Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Увеличение информационной емкости за счет использования постраничной, а не побитовой записи информации и за счет использования наложенной записи, то есть записи на отдельном локальном участке диска нескольких голограмм, каждая из которых может содержать значительный объем информации, например, страницу текста.

Полностью возможности и преимущества голографического метода при создании систем хранения информации могут быть реализованы только при использовании объемных голограмм и объемных регистрирующих сред в качестве носителя.

Несмотря на чрезвычайную важность всех компонент объемной (3D) голографической памяти (таких как, управляемые транспаранты, фотодиодные матрицы, дефлекторы света, фазовые маски, полупроводниковые лазеры и др.), проблема регистрирующей среды всегда определяла конечные результаты любого исследования и проекта в этом направлении. Успехи фирм – лидеров в области разработки и создания образцов такой современной техники определяются в первую очередь достижениями в создании регистрирующих сред для записи информации, которые должны обеспечивать необходимые технические параметры устройств.

По мнению специалистов при создании систем голографической памяти в настоящее время наиболее развитой и продвинутой является технология записи наложенных голограмм в объемных безусадочных полимерных материалах с толщиной 1-2 мм. Данная ситуация подготовлена усилиями ряда фирм и организаций. Разработанный в последние десятилетия ХХ-го века в Государственном Оптическом институте им. С.И.Вавилова принципиально новый полимерный регистрирующий материал для записи высокоэффективных объемных голограмм на основе органического красителя фенантренхинона также рассматривается специалистами в качестве рабочей среды для систем архивной голографической памяти, а его модификации, несомненно, являются прототипами ряда материалов, используемых современными исследователями. К таким модификациям относится материал «Диффен», образцы которого использованы в данной работе.

 Принцип действия памяти при использовании технологии записи наложенных голограмм предусматривает работу с отдельными информационными массивами в формате страниц NхN бит. Таким образом, технология записи наложенных голограмм является «странично-ориентированной»

Для создания элементов, имитирующих носитель информации для голографической памяти, в настоящей работе используются образцы регистрирующей среды «Диффен», толщиной порядка 1,5мм. На каждый рабочий участок образца записано несколько (от трех до десяти) голограмм-решеток методом углового мультиплексирования. Голограмма-решетка (элементарная голограмма) регистрируется при взаимодействии двух плоских волн. При создании реальных элементов производится запись голограммы более сложного объекта, например, одна из интерферирующих волн содержит информацию о странице текста. Но с помощью голограммы-решетки можно наиболее простым образом на практике продемонстрировать возможности объемных голограмм с наложенной записью осуществлять регистрацию больших объемов информации и независимое считывание фрагментов.

На рис.4 приведена оптическая схема установки для записи голограмм-решеток, которые используются в данной работе.

Рис.4.Схема записи пропускающих элементарных голограмм (голограмм-решеток): 1 – источник излучения; 2 – телескопическая система для расширения лазерного пучка; 3 – элемент для деления и поворота лазерного пучка (прямоугольная призма с алюминиевым покрытием); 4 – регистрирующая среда; 5 – приемник излучения;  Д1 и Д2 – диафрагмы; З1 и З2 – зеркала.

Схема, поясняющая каким образом производится угловое мультиплексирование при получении наложенных голограмм в данной работе, приведена на рис.5.

Рис.5.Принципиальная схема записи наложенных голограмм методом углового мультиплексирования. i – порядковый номер записи наложенной голограммы.

Голограммы №1;№2;№3 и т.д. записываются на один и тот же участок регистрирующей среды при различной ориентации образца-носителя относительно регистрируемой интерференционной картины. (На рисунке указан вариант, при котором для записи каждой последующей голограммы поворот образца-носителя производится по часовой стрелке.)

Возможность независимого считывания каждой из наложенных голограмм обусловлена таким свойством объемных голограмм как селективность. Селективность – свойство голограммы, связанное с уменьшением интенсивности дифрагированной (восстановленной) волны (IД) при отклонении условий освещения голограммы от оптимальных, определяемых условием Брэгга. Селективностью обладают только трехмерные голограммы. Двумерные голограммы (как и традиционные плоские дифракционные решетки) неселективны. Различают спектральную селективность голограммы, связанную с изменением длины волны восстанавливающего излучения и угловую селективность, обусловленную изменением пространственного спектра восстанавливающей волны. Максимум интенсивности волны, дифрагированной на объемной элементарной голограмме, наблюдается при угле Брэгга (Бр) и длине волны Брэгга (Бр). При отклонении от условий Брэгга (Бр± и Бр±) интенсивность дифрагированной волны уменьшается (см. рис.6). В данной работе необходимо произвести измерения контура угловой селективности каждой из наложенных голограмм и определить ее угловую селективность - , которая количественно определяется интервалом углов падения плоской монохроматической восстанавливающей волны на голограмму, в пределах которого интенсивность дифрагированной волны превышает половину ее максимального значения (см.рис.6).

Рис.6.Изменение интенсивности дифрагированного излучения при отклонении от условий Брэгга при считывании голограммы монохроматическим излучением – контур угловой селективности голограммы (толщина голограммы порядка 1 мм). Dq – угловая селективность голограммы.

Условие Брэгга определяет условие получения максимальной интенсивности дифрагированной волны при взаимодействии плоской волны с одномерной решеткой, зарегистрированной в объемной среде, и записывается следующим образом: 2d Sin = k где d - постоянная решетки, q - угол между направлением распространения волны  и плоскостью решетки,  - длина волны излучения, k = 1,2,3… - порядок дифракции. Это соотношение, установленное для дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле, известно в физике как закон Вульфа-Брэгга - по имени Г.В.Вульфа и У.Л.Брэгга, одновременно и независимо получивших это выражение в 1913г. 

В голографии условие Брэгга широко используется при рассмотрении дифракции излучения на объемной голограмме. При k = 1 условие Брэгга определяет для элеменарной объемной голограммы условие образования главного максимума дифрагированной волны: выбор угла падения (Бр) задает длину волны (Бр) падающего на голограмму излучения, и наоборот. При отклонении от условий Брэгга (Бр± и Бр±) интенсивность дифрагированной волны падает (см.рис.6).

РЕКОМБИНАЦИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Прямая межзонная рекомбинация

При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов) в базовую р-область полупроводника. Вблизи границы p–n-перехода создается избыточная (неравновесная) концентрация электронов и дырок. Происходят процессы их рекомбинации, сводящиеся к переходу электронов из зоны проводимости в валентную зону на имеющиеся там свободные уровни. Возможные пути рекомбинации показаны на энергетической диаграмме рис. 4. Здесь изображены уровни энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wv, уровень энергии донорной примеси Wd и уровень энергии акцепторной примеси Wa. Переход электрона с нижнего уровня зоны проводимости на верхний уровень валентной зоны называется межзонной рекомбинацией (рис. 4,а). Разность энергии ΔW = Wc − Wv выделяется в виде кванта электромагнитного излучения – фотона hνcv = ΔW, где h = 6.626∙10–34 Дж∙с –постоянная Планка (излучательная рекомбинация), либо передается решетке в виде кванта тепловых колебаний – фонона (безизлучательная рекомбинация). Однако процесс прямой межзонной излучательной рекомбинации маловероятен. Для его осуществления электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Кроме того, должен выполняться закон сохранения импульса, т.е. излучательная рекомбинация может произойти, если и электрон, и дырка имеют одинаковые, но противоположно направленные импульсы.

2.2. Рекомбинация с участием ловушек

 Переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону могут происходить через энергетические уровни, расположенные внутри запрещенной зоны (рис. 4,б,в). Это могут быть донорные или акцепторные уровни, достаточно удаленные от краев запрещенной зоны (Wc − Wd >> kT, Wa − Wv >> kT, где k = 0.862·10−4 эВ/К постоянная Больцмана, при Т = 293 К, kT ≈ 25 мэВ).

Атомы акцепторов и ионы доноров, способные захватывать, удерживать и отдавать электроны, называют центрами захвата или рекомбинационными ловушками.

 Процесс рекомбинации через ловушки происходит в два этапа:

  − на первом этапе электрон из зоны проводимости захватывается незанятым уровнем донорной примеси, а на втором происходит переход электрона с донорного уровня на свободный уровень в валентной зоне (нейтрализация дырки) с излучением фотона hνdv = Wd − Wv < ΔW или образованием фонона (рис. 4, б);

 −на первом этапе происходит переход электрона из зоны проводимости на незаполненный уровень акцепторной примеси с излучением фотона hνса = Wс − Wа < ΔW или образованием фонона, а на втором – переход захваченного электрона на свободный уровень в валентной зоне (нейтрализация дырки) (рис. 4, в).

 Вероятность захвата и длительность удержания зависят от глубины залегания уровней ловушек. Рекомбинационными ловушками могут быть также любые дефекты в кристаллах: примесные атомы или ионы, незаполненные узлы в решетке, дислокации и другие несовершенства объема или поверхности.

 Двухступенчатый процесс релаксации более вероятен, т.к. он не требует одновременного присутствия в данной точке электрона и дырки. Ловушка воспринимает количество движения, необходимое для соблюдения закона сохранения импульса и часть энергии (Wc − Wd, Wa − Wv), освобождаемой в процессе рекомбинации.

 Рассмотренные процессы перехода электронов из зоны в зону могут происходить и в обратном направлении (генерация электрон – дырочных пар или внутренний фотоэффект) с поглощением фотонов той же или большей энергии, что и излучаемых при рекомбинации.


На главную