晶體管利用一種稱(chēng)為半導(dǎo)體的材料的特殊性能。電流由運(yùn)動(dòng)的電子承載。普通的金屬,如銅是電的好導(dǎo)體,因?yàn)樗鼈兊碾娮記](méi)有緊密的和原子核相連,很容易被 一個(gè)正電荷吸引。其它的物體,例如橡膠,是絕緣體--電的不良導(dǎo)體--因?yàn)樗鼈兊碾娮硬荒茏杂蛇\(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體,正如它們的名字暗示的那樣,處于兩者之間,它們通常情況下象絕緣體,但是在某種條件下會(huì)導(dǎo)電。
對(duì)半導(dǎo)體的早期研究集中在硅上,但硅本身不能發(fā)射激光。1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的William Schockley,Walter Brattain 和 John Bardeen 發(fā)明的晶體管。這一發(fā)明推動(dòng)了對(duì)其它半導(dǎo)體裁的研究發(fā)展進(jìn)程。它也為利用半導(dǎo)體中的發(fā)射激光奠定了概念性基礎(chǔ)。1952年,德國(guó)西門(mén)子公司的Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之間的元素合成的半導(dǎo)體對(duì)電子裝置有潛在的用途。其中之一,砷化鎵或GaAs,它在尋找一種有效的通訊激光中扮演了重要角色。對(duì)砷化鎵(GaAs)的研究涉及到三個(gè)方面的研究:高純度晶體的疊層成長(zhǎng)的研究,對(duì)缺陷和摻雜劑(對(duì)一種純物質(zhì)添加雜質(zhì),以改變其性能)的研究以及對(duì)熱化合物穩(wěn)定性的影響的分析。有了這些研究成果,通用電器,IBM和麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室的研究小組在1962年研制出砷化鎵(GaAs)激光發(fā)生器。
但是有一個(gè)老問(wèn)題始終懸而未決:過(guò)熱。使用單一半導(dǎo)體,(通常是GaAs)的激光發(fā)生器效率不是很高。它們?nèi)孕璐罅康碾妬?lái)激發(fā)激光作用,而在正常的室溫下,這些電很快就使它們過(guò)熱。只有脈沖操作才有可能避免過(guò)熱(脈沖操作:電路或設(shè)備在能源以脈沖方式提供時(shí)的工作方式),可是通過(guò)這種工作方式不能通訊傳輸。科學(xué)家們嘗試了各種方法來(lái)驅(qū)熱一例如把激光發(fā)生器放在其它好的熱導(dǎo)體材料上,但是都沒(méi)成功。然后在1963年,克羅拉多大學(xué)的Herbert Kroemer提出了一種不同的的方式--制造一個(gè)由半導(dǎo)體"三明治"組成的激光發(fā)生器,即把一個(gè)薄薄的活躍層嵌在兩條材料不同的板之間。把激光作用限制在薄的活躍層里只需要很少的電流,并會(huì)使熱輸出量保吃持在可控范圍之內(nèi)。
這樣一種激光發(fā)生器不是只靠象把奶酪?jiàn)A在兩片面包那樣,簡(jiǎn)單地塞進(jìn)一個(gè)活躍層就能制造出來(lái)的。半導(dǎo)體晶體中的原子以點(diǎn)陣的方式排列,由電子組成化學(xué)鍵。要想制造出一個(gè)在兩個(gè)原子之間有必要電子鍵連接的多層半導(dǎo)體,這個(gè)裝置必須是由一元半導(dǎo)體單元組成,我們稱(chēng)之為多層晶體。
1967年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中幾個(gè)鋁原子代替一些鎵,一種稱(chēng)為"摻雜"的過(guò)程--來(lái)創(chuàng)造一種合適的多層晶體的可能性的建議。這種修改型的化合物,AlGaAs, 的原子間隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人員提出,把AlGaAs種植在GaAs 薄層的任何一邊,它都會(huì)把所有的激光作用限制在GaAs層內(nèi)。在他們面前,還要有幾年的工作,但是通向"不間斷狀態(tài)" 激光發(fā)生器-在室溫下仍能持續(xù)工作的微型半導(dǎo)體裝置-的大門(mén)已經(jīng)敞開(kāi)了。
還有一個(gè)障礙:怎樣發(fā)射跨過(guò)長(zhǎng)距離的光信號(hào)。長(zhǎng)波無(wú)線電波可以很容易穿透濃霧和大雨,在空氣中自由傳播,但是短波激光會(huì)被空氣中的水蒸氣和其它顆粒反射回來(lái),以至于不是被分散就是被 阻擋住。一個(gè)多霧的天氣會(huì)使 激光通訊聯(lián)絡(luò)終斷,因此光需要一個(gè)類(lèi)似于電話線的導(dǎo)管。
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