СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 7/2016

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 19 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2016 Рис. 1. Классическая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты [3] него внешнего ВЧ, СВЧ, ТГц или инфра- красного/оптического воздействия. Всё вышесказанное подтверждается также эффектамиПоккельса иФарадея, Коттона-Мутона (Фойгта) из СВЧ-раздела электромагнитнойоптики, широкопри- меняемых за рубежомв системахрадио- локации, связи, навигации и, как обыч- но, с некоторым отставанием – в разра- ботках отечественныхмодуляторов для ВОЛС на базе GaAs илиGaP. Максвеллом было установлено, что скорость световой волны, как, впро- чем, и любой ВЧ-, СВЧ- или ТГц-волны, в кристалле диэлектрика определяется соотношением: , где С – скорость световой (оптической) волны в вакууме, равная С = (2,99776 ± ± 0,00004) × 10 10 см/с (для сравнения, на дрейфовых расстояниях/длинах канала более чем 0,12 мкм в полупро- водниках скорость электромагнитной волны, определяемая дрейфом электро- нов, на три порядка ниже и не превы- шает 2 × 10 7 см/с), а n – показатель пре- ломления, равный . Исходя из формулы, мы имеем ско- рость электромагнитной волны в ди- электрике равной: . Следовательно, если: а) ε > 1, то скорость волны в диэлек- трике меньше скорости света; б) ε < 1, то фазовая скорость волны в диэлектрике больше скорости света; в) ε = 0, то в диэлектрике отсутству- ет как электрическое, так и магнитное поле; это так называемый поляризаци- онный коллапс, который достигается на определённых частотах; г) ε < 0, то очевидно, что внешняя электромагнитная волна, падающая на диэлектрический материал (поверх- ность) будет иметь полное отражение, независимо от угла падения луча (элек- тромагнитной волны) или будет явление физического упругого «отскока» волны. Значения ε < 1 – не новость. Такие значения диэлектрической проницае- мости встречаются в ионосфере (100– 220 км от поверхности Земли). Там, где ионосфера послойно имеет отно- сительно высокую плотность плазмы (состоящую, в основном, из ионов кис- лорода и электронов), что наблюдается в районеЮжного магнитного полюса (Гренландия) и на российском Заполя- рье, из-за низких значений ε наблюда- ется не только дисперсия радиоволны (например, «загоризонтной» метровой/ дециметровой АФАР), но и дисперсия её энергии (или, по-другому, – диспер- сия длины волны). Дисперсия ε (диэлектрической прони- цаемости) в диэлектрических твёрдых средах связана со скоростью механиз- ма поляризации в кристалле, что ярко выражается в диэлектриках с ионно- связанной кристаллической решёткой. Дисперсия ε зависит от частотыи ампли- туды электрического, точнее, приложен- ного электромагнитного поля: . Общий вид зависимости ε = f(w, E) показан на рисунке 1 [3]. С частот 10 4 ÷ 10 5 Гц начинает замет- но меняться объёмно-зарядовая поля- ризация в объёме диэлектрика (поля- ризационная экранизация внешнего поля на упорядоченном накоплении заряженных частиц в объёме диэлек- трика – диполей ионов и электронов), пропорциональная в макромасштабе энергии заряженного конденсатора: , где , а U – приложенное напря- жение. В диапазоне частот 10 6 ÷ 10 11 Гц посто- янно «устают» следовать за частотой электронная, ионная и дипольная поля- ризации, а на частотах 10 11 ÷ 10 15 Гц (ИК и оптический диапазон), наблюдается очень высокая дисперсия ε , что обу- словлено резким запаздыванием ион- но-упругой и дипольно-упругой поля- ризаций. В области жёсткого ультрафи- олета и субрентгеновского диапазона диэлектрическая проницаемость обу- словлена только электронной упругой поляризуемостью. Далее при частотах свыше 10 17 Гц поляризация невозможна и ε = 1, то есть, исходя из уравненийМак- свелла , μ ≈ 1, а ε опт. = n 2 . В вакууме и тропосфере ε = 1,0; в ионосфере ε < 1,0. Таким образом, в основе изменения энергии кристалла в терагерцовом диа- пазоне лежит явление поляризации ато- мов кристаллической решётки диэлек- трика при сверхмалой плотности элек- тронов в объёме диэлектрика (<10 6 см –3 ). И естественно, что модуляция или изме- нение квантово-точечной энергии твёр- дотельного диэлектрика будет сильно зависеть от такого физического явле- ния, как поляризуемость атома. Из анализа статьи «Свободные элек- троны в твёрдых телах» [4], следует, что атомы первой (щелочной) груп- пы таблицы Д.И. Менделеева, такие как Li, Na, K, Rb, Cs, имеют исключитель- но высокую атомную поляризуемость от 151 × 10 –30 м –3 (Li) до 620 × 10 –30 м –3 (Cs). И не случайно, что самые первые оптомодуляторыМаха-Цандера (моду- ляция фазы оптоволны), построенные на эффекте Поккельса, были созданы на кристаллах атомов щелочных метал- лов, в частности, на ниобате лития (LiNbO 3 ) и на фосфорнокислом калии (KH 2 PO 4 ). Такие проблемы, как спец- стойкость, климатические требования и стоимость позже привели к созданию полупроводниковых оптомодуляторов для ВОЛС, выполненных на GaAs, GaP и др., но обязательно с присутствием такого элемента, как галлий (Ga). Поче- му? Всё дело в том, что роль «щелочно- го» атома, атома с очень высокой поля- ризуемостью, берёт на себя атом гал- лия, в котором проявляется атомная поляризуемость, близкая по значени- ям к атомной поляризуемости лития – у атома Li поляризуемость находит- ся на уровне 151 × 10 –30 м –3 , а у атома Ga – 146 × 10 –30 м –3 (для сравнения: у Si – 48 × 10 –30 м –3 , С – 10 × 10 –30 м –3 , P – 45 × × 10 –30 м –3 , As–58 × 10 –30 м –3 , Ge–57 × 10 –30 м –3 , N – 42 × 10 –30 м –3 , Cl – 73 × 10 –30 м –3 ). Подытоживая поляризационные свой- ства атомов через призму молекуляр- ных соединений, если сравнить молеку- лы поваренной соли (NaCl) и GaAs, мы заметимочевидно выраженное сходство, которое заключается в том, что атомно- поляризационное соотношение вмоле- кулахNaCl иGaAs выглядит так: (320/73) × × 10 –30 м –3 у NaCl и (146/58) × 10 –30 м –3 уGaAs. Из этого следует, что арсенид гал- лия – это, как и солищелочныхметаллов, выраженное молекулярное соединение с ионной связью, которая во многом и определяет его свойства и, в частности, поляризационные свойства, что резко отличает его от, допустим, кремния – с ковалентной связью в кристалле. Исходя из анализа свойств практиче- ски диэлектрического, совершенного по кристаллической структуре LPE i-GaAs 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 ε нч ε рч ε ик ε опт ε = 1 ν , Гц ε