Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Высокочастотны» плазменные явления в полупроводниках давно привлекают к себе внимание исследователей. Многие из них достаточно глубоко изучены и описаны. Это относится к процэссам распространения, взаимодействия и возбуждения электромагнитных волн в безграничной полупроводниковой плазме.
Интенсивное развитие твердотельной микроэлектроники, миниатюризация рабочих элементов СВЧ устройств, широкое использование тонкопленочных, двумерных и многослойных твердотельных структур, поиск новых технологий производства и контроля качества полупроводниковых материалов требуют учета физических явлений на границах раздела сред. Эти явления часто играют определяющую роль в различного рода процессах. Таким образом, на первый план выдвигается задача глубокого и всестороннего, изучения дисперсионных, поляризационных и энергетических характеристик электромагнитных волн в различного рода ограниченных полупроводниковых структурах.
Ограниченность полупроводниковых структур, наряду с существенным изменением свойств объемных электромагнитных волн, приводит к появлению новых типов волн - поверхностных электромагнитных волн. Они дают важную информацию о поверхностях и границах раздела сред. Особенно важными и интересными свойствами обладают поверхностные магнитоплазменные волны на границах магнитоактивных сред. Условия существования и дисперсионные свойства поверхностных магнитоплаз-менных волн зависят не только от параметров граничащих сред, но и от величины и направления внешнего постоянного магнитного поля Н0. При этом существенную роль играет расположение Н0 относительно границы раздела сред и направления распространения волны. Это дзет возможность управлять характеристиками поверхностных магнитоплаз-менных волн с помощью Но. Легкость возбуждения поверхностных магнитоплазменных волн в широком диапазоне частот позволяет использовать их для различных практических цэлея. В частности, в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах поверхностные магнитоплазменные волны более пригодны для бесконтактной неразрушающей диагностики поверхности полупроводников, чем акустические или спиновые волны. Такого рода диагностика имеет большую научную и практическую ценность и непосредственно связана с задачами полупроводниковой микроэлектроники, интегральной оптики и лазерной техники.
В нелинейных средах поверхностные электромагнитные волны обладают рядом необычных свойств: немонотонным характером спадания поля, зависимостью фазовой скорости от амплитуды электромагнитного поля на границе раздела сред, многозначностью дисперсионных характеристик, наличием областей нецропускания и др. Это дает основание надеяться на широкое использование нелинейных поверхностных электромагнитных волн для создания различных высокочастотных радиотехнических устройств, работающих при высоких уровнях мощности.
Искусственное получение слоистых периодических полупроводниковых структур - сверхрешеток открыло большие перспективы с точки зрения создания принципиально новых устойств микроэлектроники. Сверхрешетки обладают рядом необычных свойств, особенно в сильных магнитных полях. Открытие в сверхрешетках квантового эффекта Холла, характеризующегося обращением в нуль диссипативных компонент тензора проводимости, представляет интерес как с точки зрения совершенствования технологии изготовления слоистых полупроводниковых структур, так и разработки различных радиотехнических приборов, обладающих рекордно низким уровнем потерь электромагнитной энергии.
Наличие внешних электрических полей, а также пучков заряженных частиц, пересекающих границу раздела твердых тел может приводить к неусгойчивостям поверхностных электромагнитных волн. Исследование такого рода неустойчивых состояний является важным для создания активных устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Изучению высокочастотных' плазменных явлений в ограниченных полупроводниковых структурах посвящено значительное количество работ. Однако многие задачи, связанные с распространением электромагнитных волн, остаются нерешенными. Нет детального анализа дисперсионных свойств косых поверхностных магнитоплазменных волн на границе полупроводник-диэлектрик и на границе сверхрешетка-даэлектрик. Далеко не полностью изучены свойства объемных и поверхностных магнитоплазменных волн в различного рода слоистых полупроводниковых структурах. Не построена теория поверхностных электромагнитных волн на границе магнитоактивная полупроводниковая плазма-нелинейный диэлектрик. Недостаточно изучены неустойчивости электромагнитных волн в двумерных и слоистых полупроводниковых структурах.
Таким образом, исследование высокочастотных плазменных явлений в ограниченных полупроводниковых структурах представляет несомненный интерес и является актуальным как с физической, так и спрактической точек зрения.
исследований дисперсионных, поляризационных и энергетических характеристик линейных и нелинейных электромагнитных волн в ограни-ниченных полупроводниковых структурах;
изучение высокочастотных плазменных неустогчивостей в слоистых полупроводниковых структурах;
- поиск новых физических эффектов, перспективных с точки
зрения диагностики плазмы полупроводников и создания приборов
твердотельной микроэлектроники, работающих в миллиметровой и суб-
миллиметровой области спектра.
НОВИЗНА РАБОТЫ. Исследования, проведенные в диссертационной работе, гозволши в рамках гидродинамической модели описания полупроводниковой плазмы получить новые физические представления о высоко-частотных свойствах широкого класса ограниченных полупроводниковых структур, как в отсутствие, так и при наличии внешних постоянных электрических и магнитнитных нолей.
Б диссертации получены следующие новые результаты.
1. Предсказаны незатухающие поверхностные магяитоплазменные
волны на боковой поверхности сверхрешетки в условиях квантового
эффекта Холла.
-
Найден новый тип нелинейных поверхностных электромагнитных волн - нерезонансные нелинейные поверхностные электромагнитные волны на границе раздела линейной и нелинейной одноосной сред.
-
Предсказан невзаимный эффект безотражательного прохождения электромагнитных волн через слоистую структуру, содержащую магнито-активный полупроводниковый слой.
-
Обнаружено, что резонансные ветви косых поверхностных маг-нитоплазменных волн на границе магнитоактивная полупроводниковая плазма-диэлектрик при некоторых условиях имеют области непропускания как по частоте, так и по углу распространения.
5. Для слоистых структур металл-полупроводник-диэлектрик и
диэлектрик-голулроводник-диэлектрик:
а) предсказано существование медленных объемных магнито-
плазменных волн, обладающих невзаимным характером распространения.
б) показано, что учет потерь в полупроводниковом слое
приводит к появлению прямых и обратных электромагнитных волн.
Последние возникают, если в нёдиссипативном случае на дисперсионных
кривых электромагнитных волн существуют участки с отрицательной
дисперсией.
в) обнаружен эффект невзаимного резонансного взаимодействия как поверхностных, так и объемных магнигоплазменных волн.
-
Наедены нелинейные поверхностные магнитоплазменные волны на границе магнитоакгивная полупроводниковая плазма-нелинейный одноосный диэлектрик, обладающую как монотонным, так и немонотонным характером спадания поля вглубь нелинейной среды, областями непропускания и многозначными дисперсионными характеристиками.
-
Предсказаны медленные косые поверхностные геликоновые волны на границе электронного полупроводника в случае, когда ток смешения больше тока проводимости поперек постоянного магнитного поля.
-
Построена теория связанных косых поверхностных неустойчивых штарк-ллазменных волн на границе сверхрешетка-диэлектрик.
-
Предсказана колебательная неустойчивость различных типов потенциальных волн в слоистой сруктуре полупроводник-сверхрешетка-голулроводник.
-
В слоистой структуре полупроводаик-сверхрешетка исследована неустойчивость поверхностных непотенциальных электромагнитных волн геликонового типа.
-
Изучена пучковая неустойчивость двумерных электромагнитных волн.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Научная значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в обнаружении и исследовании принципиально новых высокочастотных свойств ограниченных полупроводниковых структур. Эти результаты представляют собой фундаментальный вклад в одно из приоритетных направлений теории полупроводников - физику электромагнитных свойств полупроводниковой плазмы.
Изученные в диссертации явления позволяют:
-
Получать информацию о фундаментальных характеристиках полупроводников: механизмах релаксации импульса, эффективной массе, концентрации и подвижности электронов как в объеме, так и на поверхности полупроводника, нелинейных свойствах поверхности.
-
Сформулировать общие закономерности, которым подчиняются высокочастотные плазменные свойства ограниченных полупроводниковых структур для целенаправленного поиска аналогичных эффектов в других неоднородных твердотельных системах.
3. Указать класс твердотельных структур, в которых следует
ожидать возникновения резонансных и нэрезонансяых типов нелинейных
поверхностных магнитоплазменных волн, обладающих невзаимным характером распрострнення, областями непропускания и многозначньши дисперсионными характеристиками.
Практическая значимость диссертации заключается:
-
В открывающихся возможностях по созданию приборов полупро-водниковоа микроэлектроники, работающих на новых эффектах: безотражательного прохождения электромагнитных волн через слоистые структуры, содержащие магнитоактивныв полупроводниковый, слой; распространения поверхностных магнитоплазменных волн без затухания в сверхрешетках, находящихся в условиях квантового эффекта Холла; невзаимного резонансного взаимодействия объемных и поверхностных магнитоплазменных волн в плоских полупроводниковых слоях; возникновения резонансных и нэрезонансных нелинейных поверхностных магнитоплазменных волн на границе полупроводника с нелинейным одноосным кристаллом.
-
В использовании результатов проведенных исследований для объяснения экспериментов, поставленных в ИФП АН Литвы и ИРЭ АН Украины. Ряд результатов, полученных в диссертации, вошел в две монографии и в курсы лекций, которые читаются в ХГУ и КГУ.
