Инверсное включение

Рассматривая принцип действия лазера, было принято, что уровень 2 начальный, а уровень / конечный данного лазерного перехода. Создание состояния инверсной населенности в двухуровневой системе с помощью внешней накачки весьма затруднительно вследствие равенства В12 = В21. Для получения инверсной населенности Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была предложена трехуровневая система ( 33, а). При интенсивной накачке происходит поглощение, вызывающее переходы с основного уровня / на уровень 3, вследствие чего уменьшается населенность уровня / и возрастает населенность уровня 3. Спустя некоторое время, часть частиц возвращается на уровень /, а часть переходит на уровень 2. При этом скорость перехода частиц с уровня 3 на уровень 2 больше, чем с уровня 2 на уровень /. В результате на уровне 2 происходит накопление

частиц и населенность его становится больше, чем уровня /. Таким образом достигается состояние инверсной населенности между уровнями 2 ц 1.

Наибольший практический интерес представляет первый из перечисленных способов создания инверсной населенности. Поэтому рассмотрим инжекционные лазеры.

Инверсную населенность в инжекционном лазере с р-п-переходом проще получить, если одна из областей диодной структуры является вырожденной, т. е. содержит большую концентрацию соответствующих примесей. При прямом включении р-п-перехода прямой ток состоит из двух составляющих: электронной и дырочной. Чем больший ток проходит через р-/г-переход, тем с большим запасом выполняется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит преимущественно вынужденная рекомбинация, называют пороговым током.

Методы получения инверсной населенности. Инверсная населенность верхних энергетических уровней практически выполняется двумя методами. Первый — состоит в своеобразной пространственной рассортировке атомов или молекул по энергетическим состояниям, в результате остаются лишь возбужденные частицы. Так с помощью неоднородного магнитного поля можно сконцентрировать в одной части пространства возбужденные атомы водорода; с помощью неоднород-

V. Какие методы получения инверсной населенности применяются в оптических квантовых приборах?

3. Импульсный разряд короткой длительности используется для накачки лазеров на самоограниченных переходах. Достижение инверсной населенности возможно только тогда, когда время нарастания импульса тока сравнимо с радиационным временем жизни верхнего энергетического уровня. При этом необходимые значения плотности тока достигают тысяч ампер на квадратный сантиметр.

Модуляция добротности резонатора позволяет в начальной фазе, при низкой добротности (высокий уровень потерь) получить значительное превышение инверсной населенности над уровнем инверсии при свободной генерации. После этого добротность быстро увеличивается (потери понижаются) и высвечивается короткий световой импульс большой мощности. Этот режим получил название накопительного или режима генерации гигантских импульсов. Мощность импульсов достигает 109 Вт, а . минимальная длительность — 1 не.

В зависимости от соотношения между населенностями уровней мощность может быть положительной (случай поглощения) и отрицательной (случай усиления падающего сигнала). При тепловом равновесии согласно закону Больцмана (7.12) населенность уровня тем меньше, чем выше он расположен. Следовательно, rii>n2, мощность Р положительная, и сигнал ослабляется. Для того чтобы система усиливала, необходимо обеспечить условие инверсной населенности уровней: п2>п\, т. е. такое состояние системы, при котором на верхнем уровне находится большее число частиц, чем на нижнем. В этом случае мощность становится отрицательной, что означает передачу энергии не от электромагнитной волны к системе, а наоборот, т. е. усиление этой волны.

В настоящее время для усиления и генерации особенно широко применяются трехуровневые квантовые системы. Впервые на возможность использования трехуровневых систем для создания инверсной населенности указали Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в 1955 г. На 7.4 представлена схема уровней Wi
ления сигнала необходимо добиться инверсной населенности этих уровней: П3>п2. Согласно (7.19) na>,Ni/2, поэтому выполнение условия

Однако при достаточно малом внутреннем сопротивлении источника сигнала это не сказывается на работе схемы, которая выполняет функции эмиттерного повторителя. В схеме 2.28, б транзистор работает в прямом включении (возможно и инверсное включение); при этом малое остаточное напряжение открытого транзистора обеспечивается поддержанием необходимого базового тока.

Если эмиттерный переход напряжением ?/эв смещен в прямом направлении, а коллекторный переход напряжением (7кб — в обратном (см. 2.9, а, в), то включение транзистора называют нормальным. При перемене полярности напряжений (/Эб и UK& получим инверсное включение транзистора.

В режиме насыщения оба перехода открыты, в режиме отсечки оба перехода закрыты. На 3.35, б область DBCF линии нагрузки соответствует активному режиму, область OD — режиму насыщения, область ниже OF — режиму отсечки. Кроме рассмотренных трех режимов работы транзистора, иногда применяют инверсный режим (инверсное включение) транзистора, при котором коллекторный переход открыт, а эмиттерный переход закрыт. Области всех режимов показаны на 3.35, в. Режим лавинного умножения используют только для специальных «лавинных» транзисторов. Линия abed является ограничительной по току (участок ab), по допустимой мощности, рассеиваемой коллектором (участок be), и по напряжению (участок cd). Рабочая точка на линии нагрузки не должна выходить за ограничительную линию.

В данном случае применено инверсное включение транзисторов,, когда ток управления проходит по цепи база — коллектор. За счет этого при открытом переключателе остаточное напряжение каждого из транзисторов составляет единицы милливольт, что гораздо меньше того же напряжения при прямом включении транзисторов. Поскольку транзисторы включены встречно и имеют почти идентичные характеристики, то разность остаточных напряжений — остаточное напряжение переключателя ?/0ст — в целом может составлять десятки микровольт. Остаточное сопротивление открытого переключателя составляет несколько десятков Ом. В закрытом состоянии переключатель характеризуется током утечки между эмиттерами /зак. Для данного типа переключателя [/Ост^0,2 мВ (при токе управления /у^0,5 мА); /зак^1 мкА; максимальное напряжение управления ?/у.макс = 15 В; максимально допустимое напряжение между эмиттерами закрытого переключателя (/зак.макс = 30 В;. • максимальный ток эмиттера /э.Макс = 25 мА.

Если коллектор и эмиттер поменять местами (инверсное включение), то коэффициентом передачи тока будет инверсный коэффициент а/, определяемый концентрацией электронов, инжектируемых из коллектора в базу. Так как коллекторная область содержит малую по сравнению с эмиттерной областью концентрацию примесей, то инверсный коэффициент инжекции у, оказывается весьма малым и обычно изменяется в пределах 0,1—0,6.

Рассматривая последовательность слоев биполярного транзистора, нетрудно убедиться, что в принципе работоспособность прибора сохранится, если эмиттер и коллектор поменять местами. Однако инверсное включение неравноценно нормальному вследствие несимметричности конструкции (см. 16.18) транзистора.

Если эмиттерный переход напряжением I/, смещен в прямом направлении, а коллекторный переход напряжением 17Х — в обратном направлении (см. 3.13, а, в), то включение транзистора является нормальным. При перемене полярности напряжений 1/э и UK получится инверсное включение транзистора.

Используя известные схемы нормального включения транзисторов (ОИ, ОС, ОЗ для полевых и ОЭ, ОК, ОБ для биполярных), можно получить различные составные транзисторы (табл. 4.1). Если учитывать инверсное включение транзисторов, а также противоположные ти-

Инверсное включение транзистора 193 Инверсный слой 36

Дрейф в усилителях с преобразованием определяется дрейфом модулятора. В транзисторных модуляторах дрейф создается в результате нестабильности теплового тока и остаточного напряжения транзистора. Для уменьшения остаточных параметров транзисторов часто применяют инверсное включение транзистора, при котором эмиттер и коллектор меняются местами. Лучший результат дает применение компенсированных ключей, представляющих собой последовательное встречное включение двух транзисторов так, что их остаточные параметры компенсируют друг друга. Большая идентичность 'параметров и, следовательно, лучшая компенсация достигаются при использовании интегральных переключателей ( 6.74,а). Остаточное напряжение интегральных переключателей (микросхемы КЮ1) составляет 100—300 мкВ в за;вдсимости от типа.

Инверсное включение транзисторов применяется сравнительно редко, поэтому в справочниках не приводятся вольт-амперные характеристики транзистора при работе в инверсной области.