Введение к работе
Актуальность темы. Поиск и разработка активных систем мм, субмм и дальнего ИК диапазонов электромагнитного спектра, основой которих могут служить сильно неравновесные (немаксвелловские, акизогрсиные и инвертированные) распределения горячих носителей заряда в полупроводниках является актуальной проблемой физики полупроводников.
Перераспределение электронов между долинами зоны проводимости в многодолинных полупроводниках типа арсенида галлия в сильных электрических полях, когда средняя энергия свободных носителей заряда существенно превышает равновесную, определяемую температурой решетки, приводит к появлению отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) (механизм Ридли-Уоткинса-Хилсума) [1]. В этих условиях исходное однородное распределение поля в кристаллах оказывается неустойчивым по отношению к малым флуктуациям объемного заряда. Эта неустойчивость приводит к образованию в однородно легированном полупроводнике доменов - областей сильного электрического поля [2]. Если параметры полупроводника удовлетворяют критерию Кремера, т.е. произведение концентрации электронов п на длину L превышает величину -ПО см [2], то в нем возникают колебания, связанные с периодическим образованием и движением доменов. Такие колебания с частотой, определяемой временем пролета домена через образец, экспериментально были обнаружены Ганном [3].
В принципе, возможно сохранить однородное распределение поля в кристаллах с ОДП, удовлетворяющих критерию Кремера. Тогда
4 появляется возможность использования полупроводника с ОДП при сохранении его электрической однородности для усиления и генерации колебаний с частотой, рее не связанной с длиной кристалла (пролетной частотой). Устойчивость однородного распределения поля в полупроводниках с ОДП была исследована достаточно подробно (см., например, обзор [41, монографию [53), однако, лишь для случая, когда в образце имеется только постоянное электрическое поле. Использование полупроводника с ОДП для усиления и генерации колебаний, особенно в области СВЧ, предполагает наличие внешних резонансных цепей. В этих условиях к образцу приложено не только постоянное, но и переменное грещее поле. В частности, в случае автоколебаний в режиме ограничения накопления объемного заряда (0Н03), предложенном Коуплендом [б], считалось что поле в полупроводнике однородно, если положительна средняя за период высокочастотного поля дифференциальная проводимость (а^ > 0), но задача об устойчивости не исследовалась. Исследование устойчивости однородного распределения поля в полупроводниках с ОДП при наличии внешней цепи в условиях одновременного разогрева электронов сильными постоянным и внешним переменным электрическими ПОЛЯМИ проведено нами в [7], где было показано, что устойчивость однородного распределения поля в кристаллах с ОДП зависит не только от знака о^, но и от знака дифференциальной проводимости по среднему току 0т. При от< 0 возможен рост медленных возмущений в цепи питания. Однородное распределение поля в образце оказывается устойчивым только, когда одновременно положительны как средняя за период СВЧ поля дифференциальная проводимость, так и дифференциальная проводимость по среднему току.
Критерии устойчивости е неустойчивости однородного распределения поля в кристалле с ОДП, выведенные и экспериментально подтвержденные для случая воздействия на образец постояішсго напряжения и переменного напряжения от внешнего источника СВЧ колебаний, остаются в силе, когда переменное -ягряжение возникает на образце за счет автоколебаний в контуре. Если в образце сохраняется однородное распределение поля, то автоколебания в контуре поддерживаются за счет ОДП однородного образца. Этот режим известен под названием ОНОЗ. При невыполнении условшї устойчивости рост малых флуктуации в полупроводнике с ОДП приводит к образованию доменов. Образец с доменом может обладать динамической отрицательной проводимостью на частоте выше пролетной [16]. С этим связано возникновение обнаруженной нами [8] духчастотной генерации.
Одноосно деформированный p-Ge также обладает подходящей зонней структурой для возникновения эффекта Ганна. Возможность ОДП в одноосно деформированном Ge была предсказана в работе ИI, а в работе [9] при гелиевой температуре было обнаружено возникновение ганновских колебаний. В последующих работах ганновские колебания в сжатом p-Ge исследовались при более высоких температурах: 27-160 К [10] и 11 К [Ш.
Излучательные переходы между различными ветвями валентной зоны германия ранее изучались, в основном, в сильных электрических и магнитных полях. Это связано с обнаружением в этих условиях стимулированного излучения в милиметровом, субмилиметровом и дальнем Ж диапазонах длин волн [12,13], вызванного возникновением инвертированных распределений горячих носителей заряда в валентной
зоне [14]. Наш было обнаружено интенсивное дольнее Ш излучение, имевшее стимулированный характер, которое возникало в образцах одноосно деформированного р-С-е в греющих электрических полях в отсутствие магнитного поля.
1У:лъю настоящей работы било исследование обнаруженной нами "двухчастотноа генерацій" - высокочастотной гонераціш при одновременной генерации пролетных колебаний, исследование сбнаруяенной нами высокочастотной генерации в распределенных полупроводниковых структурах из арсешвда галлия с дзкяущиыися доменами; исследование в одноосно деформированном германии спонтанного и обнаруженного наглі стимулированного излучения дальнего МК диапазона и выяснение природы инверсии, которая вызывает это излучение; исследование влияния образования электрических доменов на спонтанное излучение и взаимодействия мезвду доменами сильного поля и стимулированным излучением.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1) Обнаружено возбуждение автоколебаний мм диапазона без внешнего резонатора в кольцевой полупроводниковой структуре из арсенида галлия с движущимся кольцевым доменом. Установлено, что автоколебания в ней возникают из-sa неустойчивости движущегося домена относительно нарастания электромагнитных волн с волновым вектором, направленным поперек направления движения домена. Фазовая скорость волны, определяющая частоту автоколебаний, существенно меньше скорости света в однородном полупроводнике и увеличивается с ростом напряжения на образце, т.е. с ростом толщины домена.
2) В одноосно деформированном германии обьс-рукено
стимулированное дальнее ИК излучение горячих дырок в отсутствие
магнитного поля, связанное с инверсией в распределении горячих
дырок п:,' экоргии в валентной зоне германия.
-
Установлено, что интенсивность спонтанного дальнего КК излучения из одноосно сжатого германия в сильных электрических полях определяется характеристиками электрических доменов, возникающих из-за ОДП, вызванной переносом горячих дырок в состояния с малой подвижностью. Экспериментально обнаружено существование статического домена. Установлено, что возникновение ОДП связано со стримингом в сильно непараболической валентной зоне деформированного германия.
-
Обнаружено взаимное влияние стимулированного дальнего ИК излучения и характеристик доменной неустойчивости. При большой интенсивности излучения домен исчезает и устанавливается однородное распределение поля в образце. Стимулированное излучение при однородном распределении поля в образце сохраняется при уменьшении приложенного напряжения низке порога образования доменов.
-
Установлено, что предельной энергией для стриминга в верхней по энергии зоне, является энергия, соответствующая переходу дырки в дно нижней зоны с испусканием оптического фонона. Существование такого стриминга подтверждает накопление дырок вблизи дна верхней по энергии валентной зоны.
Эти результаты выносятся на защиту.
Достоверность результатов определяется перекрестным
8 характером и повторяемостью проведенных опытов на большом числе образцов. Некоторые результаты (возникновение стимулированного излучения в отсутствие магнитного поля, а также поведение спонтанного излучения в зависимости от электрического поля и давления) подтверждены последующими работами исследователей из МПФ РАН, Н.- Новгород.
Практическая_ценность_работы:
Реализован перестраиваемый полупроводниковый генератор электромагнитного излучения мм диапазона без внешнего резонатора, который может быть использован, например, в качестве гетеродина в микроволновых интегральных схемах; продемонстрирована возможность лазерной генерации дальнего ИК диапазона в отсутствие магнитного поля. На активные полупроводниковые устройства получено с соавторами 6 авторских свидетельств на изобретения: Генератор сверхвысокочастотных колебаний - АС N66063!, 1979; Генератор сверхвысоких частот - АС N876024, 1.981; СВЧ-генератор -АС N928935, 1982; Генератор СВЧ - АС N1179884, 1934; Диод Ганна- АС N1107722, 1984; Полупроводниковый усилитель - АС N1327752, 1985.
Апрдбация_рзботы._
Основные результаты диссертационной работы были доложены на IY л Y Симпозиумах по физике плазмы и неустойчивостям б полупроводниках (Вильнюс, 1980, 1983), III Всесоюзном симпозиуме по мм и субмм волнам (Горький, 1930), Теоретическом семинаре секции научного совета АН ССОР по проблеме "Плазма и неустойчивость в полупроводниках" (Фергана, 1980), Совещании по теории полупроводников (Ташкент, 1985), Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988), Международных конференциях
9 по миллиметровым волнам и дальнему Ж излучению (Китай, 1990, 1992), XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990), XX и XXI Международных конференциях по физике полупроводников (Греция, 1990; Китай, 1992), Семинаре "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках и полупроводниковых структурах и проблемы их применения в электронике СВЧ" (Навои, 1991), Мевдународном симпозиуме по физике полупроводниковых приборов (США, 1991), YIII Вильнюсском симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в полупроводниках (Литва, 1992).
Публикация_материалов_диссертациил
Основные результаты диссертации полностью опубликованы в трудах вышеперечисленных конференций и в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 150 стр. машинописного текста, в том числе 1 таблицу, 40 рисунков и список литературы, включающий 70 наименований.
