Основные задачи наноэлектроники

§ разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

§ разработка физических основ технологических процессов;

§ разработка самих приборов и технологий их изготовления;

§ разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

 

ЛЕКЦИЯ 3. КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Квантовая электроника – область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения на основе явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах.

Мазеры. Датой рождения квантовой электроники можно считать 1954, когда Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в СССР и независимо Дж. Гордон (J. Gordon), Х. Цайгер (H. Zeiger) и Ч. Таунс(C.H. Townes) в США создали первый квантовый генератор (мазер) на молекулах аммиака. Современные мазеры позволяют достигать стабильности частоты , что позволяет создавать сверхточные часы.

Лазеры. Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым метод трех уровней, позволивший существенно упростить достижение инверсии и использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957-58 Г.Э.Д. Сковилом (H.E.D. Scovil) и другими были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (например, на рубине), работавшие в радиодиапазоне.

Для продвижения квантовых генераторов в область оптических частот важной оказалась идея А.М. Прохорова об использовании открытых резонаторов (системы параллельных зеркал, как в резонаторе Фабри-Перо), крайне удобных для осуществления накачки. Первый лазер на кристалле рубина, дававший излучение на длине волны 0,6934 мкм, был создан Т. Мейманом (Th. Maiman) в 1960. Оптическая накачка в нем реализуется при помощи импульсных газоразрядных ламп. Рубиновый лазер был первым твердотельнымОКГ, среди которых выделяются также лазеры на неодимовом стекле и на кристаллах граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм). Твердотельные лазеры позволили получить генерацию мощных коротких ( с) и сверхкоротких ( с) импульсов света в схемах модуляции добротности и синхронизации мод резонатора.

Вскоре А. Джаван (A. Javan) создал первый газовый лазер на смеси атомов гелия и неона (длина волны 0,6328). Накачка в нем осуществляется электронным ударом в газовом разряде и резонансной передачей энергии от вспомогательного газа (в данном случае - гелия) основному (неону).

В 1958 Н.Г.Басов, Б.М.Вул и Ю.М.Попов заложили основы теории полупроводниковых лазеров, а уже в 1962 был создан первый инжекционный лазер [Р. Холл (R.N. Hall), У. Думке (W.L. Dumke) и др.]

Интерес к ним обусловлен простотой в изготовлении, высоким КПД и возможностью плавной перестройки частоты в широком диапазоне (длина волны излучения определяется шириной запрещенной зоны). Существенным результатом является также создание в 1968 лазеров на полупроводниковых гетероструктурах.

В конце 1960-х были разработаны и созданы лазеры на молекулах органических красителей, обладающие чрезвычайно широкой полосой усиления, что позволяет плавно перестраивать частоту генерации при использовании дисперсионных элементов (призмы, дифракционная решетка). Набор из нескольких красителей позволяет охватить весь оптический диапазон.