Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Теоретические и экспериментальные исследования автосолитонов в полупроводниках . 9
1. Теоретические исследования. 9
2. Экспериментальные исследования. 12
Глава II. Экспериментальные методы исследования. 14
1. Технология приготовления образцов и методика измерений . 14
Глава III. Автосолитоны в электрическом поле . 26
1. Автосолитоны в антимониде индия в постоянном электрическом поле и в сильных импульсных электрических полях . 27
2. Локализация продольного автосолитона в антимониде индия. 46
3. Распределение концентрации носителей заряда в диссипативной структуре. 53
Глава IV. Автосолитоны в магнитном поле . 69
1. Деление продольных автосолитонов в магнитном поле . 71
2. Поперечные автосолитоны в InSb в магнитном поле. 78
Глава V. Автосолитоны при высоких давлениях . 88
I. Автосолитоны в InSb при давлениях до 1 ГПа. 88
Глава VI. Кооперативное поведение автосолитонов в InSb . 98
1. Явления коллективного поведения автосолитонов в диссипативной структуре в InSb . 100
Основные результаты и выводы. 112
Литература. 114
- Технология приготовления образцов и методика измерений
- Автосолитоны в антимониде индия в постоянном электрическом поле и в сильных импульсных электрических полях
- Деление продольных автосолитонов в магнитном поле
- Явления коллективного поведения автосолитонов в диссипативной структуре в InSb
Введение к работе
Последние десятилетия характеризуются бурным развитием различных направлений физики в области исследования явлений самоорганизации и хаоса. Актуальность данной тематики связана с тем, что знание основных закономерностей самоорганизации позволяет перейти к контролю и управлению реальными физическими процессами, в которых процессы самоорганизации приводили бы к образованию структур с заданными характеристиками как в стационарном режиме, так и в динамическом. В данной работе проведено исследование неравновесной (температура носителей заряда и решётки сильно различаются) возбуждённой электронно-дырочной плазмы (ЭДП) в узкозонных полупроводниках, рассматриваемой как диссипативная система со свойственной ей способностью к самоорганизации,
Работа направлена на изучение фундаментальной проблемы нелинейной физики конденсированных сред, связанной с явлениями самоорганизации в диссипативной системе - в полупроводниковой неравновесной ЭДП. Самоорганизация - процесс спонтанного образования и эволюции диссипативной структуры при изменении уровня неравновесности ЭДП, при котором появляются нелинейные пространственно-временные структуры, характеризующиеся существенным отличием температуры и концентрации носителей — автосолитоны (АС). Исследование условий возникновения АС и их эволюция с изменением уровня возбуждения ЭДП в полупроводниковых кристаллах в данной диссертационной работе является основным. Для экспериментального изучения АС в неисследованных с этой точки зрения узкозонных полупроводниках использовались различные методики измерений (вольтамперные характеристики (ВАХ) на квазипостоянном токе, импульсах электрического поля, динамические ВАХ, а также сильные импульсные электрические поля). Кроме того исследовалось влияние слабых продольных магнитных полей на поведение АС. С применением всестороннего гидростатического сжатия до 1 ГПа, позво- ляющего изменять параметры полупроводника, исследовано влияние физических характеристик полупроводниковой плазмы на образование и эволюцию АС. Проведено сопоставление экспериментальных результатов ис- m следований АС в ЭДП с результатами теоретических работ. Весь комплекс обозначенных исследований проведён на лабораторной автоматизированной экспериментальной установке. Проведён численный компьютерный анализ токовых неустойчивостей, обусловленных движением АС в кристалле с изменением уровня возбуждения электрическим полем неравновесной ЭДП, при воздействии на образец слабого магнитного поля и высокого гидростатического давления. Проанализированы: фазовые портреты, амплитудно-спектральная характеристика. Выявлены сценарии развития неустойчивости в ЭДП.
Изучение неравновесной ЭДП, как диссипативной системы, проведены в узкозонных полупроводниках: типа АщВу и элементарном полупроводнике VI группы. Полупроводниковые материалы на основе соединений t AmBv представляют собой обширный класс веществ, свойства которых вызывают большой интерес и в настоящее время активно изучаются многими исследователями. Преимущество этих полупроводниковых соединений по сравнению с элементарными полупроводниками IV группы (германием и кремнием) состоит в том, что они имеют широкий набор таких основных параметров, как ширина запрещённой зоны и подвижность носите- * лей заряда. Это позволяет выбрать в конкретных приложениях материалы, имеющие оптимальные характеристики. В качестве объектов исследования в экспериментах были использованы антимонид индия и теллур.
Цель работы.
Целью настоящей работы является исследование нелинейных явлений в возбуждённой ЭДП в узкозонных полупроводниках /?-InSb и Те. Полученные результаты позволят получить более полное представление о физике процессов, связанных с образованием устойчивых динамических са- моорганизованных структур. Другим аспектом работы является получение данных о влиянии внешних факторов (электрические и магнитные поля, высокое гидростатическое давление) на образование и эволюцию АС в ЭДП полупроводников, изучение их свойств. Исследование сценариев развития АС в полупроводниковой плазме и сопоставление полученных результатов с теоретическими представлениями.
Постановка задачи.
Идея самоорганизации таких кооперативных систем, как ЭДП в полупроводниках и полупроводниковых структурах достаточно нова. Исследованных полупроводниковых материалов на предмет возбуждения АС в неравновесной ЭДП не велико (GaAs, Ge, Si). Естественно, следует значительно увеличить количество экспериментальных результатов в области исследования нелинейных явлений и самоорганизации в неравновесной ЭДП исследованиями других полупроводниковых материалов. Поэтому в качестве объектов исследования были выбраны следующие полупроводниковые материалы: /7-InSb (р=2-й-1012 см*3, /^2500^-7000 см2/В-с при Г=77К).
Те 0=1.45-1014 см*3, /^2400 см2/В-с при 7/=77К).
Выбор антимонида индия и теллура в качестве объектов обусловлен тем, что в них всесторонне изучена зонная структура, однако они не исследовались ранее с точки зрения явлений самоорганизации в ЭДП этих полупроводниковых материалов.
Наблюдаемые экспериментально неустойчивости тока, обусловленные возникновением и движением АС в ЭДП, представляют собой один из видов переходов от регулярности к динамическому хаосу. Изменение любого физического параметра материала может привести к разнообразным сценариям развития ДС. В этой области научных интересов есть большой задел в теоретических исследованиях, однако, экспериментальных работ по этой теме не так много.
Научная новизна работы.
В образцах антимонида индия обнаружены и исследованы термодиффу-зионныс автосолитоны в сильных электрических полях. Измерена скорость движения поперечных автосолитонов. Показано, что они обладают свойством самоорганизации.
Экспериментально показано, что продольное магнитное поле до 150Э приводит к перераспределению электрического поля автосолитонов в антимониде индия, изменяет частоту и амплитуду токовых осцилляции, вызванных движущимися автосолитонами.
Исследования распределения концентрации носителей заряда и их температуры в объёме образцов монокристаллов антимонида индия и теллура, при наличии диссипативной структуры, полученной джоулевым разогревом, показали, что продольные автосолитоны являются холодными, а поперечные - горячими.
Исследованием распределения плотности тока по сечению образцов монокристаллов антимонида иегдия определена область локализации продольного АС.
Обнаружено, что непрерывное гидростатическое сжатие до I ГПа образца антимонида индия приводит к изменению порогового электрического ноля, необходимого для образования диссипативной структуры; с ростом давления нарушается регулярность токовых осцилляции, обусловленных движущимися автосолитонами.
Научное и практическое значение работы.
Полученные в диссертации экспериментальные результаты об образовании ДС в ЭДП полупроводников позволяют получить более полное представление о физике процессов, связанных с образоваЕшем устойчивых динамических структур. Получены данные о влиянии внешних факторов (электрические и магнитные поля, высокое гидростатическое давление) на образование и эволюцию ДС в ЭДП полупроводников. Собран и проанализирован экспериментальный материал о сценариях развития ДС в полупроводниковой плазме. Обнаруженные эффекты могут быть практически использованы для создания осциллирующих приборов, управляемых слабым магнитным полем, в качестве детекторов слабого магнитного поля, а продольный АС с высокой плотностью тока - как источник инфракрасного рекомбинационного излучения.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались: на Международной конференции «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах». Махачкала 8-11 сентября 1998 г.
Международной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию
ДНЦ РАН «Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане» (Естественные науки). Махачкала, 21-25 мая 1999 г.
Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург, 30 ноября - 3 декабря 1999 г.
Международной конференции «Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики ДНЦ РАН, Махачкала, 6-9 сентября 2000 г.
Международной конференции: Ninth International Conference on «High Pressure Semiconductor Physics». September 24-28, 2000 Hokkaido University, Sapporo, Japan.
Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики ДНЦ РАН, Махачкала, 11-14 сентября 2002 г.
Публикации.
Основные результаты опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 9 научных статьях и материалах 8 конференций. Список статей, опубликованных в реферируемых журналах приводится в автореферате диссертации.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения шести глав и заключения, изложенных на 114 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 43 рисунка и список литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации 121 страниц.
На зашиту выносятся следующие научные результаты и положения:
В неравновесной электронно-дырочной плазме антимонида индия, образованной в результате джоулева разогрева образца протекающим током, возникают автоколебания тока, имеющие сложную динамику от регулярной до стохастической.
Колебания тока возникают за счёт поперечных направлению тока неод-нородностей плотности носителей заряда в объёме образца - автосоли-тонов, движущихся в электрическом поле.
Слабое продольное магнитное поле (<150Э) кардинально меняет сценарий развития токовой неустойчивости. Эффект связывается с возникновением суммарной разности потенциалов за счёт поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена, существенно меняющей параметры шнуров тока и температуру движущихся слоев электрического поля.
4) Сценарии развития неустойчивости в ЭДП тока при изменениях пара метров: электрического поля; электрического и магнитного полей; элек трического поля и гидростатического давления.
Технология приготовления образцов и методика измерений
В любой реальной системе всегда происходит диссипация энергии и затухание, скомпенсировать которое можно за счет подкачки в солитон энергии от внешнего источника. Такие стационарные уединенные состояния, возникающие в системах с малым "трением", по своим свойствам мало отличаются от свойств солитонов в консервативных системах. Однако с ростом диссипации, т.е. с ростом "трения" в системе, это отличие становится все более заметным.
С самого начала необходимо проводить четкое различие между системами с, трением и системами без трения, поскольку системы этих двух типов не приводят к одному и тому же классу задач. Наличие "внутреннего трения" (наличие потока энергии в систему от внешнего источника и дис-сипирование системой энергии в термостат) влечет за собой существование аттрактора, когда все решения диссипативной системы будут стягиваться к некоторому подмножеству фазового пространства, т. е. асимптотического предела (при - со) решений, предела, на который не оказывает прямого влияния начальное условие - исходная точка. В механике, где "трение" приводит к постоянному убыванию энергии, соответствующие системы по этой причине принято называть диссипативными.
Система становится активной, т.е. приобретает способность к автономному образованию структур (к самоорганизации) благодаря потоку в динамическую систему энергии и её диссипации [1]. Поэтому активные среды характеризуются непрерывным рассредоточенным притоком энергии от внешнего источника и её последующим рассеянием, образуя дисси-пативную систему. Теория диссипативных динамических систем обладает высокой степенью общности и универсальности. Отсюда проистекает интерес к экспериментальному и теоретическому изучению процессов образования, эволюции и хаотизации регулярных структур в активных средах [2].
В системе, каковой является возбуждённая полупроводниковая ЭДП, при определённых условиях возникают диссипативные структуры (ДС) продольные и поперечные АС. АС - стационарное уединённое локализованное собственное состояние (автосостояние) неравновесной системы. АС представляют собой нелинейные пространственно-временные структуры, характеризующиеся отличием температуры и концентрации носителей заряда в ЭДП полупроводников от её устойчивого состояния. Параметры АС - его форма, амплитуда, скорость, частота пульсаций и другие - полностью определяются параметрами системы и не зависят от характера возмущения, вызывающего образование данного типа АС. Утверждение о существовании АС означает, что однородное состояние неравновесной системы не является единственно устойчивым.
АС образуются в устойчивых неравновесных диссипативных системах, малые возмущения в которых затухают. Для возбуждения АС на систему необходимо подать локальное дополнительное возмущение с достаточно большой амплитудой и длительностью, после чего в системе может сформироваться один из возможных типов АС [3]. Примером может служить образование таких структур, как: расслоение температуры и концентрации частиц в полупроводниках [4,5], в газах [6], температуры решётки в полупроводниках [7] и в полупроводниковых структурах [8], возникновение областей локальной ионизации в однородных полупроводниках и в об-ратносмещённых / -и-переходах [9]. Надо подчеркнуть, что, несмотря на различия рассматриваемых систем, описание АС [10] в них удаётся изложить с точки зрения единых базовых принципов и подходов.
К системам, в которых образуются ДС, относится неравновесная газовая или полупроводниковая плазма, скорость рекомбинации электронов в которой резко возрастает с ростом температуры. Такая ситуация, в частности, реализуется в случае оже-рекомбинации электронов и дырок [11], при которой в ЭДП поступает энергия порядка ширины запрещённой зоны полупроводника [12,13]. При определённых значениях параметров ЭДП, в ней могут образоваться статические, пульсирующие и бегущие АС. Из анализа уравнений, описывающих ЭДП, основанного на общих результатах качественной теории АС, а также численных расчётов [14], можно показать, что в вырожденной ЭДП в зависимости от её параметров действительно можно возбудить статические, пульсирующие и бегущие АС. Физика образования и свойства таких АС в ЭДП весьма подробно рассмотрена в [14,15]. В [3] подробно рассмотрены: системы с локальным "самопроизводством" электронов; ионизационные АС и страты в газовом разряде; ионизационные АС и страты в полупроводниках; системы с "перекрестной" диффузией; термодиффузионные АС в ЭДП, разогретой в процессе фотогенерации носителей; термодиффузионные АС в виде поперечных страт в ЭДП, разогретой электрическим полем; термодиффузионные АС в виде продольных страт и цилиндров в "плотной" ЭДП; горячие "пятна1 в полупроводниковой пленке при ее однородном фотовозбуждении; горячие "пятна" в транзисторных структурах; микроплазмы в однородных р-п-структурах. 2. Экспериментальные исследования.
Имеется большое число работ по результатам теоретических исследований АС. В плотной ЭДП, когда подвижность носителей определяется столкновениями электронов и дырок, движущихся в электрическом поле (в этом случае подвижность носителей //— Тш1п, то есть проводимость ЭДП не зависит от концентрации носителей) при наличии внешнего электрического поля АС проявляются в виде слоев тока, направленных вдоль приложенного электрического поля, а в ЭДП не высокой плотности образуются в виде перпендикулярных линиям тока слоев сильного электрического поля [16,17]. Теоретически рассмотрены и численно исследованы в зависимости от способа разогрева ЭДП несколько видов АС - статические, пульсирующие, пичковые, продольные, поперечные, движущиеся и другие [14,18,19].
Автосолитоны в антимониде индия в постоянном электрическом поле и в сильных импульсных электрических полях
В теоретических исследованиях Б.С. Кернера и В.В Осипова показано [12,37-39], что в устойчивой неравновесной ЭДП внешним дополнительным возмущением нарушается однородное состояние и можно возбудить термодиффузионные АС - самоподдерживающиеся локализованные области экстремальной концентрации и температуры носителей заряда. Было теоретически показано, что однородное распределение плотности квазинейтральной ЭДП при её однородном разогреве а процессе фотогенерации или в электрическом поле становится неустойчивым, даже когда условие обычной перегревной неустойчивости не выполнено и отсутствуют внешние потоки (ток, градиенты температуры и концентрации). Неустойчивость носит апериодический характер и возникает относительно возмущений с характерным значением волнового вектора k0 (L-iym , где L - биполярная диффузионная длина, / - длина остывания горячих электронов. Теоретически было показано, что расслоение плазмы при L I происходит, когда импульс горячих электронов рассеивается на заряженных центрах независимо от механизхма релаксации их энергии. Из анализа нелинейной одномерной задачи следует [37], что устойчивыми являются распределения концентрации носителей и их температуры в виде осцилляции большой амплитуды с периодом порядка {L-l) .
Во внешнем электрическом поле АС могут проявиться как слои тока, направленные вдоль приложенного электрического поля в случае Tee«rp«Tcf (в плотной ЭДП) [16], где тр, те/ - время релаксации импульса и энергии электронов на дефектах и фононах; тее - время межэлектронных столкновений. В несимметричной плазме, когда вследствие сильного различия эффективных масс подвижность электронов и дырок значительно различаются, АС могут проявиться в виде перпендикулярных линиям тока слоев сильного электрического поля и низкой концентрации носителей. Эти слои движутся вдоль поля в случае тр «тее«те/ (в ЭДП не слишком высокой плотности, когда проводимость непосредственно зависит от концентрации носителей заряда) [17].
Эксперименты с и-GaAs показали [18,20-23], что образующаяся в образцах неравновесная ЭДП в результате ударной ионизации или инжекции расслаивается в электрическом поле на шнуры тока и слои электрического поля. В [24,40] приводятся результаты обнаружения и экспериментального исследования бегущего горячего АС в разогретой электрическим полем однородно-фотогенерируемой ЭДП в я-Ge.
В узкозонных полупроводниках ЭДП может быть создана термической генерацией носителей при относительно низких температурах [37]. Поэтому в этих полупроводниках нагревом решётки за счёт выделяющегося джоулева тепла при приложении к образцу электрического поля сравнительно легко создаётся разогреваемая этим же полем до некоторого уровня неравновесности ЭДП, в которой возможно возникновение локализованного силышнеравновесного состояния - АС.
Одним из узкозонных полупроводников является антимонид ИНДИЯ. При температурах выше 150 К любые образцы InSb приобретают собственную проводимость [30], что позволяет создать ЭДП при небольшой выделяемой мощности в условиях джоулева разогрева. Дальнейшее повышение электрического поля, приложенного к образцу, приводит к разогреву ЭДП, что делает возможным возбуждение АС.
Автосолитоны в антимониде индия в постоянном электрическом поле. Исследовались образцы /7-InSb, имеющие при 7 77 К концентрацию носителей 4-Ю см" и подвижность 7000 см /В-с, Измерения проводились в жидком азоте на образцах различной длины L и сечения S. В качестве электрических контактов использовался индий. Создание электрического поля в образце, регистрация тока и ВАХ образца осуществлялись по методике, описанной в П.2.4. II главы. Целью данного эксперимента являлось исследование ВАХ кристаллов /?-InSb при воздействии на них медленно меняющегося электрического поля. Одновременно исследовались токовые неустойчивости с помощью осциллографа. На рис. 10 представлена ВАХ образца InSb (0.55x0.26x0.19 см3). На экспериментальных ВАХ наблюдается несколько участков, отличающихся закономерностью изменения тока от напряжения: линейный участок, скачком переходящий при напряжении, превышающем пороговое (Un=26 В), на нелинейный участок, имеющий две ветви (I и II), сохраняющиеся при любом изменении напряжения в интервале 22+30 В. Как видно из рис. 10, ВАХ имеет гистерезис, т. е. значения тока в образце при уменьшении напряжения (U Un) имеют другие (нелинейные) зависимости от напряжения (ветви I и II). Следует отметить, что в случае шнурования тока при джоулевом разогреве образца ВАХ становится S-образной, как это имеет место в [41]. Исследование образца в режиме генератора напряжения (осуществляемое в данной работе) привело бы к тому, что вместо S-образности на ВАХ появился бы резкий скачок тока, приводящий, как правило, к разрушению образца. Вместе с тем, в данном случае после резкого скачка тока на ВАХ образца появляются устойчивые во времени нелинейные участки, где ток мало меняется с изменением напряжения в некотором интервале значений. Это предполагает образование в образце устойчивой диссипативной системы с уединёнными состояниями (автосолитонами) — ДС. S-образность на ВАХ также наблюдается и при больших значениях приложенного напряжения.
Деление продольных автосолитонов в магнитном поле
Наблюдаемые явления, т.е. возникновение АС как в виде продольных шнуров тока, так и страт электрического поля, расположенных перпендикулярно току, можно объяснить, как и в [27], на основе теории расслоения неравновесной ЭДП, развитой в работах [4,11,16,17,20, 37-39,49,50]. Измерения температурной зависимости электропроводности исследуемых образцов InSb показали (рис. 17), что собственная концентрация носителей заряда может быть достаточно высокой уже при относительно низкой температуре 7Ы50К. Подавая на образец, помещенный в жидкий азот, импульсы напряжения определённой длительности, амплитуды и частоты следования, можно, благодаря джоулеву разогреву, легко создать квазинейтральную (п р) плотную ЭДП. И в такой ЭДП, более сильно разогретой по отношению к решётке импульсом того же электрического поля, должно происходить расслоение на шнуры тока. Вследствие поперечного градиента температуры, и, следовательно, градиента плотности ЭДП, в эксперименте в импульсных электрических полях, как и в постоянном электрическом поле можно ожидать наличие в образце областей с неплотной плазмой, для которой выполнимо условие неравенства (3). Это приводит к тому, что неравновесная ЭДП разбивается на страты электрического поля, поперечные линиям тока, которые в несимметричной ЭДП движутся в электрическом поле вдоль линий тока в сторону движения горячих электронов, т.е. от катода к аноду. Периодические разрушения АС у соответствующего электрода вызывают скачки тока, обусловливая колебания во внешней цепи образца. С увеличением прикладываемого к образцу напряжения ДС греется, и при некотором значении напряжения ДС переходит в другое состояние (ток скачком изменяется). При этом поперечный градиент температуры изменяется, приводя к перераспределению областей с плотной и неплотной плазмой, возможно, уже с другими параметрами (температура, концентрация и подвижность носителей заряда).
В результате могут появиться новые движущиеся АС, а значит, и другая мода колебаний во внешней цепи образца.
Если с увеличением прикладываемого к образцу напряжения в небольшом интервале значений некая область с неплотной плазмой, где формируются движущиеся АС, слабо греется и подвижность носителей заряда при этом меняется незначительно, то скорость Уде движения АС будет определяться электрическим полем согласно [4]. Нарастание скорости движения АС, в свою очередь, означает плавное увеличение частоты колебаний во внешней цепи образца (рис. \6а,Ь). Возможно также, что в какой-то области образца с неплотной плазмой температура с увеличением напряжения будет возрастать настолько, что станет заметным снижение подвижности носителей заряда. Соответственно скорость движения АС, образованных в этой области, будет замедляться, что обусловит плавное уменьшение частоты колебаний во внешней цепи образца (рис. 15ауЬ).
Впервые экспериментально показано, что в ЭДП, полученной в узкозонном полупроводнике p-InSb термической генерацией носителей заряда за счёт выделяющегося джоулева тепла при приложении к образцу электрического поля и возбуждённой этим же полем, реализуются предсказанные теоретически [11,16,37-39] АС - самоподдерживающиеся локализованные области экстремальной концентрации и температуры носителей заряда - как в виде слоев тока, направленных вдоль приложенного электрического поля, так и в виде перпендикулярных линиям тока слоев сильного электрического поля, движение которых в электрическом поле обусловлено несимметричностью ЭДП (/4 »jJP).
Скачки тока и его слабое изменение в некоторых пределах напряжения связаны с образованием и существованием АС, в данных случаях в виде слоя или слоев тока, направленных вдоль приложенного электрического поля. Как в стационарном, так и в динамическом режимах на временных реализациях тока проявляются колебания релаксационного характера.
Зондовые измерения показали наличие разности фаз колебаний потенциалов, снятых с двух соседних пар зондов, что позволило определить скорость распространения по образцу области сильного электрического поля, а, значит, скорость движения области пониженной концентрации носителей, т.е. поперечного AC (vAc=l 5-К27 м/с).
Образование АС в виде слоев тока и появление движущегося АС в неравновесной ЭДП означает её преобразование в ДС.
Экспериментально показано, что АС как в виде шнуров тока, так и в виде слоев электрического поля можно возбудить в InSb импульсами электрического поля. Импульсный метод исследований позволил обнаружить несколько мод колебаний во внешней цепи образца, обусловленных движущимися АС в электрическом поле.
В процессе эксперимента было обнаружено, что в этой ДС одни наблюдаемые колебания с изменением напряжения сменяются другими, т.е. происходит перестройка мод. Для каждой моды имеется свой интервал значений напряжения. В этом интервале амплитуда и частота колебаний определённой моды меняются с изменением величины импульса напряжения.
Выявлены два основных типа мод колебаний. Частота колебаний уменьшается, а амплитуда растёт с увеличением напряжения -1 тип; частота колебаний плавно растёт, а изменение амплитуды имеет положительный экстремум - II тип (рис. 15 и рис. 16).
Явления коллективного поведения автосолитонов в диссипативной структуре в InSb
Согласно численным расчётам, результаты которых приведены в работах [18,19,48,50,78], кинетика образования АС в ЭДП полупроводников, их эволюция весьма разнообразны. В [18] рассматривается случай генерации АС в ЭДП на неоднородности в образце. В электрическом поле движущиеся по образцу последовательно АС, достигая конца образца и разрушаясь, вызывают скачки тока, проявлялись в виде релаксационных колебаний тока во внешней цепи образца. Период Т этих колебаний будет определяться временем задержки г3 возникновения АС на неоднородности Т=/з(). С другой стороны T=L/vAc L Z, где L - длина образца, L - амби-полярная диффузионная длина носителей заряда, vAC - скорость АС, vAc ME, № - амбиполярная подвижность носителей; Е — напряжённость прикладываемого к образцу электрического поля. С изменением Е будет меняться скорость АС и время задержки Ї2, что приведёт к изменению частоты колебаний тока в цепи образца. При достижении Е некоторого значения расстояние Lp между АС станет близким к L. В случае Ly L становится возможным взаимодействие типа перекачки [37,40] между образовавшимися на неоднородности движущимися АС. Вследствие этого в образце возникает случайная последовательность движущихся АС, которая приводит к стохастическим колебаниям во внешней цепи образца. Естественное наличие в образце нескольких неоднородностей хотя бы и разных амплитуд может привести к появлению нескольких последовательностей движущихся АС по образцу, что обусловит сложную картину колебаний тока во внешней цепи образца.
Как было отмечено выше, поперечные АС, образующиеся в возбуждённой ЭДП в образце, находящемся в электрическом поле, представляют собой области повышенной напряжённости электрического поля. При достижении некоторого уровня возбуждения, т. е. определённого значения напряжённости электрического поля, в этих областях начнется процесс ударной ионизации [18,19,48,50,78]. В зависимости от скорости генерации и рекомбинации, а также от уровня возбуждения АС деформируется или разделится. Во внешней цепи образца такая ситуация проявится появлением колебаний тока с тенденцией на удвоение, или удвоенной частоты колебаний.
Движение поперечных АС, возникших в ЭДП в полупроводнике, помещённом во внешнее электрическое поле, может сопровождаться их пульсацией. Анализ численных исследований [19] показывает, что в процессе пульсаций можно выделить две фазы: рост амплитуды АС и некоторое его сужение, либо уменьшение амплитуды АС и небольшое его расширение. С ростом уровня разогрева ЭДП амплитуда пульсаций АС монотонно возрастает. При некотором уровне разогрева ЭДП амплитуда пульсаций достигает такой величины, когда происходит деление пульсирующего АС на два разбегающихся друг от друга АС, которые на достаточно большом расстоянии друг от друга в свою очередь также делятся. В результате последовательности таких делений образец заполняется взаимодействующими АС. Исходя из этого, можно заключить, что мы имеем дело с кооперативной системой (авто с ол итон а ми), склонность которой к самоорганизации естественна. И как было показано в предыдущих главах настоящей работы, во внешней цепи образца наблюдаются периодические релаксационные колебания тока, которые с повышением прикладываемого к образцу напряжения становятся хаотическими и далее опять принимают форму регулярных колебаний. Возможны бифуркации через удвоение периода колебаний и другие сценарии развития, отражающие коллективное поведение движущихся АС.
Как и в предыдущих экспериментах, исследовались образцы / -InSb, для которых условие расслоения горячей неравновесной ЭДП a+s 0 [37] (а=3/2; s=-I/2; a+s = l 0) - выполняется. Образование АС, как показано в предыдущих главах, сопровождалось колебаниями тока, имеющими несколько мод. Дальнейшие исследования позволили обнаружить моды более сложных колебаний тока, указывающие на явные признаки самоорганизации ДС в InSb.
Проводилось исследование динамики развития ДС в InSb с изменением уровня её возбуждения, идентификация наблюдаемых колебаний тока с соответствующими АС, кинетика формирования и движения которых описана в работах [18,19,48,50,78], а также выявление закономерностей явлений самоорганизации АС в ДС в InSb. Для исследования использовался ряд образцов кристаллов InSb с концентрацией дырок/? = (2-І-4)-10 см с подвижностью //- 4000- 7000 см /В-с при температуре Т 11 К.
Далее приводятся экспериментальные результаты для образцов: InSb-d2 (р=1.5х10 см", / =5200 см /В-с) с размерами 1=6.9 мм, д=2.2 мм, =1.1 мм и сопротивлением 7?=19.2кОм; InSb-67-2 (р=4х10 см", / =7000см2/В-с) с размерами /=4.9 мм, я=2.2 мм, 6=1,4 мм и сопротивлением 7 =9.16 кОм, InSb-65-2 (р= 1.8x1012 см"3, //я=5060 см2/В-с) с размерами /=6.1 мм, Й=2.3 мм, 6=1.4 мм и сопротивлением R-9A6 кОм.
Неравновесная ЭДП в образцах создавалась джоулевым разогревом -импульсом напряжения электрического поля прямоугольной формы с длительностью 2.5 мс с частотой следования 10 Гц. Изменение тока в цепи образца регистрировалось осциллографом, а посредством АЦП записывалось в память компьютера. Записанная информация подвергалась компьютерной обработке.
На рис. 39 представлены: а - В АХ образца InSb-c/2; b - осциллограммы колебаний тока во внешней цепи этого образца, обусловленные движением поперечных АС по образцу; с - фазовые портреты; d - спектры мощности при изменении подаваемого на образец напряжения от /под=48.4 В до /Пая=52.9 В.
