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

Лабораторные работы по электронике

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для измерения параметров мультиплексной голограммы используется установка, принципиальная оптическая схема которой приведена на рис.7.

Рис.7.Оптическая схема установки для измерения дифракционной эффективности и контура угловой селективности пропускающей голограммы-решетки. ИИ – источник излучения; ПИ – приемник излучения, который может быть установлен в положения 1,2,3; Г – голограмма; N – нормаль к поверхности голограммы; I0 и Iд -–нулевой и дифрагированный пучки излучения; j - угол поворота образца относительно падающего пучка; 2θ – угол между нулевым и дифрагированным пучками излучения (измерения проводятся при θ= θБр).

На рис.8 приведена зависимость интенсивности дифрагированного пучка (Id) от угла поворота голограммы относительно считывающего (падающего) пучка для образца, на котором зарегистрированы три наложенные голограммы методом углового мультиплексирования. Приемник излучения в этом случае находится в положении «ПИ(3)» (см.рис.7). В этом случае при установке угла между носителем информации (образцом) и считывающим пучком (j) равным j1 на приемнике излучения получаем информацию, записанную на голограмме №1. Если φ = j2, то на приемник излучения попадает информация, записанная на голограмме №2, для того, чтобы получить на приемнике излучения (детектирующем устройстве) информацию, записанную на голограмме №3, необходимо далее носитель информации (или считывающий пучок) повернуть на угол Dφ = φ3 – φ2.

Рис.8.Зависимость интенсивности дифрагированного излучения (Id), детектируемого приемником излучения (ПИ-3, рис.7), от угла поворота голограммы относительно считывающего (падающего) пучка (φ): j1; j2; j3 – угол поворота, соответствующий считыванию голограмм №1; №2; №3 (поворот образца по часовой стрелке); Dqi – угловая селективность отдельной, i-й, голограммы (определяется по уровню интенсивности дифрагированного пучка Id = 0,5·Imax); Dj – угол поворота образца между считыванием двух соседних наложенных голограмм; DF – диапазон углов поворота образца-носителя, необходимый для считывания всех зарегистрированных голограмм.

Чтобы обеспечить независимое считывание каждой отдельной наложенной голограммы и избежать влияния помех, создаваемых соседними наложенными голограммами, угол поворота образца между считыванием двух соседних наложенных голограмм (Dφ) должен быть больше, чем величина угловой селективности отдельной голограммы (Dq). Угол Dφ задается условиями регистрации наложенных голограмм. Как правило, на практике при мультиплексировании обеспечивают такие условия эксперимента, чтобы Dφ = (2÷5)·Dq.

В работе необходимо исследовать зарегистрированную на образце-носителе мультиплексную голограмму как элемент странично-ориентированной голографической памяти, и оценить ее возможности, предполагая, что отдельная наложенная голограмма несет фрагмент информации, равный одной странице текста.

При рассмотрении свойств отдельной голограммы основным измеряемым параметром, характеризующим ее качество, является дифракционная эффективность (см. «Терминологический словарь»). Именно дифракционная эффективность (ДЭ) голограммы определяет мощность источника излучения и чувствительность приемника излучения (приемной аппаратуры) при считывании информации с данного элемента архивной памяти. Кроме того, контроль ДЭ необходим в процессе разработки и создания таких элементов при сравнительном анализе свойств голограмм, зарегистрированных на различных материалах при различных условиях; а также при обеспечении определенных требований к качеству считываемой информации (например, необходимость обеспечить требуемое качество текста или изобразительного материала по всей площади считывавемой страницы информации).

Дифракционная эффективность определяется обычно как отношение потока излучения в дифрагированной волне данного порядка дифракции (РД)n к падающему на голограмму потоку излучения (Рпад). Для характеристики голограмм, имеющих потери (на поглощение, рассеяние, отражение и т.д.), используют также приведенные, или нормированные, значения дифракционной эффективности, определяемые как отношение (РД)n к сумме потоков излучения всех порядков дифракции, включая нулевой. В этом случае для объемной голограммы, формирующей один дифракционный порядок, ДЭ=(РД)1/{(РД)1+(РД)0}. Дифракционная эффективность  зависит от типа голограммы, свойств регистрирующей среды и методов постэкспозиционной обработки, условий регистрации и освещения голограммы и является важнейшей характеристикой при количественной оценке ее свойств.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

А.Подготовка эксперимента.

1. Включить источник излучения – лазер.

2. Включить измерительный прибор – мультиметр в режиме измерения тока.

3.Проверить подключение к мультиметру приемника излучения (фотодиод ФД-24К).

4.Закрепить образец (оптический элемент) на поворотном столике так, чтобы рабочая область элемента с зарегистрированными голограммами оказалась в сечении светового пучка.

Б.Измерение дифракционной эффективности.

Дифракционная эффективность (ДЭ) голограммы в данной работе определяется как отношение потока излучения в дифрагированной волне (РД) к падающему на голограмму потоку излучения (Рпад). Поток излучения (P) пропорционален интенсивности излучения (I) и измеряется в относительных единицах.

Подготовить таблицу 1 для записи результатов измерений.

Установить приемник излучения в положение «1», соответствующее измерению интенсивности (потока) падающего излучения. Проверить перпендикулярность положения входного окна приемника относительно падающего пучка. Измерить интенсивность падающего излучения Iпад в относительных единицах (измеряется ток в цепи приемника излучения, пропорциональный интенсивности или потоку, излучения). Данные занести в столбец 4 таблицы 1.

Установить приемник излучения в положение «3», соответствующее измерению интенсивности дифрагированного излучения. Проверить перпендикулярность входного окна приемника излучения относительно падающего пучка. Поворачивая голограмму (вращением барабана микрометрического винта) относительно падающего пучка, найти максимальное значение интенсивности дифрагированного пучка первой наложенной голограммы. Данные занести в столбец 3.

Повторить п.2 и п.3 для голограммы №2.

Повторить п.2 и п.3 для голограммы №3.

Таблица 1. Данные для определения дифракционной эффективности отдельных наложенных голограмм

№ голограммы

Направление поворота образца

(max)

Iпад

ДЭ,%

1

2

3

4

5

Голограмма№1

По часовой стрелке

Голограмма№2

Голограмма№3

В.Измерение зависимости интенсивности дифрагированного излучения (Id), детектируемого приемником излучения в положении ПИ(3), от угла поворота голограммы (φ). (Данные для получения контуров угловой селективности наложенных голограмм и оценки их угловой селективности)

Подготовить таблицу 2 для записи результатов измерений.

Установить приемник излучения в положение ПИ(3) для измерения интенсивности дифрагированного пучка.

Определить цену деления барабана микрометрического винта (МВ) в угловых единицах (q, рад/мм), измерив расстояние от вертикальной оси вращения столика с голограммой до горизонтальной оси вращения сердцевины микрометрического винта (МВ). Занести результат в исходные данные к таблице 2.

Оценить диапазон углов поворота DF (см.рис.8), необходимый для считывания всех зарегистрированных голограмм.

Определить, с каким шагом необходимо проводить измерения, чтобы при построении контура для каждой голограммы имелось 20-30 экспериментальных точек. «Шаг измерений» – расстояние между двумя измерениями по барабану микрометрического винта – может быть постоянным при проведении измерений контура голограммы (например, 2; 5; 10 делений барабана МВ) и увеличен при измерениях вне контура голограммы.

Провести измерение исходной зависимости, заполнив столбцы 1 и 2 таблицы 2.

Таблица 2. Данные для построения зависимости Id(φ) и оценки угловой селективности наложенных голограмм.

Исходные данные: цена деления барабана МВ - q = ______ радиан/мм

Отсчет по барабану МВ, Ni, мм

Интенсивность дифрагированного пучка,

Iд, мкA

j, рад

1

2

3


Прямые и непрямые межзонные переходы

 В кристалле полупроводника электроны движутся в поле периодического электрического потенциала кристаллической решетки. Допустим, в некотором направлении х атомы, а следовательно, и периодический потенциал повторяются с частотой, соответствующей периоду решетки а. Электрон, движущийся в направлении х, может иметь различные значения волнового вектора kx и импульса рх = ħkx, за исключением

 kx = ±(π/a)n, (1)

где n = 1, 2, 3 …, и соответственно, импульса рх =±(ħπ/a)n, при которых длина волны де Бройля λ = 2π/k оказывается кратной периоду решетки nλ = 2a. Это значит, что величины энергии, соответствующие значениям kx = ±(π/a)n являются запрещенными. Зона проводимости разделяется на ряд зон (зон Бриллюэна) разрешенных значений энергии.

 В обычных условиях зона проводимости является частично заполненной зоной, в которой электроны занимают уровни, расположенные вблизи дна зоны. Эти уровни будут соответствовать самым нижним уровням первой зоны Брилллюэна (|kx| << ±π/a). В этой области, при малых значениях импульса электрона, энергия электрона описывается зависимостью, аналогичной зависимости W(p) свободного электрона:

 . (2)

 Кривая зависимости энергии электрона от волнового вектора W(k) показана на рис. 5. Аналогично может быть построена кривая зависимости энергии электрона от волнового вектора в валентной зоне. Как и в предыдущем случае, интерес представляют самые нижние уровни первой зоны Бриллюэна, т.е. уровни вблизи верха валентной зоны. Именно здесь находятся свободные уровни, которые интерпретируются как дырки (рис. 5).


Из рис. 5 можно видеть, что запрещенная зона полупроводника представляет собой зазор между экстремумами двух параболических кривых (2) первых зон Бриллюэна.

 Мы рассмотрели одномерную задачу. В реальном трехмерном кристалле электрон может двигаться в произвольном направлении, при этом картина зон Бриллюэна получается более сложной. Картина усложняется и за счет того, что в разных кристаллах зоны проводимости и валентная образуются расщеплением различных уровней оболочек атомов. Сложная зависимость энергии от импульса приводит к тому, что положение экстремума (минимума или максимума) функции W(k) может быть сдвинуто относительно нулевого значения k. Кроме того, оказывается возможным наличие нескольких экстремумов в зоне Бриллюэна, причем минимум, смещенный относительно k = 0, может быть более глубоким, т.е. соответствует меньшему значению энергии по сравнению с минимумом, находящимся в точке k = 0 (рис. 6).


Различают прямые и непрямые переходы электронов из зоны в зону. Прямые переходы (прямая межзонная рекомбинация) совершаются практически без изменения импульса электрона и могут сопровождаться выделением фотона (рис. 5). Прямые переходы возможны в прямозонных полупроводниках, когда экстремумы расположены один над другим ( в точке р = 0). Строго говоря, прямой переход сопровождается отдачей импульса фотона р = hν/c. Однако этот импульс настолько мал, что считают, что переход электрона из зоны в зону происходит без изменения импульса.

  (Прямой переход электрона из зоны в зону происходит без изменения импульса, т.е. без изменения вектора скорости движения. Следовательно, при прямом переходе изменяется лишь потенциальная энергия электрона. Кинетическая энергия электрона (2) остается постоянной).

 В непрямозонных полупроводниках (рис. 6) происходит переход с изменением импульса электрона в результате взаимодействия электрона с решеткой. Непрямой переход всегда заканчивается выделением энергии в виде фононов (элементарных квантов тепловых колебаний кристаллической решетки). Импульс фонона определяется относительным положением минимумов первых зон Бриллюэна в зоне проводимости и в валентной зоне. Ракомбинация без излучения фотона называется безизлучательной рекомбинацией. В непрямозонных полупроводниках возможны излучательные переходы с предварительным захватом электрона рекомбинационной ловушкой. Рекомбинационные ловушки являются своеобразным посредником, получающим от электрона и передающим решетке импульс фонона (рис. 6).

 Кремний и германий являются пепрямозонными полупроводниками. Для них характерными являются непрямые переходы и безизлучательная рекомбинация на примесных центрах.


На главную