказати особливо про важливу роль електронних обчислювальних машин. ЕОМ все ширше проникають в усі сфери діяльності людини, здійснюючи в них справжню революцію завдяки високій точності обробки інформації та величезному швидкодії: сучасні ЕОМ здатні виконувати кілька мільйонів операцій в секунду. Вони не тільки звільняють людину від трудомісткої роботи по збору та обробці інформації, але і дають можливість отримати принципово нові результати праці. Прикладом може служити використання ЕОМ на заводах з виробництва особливо чистих матеріалів, які є основою сучасної електронної промисловості: жодна людина - оператор не впорався б з керуванням складними технологічними процесами.

    Електроніка - найбільш швидко розвивається галузь людської діяльності, і в сучасних умовах від рівня її розвитку значною мірою залежать успіхи науково-технічного прогресу.

    Області, основні розділи і напрямки електроніки

    Електроніка включає в себе три області досліджень:

    . вакуумну електроніку;

    . твердотельную електроніку;

    . квантову електроніку.

    Кожна область поділяється на ряд розділів і ряд напрямів.

    Розділ об'єднує комплекси однорідних фізико-хімічних явищ і процесів, які мають фундаментальне значення для розробки багатьох класів електронних приладів даної області.

    Напрямок охоплює методи конструювання і розрахунків електронних приладів, родинних по принципам дії або по тих функцій, а також способи виготовлення цих приладів.

    Вакуумна електроніка містить наступні розділи:

    . емісійна електроніка, що охоплює питання термоеміссіі, вторинної електронної емісії, тунельної емісії, дослідження катодів і антіеміссіонних покриттів;

    . формування потоків електронів і потоків іонів, управління цими потоками;

    . формування електромагнітних полів за допомогою резонаторів, систем резонаторів, що уповільнюють систем, пристроїв введення та виведення енергії;

    . електронна люмінесценція (катодолюмінесценція);

    . фізика і техніка високого вакууму (його отримання, збереження і контроль);

    . теплофізичні процеси (випаровування в вакуумі, формозміна деталей при циклічному нагріванні, руйнування поверхні металів при імпульсному нагріванні, відведення тепла від елементів приладів);

    . поверхневі явища (утворення плівок на електродах і ізоляторах, неоднорідностей на поверхнях електроду);

    . технологія обробки поверхонь, в т. ч. електронна, іонна і лазерна обробка;

    . газові середовища - розділ, що включає питання отримання і підтримки оптимального складу і тиску газу в газорозрядних приладах.

    Основні напрямки вакуумної електроніки охоплюють питання створення електровакуумних приладів (ЕВП) наступних видів:

    електронних ламп (діодів, тріодів, тетродов, пентодов і т. д.);

    ЕВП СВЧ (магнетронів, клистронов і т. П.);

    фотоелектронних приладів (фотоелементів, фотоелектронних помножувачів), рентгенівських трубок;

    газорозрядних приладів (потужних перетворювачів струму, джерел світла, індикаторів).

    Твердотельная електроніка містить наступні розділи, пов'язані в основному з напівпровідникової електронікою:

    . вивчення властивостей напівпровідникових матеріалів, вплив домішок на ці властивості;

    . створення в кристалі областей з різною провідністю методами епітаксіального вирощування, дифузії, іонного впровадження (імплантації), впливом радіації на напівпровідникові структури;

    . нанесення діелектричних і металевих плівок на напівпровідникові матеріали, розробка технології створення плівок з необхідними властивостями і конфігурацією;

    . дослідження фізичних і хімічних процесів на поверхні напівпровідників;

    . розробка способів і засобів отримання і вимірювання елементів приладів мікронних і субмікронних розмірів (нанотехнологія).

    Основні напрямки напівпровідникової електроніки пов'язані з розробкою і виготовленням різних видів напівпровідникових приладів:

    напівпровідникових діодів (випрямних, змішувальних, параметричних, стабілітронів); підсилюючих і генераторних діодів (тунельних, лавинно-пролітних, діодів Ганна); транзисторів (біполярних і уніполярних), тиристорів, оптоелектронних приладів (світловипромінювальних діодів, фотодіодів, фототранзисторів, оптронів, світлодіодних і фотодіодних матриць), інтегральних схем;

    діелектрична електроніка, що вивчає електронні процеси в діелектриках (зокрема, в тонких діелектричних плівках) і їх використання, наприклад, для створення діелектричних діодів, конденсаторів;

    магнітоелектроніки, що використовує магнітні властивості речовини для управління потоками електромагнітної енергії за допомогою феритових вентилів, циркуляторов, фазовращателей і т. д., і для створення запам'ятовуючих пристроїв, в т. ч. на магнітних доменах;

    акустоелектроніка і пьезоелектроніка, які розглядають питання поширення поверхневих і об'ємних акустичних хвиль і створюваних ними змінних електричних полів в кристалічних матеріалах і взаємодії цих полів з електронами в приладах з полупроводниково-п'єзоелектричній структурою (кварцевих стабілізаторах частоти, п'єзоелектричних фільтрах, ультразвукових лініях затримки, акустичних підсилювачах і т . д.);

    криоелектроніка, що досліджує зміни властивостей твердого тіла при глибокому охолодженні для побудови малошумливих підсилювачів і генераторів СВЧ, надшвидкодіючих обчислювальних і запам'ятовуючих пристроїв;

    розробка і виготовлення резисторів.

    Найбільш важливі напрямки квантової електроніки - створення лазерів і мазерів.

    На основі приладів квантової електроніки будуються пристрою для точного вимірювання відстаней (далекоміри), квантові стандарти частоти, квантові гіроскопи, системи оптичної багатоканальної зв'язку, далекого космічного зв'язку, радіоастрономії. Енергетичний вплив лазерного концентрованого випромінювання на речовина використовується в промисловій технології. Лазери знаходять різне застосування в біології та медицині.

    плазмова електроніка

    Плазмова електроніка - розділ фізики плазми, що вивчає колективні взаємодії щільних потоків (пучків) заряджених частинок з плазмою і газом, що призводять до порушення в системі лінійних і нелінійних електромагнітних хвиль і коливань, і використання ефектів такої взаємодії.Прикладні завдання, які ставить і вирішує плазмова електроніка, визначають її основні розділи: плазмова СВЧ-електроніка, що вивчає порушення в плазмі інтенсивного когерентного електромагнітного випромінювання, починаючи від радіо - і аж до оптичного діапазону довжин хвиль; плазмові прискорювачі, засновані на явищі колективного прискорення важких заряджених частинок електронними пучками і хвилями в плазмі; плазменно-пучкових розряд, заснований на колективному механізмі взаємодії щільних пучків заряджених частинок з газом; турбулентний нагрів плазми щільними пучками заряджених частинок і колективні процеси при транспортуванні і фокусуванні пучків в проблемі УТС; нерівноважна плазмохімія, що вивчає процеси утворення збуджених молекул, атомів і іонів при колективному взаємодії пучків заряджених частинок з газом і плазмою.

    Історична довідка. Плазмова електроніка виникла після відкриття А.І. Ахиезером і Я.Б. Файнберг (1948), Д. Бомом і Е. Гроссом явища пучкової нестійкості, що представляє собою вимушене черенковское випромінювання щільним моноенергетичного пучком електронів поздовжніх електромагнітних хвиль в плазмі. Одним з основних напрямків колективних методів прискорення, основи яких були закладені роботами радянських вчених В.І. Векслера, Г.І. Будкера і Я.Б. Файнберга, є метод прискорення електронів та іонів хвилями щільності заряду в плазмі і некомпенсованих пучках заряджених частинок, запропонований Я.Б. Файнберг в 1956. У 1965 Є.К. Завойський і Я.Б. Файнберг запропонували використовувати електронні пучки і порушувані ними електромагнітні хвилі для пучкового і турбулентного нагріву плазми. Ідея турбулентного нагріву плазми дозволила Є.К. Завойський в 1969 році сформулювати основні принципи инерциального електронного УТС. У 70-х рр. Д.Д. Рютовим був запропонований нагрів плазми релятивістськими пучками в відкритих пастках.

    Паралельно виникли і розвивалися напрямки, пов'язані зі слабоіонізованная плазмою. Відкриття плазменно-пучкового розряду (1961) послужило основою створення нових джерел плазми, що використовують енергію щільних електронних пучків для іонізації газу. Створювана в таких джерелах плазма виявилася сильно нерівноважної з великим числом збуджених іонів, атомів і молекул в метастабільних станах, що ініціюють ряд нових типів плазмохимических реакцій. Нерівноважна плазма пучкового розряду є робочою речовиною в плазмохимических реакторах з розділення ізотопів, в квантових генераторах когерентного випромінювання - плазмових лазерах і Мазер і ін.

    Колективні взаємодії. Всі напрямки плазмової електроніки базуються на колективних взаємодіях потоків заряджених частинок з плазмою і порушення сильних електромагнітних полів. В основі колективної взаємодії лежать елементарні процеси випромінювання і поглинання електромагнітні випромінювання зарядженими частинками: одночасткову і колективний ефекти Черенкова, нормальний і аномальний ефекти Доплера, циклотронний і синхротронне випромінювання і поглинання, ондуляторное випромінювання, параметричне резонансне випромінювання, перехідне випромінювання, томсоновское і комптонівське розсіювання, Мандельштама - Бріллюена розсіяння і ін. Якщо в плазмі певна група частинок робить впорядкований рух, то при доста очно великий їх щільності має місце колективне випромінювання електромагнітних хвиль: частина енергії впорядкованого руху переходить в енергію електромагнітного випромінювання. Саме так відбувається в плазмових підсилювачах і генераторах електромагнітних хвиль. У свою чергу, в регулярних полях збуджених в плазмі хвиль сторонні заряджені частинки можуть придбати впорядковану енергію (колективне прискорення). У нерегулярних полях з відносно широким спектром плазмових хвиль заряджені частинки набувають неупорядковану енергію внаслідок поглинання цих хвиль і відбувається нагрів плазми. Оскільки пучки заряджених частинок можуть мати дуже велику кінетичну енергію, то і нагрів плазми може бути значним, аж до термоядерних температур. Таке можливо, однак, тільки в разі сильно іонізованої плазми. У слабоіонізованная плазмі істотна частина енергії передається нейтральних атомів і молекул, в результаті чого відбувається їх розігрів, збудження, дисоціація і іонізація. Ці процеси, в свою чергу, ініціюють новий тип розряду, плазменно-пучкових розряд, нові типи хімічних реакцій (плазмово-хімічних реакцій), а також визначають роботу нового типу квантових генераторів - плазмових лазерів і мазерів, заснованих на переходах в іонних і літій- молекулярних рівнях енергій.

    Відмінності і переваги плазмової електроніки. Подібно вакуумної і квантової електроніки плазмова електроніка заснована на явищі індукованого (вимушеного) випромінювання і поглинання електромагнітних хвиль зарядженими частинками в плазмі. Але якщо вакуумна електроніка розглядає випромінювання потоків заряджених частинок, що рухаються в електродинамічних структурах - металевих або діелектричних хвилеводах і резонаторах, то плазмова електроніка досліджує випромінювання потоків заряджених частинок, що рухаються в плазмі, в плазмових хвилеводах і резонаторах. Частота електромагнітні випромінювання в вакуумній електроніці визначається кінцевими геометричними розмірами хвилеводів і резонаторів, а в квантовій електроніці - дискретністю енергетичних рівнів випромінювачів (збуджених атомів і молекул); тому генератори когерентного електромагнітного випромінювання в вакуумній і в квантовій електроніці вузькосмуговими, міняти їх частоту плавно практично неможливо. У плазмових приладах частота залежить не тільки від геометричних розмірів хвилеводів і резонаторів, а й від щільності плазми, тому випромінювачі в плазмової електроніці багатомодові; змінюючи щільність плазми, можна змінювати частоти в широкому інтервалі. У цьому полягає одна з істотних відмінностей і переваг плазмової електроніки. Так, наприклад, частота поздовжніх ленгмюровских коливань холодної ізотропної плазми (в системі од. CGSE) де n р - щільність плазми. При зміні реально використовуваної щільності плазми в межах (1010 - 1C19) см-3 можна порушувати хвилі довжиною (10-3 - 102) см, що перекриває всю смугу СВЧ від субміліметрового і до дециметрового діапазону. При накладенні на плазму зовнішнього магнітного поля діапазон частот власних люд електромагнітних коливань плазми розширюється.
    Дисперсійне рівняння збудження хвиль моноенергетичного перелятівістскім електронним пучком в найпростішому випадку холодної ізотропної плазми, записується у вигляді


    Тут - ленгмюровских частота електронів пучка, n b - щільність, і - швидкість пучка, k - хвильовий вектор, - комплексна частота, дійсна частина якої являє частоту збуджених поздовжніх коливань поля, а уявна частина - інкремент наростання їх амплітуди.

    Якщо п р п ь, то, як випливає з рішення рівняння (1), частота наростаючих в часі коливань


    Зі співвідношення (2) видно, що механізмом розгойдування коливань є ефект Черенкова - швидкість пучка знаходиться в резонансі з фазової швидкістю хвилі, але дещо більше останньої. Розгойдування коливань відбувається з инкрементом, рівним до тих пір, поки швидкість пучка не зменшиться до швидкості хвилі. Звідси можна знайти амплітуду насичення поля хвилі:

    Друга відмінність плазмової електроніки від вакуумної полягає в тому, що якщо в останній збуджуються поверхневі хвилі, або основні моди електромагнітних коливань діелектричних хвилеводів і резонаторів, то в плазмової електроніці відбувається також ефект збудження високих об'ємних мод з набагато меншою геом. розмірів плазмових хвилеводів і резонаторів. Максимальна досяжна напруженість електричного поля в плазмі - швидкість світла) і при щільності плазми n p (10141018) см-3 становить 107109 В / см. В такому полі дуже ефективно будуть прискорюватися заряджені частинки до високих енергій на відносно малих довжинах (на довжині ~ 100 см частки можуть прискорюватися до ~ 103 МеВ). Суттєвим є і те, що при порушенні високих мод об'ємних коливань послаблюється можливість пробоїв на стінках плазмових хвилеводів і резонаторів.

    Основна перевага плазмової електроніки перед вакуумної - пропускати пучки з великими струмами. У вакуумних системах струми пучків обмежені зверху просторовим зарядом. Наприклад, через вакуумний циліндричний хвилевід радіуса R можна транспортувати трубчастий електронний пучок з струмом, що не перевищує


    Тут - релятивістський фактор, - кінетична енергія електрона, r b - середній радіус пучка товщиною
    При русі потоків заряджених частинок в плазмі відбувається компенсація об'ємного заряду і струму індукованими в плазмі полями і струмами. Завдяки цьому в плазмових системах можливе досягнення великих струмів, а й тут існує верхня межа, який визначається стійкістю пучка


    З (5) видно, що для пучка з енергією 1 МеВ граничний плазмовий струм I п досягає 100 кА, а потужність пучка - 100 ГВт, що набагато перевищує граничні значення в вакуумних системах. При цьому компенсувати по заряду пучки більш однорідні по перетину і тому більш ефективно взаємодіють з електромагнітними хвилями в плазмі. В результаті істотно підвищується ефективність збудження електромагнітних хвиль потоками заряджених частинок, і досягаються значно більші потужності випромінювання, ніж у вакуумній електроніці. У 70-х рр. з'явилися джерела потужних високоенергетичних електронних і іонних пучків (енергія частинок ~ 1 МеВ, струми ~ 10 5 - 106 А). При тривалості імпульсу ~ 10 -7 с повна енергія в таких пучках> 10 6 Дж, що цілком достатньо для ініціювання термоядерної спалаху в дейтерій-тритієвих мішенях міліметрового діаметра. Інерційних УТС з використанням інтенсивних іонних пучків вважається одним з найбільш перспективних і інтенсивно розвивається.

    Релятивістська плазмова електроніка. Потужні мегавольтної електронні пучки відкрили нові перспективи перед плазмової електронікою, пов'язані з релятивізмом електронів. Розвитку релятивістської плазмової електроніці сприяло теоретичний доказ збільшення з ростомеффектівності плазменно-пучкового взаємодії


    незважаючи на зменшення лінійного инкремента Imw - Електромагнітні коливання і хвилі в плазмі мають найрізноманітнішими фазовими швидкостями. У плазмі існують коливання, фазова швидкість яких набагато менше швидкості світла і навіть теплової швидкості частинок; до їх числа відносяться ленгмюровских коливання, іонно-звукові і альфеновскіе хвилі і ін. Такі хвилі легко збуджуються нерелятивістському пучками заряджених частинок. Але, володіючи малими фазовими швидкостями, такі хвилі замкнені в плазмі, які не випромінюються, а згодом диссипирует, поглинаючись частками плазми. Саме тому збудження повільних хвиль в плазмі нерелятивістському пучками заряджених частинок є ефективним каналом для пучкового нагрівання плазми.

    З іншого боку, в плазмі існують і швидкі електромагнітні хвилі, фазова швидкість яких Особливо багато таких електромагнітних хвиль в плазмі, що знаходиться в сильному зовнішньому магнітному полі. Очевидно, що порушення швидких хвиль в плазмі можливо лише інтенсивними релятивістськими електронними пучками. Тому з появою потужних джерел релятивістських електронних пучків стала бурхливо розвиватися релятивістська плазмова СВЧ-електроніка.

    Релятивістські швидкості і великі струми змінюють характер взаємодії сільноточних релятивістських електронних пучків з плазмою.Той факт, що при навіть значить. втрати енергії електронів не порушують умова черепковского резонансу, проявляється в збільшенні ККД генерації електромагнітного випромінювання (6). Ця оцінка справедлива, поки При великих токах пучка величину вдається визначити тільки чисельно. В оптимальних умовах, коли геометрії пучка і плазми збігаються, значення h досить високі і повільно спадають з ростом струму пучка (рис.).


    Залежність ККД генерації електромагнітного випромінювання в плазмовому генераторі з релятивістським пучком від струму пучка I b.

    При 1 МеВ і I b = 2 I 0 25 кА (в пучку з 0,15 см при цьому п b 5 x 1012 см-3) 0,2, тобто близько 20% електричної енергії пучка може перейти в енергію електромагнітного випромінювання; потужність випромінювання складе 5 ГВт. Оскільки фазова швидкість електромагнітних хвиль при цьому дуже близька до швидкості світла, все випромінювання практично без втрат буде виходити з плазми (втрати внаслідок відображення від поверхні плазми не перевищують 2,5%).

    Частота генерується випромінювання в разі дається формулою:


    Тут - поперечне хвильове число порушуємо пучком плазмової електромагнітної хвилі. У разі порушення аксіально-симетричних мод коливанні в плазмі з трубчастої геометрією, що збігається з геометрією пучка (r ь = r р,), маємо

    З формул (7) і (8) слідують вельми важливі висновки. За умови


    в системі буде порушуватися одна єдина основна мода коливань, частота якої зростає зі збільшенням щільності плазми; т. е. частота, на відміну від вакуумної електроніки, не жорстко пов'язана з розмірами резонатора, а може змінюватися в широкому діапазоні. Для зазначених вище параметрів плазми і пучка 2,5 x 1011 с-1 (що відповідає довжині хвилі 8 мм) при "рмакс 5 x 1013 см-3. Оскільки фазова швидкість порушуємо хвилі близька до швидкості світла, поле хвилі сильно непотенційного, причому енергія поля становить 20% від енергії пучка. А це означає, що напруженість поля досягає величини Е макс = 3 x 106 в / см; таке поле може забезпечити прискорення заряджених частинок в плазмі до енергії 300 МеВ на довжині 100 см, що безумовно є ще одним перевагою потужнострумової релятивістської плазмової електроніки.

    Таке високоефективне збудження електромагнітного випромінювання, так само як і ефективне прискорення заряджених частинок, хвилями в плазмі, можливо тільки в умовах одномодового збудження, т. Е. В умовах (9). Якщо ж щільність плазми дуже велика, так що виконується нерівність для великого числа мод коливань, то в плазмі відбувається збудження многомодового випромінювання, яке швидко поглинається електронами плазми і призводить до їх розігріву. КПР перетворення енергії пучка в енергію многомодового випромінювання при цьому залишається тим самим (6), що дозволяє дати оцінку розігріву електронів плазми потужнострумових релятивістським електронним пучком:

    Для наведених вище параметрів пучка при п р 1015 см-3 маємо Т е 500 еВ (5 x 106К), що свідчить про можливість нагріву плазми Потужнострумові пучками електронів до високих термоядерних температур і ініціювання термоядерних реакцій.

    Потужнострумові релятивістські електронні пучки мають ще одну перевагу. Вони можуть ініціювати плазменно-пучкових розряд і створювати плазму високої щільності в різних плазмохимических реакторах. Володіючи великою енергією в цілому, релятивістські електронні пучки здатні забезпечити великий вихід в одному імпульсі і високу середню потужність при використанні пучків імпульсно-періодичних режимів. А висока енергія електронів обумовлює хорошу однорідність плазмохимических реакторів навіть при дуже великому тиску газу в них, набагато перевищують атмосферний. Саме завдяки таким перевагам на плазменно-Пучкова розряді з використанням потужнострумових релятивістських електронних пучків реалізовані хімічні лазери на воднево-фтористих сумішах, дають когерентне випромінювання на довжині хвилі 3 мкм з енергією до декількох кДж в імпульсі тривалістю 100 нс і володіють ккд по відношенню до енерговклада пучка в газ до 700%. Створено ексимерні плазмові лазери на сумішах Аr + Fr + Кr субмикронного діапазону довжин хвиль з енергією до 1 кДж в імпульсі длітельностью40 нс і ккд до 10%.

    Релятивістська плазмова електроніка, особливо експериментальна, зробила тільки перші кроки. Теорія вже сформулювала ряд цікавих фізичних проблем, пов'язаних з релятивізмом і Потужнострумові пучків, які вимагають експериментів дослідження. Проте, багато невирішених проблем залишилося й у теорії, і в першу чергу дослідження різних механізмів взаємодії електронних пучків з плазмою.

    електроніка квантовий вакуумний плазмовий

    квантова електроніка

    Квантова електроніка, галузь фізики, що вивчає методи посилення і генерації електромагнітних коливань, засновані на використанні ефекту вимушеного випромінювання, а також властивості квантових підсилювачів і генераторів і їх застосування. Практичний інтерес до квантових генераторів світла (лазерів) обумовлений, перш за все, тим, що вони, на відміну від ін. Джерел світла, випромінюють світлові хвилі з дуже високою спрямованістю і високоюмонохроматичністю. Квантові генератори радіохвиль відрізняються від ін. Радіопристроїв високою стабільністю частоти коливань, що генеруються, а квантові підсилювачі радіохвиль - гранично низьким рівнем шумів.

    Фізичні основи квантової електроніки. Світло і радіохвилі є електромагнітним випромінюванням, порції якого кванти (або фотони) можуть випускатися атомами, молекулами і ін. Квантовими системами, що володіють деякою надлишковою внутрішньою енергією (збудженими частками). Внутрішня енергія атома (або молекули) може приймати тільки деякі строго певні дискретні значення, звані рівнями енергії. Зменшення внутрішньої енергії означає перехід атома з більш високого рівня енергії на більш низький. Якщо при цьому надлишок енергії віддається у вигляді кванта випромінювання, то частота випромінюваних хвиль n визначається умовою Бора:

    n =, (1)

    де h = 6,62 × 10 -27 ерг × сік - Планка постійна. Аналогічно збільшення внутрішньої енергії атома означає його перехід з нижнього рівня E 1 на верхній E 2. Якщо це збільшення пов'язане з поглинанням кванта випромінювання, то частота поглинається випромінювання визначається тим же умовою (1). Т. о., Умова (1) визначає частоту спектральної лінії поглинання або випромінювання, характерну для даних часток. Взаємодія частинок з оточуючими їх частками і полями, а також "стислість їх життя на рівні" призводять до "розмиття" рівнів енергії. В результаті умова (1) виконується не для одного фіксованого значення частоти n, а для інтервалу значень частот, при цьому спектральні лінії набувають ширину.

    Збуджені частки можуть віддавати свою енергію у вигляді квантів випромінювання двома способами. Збуджені частки нестійкі, і для кожної з них існує певна ймовірність мимовільно (спонтанно) випустити квант випромінювання. Акти спонтанного випускання відбуваються випадково. Тому спонтанне випромінювання носить хаотичний характер. Фотони випускаються різними частинками в різні моменти часу, мають різну частоту, поляризацію і напрям поширення. Інтенсивність спонтанного випромінювання пропорційна кубу частоти і тому різко падає при переході від світлових хвиль до радіохвиль. Все нелазерні джерела світла (лампи розжарювання, газорозрядні лампи тощо) випромінюють світло в результаті актів спонтанного випромінювання. У радіодіапазоні такий же характер мають шуми електронних пристроїв і теплове радіовипромінювання нагрітих тел.

    Збуджені частки можуть випускати фотони, переходячи з верхнього рівня енергії E 2 на нижній рівень E 1 не тільки мимоволі, але і під впливом зовнішнього випромінювання (вимушено), якщо частота цього зовнішнього випромінювання задовольняє умові (1). Імовірність вимушеного випускання, передбаченого А. Ейнштейном (1917), пропорційна інтенсивності змушує випромінювання і може перевершувати вірогідність спонтанного процесу. Т. о., В процес вимушеного випускання залучені два кванта випромінювання: первинний, що змушує, і вторинний, випущений збудженим атомом. Істотно, що вторинні кванти не відрізняються від первинних. Вони мають в точності такий же частотою, фазою, поляризацією і напрямом поширення. На цю особливість вимушеного випромінювання, що має основоположне значення для квантової електроніки, вперше вказав П. Дірак (1927). Тотожні кванти формують електромагнітну хвилю, яка є точною посиленою копією вихідного випромінювання. З ростом числа актів вимушеного випускання в 1 сек інтенсивність хвилі зростає, а її частота, фаза, поляризація і напрям поширення залишаються незмінними. Відбувається когерентне посилення електромагнітного випромінювання.

    Для однієї частки вимушені переходи з верхнього рівня E 2 енергії на нижній E 1 і з нижнього на верхній однаково ймовірні. Тому когерентне посилення хвилі можливе лише при перевищенні числа збуджених часток над незбудженими. В умовах рівноваги термодинамічної число збуджених часток менше числа збудженому, т. Е. Верхні рівні енергії населені частками менше, ніж нижні, відповідно до розподілу Больцмана частинок за рівнями енергії. При взаємодії випромінювання з такою речовиною станеться поглинання випромінювання.

    Щоб отримати ефект посилення, необхідно приймати спеціальні заходи для того, щоб число збуджених часток перевищувало число збудженому. Стан речовини, при якому хоча б для двох рівнів енергії частинок верхній рівень виявився більш населеним, ніж нижній, називається станом з інверсією населенностей. Така речовина в квантовій електроніці називається активним (активним середовищем). У квантовій електроніці використовується вимушене випромінювання в активному середовищі для посилення (квантовий підсилювач) і генерації (квантовий генератор) електромагнітних хвиль. Необхідна для генерації зворотний зв'язок здійснюється приміщенням активного середовища в об'ємний резонатор, в якому можуть збуджуватися стоячі електромагнітні хвилі. В якійсь точці резонатора неминуче відбувається спонтанний перехід частки активного середовища з верхнього рівня на нижній, т. Е. Мимовільно випускається фотон. Якщо резонатор налаштований на частоту цього фотона, то фотон не виходить з резонатора, а, багаторазово відбиваючись від його стінок, породжує безліч собі подібних фотонів, які, в свою чергу, впливають на активну речовину, викликаючи все нові акти вимушеного випускання таких же фотонів ( зворотний зв'язок), в результаті такого "розмноження" фотонів в резонаторі накопичується електромагнітна енергія, частина якої виводиться назовні за допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, напівпрозорого дзеркала для світлових хвиль). Якщо в якийсь момент потужність вимушеного випромінювання перевищує потужність втрат енергії на нагрів стінок резонатора, розсіяння випромінювання і т.п., а також на корисне випромінювання в зовнішній простір (т. Е. Якщо виконані умови самозбудження), то в резонаторі виникають незгасаючі коливання, т. е. збуджується генерація.

    В силу властивостей вимушеного випромінювання ці коливання монохроматічни.Всі частинки активної речовини працюють синфазно. Їх змушує працювати синфазно зворотний зв'язок. Значення частоти такого генератора з високим ступенем точності збігається з частотою випромінювання збуджених часток, хоча воно істотно залежить також від розладу частоти резонатора відносно частоти випромінювання частинок. Інтенсивність генерації визначається числом порушуваних частинок в сек в кожному см 3 активного середовища. Якщо число таких частинок L, то максимально можлива потужність Р безперервного випромінювання в см 3 середовища складає:

    = L h n (2)

    Історичний нарис. Незважаючи на те, що положення Ейнштейна і Дірака про вимушене випромінюванні формувалися стосовно оптики, розвиток квантової електроніки почалося в радіофізиці. В умовах термодинамічної рівноваги оптичні (верхні) рівні енергії практично не заселені, збуджених часток в речовині дуже мало і на нижні рівні енергії вони переходять спонтанно, так як при малих щільності світлової енергії спонтанні переходи більш вірогідні, ніж вимушені. Тому, хоча поняття монохроматичности виникло в оптиці, саме в оптиці були відсутні строго гармонійні коливання і хвилі, т. Е. Коливання з постійними амплітудою, частотою і фазою. У радіофізики, навпаки, незабаром після створення перших іскрових радіопередавачів розвивається техніка отримання гармонійних коливань, створюваних генераторами з коливальними контурами і регульованою позитивним зворотним зв'язком. Немонохроматичність випромінювань оптичного діапазону і відсутність в оптиці методів і концепцій, добре розвинених в радіофізиці, зокрема поняття зворотного зв'язку, послужили причиною того, що мазери з'явилися раніше лазерів.

    У 1-ій половині 20 ст. радіофізика і оптика розвивалися різними шляхами. В оптиці розвивалися квантові уявлення, в радіофізиці - хвильові. Спільність радіофізики та оптики, обумовлена спільністю квантової природи електромагнітних хвильових процесів, що не проявлялася до тих пір, поки не виникла радіоспектроскопія, що вивчає спектри молекул, атомів, іонів, що потрапляють в діапазон СВЧ (10 10 -10 11 гц). Важливою особливістю радіоспектроскопічними досліджень (на відміну від оптичних) було використання джерел монохроматичного випромінювання. Це призвело до набагато більш високої чутливості, роздільної здатності та точності радіоспектроскопів в порівнянні з оптичної спектроскопії. Не менш важливим стало і те обставина, що в радіодіапазоні, на відміну від оптичного діапазону, збуджені рівні в умовах термодинамічної рівноваги сильно населені, а спонтанне випромінювання набагато слабкіше. В результаті вимушене випромінювання безпосередньо позначається на величині спостережуваного резонансного поглинання радіохвиль досліджуваним речовиною. Причиною заселення збуджених рівнів є тепловий рух частинок. При кімнатних температурах тепловому руху відповідає енергія ~ 4 × 10 -14 ерг. Для видимого світла з довжиною хвилі l = 0,5 мкм частота коливань n = 6 × 10 14 гц, а енергія кванта h n = 1 × 10 -12 ерг. Для радіовипромінювання з довжиною хвилі l = 0,5 см частота коливань n = 6 × 10 10 гц, енергія квантів h n = 4 × 10 -16 ерг. Отже, тепловий рух може сильно населяти збуджені радіоуровні і не може населяти збуджені оптичні рівні.

    Перераховані фактори призвели до того, що радіоспектроскопія стала базою робіт з квантової електроніки. В СРСР роботи по радиоспектроскопии газів були розпочаті в лабораторії коливань Фізичного інституту АН СРСР (А. М. Прохоров), де поряд з рішенням чисто спектроскопічних задач дослідження йшли також і в напрямку використання спектральних ліній СВЧ для створення стандартів частоти.

    Точність стандарту частоти, заснованого на вимірі положення резонансної лінії поглинання, залежить від ширини спектральної лінії. Чим вже лінія, тим вище точність. Найбільш вузькими лініями володіють гази, так як в газах частки слабо взаємодіють один з одним. Разом з тим теплове хаотичний рух частинок газу викликає в силу Доплера ефекту так зване доплеровское розширення спектральних ліній. Ефективним методом усунення впливу цього розширення є перехід від хаотичного руху до впорядкованого руху, наприклад перехід від газів до молекулярним пучкам. Але в цьому випадку можливості радіоспектроскопа сильно обмежені малою інтенсивністю резонансних ліній. У пучку мало часток і, отже, різниця в числі збуджених і збудженому частинок незначна. На цьому етапі роботи виникла думка про те, що, штучно змінивши співвідношення між числом збуджених і збудженому частинок, можна істотно підвищити чутливість радіоспектроскопа. Більш того, створивши інверсію населенностей в пучку, замість поглинання радіохвиль можна отримати їх посилення. Якщо ж деяка система підсилює радіовипромінювання, то при відповідній зворотного зв'язку вона може генерувати це випромінювання. У радіофізики теорія генерування була добре розроблена. Істотними елементами радіотехнічних генераторів є коливальні контури. В області СВЧ роль контурів грають об'ємні резонатори, особливо зручні для роботи і з пучками часток. Т. о., Саме в радіофізиці існували всі необхідні елементи і передумови для створення першого квантового генератора. У першому приладі До. - молекулярному генераторі, створеному в 1955 одночасно в СРСР (Н. Басов, А.М. Прохоров) і в США (Дж. Гордон, Г. Зейгер, Ч. Таунс), активним середовищем був пучок молекул аміаку NH 3. Для створення інверсії населенностей застосовувався метод електростатичного просторового сортування. З пучка молекул MH 3 вибиралися більш збуджені молекули і відкидалися в сторону молекули, котрі володіли меншою енергією. Відсортований пучок пропускався через об'ємний резонатор, в якому при виконанні умов самозбудження виникала генерація. Частота генератора з високим ступенем точності збігалася з частотою випромінювання збуджених молекул NH 3 і тому була надзвичайно стабільна. Відносна стабільність частоти складає 10 -11 -10 -12. Поява молекулярних генераторів відкрило нові можливості в створенні надточних годин і точних навігаційних систем. Їх похибка ~ 1 сек за 300 000 років. Аналогічні за принципом дії, створені пізніше водневі генератори мають ще більшу стабільність частоти ~ 10 -13.

    Та обставина, що квантова електроніка народилася в радіодіапазоні, пояснює виникнення терміну "квантова радіофізика", іноді використовується замість терміна "квантова електроніка", який має більш загальний сенс, охоплюючи і оптичний діапазон.

    Отримання інверсії населенностей шляхом відбору збуджених часток не завжди можливо, зокрема це неможливо в твердих тілах. Крім того, на високих оптичних рівнях при не дуже високих температурах збуджених часток практично немає. Тому вже в 1955 був запропонований новий метод створення інверсії населенностей (Н. Басов, А.М. Прохоров), в якому порушені частки не відбираються з наявної кількості, а створюються. Цей метод, відомий під назвою методу трьох рівнів, полягає в тому, що на частки, в енергетичному спектрі яких є три рівня E 1, E 2, E 3, впливають потужним допоміжним випромінюванням (накачування), яке, поглинаючись частками, "перекачує" їх з рівня E 1 на рівень E 3 Накачування повинна бути досить інтенсивною, тоді на верхній рівень E 3 з нижнього E 1 перекидається стільки часток, що їх кількість може стати практично однаковим. При цьому на рівні E 2 може виявитися більше часток, ніж на рівні E 1 (або на рівні E 3 більше, ніж на рівні E 2), т. Е. Для рівнів E 2, E 1 (або E 3 і E 2) матиме місце інверсія населенностей. Частота n H випромінювання накачування відповідає резонансним умовам поглинання, т. Е.

    н = (E 3 - E 1) / h.

    Метод трьох рівнів був застосований за пропозицією Н. Бломберг (1956, США) для створення квантових підсилювачів радіодіапазону на парамагнітних кристалах. Квантові підсилювачі зазвичай працюють при температурі рідкого гелію (4,2 К), коли практично всі частинки знаходяться на найнижчому рівні енергії. При накачуванні половина всіх наявних в кристалі часток перекладається на верхній рівень E 2 і бере участь в когерентном посилення. Якщо молекулярний генератор задовольнив потребу електроніки в високостабільного джерелі монохроматичних коливань, то квантовий підсилювач вирішив ін. Найважливішу проблему радіофізики - проблему різкого зменшення шумів, т. Е. Збільшення чутливості радіоприймачів СВЧ. Тому квантові підсилювачі знайшли застосування в радіоастрономії, радіолокації, лініях глобальної і космічного зв'язку.

    Успіхи квантової електроніки поставили питання про її просуванні в бік більш коротких хвиль. При цьому істотні труднощі представляла розробка резонаторів. У діапазоні СВЧ застосовують закриті порожнини з провідними стінками, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі. Для оптичного випромінювання резонатори такого типу виготовити неможливо. У 1958 був запропонований відкритий резонатор (А. М. Прохоров). У субміліметровому діапазоні резонатор був два паралельних, добре відображають металевих диска, між якими виникає система стоячих хвиль. Для світла цей резонатор зводився до двох паралельних дзеркал і подібний до інтерферометра Фабрі - Перо.

    Першим досягненням квантової електроніки в оптичному діапазоні з'явилося створення в 1960 лазера (Т.Мейман, США). Як робоча речовина в ньому використовувався монокристал рубіна, а для отримання інверсії населеності був застосований метод трьох рівнів. Відбивають дзеркалами резонатора служили добре відполіровані і посріблені торці кристала рубіна. Джерелом накачування була лампа - спалах. Рубінові лазери поряд з лазерами на склі з домішкою неодиму дають рекордні енергії і потужності. У режимі вільної генерації великі кристали рубіна при потужній накачуванні дають в імпульсі енергію до 1000 Дж (потужність до 10 6 Вт).Інший режим рубінових лазерів досягається включенням дзеркал резонатора лише в певні моменти часу, коли інверсія населенностей досягає максимальної величини, Тоді всі накопичені на метастабільних рівні частки випромінюють практично відразу, і генератор видає гігантський імпульс випромінювання дуже короткої тривалості (10 -8 -10 -9 сік) з порівняно невеликою енергією (близько 3 Дж.). Але так як ця енергія випромінюється в дуже короткий час, то пікова потужність імпульсу досягає значень 3 × 10 6 -3 × 10 6 пт.

    Незабаром після рубінового лазера був розроблений перший газовий лазер (А. Джаван, В. Беннетт, Д. Гарриот: 1960. США) на суміші атомів неону і гелію. Потім з'явився напівпровідниковий інжекційний лазер (Р. Хол, а також У. Думці з співробітниками; 1962 США). У газових лазерах отримання інверсії населеності досягається не світловий накачуванням, а при зіткненнях атомів або молекул робочого газу з електронами або іонами, наявними в електричному розряді. Серед газових лазерів виділяються неоновий лазер і лазер на суміші вуглекислого газу, азоту і гелію (СО 2 - лазер), які можуть працювати, як в імпульсному, так і в безперервному режимах. За допомогою гелій-неонового лазера отримані світлові коливання дуже високої стабільності (~ 10 -13) і високою монохроматичности (Dn = 1 гц при частоті 10 14 гц). Хоча ккд цього лазера украй невеликий (0,01%), саме висока монохроматичность і спрямованість його випромінювання (обумовлені, зокрема, однорідністю його активного середовища) зробили цей лазер незамінним при всякого роду юстіровочних і нівелювальних роботах. Потужний СО 2 - лазер (К. Пател, 1964, США) генерує інфрачервоне випромінювання (l = 10,6 мкм). Його ккд, що досягає 30%, перевершує ккд всіх існуючих лазерів, що працюють при кімнатній температурі. Особливо перспективний газодинамический лазер на СО 2. З його допомогою можна отримати в безперервному режимі потужність в десятки квт. Монохроматичність, спрямованість і висока потужність роблять його вельми перспективним для цілого ряду технологічних застосувань.

    У напівпровідникових лазерах інверсія досягається головним чином при інжекції носіїв струму через електронно-дірковий перехід відповідним чином легованого напівпровідника. Є досить багато напівпровідникових матеріалів, з яких виготовляються лазери в широкому діапазоні довжин хвиль. Найбільш поширеним з них є арсенід галію (GaAs), який при температурі рідкого азоту може випромінювати в безперервному режимі в ближній інфрачервоній області потужність до 10 Вт при ккд = 30%. Змінюючи струм інжекції, можна досить безінерційний управляти потужністю, що генерується інжекційними лазерами. Це робить перспективним їх застосування в швидкодіючих обчислювальних машинах і в системах зв'язку.

    Для отримання інверсії населеності в парамагнітному квантовому підсилювачі, в рубіновому лазері, в газових і напівпровідникових лазерах і ін. Використовуються абсолютно різні фізичні явища. Але єдиним і головним фактором для всіх методів створення інверсії населеності є необхідність подолання процесів, спрямованих до відновлення рівноважної населеності. Перешкоджати процесам відновлення рівноважної населеності можна, тільки витрачаючи енергію, що надходить від зовнішнього джерела живлення. При цьому в лазерне випромінювання перетвориться, як правило, мала частка енергії накачування. У режимі вільної генерації ккд рубінового лазера менше 1%, в режимі гігантських імпульсів ще менше. Однак "програш" в кількості енергії випромінювання компенсується в До. виграшем в його "як", монохроматичности і спрямованості випромінювання, обумовлених властивостями вимушеного випромінювання.

    Монохроматичність і висока спрямованість дозволяють сфокусувати всю енергію лазерного випромінювання в пляму з розмірами, близькими до довжини хвилі випромінювання. В цьому випадку електричне поле світлової хвилі досягає значень, близьких до внутрішньоатомних полях. При взаємодії таких полів з речовиною виникають абсолютно нові явища.

    Застосування квантової електроніки революціонізували радіофізику СВЧ і оптику. Найбільш глибокі перетворення До. внесла в оптику. У радіофізики створення мазерів означало появу радіопристроїв, хоча принципово і нових, але в той же час володіють звичними для радіоінженера властивостями. І до появи До. в радіофізиці існували когерентні підсилювачі і монохроматичні генератори. Квантова електроніка лише різко поліпшила чутливість підсилювачів (в 10 3 разів) і стабільність частоти генераторів (в десятки тисяч разів). В оптиці ж всі джерела світла до появи лазерів не володіли ні скільки-небудь помітною спрямованістю, ні монохроматичністю. Створення лазерів означало появу джерел світла, що володіють абсолютно новими властивостями. Це дало небачену раніше в оптиці можливість концентрувати енергію випромінювання, як в просторі, так і у вузькому частотному інтервалі.

    Промисловість випускає різні типи лазерів, які використовуються не тільки як ефективний інструмент наукових досліджень, але і для вирішення різного роду практичних завдань. Основні переваги лазерної дії - мала область поширення тепла, відсутність перенесення електричних зарядів і механічного контакту, можливість працювати всередині вакуумних балонів і в агресивних газах. Одним з перших застосувань лазерів був вимір відстані до Місяця з більшою точністю, ніж це було зроблено радіофізичним методом. Після того як на Місяці був встановлений кутовий відбивач, відстань до неї було виміряно з точністю до 1,5 м .Існує лазерна локаційна служба відстані Земля - Місяць.

    Нові можливості відкрило вживання лазерів в оптичних лініях зв'язку. Розвиток оптичних ліній зв'язку з їх завданнями модуляції коливань, детектування, гетеродінірованія, перетворення частоти світлових коливань зажадало перенесення в оптику методів радіофізики та теорії коливань.

    Виникла нелінійна оптика, що вивчає нелінійні оптичні ефекти, характер яких залежить від інтенсивності світла (самофокусировка світла, генерація оптичних гармонік, вимушене розсіювання світла, параметрична генерація світла, самопросветленіе або самозатемненія світла). Методами нелінійної оптики створений новий клас перебудовуються по частоті джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Нелінійні явища в оптиці існують лише у вузькому діапазоні інтенсивностей лазерного випромінювання. При малих інтенсивностях нелінійні оптичні ефекти відсутні, потім у міру зростання інтенсивності вони виникають, зростають, але вже при потоках інтенсивності 10 14 Вт / см 2 всі відомі речовини руйнуються лазерним променем і перетворюються в плазму. Отримання і дослідження лазерної плазми є одним з найбільш цікавих застосувань лазерів. Здійснено термоядерний синтез, ініційований лазерним випромінюванням.

    Завдяки високій концентрації електромагнітної енергії в просторі і по спектру лазери знаходять широке застосування в мікробіології, фотохімії, хімічному синтезі, дисоціації, каталізі. К. е. привела до розвитку голографії - методу отримання об'ємних зображень предметів відновленням структури світлової хвилі, відбитої предметом.

    Роботи з квантової електроніки були відзначені Нобелівською премією 1964 по фізиці (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, СРСР, і Ч. Таунс, США).

    напівпровідникова електроніка

    Напівпровідникова електроніка - галузь електроніки, що займається дослідженням електронних процесів в напівпровідниках і їх використанням - головним чином з метою перетворення і передачі інформації. Саме з успіхами напівпровідникової електроніки пов'язані, в основному, високі темпи розвитку електроніки в 50-70-х рр. 20 в. і її проникнення в автоматику, зв'язок, обчислювальну техніку, системи управління, астрономію, фізику, медицину, в дослідження космічного простору, в побут і т.д.

    Коротка історична довідка. Основні віхи розвитку напівпровідникової електроніки - відкриття Фотоефекту в селен (У. Сміт, США, 1873), відкриття однобічної провідності контакту металу з напівпровідником (К.Ф. Браун, 1874), використання кристалічних напівпровідників, наприклад галеніту (PbS), в якості детектора для демодуляції радіотелеграфних і радіотелефонних сигналів (1900-05), створення мідно-закисних (купроксних) і селенових випрямлячів струму і фотоелементів (1920-1926), використання кристалічних детекторів для посилення і генерування коливань (О.В. Лосєв, 1922), винахід транзистора (У. Шоклі, В. Браттейн, Дж. Бардін, 1948), створення планарной технології (1959), поява інтегральної електроніки і перехід до микроминиатюризации електронного устаткування (1959-1961). Великий внесок у створення напівпровідникової електроніки внесли радянські вчені - фізики та інженери (А.Ф. Іоффе, Н.П. Сажин, Я. І. Френкель, Б.М. Вул, В.М. Тучкевіч, Г.Б. Абдулаєв, Ж.І. Алфьоров, К.А. Валієв, Ю.П. Докучаєв, Л.В. Келдиш, С.Г. Калашников, В.Г. Колесніков, О.В. Красилів, В.Е, Лашкарьова, Я. А. Федотов і багато ін.).

    Фізичні основи напівпровідникової електроніки. Розвиток напівпровідникової електроніки стало можливим завдяки фундаментальним науковим досягненням в галузі квантової механіки, фізики твердого тіла і фізики напівпровідників.

    В основі роботи напівпровідникових (ПП) електронних приладів і пристроїв лежать наступні найважливіші властивості напівпровідників і електронні процеси в них: одночасне існування носіїв заряду двох знаків (негативних - електронів провідності і позитивних - дірок); сильна залежність величини і типу електропровідності від концентрації і типу домішкових атомів; висока чутливість до впливу світла і тепла, чутливість до дії магнітного поля і механічних напруг; ефект однобічної провідності при протіканні струму через замикаючий шар електронно-діркового переходу (Р-n-переходу) або Шотки бар'єру, нелінійність вольтамперних характеристик таких шарів, введення (інжекція) неосновних носіїв, нелінійна ємність р-n-переходу; тунельний перехід носіїв крізь потенційний бар'єр; лавинне розмноження носіїв в сильних електричних полях; перехід носіїв з одного мінімуму енергетичної зони в іншій із зміною їх ефективної маси і рухливості і ін.

    Один з ефектів, найбільш широко використовуваних в напівпровідниковій електроніці, - виникнення р-n-переходу на кордоні областей напівпровідника з різними типами провідності (електронною - в n-області, доречний - в р-області); його основні властивості - сильна залежність струму від полярності напруги, прикладеної до переходу (струм в одному напрямку може в 10 6 разів і більше перевищувати струм в ін. напрямі), і здатність до інжекції дірок в n -область (або електронів в р -область ) при включенні напруги в напрямку пропускання струму через р-n-перехід. Властивості, близькі до властивостей р-n-переходу, має бар'єр Шотки, що володіє вентильними властивостями (однобічну провідність), але не володіє здатністю до інжекції. І р-n-перехід, і бар'єр Шотки володіють електричною ємкістю, що змінюється по нелінійному закону зі зміною напруги. При перевищенні зовнішнім зворотним напругою певної величини в них розвиваються явища пробою. Поєднання двох р-n- переходів, розташованих близько в одному кристалі напівпровідника, дає транзисторний ефект: ефект управління струмом замкнутого переходу за допомогою струму відімкненого переходу. Три р-n-переходу в одному кристалі, що розділяють чотири області поперемінно електронній і доречний провідності, утворюють Тиристор. Вирішальне значення для напівпровідникової електроніки має транзисторний ефект: саме на його основі працюють ПП прилади основного типу - Транзистори, які визначили корінні зміни в радіоелектронній апаратурі і ЕОМ і забезпечили широке застосування систем автоматичного управління в техніці.

    До фізичних явищ, які на початку 70-х рр. 20 в. стали використовувати в напівпровідниковій електроніці, відноситься і акустоелектричних ефект в діелектричних і ПП матеріалах. На основі цього ефекту виявилося можливим створювати підсилювачі електричних коливань, активні електричні фільтри, лінії затримки з посиленням сигналу, що привело до появи нового напряму напівпровідникової електроніки - акустоелектроніки.

    Одна з найбільш загальних рис розвитку напівпровідникової електроніки - тенденція до інтеграції самих різних фізичних ефектів в одному кристалі. Напівпровідникова електроніка починає замикатися з електронікою діелектричних матеріалів, магнітних матеріалів і т.д., перетворюючись поступово в електроніку твердого тіла в найширшому сенсі цього слова.

    ПП технологія. Головні технологічні завдання напівпровідникової ел-ки - отримання напівпровідникових матеріалів (в основному монокристалічних) з необхідними властивостями, реалізація складних ПП структур (насамперед р-n -переходів) і розробка методів виготовлення напівпровідникових приладів, в яких ПП шари поєднуються з діелектричними і металевими. Освіта р-n -переходів зводиться до введення в напівпровідник необхідної кількості потрібних домішок в строго певних областях. В даний час (1975) поширено 3 способи отримання р-n -переходів: сплав, дифузія і іонне впровадження (імплантація).

    При сплаві на поверхню пластини з напівпровідника, що володіє одним типом провідності (наприклад, на n -Ge, багатий донорами), поміщають шматочок металу, проникнення атомів якого в напівпровідник здатне надавати йому провідність ін. Типа (наприклад, шматочок In, атоми якого служать в Ge акцепторами), і нагрівають пластину. Т. к. Температура плавлення In значно нижча за температуру плавлення Ge, то In розплавляється, коли Ge ще залишається в твердому, кристалічному стані. Ge розчиняється в крапельці розплавленого In до насичення. При подальшому охолодженні розчинений Ge починає виділятися з розплаву і кристалізуватися знову, відновлюючи розчинилася частина кристала. У процесі кристалізації атоми Ge захоплюють з собою атоми In. Утворився шар Ge виявляється збагаченим In і набуває провідність діркового типу. Т. о., На кордоні цього шару і не розчиняється частини кристала Ge утворюється р-n-перехід.

    При дифузії, наприклад, з газової фази пластина напівпровідника, що володіє, скажімо, електронну провідність, поміщається в пари речовини, що додає напівпровідника дірковий характер провідності і знаходиться при температурі на 10-30% нижча за температуру плавлення напівпровідника. Атоми речовини-дифезанта, здійснюючи хаотичний тепловий рух, бомбардують відкриту поверхню напівпровідника і проникають в глиб його обсягу. Максимальна концентрація їх створюється в при поверхневому шарі. Цей шар набуває дірковий провідність. У міру віддалення від поверхні концентрація акцепторів падає і в деякому перетині стає рівній концентрації донорів. Це перетин буде відповідати положенню р-n-переходу. У шарах, розташованих більш глибоко, переважають донори, і напівпровідник залишається електронним. Поширені також і ін. Методи дифузії: дифузія з тонких шарів дифезанта, нанесених безпосередньо на поверхню напівпровідника, з склоподібних шарів, що містять діффузант, в потоці інертного газу, змішаного з парами дифезанта, і т.д. Як дифезанта можуть використовуватися не тільки чисті донори або акцептори, а й їх з'єднання. Метод дифузії - основний метод отримання р-n -переходів.

    Іонну впровадження є одним із способів отримання р-n -переходів, які доповнюють та частково заміняє дифузію.

    Особливості ПП виробництва. Велика складність виробів напівпровідникової електроніки, їх вельми висока чутливість до мікроскопічних доз забруднень і неможливість виправлення шлюбу висувають виключно високі вимоги до якості матеріалів, точності роботи устаткування і умов виробництва. У багатьох випадках мова йде про гранично досяжних (на сучасному рівні техніки) вимогах, що істотно перевершують вимоги, що висуваються ін. Галузями техніки.

    Матеріали напівпровідникової електроніки повинні мати строго задані склад і структуру, нерідко - володіти виключно високими чистотою і досконалістю структури. Так, наприклад, Ge високої чистоти характеризується вмістом неконтрольованих домішок <10 -10.

    Про вимоги до точності роботи устаткування можна отримати уявлення на прикладі оптико-механічних установок. Для створення на поверхні пластини діаметром 30-80 мм сотень тис. Елементів різної форми і розмірів застосовують шаблони, за допомогою яких послідовно проводять кілька дифузійних процесів, наносять металеві плівки і т.д. При виготовленні фотошаблонів і поєднанні чергового шаблону з малюнком, раніше нанесеним на ПП пластину, точність роботи оптико-механічного обладнання повинна складати десяті частки мкм. Тому оптична частина устаткування, розробленого спеціально для потреб П. е., Характеризується надвисокою роздільною здатністю, що досягає більше 1000 ліній на мм (у застосовуваних фотоматеріалів вона ще вище - 1500 ліній на мм), і не має аналогів в ін. Областях техніки. Зменшення розмірів елементу до 1 мкм і перехід до субмікронних розмірів створюють значні труднощі, обумовлені головним чином явищем дифракції. Їх подолання - в переході від світлових променів до електронних, які можуть бути сфокусовані до десятих і сотих часток мкм. В цьому випадку мінімальний розмір елемента буде визначатися діаметром електронного променя. Механічна обробка ПП пластин повинна здійснюватися по 14-го класу чистоти обробки поверхні, з відхиленнями від площини (площинністю), що не перевищують 1 мкм. Особливі вимоги висуваються також і по відношенню до термічного обладнання: точність установки та підтримання температури на рівні 1000-1300 ° С повинна бути не гірше ± 0,5 ° С.

    Дуже жорсткі вимоги пред'являються до умов виробництва виробів П. е. Газове середовище, в якій проходять деякі, найбільш важливі технологічні процеси, повинна піддаватися ретельному осушенню і знепилювання. Вміст у ній вологи вимірюється долями відсотка і оцінюється по температурі газу, при якій настає конденсація вологи (по точці роси). Якщо в цехової атмосфері підтримується т. Н. комфортна вологість (відповідна відносній вологості 50-60%), то в спеціальні бокси (скафандри), в яких здійснюється, наприклад, складання виробів, подається повітря, азот або аргон, осушений до точки роси, рівної - (50-70) ° С . Один з найбільш серйозних ворогів ПП виробництва - пил. Одна порошинка розміром в декілька мкм, що потрапила на поверхню пластини в ході процесів фотолітографії, майже завжди призводить до непоправного браку. Залежно від складності виробу і деяких ін. Вимог запилена повітря на робочому місці біля оброблюваної ПП пластини повинна становити не більше 4000 порошинок на м 3. Такий низький рівень запиленості забезпечується обладнанням всередині цехів т. Н. чистих кімнат, доступ до яких дозволяється тільки обмеженому колу осіб. Персонал, що працює в чистих кімнатах, переодягається в спеціальний одяг і проходить до робочого місця через герметичні шлюзи, де виробляється обдування одягу і видалення пилу. У чистих кімнатах до 300 разів на годину відбувається повний обмін повітря з пропусканням його через відповідні фільтри. Абсолютно обов'язкове дотримання персоналом вимог особистої гігієни: регулярне і ретельне миття рук, носіння спеціального одягу, рукавичок, шапочок і косинок і т.д. Всі ці заходи є абсолютно необхідною умовою для забезпечення високих економічних показників і якості продукції, що випускається, в тому числі надійності виробів.

    Продукція напівпровідникової електроніки. Номенклатура ПП приладів виключно широка, вона налічує десятки тис. Типів приладів, в основному кремнієвих. Світова промисловість випускає (1974) понад 10 млрд. Дискретних приладів ПП і більше 1 млрд. Інтегральних мікросхем в рік. Розвиток мікроелектроніки не відбилося істотно на темпах зростання випуску дискретних приладів ПП; потреба в них, мабуть, буде зберігатися ще тривалий час. Поява різноманітних ПП приладів дозволило здійснити складні, часто принципово нові електронні пристрої і створити самостійну галузь електронної промисловості - промисловість, що виробляє дискретні ПП прилади та інтегральні мікросхеми.

    Випускаються промисловістю вироби напівпровідникової електроніки характеризуються високими експлуатаційними властивостями: вони можуть працювати в діапазоні температур від -60 до +200 ° С, витримувати значні механічні і кліматичні навантаження (вібрації, удари, постійні прискорення, циклічні зміни температури, вплив вологи і т.д. ); вони характеризуються інтенсивністю відмов Напівпровідникова електроніка10 -6 -10 -9 відмови в годину в реальних умовах експлуатації.

    Перспективи розвитку. Розвиток напівпровідникової електроніки відбувається в напрямку швидкого зростання ступеня інтеграції, яка часто досягає 10-20 тис. ПП приладів на одному кристалі (1975), а також в напрямку підвищення потужності і частоти електромагнітних коливань, що перетворюються в одному ПП приладі (до сотень Вт і десятків Ггц), в тому числі створення ПП генераторів і підсилювачів міліметрового діапазону. Поряд з інтеграцією великого числа подібних приладів розвивається також інтеграція в одній мікросхемі приладів, які використовують різні фізичні принципи. При цьому, крім фізичних процесів в напівпровідниках, використовують процеси в діелектриках, надпровідниках (наприклад, Джозефсона ефект), магнітних плівках і т.д. ПП елементи, наприклад холодні катоди з напівпровідниковими гетеропереходами, ПП аноди з pn-перехід, в якому відбувається множення струму, матричні мішені Відікон, що містять 0,5-1 млн. Фотодіодів, проникають також у вакуумну електроніку, дозволяючи істотно удосконалити деякі типи електровакуумних приладів .

    Список використаної літератури

    1. Федотов Я.А., Основи фізики напівпровідникових приладів, М., 1970

    2. Пасинків В.В., Чиркин Л.К., Шинків А.Д., напівпровідникові прилади, М., 1973

    . Фізичний енциклопедичний словник. - М .: Радянська енциклопедія. Головний редактор А.М. Прохоров. 1983.

    . Квантова електроніка. Маленька енциклопедія, М., 1969

    . Фабрикант В., Класика, кванти і квантова електроніка, "Наука і життя", 1965, № 10

    . Прохоров А.М., Квантова електроніка, "Успіхи фізичних наук», 1965, т. 85, ст. 4

    Питання для самоперевірки

    1. Які області включає в себе електроніка?

    2. Які розділи містить електроніка?

    . Що вивчає плазмова електроніка?

    . Основи квантової електроніки? Її розділи та напрямки?

    . Основи напівпровідникової електроніки?



    Скачати 69.65 Kb.