Półprzewodniki.doc

Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami. Mechanizm przepływu prądu przez półprzewodnik zostanie przedstawiony na przykładzie kryształu germanu. Jest to pierwiastek czterowartościowy, jego atomy zawierają na swoich zewnętrznych orbitach po cztery elektrony. W krysztale germanu każdy atom jest związany w przestrzennej siatce krystalicznej z czterema jednakowo oddalonymi atomami. Takie wiązanie nazywa się wiązaniem kowalencyjnym, a elektrony- elektronami walencyjnymi. W krysztale czystego germanu, w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego wszystkie elektrony walencyjne biorą udział w wiązaniach międzyatomowych. Oznacza to, że w krysztale tym nie ma elektronów swobodnych i umieszczenie go w polu elektrycznym nie spowoduje przepływu prądu. Wraz ze wzrostem temperatury kryształu energia cieplna jest magazynowana przede wszystkim w postaci energii drgań atomów. Część elektronów walencyjnych otrzymuje energię dostateczną do przezwyciężenia sił powiązań z atomami. W rezultacie pojawiają się elektrony swobodne, a w miejscach zwolnionych przez elektrony- tzw. dziury. Elektrony swobodne są ładunkami ujemnymi, a dziury zachowują się jak ładunki dodatnie. W krysztale czystego pierwiastka liczba elektronów swobodnych jest zawsze równa liczbie dziur. Z chwilą umieszczenia rozpatrywanego kryształu w polu elektrycznym następuje uporządkowany ruch elektronów i pozorny ruch dziur, przy czym kierunek ruchu dziur jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów. Prąd jest więc spowodowany zarówno ruchem elektronów, jak i dziur. Ma on jednak bardzo małą wartość, gdyż elektrony swobodne stanowią niewielką część elektronów walencyjnych. Ważną cechą półprzewodników jest to, że nośniki ładunków elektrycznych w sieci krystalicznej mogą się przemieszczać nie tylko pod wpływem pola elektrycznego, ale także pod wpływem cieplnych drgań sieci krystalicznej. Przemieszczając się w ten sposób z jednego obszaru (gdzie jest ich dużo ) do drugiego obszaru (gdzie jest ich mało ) tworzą prąd dyfuzyjny. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego. Półprzewodniki dzielą się na domieszkowe i samoistne.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe - negative (występuje tu przewodnictwo elektronowe). Taką warstwę uzyskuje się poprzez dodanie do krzemu lub germanu niewielkiej ilości pierwiastka pięciowartościowego (donoru) np.: arsenu. Wtedy w skutek wiązań pojawiają się wolne elektrony. Drugi typ półprzewodników jest oznaczany jako p - inaczej niedomiarowy - positive (przewodnictwo dziurowe). Aby uzyskać taką warstwę należy do germanu lub krzemu dodać pierwiastka trójwartościowego (akceptoru) np.: glinu. Taki układ spowoduje powstanie tzw. dziur elektronowych czyli takich miejsc w których brakuje elektronów.
Z połączenia warstw n i p powstał najpopularniejszy półprzewodnik na świecie zwany potocznie diodą, który wyparł przestarzałe, duże i szybko zużywające się lampy elektronowe. Od tego czasu nastąpił szybko postępujący rozwój elektroniki, która jest w dzisiejszych czasach wszechobecna, a nie mogła by istnieć bez warstw n i p.
Najpopularniejsze przyrządy oparte na półprzewodnikach:
1) Dioda półprzewodnikowa
Jest to element elektroniczny wykorzystujący właściwości złącza p-n. Gdy biegun dodatni źródła prądu połączymy z warstwą p, a ujemny z warstwą n, wówczas obniży się bariera potencjału co umożliwi dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki układ nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeżeli zmienimy biegunowość źródła prądu to dioda przejdzie w stan zaporowy tzn. praktycznie nie będzie przewodziła prądu w odwrotnym kierunku. Szczególnym rodzajem diody jest dioda zenera. Drastycznie zmienia swoją oporność po przekroczeniu pewnej wartości napięcia np.: 12V. Diody znalazły szczególne zastosowanie w układach prostujących służących do zmiany prądu przemiennego w stały.
2) Tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnały elektryczne. Składa się on z trzech warstw i dwóch złącz. Całość jest umieszczona w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami. Wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje tranzystorów typu n-p-n i p-n-p. W tranzystorach n-p-n pierwszy z obszarów n połączony jest ze stykiem nazywanym emiterem (w bezpośrednim sąsiedztwie styku znajduje się duża koncentracja domieszek), obszar p z tzw. bazą, a drugi obszar n z tzw. kolektorem. Działanie tranzystora polega na tym, że prąd płynący z emitera do kolektora sterowany jest przez prąd bazy.
Tyrystor przewodzi prąd tylko w jednym kierunku od anody do katody. Jeżeli wartość prądu spadnie do wartości bliskiej zeru lub gdy zmieni się kierunek prądu to tyrystor przechodzi w stan zaporowy. Aby tyrystor zaczął przewodzić tona anodzie powinien pojawić się biegun dodatni oraz impuls dodatni na bramkę.
Tyrystor inaczej jest nazywany diodą sterowaną. Stosowany jest w urządzeniach sterujących, regulatorach obrotów i regulatorach poboru mocy. Podłączony do prądu przemiennego przepuszcza prąd połowy sinusoidy i blokuje się przy zmianie kierunku prądu. Regulując moment impulsu na bramkę możemy wykorzystywać całą lub tylko część energii. Oprócz tyrystorów klasycznych buduje się również tyrystory symetryczne typu TRIAC, które zastępują dwa tyrystory i umożliwiają prostowanie dwópołówkowe. Tyrystor jest prostownikiem jednopołówkowym. Jego praktyczne znaczenie można zobaczyć w ściemniaczach światła, zmienia jego natężenie bez dodatkowych strat energii.
4) Fotodioda półprzewodnikowa jest to półprzewodnik spolaryzowany w kierunku zaporowym, w której pod wpływem natężenia oświetlenia padającego przez mały otwór w obudowie zmienia się prąd wsteczny i fotodioda zaczyna wytwarzać napięcie. Moc tego ogniwa jest jednak niewielka i główne zastosowanie znalazła ona w układach pomiarowych fotometrycznych.
5) Termistor jest to opornik półprzewodnikowy którego oporność zależy w głównym stopniu od temperatury. Półprzewodnik ten jest stosowany głównie jako czujnik temperatury, np.: w elektronicznych przyrządach pomiarowych, które można spotkać w samochodach, pralkach bądź piekarnikach.
6) Układ scalony jest to również jeden z rodzaju półprzewodników. Jest zminiaturyzowanym zespołem bardzo wielu tranzystorów, diod rezystorów. Może być wykonany z jednego kryształu półprzewodnika lub naniesiony warstwowo na izolujące podłoże.

-||-

Istnieje grupa krystalicznych przewodnikow elektronowych, do której należą krzem, german, selen i reszta związków np:potlenek miedzi
Wszystkie te substancje przewodzą elektrycznoścznacznie gorzej niż metalei dlatego nazywanesą półprzewodnikami.W temperaturze zera bezwzględnegosubstancje nie przewodząi są dialektrykami.Ich przewodnictwo, w odróżniniu od metali ma charakter cieplny.Na przykład w krysztale dolna krawędz pasma pustego leży bardzo blisko górnej krawędzi pasma zapełnionego.Wtedy juz energia wzbydzenia cieplengo wystarcza by elektron mógł przeskoczyćz całkowicie zapełnionego pasma dolnego do niezajętego pasma górnego. W temperaturze zera bezwzgędnego nie ma wzbudzeń cieplnych, do górnego pasma nie trafia ani jeden elektron a kryształ jest dialektrykiem. Przy wzroście temparatury do pasma górnego dostaje się coraz więcej elektronów.W tych warunkach zdolność przewodzenia kryształu bedzie oczywiście rosnąć,a odporność maleć.
Ładunek w półprzewodniku opuszczajac dolne pasmo elektrony pozostawiają w nim nie zajęte miejsca.Pozostałe elektrony natomiast mogą być teraz przyspieszane i mogą przechodzic na opróznione miejsca.Gdy elektron przechodzi na niezajęte miejsca przesuwajac się z lewej na prawą,a dziura przemieszcza się z prawa na lewo.Pęcherzyk powietrza w cieczy unosi się w górę, podczas gdy środek ciężkości całej cieczy obniża się.Elektron porusza sie w strone anody(bieguna dodatniego). Dziura porusza się w kierunku katody(zachowuje sie jak ładunek dodatni)dziury rózżniąsie od elektronów nie tylko znakiem ładunku. Przyczynki pochodzą od dziur i elektronów moz na rozróznić fizycznie .Wystarczy umieścic półprzewodnikz płynącym prądem magnetycznym do kierunku prądu. Odchylenie ładunków w polu magnetycznym powoduje powstanie dodatkowej róznicy potencjałów w kierunku prostopadłymdo kierunkuzarówno pola,jak i prądu.
Różnice mozna wykryc galwanometrem.Wychyleniom galwanometru w jedną lub drugą stronę odpowiada przewaga elektronówlub dziur.
Efekty Halla o róznych znakach obserwuje się także w metalach.Dziury moga równieżdawać wkład do przewodnictwa elektrycznego.
Większość półprzewodników ma przewodnictwo dziurowe albo elektronowe.Różne doświadczenia zaweraja domieszki innych pierwiastków.
Rola ich polega:
Kryształ zawierający domieszki nie jest już kryształem idealnym.W kryształach nieidealnych, jak wynika to z teorii, oprócz dozwolonych pasm wartosci energii elektronów wystaepują jeszcze dodatkowe pojedyńcze poziomy rozmieszczone pomiedzy pasmami.Poziomy te moga byc zajęte lub wolne.
Gdy załozymy ze poziomy leża bardzo blisko dolnej krawędzipustaego pasma.Wtedy ruchcieplny zmusza cześć elektronowdo przejścia do pasma niezajętegoi otrzymujemy półprzewodniko czystoelektronowym przewodnictwie.Jesli wolne poziomy znajdują sie w pobliżu górnej krawedzi pasma zapełnionego, to ruch cieplny przerzuca częśc elektronow na te poziomy. W paśmie zapełnionympojawiają sie wtedy dziuryi otrzymujemy półprzewodnik dziurowy.Są to tak zwane poziomy dyskretne!
Przy naświetlaniu półprzewodników światłem widzialnym lub nadfioletowym, elektrony mogą pochłoniąwszy energię świetlną,przechodzić do pasma przewodnictwa lub opuszczaćpasmo zapełnione, zostawiając po sobie ruchliwe dziury.Bywaja takze w czasie naswietlania , w niskich temepraturach, półprzewodniki którw przewodza prąd elektryczny.
Zjawisko to nazywamy fotoprzewodnictwem.

Źrudło:Biblioteka problemów
Elaktrony,fonony,magnony... M.I.Kaganow
Warszawa 1978 r Państwowe Wydawnictwo Naukowe

-||-

Zastosowanie półprzewodników. PÓŁPRZEWODNIKI Półprzewodniki to substancje o przewodności elektrycznej mniejszej niż przewodność metali a większej niż przewodność dielektryków. Cechą charakterystyczną półprzewodników jest silna zależność przewodnictwa elektr. od warunków zewnętrznych (temperatury, oświetlenia, elektrycznych pól, napromieniowania, i innych), przy czym (odwrotnie niż w przypadku metali) przewodnictwo półprzewodników rośnie ze wzrostem temperatury. Według pasmowej teorii ciała stałego w temp. 0º K pasmo walencyjne półprzewodników jest całkowicie wypełnione elektronami i pole elektryczne nie może zmienić ani położenia, ani pędu poszczególnych elektronów, a więc wywołać przepływu prądu. Półprzewodniki są otrzymywane w postaci monokrystalicznej lub polikrystalicznej. Znajdują zastosowanie w elektronice - złącza prostujące diody, tranzystory, układy scalone itp.; najszersze zastosowanie mają: krzem, arsenek galu, a także german. BUDOWA I DZIAŁANIE LASERA Laser (skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) to urządzenie do wytwarzania spójnej, słabo rozbieżnej i monochromatycznej wiązki światła. Podstawą działania lasera jest emisja wymuszona fotonów. Emisja wymuszona zachodzi, gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, (zgodne w fazie) fotony o tej samej energii i częstotliwości (proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 r.) W rezultacie otrzymujemy strumień spójnego światła o stosunkowo dużym natężeniu. Wyróżniamy dziewięć typów lasera, w których ośrodkiem czynnym są różne typy gazów, bądź ich mieszaniny, lub też monokryształy. Typami tymi są: laser argonowy, azotowy, barwnikowy, helowo-neonowy, molekularny, neodymowy, półprzewodnikowy, rubidowy i tytanowy. Najstarszym typem jest laser rubinowy, który pracuje w trybie impulsowym, ma kolor czerwony; to lampa ksenonowa „pompuje” energię – fotony do rubinu. Z kolei w laserze gazowym (helowo-neonowym) tryb pracy jest ciągły, a głównym czynnikiem powodującym akcję laserową jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych. ZASTOSOWANIE TECHNIK LASEROWYCH Lasery znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki: • w technologii materiałów i budownictwie (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, dynamiczne wyważanie, zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.); • do sterowania pracą maszyn roboczych, wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych konstrukcji (teodolit i dalmierz laserowy); • w medycynie i biologii (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, oczyszczanie zębów z próchnicy, zabiegi kosmetyczne); • do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego (giroskop optyczny) itp.; • w technice wojskowej (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania; • do zapisywania i odtwarzania dźwięków i obrazów (gramofon cyfrowy, magnetowid) na nośnikach cyfrowych – płytach CD, DVD itp.; • w telekomunikacji optycznej (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa); • w holografii – tworzenie trójwymiarowych obrazów, map, konstrukcji. Użycie laserów zrewolucjonizowało spektroskopię atomową i cząsteczkową i powiększyło m.in. dokładność pomiarów stałych atomowych, a przez to i uniwersalnych stałych fizycznych. Do badania ultraszybkich procesów i reakcji chemicznych w układach molekularnych i w fizyce ciała stałego służą impulsy światła o czasie trwania rzędu pikosekund, otrzymywane w układach laserowych tzw. metodą synchronizacji modów. Rozwój techniki laserowej zmierza m.in. w kierunku: uzyskania większych mocy i energii promieniowania, zwiększenia sprawności i niezawodności działania, uzyskania promieniowania spójnego w , zastosowania w trójwymiarowym filmie i telewizjigzakresie rentgenowskim i  oraz do realizowania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Duże nadzieje wiąże się z laserami elektronowymi, w których spójne promieniowanie o dużej mocy wysyła hamowana w polu magnet. wiązka elektronów przyspieszonych do prędkości (bliskich prędkości światła). Również technika kosmiczna interesuje się zastosowaniem lasera w celu napędzania pojazdów kosmicznych W tym wypadku strumień lasera emitowany jest w środek dysku zbudowanego w specyficzny sposób. Laser podgrzewa i jonizuje powietrze pod dyskiem i unosi go coraz wyżej i wyżej. Statek taki może być wynoszony pod górną granicę atmosfery, gdzie zostanie uruchamiany inny napęd. Zastosowań laserów jest coraz więcej i coraz więcej jest także urządzeń wyposażanych w ten typ półprzewodnika.. Lasery służą do odczytywania płyt kompaktowych. Laserowy promień ślizga się po wyrytych na płycie dołkach. Im mniejsza jest długość jego światła, tym mniejsze mogą być dołki. Można ich wtedy więcej „upchać” na powierzchni płyty, a tym samym zwiększyć pakowność. Dziś stosuje się lasery czerwone, lecz fale niebieskie są krótsze - gdyby udało się skonstruować niebieskie lasery zapisujące, pojemność dysków wzrosłaby czterokrotnie. W Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress" Polskiej Akademii Nauk stworzono niebieski laser, co rozwinie techniki zapisu, przesyłu danych w światłowodach itp.; świat potrzebuje tego typu odkryć.

www.portalnaukowy.edu.pl/laser_teoria_1.htm

Zastosowanie półprzewodników  autor  Hans Zimmer

-||-

W laserach wykorzystuje się dwoisty charakter światła, które zachowuje się i jak fala, i jak cząsteczki. Najmniejsza cząstka światła nosi nazwę fotonu.

Fotony zachowują się trochę jak fale, trochę jak cząstki. Każdy foton niesie pewną ilość energii. W laserze atomy lub cząsteczki oddają część swojej energii w postaci fotonów świetlnych. Ale żeby ją oddać, muszą zostać najpierw wzbudzone, czyli wprowadzone na wyższy poziom energetyczny. W laserze uprzednie doprowadzanie energii odbywa się na przykład przez włączenie prądu elektrycznego. Nazywa się to "pompowaniem" lasera.

Doprowadzona energia gromadzi się w ośrodku laserującym i zostaje zużyta do wzbudzenia, czyli wprowadzenia na wyższy poziom energetyczny jego atomów. Atomy zawsze mają skłonność do przechodzenia do najniższego poziomu energetycznego, wkrótce więc niektóre z nich oddadzą nadmiar energii przez wysłanie fotonu. Fotony te zderzają się z innymi atomami, pobudzając je z kolei do emisji następnych fotonów, których liczba szybko narasta w lawinowej reakcji. Reakcję tę potęgują lustra na obu końcach rury, odbijając fotony tam i z powrotem, pobudzając coraz więcej atomów do emisji światła.

www.eszkola.pl/czytaj/Laser_zastosowanie/5372

-||-

Pomiary za pomocą laserów

Mimo, że każdy rodzaj światła rozchodzi się prostoliniowo, światło lasera nadaje się szczególnie do wytyczania prostych linii. Jego intensywna, wąska wiązka nie rozprasza się nawet na bardzo długich dystansach.
Podczas drążenia tuneli, czy pod Alpami, czy pod kanałem La Manche, inżynierowie posługiwali się laserami do tyczenia kierunku na duże odległości. Lasery służą także w stoczniach do precyzyjnego dopasowania wielkich fragmentów kadłubów statków, co ułatwia późniejszy montaż. Przy pomiarach bardzo dużych i bardzo małych odległości laserowe urządzenia pomiarowe coraz częściej stają się dla inżynierów i techników niezastąpione.
Pomiar bliski i daleki
Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Wiązka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijający cel. A gdy natrafi na lustro, zostaje obita z powrotem do niego. Instrument rejestruje czas, który upłynął od wysłania impulsu świetlnego do jego odbioru, i oblicza z niego odległość do celu.

Na tej samej zasadzie działa LIDAR, rodzaj radaru, w którym zamiast fal radiowych stosuje się światło lasera. W tym systemie do pomiaru odległości oddalonych obiektów używa się impulsowych wiązek laserowych. LIDAR zastał wykorzystany do kilku efektownych doświadczeń. W roku 1969, gdy amerykańscy astronauci umieścili odbłyśniki laserowe na powierzchni Księżyca, za pomocą tego systemu zmierzono odległość do Księżyca z dokładnością do kilku centymetrów.

Na drugim końcu skali
Do pomiarów bardzo małych odległości przydatne okazały się interferometry laserowe. W urządzeniach tych wykorzystuje się inną właściwość światła laserowego, jego spójność i synchronizację fal.
W interferometrii laserowej wiązka laserowa jest rozszczepiana na dwie. Każdą z nich kieruje się na inną powierzchnię odbijającą. Obie wiązki maja do przebycia różne drogi, więc gdy spotykają się po odbiciu, są nieco przesunięte w fazie. W wyniku tego powstają naprzemienne układy linii światła i cienia, zwane prążkami interferencyjnymi, na podstawie których można bardzo dokładnie zmierzyć odległość pomiędzy dwoma punktami.
Zastosowanie interferometrów laserowych są bardzo liczne. W przemyśle używa się ich do pomiaru średnicy bardzo cienkich drucików lub do sprawdzania, czy wymiary produkowanych detali są dokładnie takie jak potrzeba. Interferometry laserowe służą także geologom w badaniach przyczyn trzęsień ziemi przez pomiary bardzo małych przesunięć wzdłuż uskoków pęknięć skorupy ziemskiej.
Satelity i samoloty rozpoznawcze zbierają z dalekiej odległości informacje o powierzchni Ziemi. Niektóre ze służących do tego przyrządów opierają się na technice laserowej i korzystają z wysyłanych przez nie wiązek światła o ściśle określonej długości fali i dużym zasięgu.
Analizując pochłanianie światła o różnych długościach fali przez chemikalia zawarte w powietrzu, można mierzyć skażenie atmosfery. Niektóre związki chemiczne, pobudzone energia lasera, emitują charakterystyczne dla siebie światło. Zjawisko to nosi nazwę fluorescencji. Posługując się podniebnym laserem o odpowiedniej długości fali świetlnej i rejestrując wywołaną przez niego fluorescencję, naukowcy mogą badać tak różne zjawiska, jak stan zdrowia lasów czy rozmiary plamy ropy naftowej na morzu.

pl.shvoong.com/exact-sciences/physics/202518-pomiary-za-pomocą-laserów/

-||-

Co to jest laser?
Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego działającym na zasadzie wymuszonej emisji, a jego nazwa pochodzi od skrótu nazwy angielskiej - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoją energię wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcję fotonów światła. Kiedy wzbudzone atomy zderzają się z kolejnymi fotonami, emitują energię w postaciświatła. Wyemitowane światło ma jednakową częstotliwość fali, stąd nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.
Zjawisko wymuszonej emisji odkrył w drodze teoretycznych rozważań Albert Einstein, analizując prawa promieniowania świetlnego. Możliwość otrzymania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na drodze eksperymentalnej uzasadnił w 1940 roku radziecki uczony W. A. Fabrikant.
W latach 1952 - 53 z koncepcją budowy wzmacniacza mikrofal działającego na zasadzie wymuszonej emisji wystąpili, niezależnie od siebie, Charles H. Townes i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych.
Pierwsze takie urządzenie, noszące nazwę lasera, zostało zbudowane w 1954 roku. Wynalazek lasera polegał na rozszerzeniu wykorzystania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na zakres fal świetlnych. Z pierwszym projektem tego rodzaju urządzenia wystąpił w 1958 roku ponownie Townes wraz z innym fizykiem amerykańskim Arthurem L. Schawlowem. Rok później Townes zbudował model lasera, lecz próby nie wypadły pomyślnie. Pierwszy czynny laser został zbudowany po kilku dalszych miesiącach.
W maju 1960 roku młody amerykański badacz Theodor H. Maiman z laboratorium Hughes Aircraft Company zademonstrował laser rubinowy, wytwarzający niezwykle spójną i monochromatyczną wiązkę światła.
Wkrótce po laserze rubinowym, w którym akcja laserowa zachodzi w jonach chromu krystalicznego rubinu, został zbudowany laser gazowy (akcja laserowa przebiega w nim w mieszaninie helu i neonu), a następnie w 1962 roku laser półprzewodnikowy i w 1963 roku laser cieczowy.

Sciaga.pl

-||-

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10-8 do 106 S/m (simensa na metr), co plasuje je między przewodnikami a dielektrykami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu lub proszku.

Rodzaje półprzewodników [edytuj]

·         samoistne

·         domieszkowe

·         fotoprzewodniki

Samoistne [edytuj]

Struktura pasmowa krzemu. J.R.Chelikowsky,M.L.Cohen, Phys.Rev. B10(1974)5095

Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur.

Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0K ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje.

Domieszkowe [edytuj]

Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi.

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs). Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów podmiana któregoś z jonów atomem domieszki może spowodować wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów.

Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z ang. negative - ujemny).

Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu p, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano dziurą elektronową. Zachowuje się ona jak swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie dziurowym, lub przewodnictwie typu p (z ang. positive - dodatni). Dziury, ze względu na swoją masę efektywną, zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość a przez to oporność materiałów typu ...