Твердотельный квантовый усилитель и генератор электромагнитного излучения

 

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ И ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе монокристапличес- • кой структуры с одновременным периодическим изменением потенциала, отличающий с я тем, что, с целью увеличения мощности когерентного излучения и осуществления перестройки его частоты, указанная структура выполнена из периодически чередующихся двух слоев материалов с различными ширинами запрещенных зон, причем толщины указанных слоев больше постоянной кристаллической решетки и меньше длины свободного пробега электронов в данном материале.S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

15Ц 4 Н 01 S 3/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 1602378/18-25 (22) 21.12.70 (46) 23.10.89. Бюл.М 39 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) Ж.И.Алферов, В.М.Андреев, Ю.В.Жиляев, P.Ô.Казаринов,, В.И.Корольков и В.А.Сурис (53) 621.375.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 18 1837., кл. H 01 $ 3/18, 1963.

Физика твердого тела, 1961, с.1983.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к твердотельным усилителям и.генераторам.

Известны твердотельные квантовые усилители и генераторы.

Известны твердотельные квантовые усилители и генераторы, например, полупроводниковые с р-и переходом, в которых генерация достигается за счет приложения постоянного электрического напряжения, Основными недо" статками этих генераторов являются невозможность перестройки частоты, а также то, что инверсная заселенность достигается лишь в узкой области, прилегающей к р-и переходу. Следствием этого является малая величина предельной мощности генерируемого излучения.

Известно также, что приложение одномерного периодически изменяющего„„SU„„594843 А1 г

2 (54) (57) ТВЕРДОТЕЛЪНЫЙ КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ И ГЕНЕРАТОР ЗЛЕКТРОИАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ на основе монокристалличес- . кой структуры с одновременным периодическим изменением потенциала, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения мощности когерентного излучения и осуществления перестройки его частоты, указанная структура выполнена из периодически чередующихся двух слоев материалов с различными ширинами запрещенных зон, причем толпины указанных слоев больше постояйной кристаллической решетки и меньше длины свободного пробега электронов в данном материале. ся потенциала приводит к образованию подзон в твердом теле.

Целью изобретения является увеличение мощности генерируемого излучения и осуществление перестройки его частоты.

Эта цель достигается тем, что кван- вФ товый усилитель и генератор иэготов- Я) лен на основе монокристаллической 4ь. структуры с одномерным периодическим . изменением потенциала и укаэанная структура выполнена из периодически чередующихся двух слоев материалов с различными ширинами запрещенных зон причем толщины указанных слоев больше постоянной кристаллической решетки и Ъ меньше длины свободного пробега электронов в данном материале.

На фиг.I дано схематическое иэображение.периодического потенциала сверхрешетки и энергетических уровней

594843

Редактор С.Титова

Техред Л.Олийнык

Корректор Э.Лончакова

Заказ б880 Тираж 615 Подписное

BHHHI1H Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,:д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Ужгород, ул. Гагарина, 101. при отсутствии внешнего электрического поля; на фиг.2 — при приложении электрического паля, Выполнение квантового усилителя и генератора в виде монокристаллической структуры с одномерным периодическим изменением потенциала, полу-. чаемым за счет изготовления данной структуры иэ периодически чередующих- 10 ся слоев двух материалов с различными ширинами запрещенных зон и имеющих толщину, превышающую постоянную решетки, но не превышающую длину свободного пробега электрона в данном материале, приводит к образованию подзон. Размер d начальной ямы периодического потенциала определяет ширину о запрещенных полос

2 А 20

2пЛ где m — эффективная масса электрона (дар), и - постоянная Планка..

При отсутствии внешнего электри- 25 ческого.поля благодаря тунелированию через барьер, электроны (дырки) не локализованы в потенциальных ямах.

Приложение внешнего электрического поля Е (любай .полярности) такой вели- 30 чины,. чтобы изменение потенциальной энергии электрона в этом паде на одном периоде сверхрешетки, g превышала Я, приводит к локализации электронов в потенциальных ямах, а 35 спектр из зонного становится линейчатым. При этом уровни электронов (дырок) в соседних ямах смещаются на величину ф = еЕ, где е — заряд электрона. При дальнейшем увеличении поля величина 11) может стать больше расстояния между уровнями в потенциальных ямах. Если легирование кристалла осуществлено таким образом, что первый возбужденный уровень электрона (дырки) не заселен, то в этом случае возникает инверсная заселенность между основным уровнем в одной яме и возбужденным в соседней.

Наличие инверсной заселенности является основным условием усиления и генерации электромагнитного излучения.

Величина необходимого для выполнения этого условия внешнего поля, найденная из условия (ф > а, определяется

rg 2. выражением Е > †††. Частота генериeamd> руемого излучения пропорциональна величине внешнего электрического поля еЕа — 3

1= — — ——

2ah .

При следующих параметрах структуры: концентрация носителей 10 см .(6 3 а = 10 см, = 0,5 эВ, пороговый ток I пор .= 10 А/см Я, а внешнее электрическое поле Е = 10 В/см.

При толщине структурц 10 см мощность а излучения составляет 100 Вт/см .