Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 99
Текст из файла (страница 99)
гц-112.Раздел5204.ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ---®,___-------11 контрольные вопросы 1....- - - - - - - 1. Классификация оптоэлектронных приборов и краткая характеристика каждого типа.2.Какие преимущества имеет использование световых волн воптоэлектронике по сравнению с радиоволнами?3.Каковы основные физические механизмы поглощения света полупроводниками?4. Излучение света полупроводниками. Светодиоды: типы, характеристики и параметры.5.6.Общая характеристика фотоприемников.Фоторезистивный эффект и фоторезисторы. Параметры и характеристики фоторезисторов.7.Фотовольтаический эффект, р-п-фотодиоды: БАХ, пара8."Устройство, параметры, характеристикир-i-п-фотодиодов9.Фототранзисторы, фоторезисторы, составные фототранзис-метры.и лавинных фотодиодов.торы: особенности устройства и параметры.10. Типы оптронов; схемы и принципы работы.11.
Параметры и характеристики оптронов.12.Солнечные преобразователи: устройство, БАХ, параметры, эквивалентная схема, солнечные батареи и их характеристики.13.Солнечные элементы на гетеропереходах, с барьером Шоттки,тонкопленочныесолнечные элементы:достоинства инедостатки, особенности параметров.14.Фотоэлементы: устройство, принцип работы, характеристики и параметры.15.
Фотоэлектронные умножители: устройство, прин:Цип раб9ты, параметры и характеристики.5РАЗДЕЛПРИБОРЫ КВАНТОВОЙЭЛЕКТРОНИКИГлада17ОСНОВЫ КВАНТОВОГО УСИЛЕНИЯ17 .1.Индуцированные и спонтанные переходыВнутренняя энергия атомов, молекул, ионов, различных соединений и сред, образованных указанными частицами, квантована. Каждая молекула (атом, ион) может взаимодействоватьсэлектромагнитнымизлучением,совершаяпереходсодногоэнергетического уровня на другой. При этом происходит изменение внутренней энергии от одного значения, соответствующего определенному движению и ориентации электронов и ядер, кдругомузначению,соответствующемудругимдвижениямиориентациям.Энергия поля излучения также квантована, так что обменэнергией между полем и взаимодействующими с ним частицами может происходить только дискретными порциями.Частота излучения, связанного с переходом атома (молекулы, иона) между энергетическими состояниями, определяетсячастотным постулатом Борагде Ер Е 2 -соответственно энергия частицы (атом, молекула,ион) в верхнем и нижнем энергетических состояниях,стоянная План:на,v-частота.h-поРаздел 5.
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ522Не все переходы между энергетическими состояниями являются возможными. Если частица находится в верхнем состоянии,тоимеетсяопределеннаявероятность,что черезнекоторый период времени она перейдет в нижнее состояние и произойдетизменениеэнергии.Этотпереходможетбытькакизлучательным, так и безызлучательным, как под влияниемвнешнего воздействия, так и без него.
В среде, обладающейдискретными уровнями энергии, существуют три вида переходов: индуцированные, спонтанные и релаксационные.При индуцированных переходах квантовая система можетпереводиться из одного энергетического состояния в другое какспоглощениемквантовэнергиивнешнегополя,такисизлучением ~ванта электромагнитной энергии.
Индуцированное,или вынужденное, излучение стимулируется внешним электромагнитнымполем.Вероятностьиндуцированныхпереходов(как излучательных, так и безызлучательных) отлична от нулятолько для внешнего поля резонансной частоты, энергия кванта которого совпадает с разностью энергий двух рассматриваемых состояний.
Индуцированное излучение полностью тождественно излучению, вызывающему его. Это означает, что электромагнитнаяволна,созданная при индуцированных переходах, имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направлениераспространения, что и внешнее излучение, вызвавшее индуцированный переход.Если рассматриваемая квантовая система обладает двумяуровнями энергии Е 2>Е 1 (рис.17.1),при переходах между которыми излучается или поглощается квант энергииhv,то частицы рассматриваемой системы находятся в поле их собственного излучения, спектральная объемная плотность энергии которогоначастотепереходаравнаPv·Этополевызываетпереходы как из нижнего состояния в верхнее, так и из верхнего в нижнее (рис.17.1,а).
Вероятности этих индуцированныхЕ2hvW12E,FdШ21hvW21EiEiа)б)Рис.17.1hvГлава17.Основы квантового усиленияпереходов для поглощения и излученияW 12Pv:523иW 21в единицувремени соответственно пропорциональныW12 =B12Pv•(17.1)W21 =B21Pv•где В 12 , В 21 -1<оэффициенты Эйнштейна соответственно для индуцированного поглощения и излучения.Спонтанные переходы (рис.17.1,б) происходят из верхнегоэнергетического состояния Е 2 в нижнее Е 1 самопроизвольнобез внешнего воздействияс излучением кванта-являются излучательными. Вероятностьdw 21hv,т. е.
онитаких переходовне Зависит от внешнего электромагнитного поля и пропорциональна времени. За времяdt(17.2)где А 21 -коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения.Полное число переходов в единицу времени из энергетического состояния Е 2 («верхнего») в «нижнее» состояние Е 1 (переход2~1) равнопроизведению числа частиц п 2 в состояниина вероятность перехода2--->12в единицу времени для однойчастицы.При термодинамическом равновесии ансамбль частиц не теряет и не приобретает энергии, т. е. число излученных квантов(число переходов из верхнего энергетического состояния Е 2 внижнее Е 1 состояние) должно быть равно числу поглощенныхквантов (числу переходов из состояния Е 1 в Е 2 ).При тепловом равновесии распределение населенности частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана(17.З)где п1'п2 -соответственно число частиц,стояниях Е 1 и Е 2 ;g1' g 2рождения) уровней2инаходящихся в со-статистические веса (кратности вы1.Пропорциональность населенностейуровней их статистическим весам обусловлена тем, что вероятность пребывания частицы в некотором квантовом состоянииопределяется только энергией этого состояния, а различныеквантовые состояния1целиком определяемые полным наборомквантовых чисел, могут иметь одинаковые энергии.Раздел 5.
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ524При термодинамическом равновесии число излучательных(N 2 ) равно числу пе(N1), происходящих спереходов N 2 определяется ве·переходов из верхнего состояния в нижнеереходов из нижнего состояния в верхнеепоглощением излучения. Числороятностью одного перехода. умноженного на населенность уров·ня с энергией Е 2 , т. е.(17.4)Аналогично число индуцированных переходов из нижнегосостояния в верхнее, определяющих поглощение энергии, равно(17.5)Соотношение между коэффициентами А 21 , В 21 , В 12 находитсяиз условия термодинамического равновесия, при которомПриравнивая выражения(17.4) и (17 .5),N 1 = N 2•можно определить спект·ральную плотность поля собственного (равновесного) излучения· рассматриваемой равновесной системыЕсли приравнять выражение(17.6) формуле ПланкаPv = (87tV 2 /c 3 )hv/{exp [hv/(kT)]- 1}(17.6,а)(что справедливо для равновесной системы) и использовать час·тотное условие Бораhv =Е 2 - Е 1 , то, сделав предположение оравенстве вероятностей индуцированного поглощения и излу·чения, т.
е.g 1B 12=g 2B 2 1'получим соотношение для коэффици·ентов Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излучения:(17.7)Вероятность излучательных переходов в единицу времени (сисnусканием квантов спонтанного и вынужденного излучения)равна(17.8)Оценки показывают, что для СВЧ и оптического диапазоновА 21ше,« В 2 р т. е.
вероятность спонтанного излучения много мень·чем индуцированного,а поскольку спонтанное излучениеопределяет шумы, то в квантовых приборах роль шумов незначительна.Глава17.525Основы квантового усиленияНеобходимо отметить, что равновесное излучение всей системы частиц по отношению к каждой из частиц является внешнимэлектромагнитнымполем,стимулирующимпоглощениеили излучение частицей энергии в зависимости от ее состояния.Величина81tV 2 / с 3 ,входящая в выражения( 1 7. 7)и( 1 7 .8),определяет число типов волн или колебаний в единичном объеме и вединичном интервале частот для области, размеры которой велики по сравнению с длиной волны Л = с /v.Кроме индуцированных и спонтанных переходов в квантовых системах существенное значение имеют безызлучательныерелаксационные переходы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
