[К читателям журнала]

11

выделил только наиболее интересующей его результат — теорему об изменении углов — и указал несколько работ, которые полезно прочитать.

Таким образом, он предоставил полную свободу. И дело ограничивалось очень краткими обсуждениями. Но окончательные результаты А. Н. контрольровал, внимательно знакомился с итоговым текстом.

Позднее мы много работали над школьными учебниками. Было несколько периодов по 3—4 месяцев ежедневной работы при подготовке очередных изданий. А. Н. очень тщательно следил за текстом. Когда его что-то не удовлетворило (а это просходило постоянно, вплоть до стадии корректуры), рассматривались многие варианты. В итоге возникали горячие черновики.

На мой взгляд, главное, что давал А. Н. как учитель, научный руководитель, это увлеченность делом и веру в собственные силы. Он умел сделать так, что ученик вырастал много выше того потолка, который сам себе отмерял. Как-то студно было не выполнить задания, которое давал А. Н. Может быть, поэтому удаваюсь сделать многое из того, что ранее казалось невозможным. Очень важно иметь такой пример перед глазами — для А. Н., каждая, не было задач, которые нельзя решить, он все знал.

Мне кажется, что А. Н. в какой-то момент своей жизни (очевидно, в ранней юности) решил, что человек просто обязан быть счастлив и для этого ему нужно то-то и то-то. При этом необходимо, чтобы все виды деятельности, которые выбирает себе человека, его по-настоящему уведомили. И А. Н. удалось построить свою жизнь таким образом: его творческое достижение необычайны, он очень многоумел ценить — любил человекое общение, природу, музыку, литературу…

Внешне рациональная, размерная, его жизнь вытрение диапазона, наполнения и интересом ко всем сущему, и глубокими переживаниями. Однако А. Н. заметил, что по его мнению каждый человек, начиная с определенного момента, продолжает как бы оставаться в том возрасте, для которого наоблее характерно свойственное этому человеку мироошущение. На прямой вопрос: «А вам сколько лет, Андрей Николаевич?» — он ответил: «Четырнадцать».

Публикация подготовила А. В. Сосинский

Внимание!

Дорогие читатели! В новом, 1989 году мы увеличиваем количество страниц в журнале на 25 %. Это позволяет нам открыть ряд новых рубрик. Большое внимание будет уделено вопросом космических исследований, астрономии, общим вопросом программирования. На страницах журнала чаще будут появляться произведения художественного литературы.

Для комненации расходов по увеличению объема журнала цена каждого номера увеличивается на 5 копеек. Новая цена журнала — 45 копеек. К сожалению, решение об увеличении объема и стоимость журнала было утверждено после выпуска каталога «Союзечати» и начала подписки на 1989 год.

Если вы уже оформили подписку, просим вас в соответствиицем отделении «Союзечати» произвести долату по 5 копеек за каждый номер.

13

МОЛНИИ В КРИСТАЛЛЕ

Доктор технических наук
Ю. Р. НОСОВ

Спросите специализта по электропище — инженера, научного работника, руководителя предприятия: что сегодня самое перспективное и многообещающее в этой области? Восемь из десяти ответят: «Оптоэлектроника!»

Давняя мысль об использовании в информанике не только электрических сигналов (как это предлагает традиционная микроэлектроника), но и сигналов световых, оптических — эта мысль оказывась очень плодотворной. Выяснили, что благодаря слиянию электроники с оптикой возможности устройства вычислительной техники и связи неизмеримо возрастут: в сотни и тысячи раз повышается их быстродействие, устройства станут более надежными, помехуустойчивыми, миниатюрными.

Все это было понято еще в шестидесятые годы. Так почему же, впервые просить читатель, многое и сейчас остается по-прежнему лишь обещанием? А дело вот в чем. Чтобы «вырчь» свет в работу, надо научиться обращаться с ним как же свободно и просто, как с электрическим током. Научиться усиливать и преобразовать световые сигналы, без потреб передавать их из точки в точку, записьвать и сохранять. Но прежде всего надо научиться их генерировать. Что бы ни говорилось о важности всех элементов оптоэлектронной системы, именно источник световых сигналов, излучатель, является первоосновой, «альфой и омегой» оптоэлектроники. И конечно, нужен не просто любой излучатель, как, например, осветительная лампа, а такой, который по минiatурности, экономичности, долговечности был под стать трансистором и интегральным схемам.

Очевидно, что решение проблемы излучателя могло быть найдено лишь в сфере полупроводников.

Перенесемся мысленно лет на тридцать назад. В те годы полупроводниковая наука работала на нуждаы трансисторной техники — ведименно с этим приборами связь большие надежды электроники. Первые трансисторы изготовились из термания, но было ясно, что лучшие результаты могут быть достигнуты на кремнии и на таком новом тогда полупроводнике как арсенид галля — двухкомпонентом соединении мышьяка и галлия (GaAs). «Кремниевое» направление быстро достигло успехов и с 1960 года стало основой не только трансисторной техники, но и микроэлектроники.

А вот из арсенда галля трансисторы упорно не желали получить. И миллионные затраты на создание совершенных monокристаллов GaAs уже готовы были списать в убиток, оправдываясь тем, что «наука требует жертв», но… Не всегда известно, где найдешь, где потеряешь. Вдруг и на этом, «тупиком», направления засветилась надежда, причем засветилась в буквальном смысле слова.

В 1956 году обнаружили при проускании электрического тока через арсенидогаливый диод он начинает излучать!*) Так появились светодиоды. Физики и инженеры буквально набросились на интерсейд эфект. Тотчас же установили, что полупроводниковый кристалл в светодиоде не раскаляется — значит, ответственна за излучение ломинесценция, давно известная ученым как «холодное свечение».

Разобрались и в механизме работы светодиода. Использовемый в нем

*) Вообщие говоря, излучение полупроводникового диода впервые наблюдал в 1927 году наш соотчетственный О. В. Лосев, но интенсивность свения была так низкая, что практического применения «эффект Лосева» не получил, был забыт, и через 30 лет все пришлось повторить. Ситуация не столь уж редкая в науке.

15

ми радуги, ярко и чисто. Значит, необходимо было найти другие подходящие полупроводники с большей, чем у арсенда галля, широкой запрещенной зоны. И как всегда, когда физические механизмы поняты и задача четко сформулирована, средства ее решения нашлись.

Вскоре*) уженикого не удивило, что светодиоды на фосфиде галля интенсивно излучают красный или зеленый свет в зависимости от видаводимых в кристалл примесей. Использование тройного соединения галля, мышьяка и фосфора позволяет получить любое свечение в интервале от темно-красного до оранжевого и почти желтого. Карбид кремния заветился в желто-зеленой и голубой области спектра, правда очень очень слабо. И только синий цвет, как метерлинковская ускорização синяя птица, все никак недается в руки ученым. А самыми яркими оказались красные светодиоды — именно под «альми парусами» оптоэлектроника уверенно «вплыла» в технически и в наш быт.

Во многихустройствах использются наборы из большого числа светодиодов, размещаемых в определенном порядке на обшем шитке. По команде, поступающей отустройства управления, из отдельных светящихся точек выписьается нужная цифра, буква, график. Это наведено на естественную мысль: зачем пластину полупроводника разрезать на отдельные кристаллики, а потом, уже в состав светодиодов, снова собирать их вместе? Так появились знакопитュшие индикаторы — внутри общей пластмассовой оболочки размешается несколько кристаллов либо один кристалл с несколькими точками, светящимися независимо друг от друга.

Светодиоды и индикаторы, появившиеся в промышленности в конце 60-х годов, нашли широкое применение. Сегодня их мировое произведение приближается к 10 миллиардам(!) штук в год. В электронных часах и калькуляторах, на приборных шитках роботтехнических комплектов и гибких производственных систем, в кнопках и клавишах самой различной радно- и электронноеческой аппаратуры, на пультах управления самолетов и подводных лодок — где только не вспыхивают эти ярко-красные светлячки и цифры.

Правда, возможность светодиодов ограничены, они используют лишь вустройства индивидуального пользования при необходимости от индикатора до глаза. Но уже поговоривот о том, чтобы некоторые марки автоматин основать стопсигналами из наборов сверхинтенсивных светодиодов. Конечно, до светодиодного освещения квартир далеко, хотя кто знает «что день грудуший нам готовит?».

Однако пора и двух перевести, попробуем слегка подытожить. Все, о чем мы здесь говорили, касалось, говоря техническим языком, применения светодиодов вустройства управления информации. С их помощью информация,рождающая в недрах ЭВМ в виде электронических импульсов, превращается в primo воспринимаемого и таким образом реализно дозит до человека. Нужны, важны такжеустройства? Несомненно! Но ведь это только часть тех проблем, в решении которых должа (и может) оптоэлектронка помочь информацией. Ведь еще осталось проблемы переработки, передачи, хранения информации. Какую лепту может здесь внести светодиод? Увы… Дифирамбы неволно затихают, яркая радуга цветов блескет…

Во-первых, как уже отмечалось, интенсивность светодиодов очень малa — то, что чувствует глаз, не всегда улавливает фотоприемник, да еще удаленный на некоторых расстояние. Во-вторых, оказалось, что излучение светодиода не монхроматично — о количественной оценке этого недостатка мы поговорим ниже, а сейчас лишь указывает, что такое излучение

16

ние, захватывающее целую полосу длин волн, не годится для многохоптоэлектронных устройств.

И наконец, главное — светодиод светит почти равномерно во все стороны, сконцентрировать его энергию в одном, остронаправленном луче невозможно. Простейшую для электрических цепей задачу — передать сигнал из точки A в точку B и только в нее — светодиод решить не может. Бóльшая часть световой энергии траится не просто бесплатно, она «засоряет» окружающей пространство, проискит утека информации. светодиод — этот беспечный трансжир и тот, болтун, не способный держать язык за зубами,— явно не пара информацией, где все точно расчитано и выверено, и на каждый бит отпущеноровно столько энергии, сколько необходимо.

К счастью, светодиод как излучатель есть прекрасная альтернатива — это лазер, характеризующийся высокоинтенсивным почти монохроматическим остронаправленным излучением. Сделаем здесь небольшое отступление и поговорим о количественном содержании этих свойств лазера.

Направленность характеристиства telescим углом α, внутри которого лежат генерируемые излучательные лучи; если луч расходится, симметрично удаляясь от некоторой оси (направление излучения), то для оценки расходимости использует плоский угол, измеряемый как объчно — в радианах, градусах, минутах.

Строго монохроматических волн в природа не бывают, поэтому для характеристики приближения реализного волнового потока к идеальному говорят о степени monохроматичности. Колчественно это — отношение полосы длин волн генерируемого излучения Δλ к длине волны в центре полосы λ₀; чем меньше Δλ/λ₀, тем совершеннее лазер. Для примера указываем, что типичный газовый — гелий-неоновый — лазер обеспечивает α < 1′ и Δλ/λ₀ < 0,000001. Такой поток волне подходит для устройства вычислительной оптоэлектроники — этот термин в последнее время использовут для характеристики того направления, которое связано с обработкой информации, представленной в виде оптических сигналов.

Вроде бы все хорошо, однако не будем спешить с окончательным заключением. Представим себе все тот же гелий-неоновый лазер с его почти полутерновой разрядной стеклянной трубкой и с высококольным источником питания массой в несколько килюграмм. А теперь положим рядом интегральную схему размером с почтовую марку, которая содержит около миллиона (!) трансисторов и требует всего лишь 5-ти волтового питания. Совместим ли эти два изделия? Согласитесь, не очень. И эта несовместимость подтвердилась с полной определенностью — многочисленные попытки использовать лазеры в микроклэктронных вычислительных устройствах фактически проводились. Вот уже понятие «в одну упряжку впрячь не можно вола и трепетную лань».

Очевидно, что достигнуть совместимости можно лишь в одном-единственном варианте — если лазер, как и микросхемы, будет полупроводниковым.

… История создания полупроводникового лазера веса характерия для научных открытий XX века. В 1960 году почти одновременно были изобретены твердотельный (рубиновый) и газовый (гелий-неоновый) лазеры, а вскоре после этого учены предсказали возможность создания и полупроводникового лазера. По аналогии с другими полупроводниковыми приборами такому лазеру предрекали сверхминаторность, долговечность, стоякость к внешним воздействиям, низкую стоимость, высокую воспроизведение параметров и возможность их изменения в очень широких пределах. Создать подобный прибор было очень заманчив, и в ведущих физических лабораториях мира буквально напереgonки началась охота за полупроводниковым лазером — каждому хотеловь накрыть красивую бабочка своимачком.

17

А когда теоретики довольно точно просчитали, какова должа быть квантовая структура исходного кристалла, тогда круг полупроводников, «подозреваемых» ввозможной причастности к лазерному эффекту, резко сузился. Судьба «бабочки» была предрешена… В канун 1963 года почти одновременно в лабораториях США и СССР были созданы первые полупроводниковые лазеры.

Как и при экспериментах со светодиодами, в пластине арсенда галля (снова этот полупроводник явился «пиноером») изготоввали $p—n$-переход; отличие заключалось лишь в том, что при легировании вводилось гораздо большие примесей, вследствие чего образовывалось и больше свободных электронов. Затем, нажимая на пластину острием ланцета, выкалывали из нее крошечные квадратные кристаллики. Пластина колется строю по кристаллографическим плоскостям, поэтому боковые противоположные грани кристаллика оказавются плоскопаральными и зеркальными; эти два зеркала образуют резонантор, необходимый для лазерной генерации. Затем кристаллик нижней граны напавался на массивную медную подложку (для теплотвода), к верхней грани присоедняяся второй, более тонкий электрод — структура готова для исследований.

При пропускании тока кристалли начinal генерировать инфракрасное излучение, причем, как и положено светодиоду, слабо и во все стороны. Но как только ток увеличивали до некоторого значения (его называли пороговым током), картина существенно менялась — резко возрастала мощность излучения, и интенсивный свет вырывался с боковых граней из тех мест (полосок), где плоскость $p—n$-перехода пересекает грани резонатора. Исследования спектр излучения и оказались, что полоса генерируемых волн резко сжалось. Большое сомнение не оставалось — это лазер!

Быстро разобрались в механизме его работы. Так же как и в светодиоде, приложенное извлекайщее «загонаяет» электрон на «энергетическую горку», только

«горка» эта часть повышше, а количество электронов намного больше. «Накачанные» электроны скалливаются около $p—n$-перехода (зесь образуется активная зона) и, «падая с горки», порождают кванты излучения. Но на этом аналогия со светодиодом кончается. Световая волна, распространяясь вдоль плоскости $p—n$-перехода, отражается от зеркальных граней и, многократно прохождение через активную зону, вынуждает электроны «упасть с горки». Получается, что огромное количество электронов одновременно и строго одинаковым способом выполняют предписанный им квантовый переход (на рисунке 1 этот переход обозначен черной стрелкой). Поэтому лучая镜 имеет высокую степень монхроматичности, а также полное определению поляризации. По механизму своего возникновения такое излучение называют вынужденным, stimулированным, индуцированным (это все — синонимы), тогда как излучение светодиода — спонтанное (случайное по направлению и поляризации и в какой-то степени — по длине волны).

О новом приборе заговорили. Kazалось очень быстро, что вот-вот в оптоэлектронке начнутся большие перемены. Но время шло, а реализого применения хотя в какой-нибудь аппаратере только что родившийся лазер не находится. И вскоре эффициялись удивленные размеры и выходил из строя. Оказалось также, что по степени монхроматичности он лишь в 10—20 раз был лучшее светодиода ($\Delta \lambda/\lambda \approx 0,005$ против 0,05 у светодиода) и в тышчи раз хуже газового лазера. Да и по угловой расходимости ($\alpha \approx 30^\circ$) полупроводниковый лазер скорее похожил

18

Рис. 2.

на улушенный светодиод. «Какой же это лазер?» — вскликнулули обмануться в своих ожиданиях «оптоэлектронщики-примененыцы», обженно прекратили эксперименты с новым прибором и вовь обратились к теоретическированно по поводу ослепительного будущего «идеальной» оптоэлектроники.

Самое straightное заключалось в том, что недостатки полупроводникового лазера получили в полне строе и, казалось бы, непредодолимое физическое обоснование. Электроны, инжектируемые $p$—$n$-переходом, не желали задерживать в тонкой активной зоне, а разбегались по всему кристаллу; то же проискодило и световой волной. Потерянные электроны и кванты, не давая включать в лазерный эффект, лишь бесполезно разогревали кристалл. Как удержать этих неугомонных переносчиков электрического тока и светового излучения в какой-то одной части кристалла? Ведь заслонку или экран внутри не введешь — это все-тaki monокристалл, в решетке которого atoms располагаются в идеальном порядке. Когда начали погоню за «красивой бабочкой», обо всем этом как-то не думалось. А теперь стало казаться, что «бабочка» уготовлена судьба заспиртованного экспоната кунсткамеры физических дисков.

И все-tаки — в котором раз! — изворотливость человекаского размера восторжествовала. Дело решили гетероструктуры. Если в кристалле агрения галля часть atomов галля заменить на atomы алюминия, то структура кристаллической решетки совершенно не изменится — настолько atomы этих двух элементов идентины по физическим свойствам. Однако при этом образуется новый полупроводник — арсенид галля-алюминия, у которого ширина запрещенной зоны больше, чем у чистого арсенид галля. Граница между двумя этим полупроводниками внутри единого monокристалла и представляет собой гетеропереход; в этой области имеется энергетический барер и одновременно с ним образуется «оптический барер» — граница раздела двух полупроводников с разными показателями преломления. Активная зона с большим показателем преломления, «ограненная» гетерограницами, стала идеальной ловушкой для электронов и световодом для света.

А дальнейшее слово было за «Ее Величеством Технологии». Прошло не так уж много времени, и научились внутри monокристалла изготавливать пары гетеропереходов, расположенных параллельно друг другу на расстоянии, выдержанным с фантастической точностью в нескольких atomных слоев. Пороговый ток силизляя до десятков миллиампер, верхняя граница рабочей температуры достигала 100 °C, долговечность (правда, у отдельных образцов) достигает лет. С этого начался «Ренессанс» полупроводниковых лазеров. Изобретения и усоответствования посыпались как из года изобилия. Надо еще больше силовый ток? Пожалуйста, использовать структуру, в которой активная зона «зажата» гетеропереходами не только сверху и снизу, но и с боков. Tonчайшая микропонант активного полупроводника возбудается током всего в 1 мА! Надо существует спектр излучения? И это пожалуйста. Если одну из гетерограниц сделать волнистой, то избирательность резонанта резко возратает и степень монхроматичности становится такой же, как у газового лазера. Хочется продвинутся еще дальше по этому пути — использите структуру с двумя «связанными» кристаллами (рис. 2).

(Окончание см. на с. 31)