Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Теория уже давно указывала на то, что с помощью схемы, содержащей конденсатор, можно усиливать сигналы, если емкость конденсатора изменять с частотой, большей частоты подлежащего усилению сигнала. Суть такого способа усиления сигнала состоит в передаче усиливаемому сигналу энергии от источника (какого бы он ни был типа), выполняющего работу по изменению емкости конденсатора. Такой способ усиления называется параметрическим.
Имеются ли какие-либо способы менять емкость конденсатора с чрезвычайно высокой частотой?
Вспомним о полупроводниковом диоде и о том способе подключения к батарее (см. фиг. 26), при котором тока через диод не было. В этом случае слой полупроводникового кристалла слева от р/г-перехода в состоянии пропускать ток благодаря тому, что в нем есть отрицательные электроны, способные свободно передвигаться в кристалле. Слой справа от перехода также может пропускать ток, потому что в нем существуют свободные дырки. Но батарея создает на р/г-переходе и в прилежащих к нему слоях электрическое поле, направленное так, что свободные электроны под его действием уходят от перехода влево, а свободные дырки — вправо. Иначе говоря, поле
115 батареи как бы «отсасывает» из окрестностей рп-перехода все свободные электроны и дырки, которые могли бы образовать электрический ток; таким образом, получается как бы два проводника, разделенных непроводящей («диэлектрической») областью. Чем выше разность потенциалов, создаваемая батареей, тем толще область, из которой удалены свободные дырки и электроны. Иначе говоря, повышая напряжение (точнее, электродвижущую силу) батареи, мы увеличиваем толщину непроводящего диэлектрического слоя, разделяющего два «электрода» п-типа и р-типа. Следовательно, с ростом напряжения емкость диода уменьшается.
Итак, мы видим, что диод, на который подано такое напряжение смещения, чтобы он не проводил тока, действует как конденсатор, емкостью которого можно управлять, изменяя приложенное напряжение. Таким образом, полупроводниковые диоды оказываются именно теми переменными конденсаторами, которые необходимы для изготовления параметрических усилителей, работающих даже на крайне высоких радиочастотах.
Солнечные элементы
Солнечный элемент — это еще одна чрезвычайно важная модификация полупроводникового диода. Чтобы понять, как работает это устройство, попробуем представить себе, что произойдет, если батарею (см. фиг. 26) убрать, а оба вывода диода соединить между собой проводом. Можно решить, что в этом случае на переходе вообще не возникнет электрического поля. Однако это будет ошибкой.
Вспомним, какие условия существуют по обе стороны от рп-перехода, какую роль будут играть уже знакомые нам две энергетические зоны (см. фиг. 25). В п-слое, слева от перехода, верхняя незаполненная зона не вполне пуста: примеси п-типа вводят на ее нижние энергетические уровни очень небольшое количество электронов проводимости. Нижняя, заполненная зона в этом слое окажется совершенно заполненной, дырок в ней не будет. А в р-слое, справа от перехода, верхняя, незаполненная полоса будет действительно совершенно свободна, но зато примеси р-типа создадут небольшое количество дырок на верхних энергетических уровнях более низкой, заполнен-
116 ной полосы. Если электрическое поле на переходе отсутствует, то электроны должны переходить с верхней энергетической зоны п-слоя на верхнюю пустую зону р-'слоя. При таком переходе носителей заряда будет возникать электрический ток через р/г-переход из р-слоя в я-слой. Дырки же будут переходить с нижней зоны р-слоя на заполненную зону п-слоя, также создавая электрический ток через переход. Оба электрических тока «соответствуют» друг другу.
Таким образом, как бы получается, что в отсутствие электрического поля через переход и через провод, соединяющий слои п- и р-типа, должен протекать постоянный электрический ток и мы, казалось бы, вполне могли бы использовать диод как источник энергии. Но это означало бы возможность построить с помощью такого диода вечный двигатель...
Мы вынуждены прийти к заключению, что в случае, когда выводы диода соединены проводником, на р/г-пере-ходе должно существовать такое электрическое поле, которое препятствует переходу электронов из п-слоя в р-слой и переходу дырок из р-слоя в п-слой.
Обратимся теперь к другому явлению. Рассмотрим снова заполненную и свободную или почти заполненную и свободную зоны (см. фиг. 25). Если бы нам удалось каким-то способом сообщить достаточное количество энергии какому-либо из электронов в заполненной зоне, то он перешел бы в верхнюю незаполненную зону. Передать нужную энергию может фотон достаточно высокой частоты (и соответственно достаточно большой энергии). Когда такой фотон попадает в полупроводниковый кристалл п- или р-типа, он создает пару электрон — дырка: положительную дырку в нижней зоне и отрицательный электрон в верхней зоне.
Итак, направим луч света на р/г-переход диода, у которого п-слой и р-слой замкнуты проводом. Мы уже убедились, что в' переходе должно существовать электрическое поле. Когда фотон создает пару электрон — дырка в области перехода или поблизости от нее, это электрическое поле немедленно направляет электрон в п-слой, а дырку — в р-слой. Иными словами, всякий раз, когда в переходе рождается, пара электрон — дырка, электрон движется в одном направлении, а дырка — в другом. Таким образом, все время, пока, на переход падает поток
