Введение к работе
- " -І
ccv; гаць-й |
——"Среди различных методов исследования полупроводников одним
из важнейших является циклотронный резонанс (ЦР). Роль ЦР в изучении зонной структуры полупроводников широко известна и отражена в обзорах и монографиях. Не меньшую роль сыграл ЦР в деле изучения кинетических явлений. Этому вопросу поспящено больше работ, чем зонной структуре, а полученные результаты представляют первостепенный интерес. Последнее обстоятельство, однако, недостаточно хорошо известно даже специалистам.
Актуальность работы определяется двумя обстоятельствами.
Первое. ЦР представляет собой мощный метод исследования кинетических процессов в полупроводниках, роль которого непрерывно возрастает.
ЦР обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с
другими методами. Это, прежде всего, возможность бесконтактных
изменений, что особенно существенно при низких температурах. Да
лее, результат измерения в постоянном поле является, как правило,
сложной суперпозицией вкладов различных групп носителей заряда:
электронов, принадлежащих различным минимумам зоны проводимости,
легких и тяжелых дырок и т.п. Анализ результатов в этом случае
является сложной задачей. С помощью же ЦР можно выделить вклад
определенной группы носителей, не затрагивая остальных. Наконец,
при щ*1Ъ>1 {СО- циклотронная частота, ?- время релаксации ,
ответственного зо поглощение при ЦР - "циклотронного" тока) ре
зультаты измерений, выполненных с помощью ЦР имеют весьма высо
кую точность. Все это определяет мощность метода. , і,
Возрастание роли ЦР объясняется тем, что по мере получения все более чистых материалов и продвижения эксперимента в область более сильных магнитных полей, необходимое условие резонанса -С4Ї4» I - удается выполнить в полупроводниках, иослодоватихся ранее, но в более широком интервале температур и при больших концентрациях примесей.
Следует отметить, что изучение кинотики в известном смысле важнее, чем изучение зонной структуры. Результаты последнего имеют определяющее значение для понимания процессов, происходящих в данном Материале. Они, как правило, не могут быть перенесены на другой полупроводник и не имеют значения вне физики полупроводников. Значение исследований процессов рассеяния и рекомби-
.-2-
кации обычно гораздо шире. Полупроводник здесь зачастую выступает как модель, позволяющая изучить закономерности того или иного явления, важного и для других разделов физики. Специфические полупроводниковые свойства отходят уже на второй план.
Второе. Изучение кинетики ЦР создает необходимые предпосылки для создания различных устройств на ЦР. Поиски возможностей их реализации ведутся в течение многих лет. Так, был создан высокочувствительный узкополосный детектор миллиметрового диапазона, регистрирующий излучение по изменению статической проводимости полупроводника при ЦР /I/. Попытки реализации активных устройств завершились недавно созданием генератора миллиметрового излучения на ЦР /2/, использующего инверсное распределение дырок в Сс е сильных параллельных электрическом и магнитном полях.Много лет ведутся поиски инверсных ситуаций, возникающих при фотовозбуждении свободных носителей. В связи с этим особую актуальность приобретает возможность создания инверсной функции распределения (ФР) фотоносителей в квантующем магнитном поле Н и получения отрицательного поглощения в условиях ЦР.
Цельи настоящей работы явилось теоретическое и экспериментальное изучение кинетических явлений в Ga и &і' в условиях ЦР при рассеянии на акустических фононах (AS) в классических и квантующих магнитных полях ("классический" и "квантовый" ЦР). В классической области ставились задачи исследовать ЦР горячих носителей, в квантовой - ЦР рошювосных.
Особенностью данной работы лвляптся то, что она выполнялась теоретиком, руководившим экспериментальными исследованиями,проводившимися в МГПИ, как в постпновко задач, так и в обработке и обсуждении результатов на всех этапах измерений. Поэтому в диссертации наряду с теоретическими вопросами, составляющий!! основное ее содержание,подробно'излагаются и обсуждаются (гя.1-5) результаты соответствующих экспериментов.(Huso ссылки на эксперимента, выполненные с участием автора,сопровождаются укаэанивм-"МГПИ")
К моменту начала нашей работы исследование.классического ЦР горячих носителей толвко начиналось, работ по кинотике квантового ЦР практически не было.
Основным методом Экспериментальных исследований было определение полуширины обо линии ЦР, формы линии и зависимости осо от температуры (Т),магнитного поля (Н), величини падающей на образец мощности излучения (Р).
Научная новизна. І. Построена теория эффекта Холла в монополярных полупроводниках при малом количестве свободных носителей. Показано, что поле Холла в этих условиях возникает из-за пространственного перераспределения носителей, локализованных на примесных центрах. Предсказано, что в указанной ситуации эф}>ект Холла может сопровождаться сильнім магнитоконцентрационннм эффектом.
-
Магнитоконцентрационный эффект обнаружен на опыте (МШИ). Количество носителей в образце с наименьшей концентрацией компенсирующей примеси возрастало на два порядка по сравнению с исходным .
-
Теоретически показано, что изменение статической проводимости && ("отклик") при ЦР может менять знак ("инверсия отклика") из-за изменения механизма рассеяния или механизма захвата, или из-за изменения типа проводимости. Установлено, что линия ЦР» регистрируемого по зависимости /3<57W( to - частота падающего на образец излучения), в условиях инверсии может быть либо двугорбой (симметричные инверсии), либо напоминать кривую дисперсии (антисимметричные инверсии).
-
Симметричные и антисимметричные инверсии обнаружены экспериментально ШГПИ). Идентифицирована их природа.
-
Проанализированы результаты экспериментов по ЦР горячих электронов в Ge. к0і' ШГПИ). О-наружєна зависимость оии<ор '* характерная для горячих носителей в условиях вынужденного взаимог действия с АФ. Подтверждено существование соотношений подобия, предсказанных автором /3,4/, связывающих между собой кривые ЦР горячих носителей, записанные при различных значениях Р. Эксиери* мент и теория оказались в хорошем количественном согласии друг с4'
Друтм
-
Построена теория ЦР горячих легких дырок. Показано, что в определенном интервале значений Р для ЦР горячих легких дьтрок имеет место зависимость выю Pt,3> (Свидетельствующая о раэлич-характере взаимодействия легких и тяжелых дырок с АФ: легкие - . спонтанное испускание АФ, тяжелые-- вынужденное взаимодействие.
-
Зависимость, близкая к Зсосл J?x,*>обнаружена на опыте (МШИ) в соответствующем интервале значений Р.
,8. Проанализированы результаты экспериментов (МШИ) по изучению зависимости от Р параметра анизотропии рассеяния У- ^/. электронов в Ge и5/ ( Т" и (^ времена реляксаі'1-и импульсе, параллельного и перпендикулярного оси сфероида мясе). В соот-
ветстЕни с теорией автора /5/, у с ростом Р при выходе за пределы области вынужденного взаимодействия сначала уменьшается, затем в области спонтанной эмиссии А<5 перестает зависеть от Р. Дано объяснение расхождению высоко- и низкотемпературных равновесных значений ^ , измеренных с помощью ЦР.
9. Получено одномерное кинетическое уравнение для квантового {<гІ\(о/т??) ЦР. В случае, когда отношение энергии характерного фонона fe/aH к энергии электрона ,Л-Т fe^fe/a'T^di и (1>»1 интеграл столкновений в этом уравнении можно записать с помощью времени релаксации ( - скорость звука, а - магнитная длина). Показано, что при Jl^l возникает неоднородное уширение линии ЦР, обусловленное непараболичностью спектра электронов, пе-ренормировонного из-за взаимодействия с АФ, сравнимое с диссипа-тивной шириной линии. Теория обобщена на случай сфероидальных изоэнергетических поверхностей. Показано, что при анизотропном спектре неоднородное уширение возникает, в общем случае, уже при упругом рассеянии. Для рассеяния на АФ получены и проанализированы формулы для времени релаксации при Н параллельном и перпендикулярном оси сфероида.
-
Проанализированы результаты экспериментов (МГПИ) по изучению зависимостей Ло(Т) и ои/си^) при ы.» І в Се в широком диапазоне Т и СО .На зависимости оссСТ) имеется плато при Л«:1, по обе стороны от которого линия сужается с уменьшением Т. Низкотемпературная область сужения обнаружена впервые. На зависимости Soo(u\ ) впервые обнаружены максимум и минимум. Эти особенности функций осоСт) и аа^{о^)у^йлосъ полностью объяснить с помощью концепции неоднородного уширения. Тем самым, существование неоднородного уширения подтверждено экспериментально. Сделано количественное сопоставление с теорией с учетом реального спектра электронов. Представление о неоднородном уширении позволило понять причины противоречий между теорией и экспериментом, отмечавшихся в зарубежной литературе ранее.
-
Дан обзор последующих теоретических работ по теме вплоть до 1984 г. В зарубежных работах обнаружен ряд противоречащих друг другу результатов, касающихся ширины линии при /3 >;> І. Ден анализ источников этих противоречий.
-
Найдена возмущенная функция распределения (ФР) электронов р условиях квантового ЦР. В области T«S*-fto.> ФР оказалась
инверсной. Сформулирован критерий малости высокочастотного поля ^, ,при выполнении которого линия не искажается разогревом электронов. Вичислено изменение статической проводимости А<о при квантовом ЦР и постоянной концентрации электронов. Установлено наличие новых (отсутствующих при ы.-к1) механизмов изменения знака Аї> в продольной и поперечной конфигурациях.
13. Найдена ФР фотоэлектронов при <А»1 в'условиях захвата
на притягивающие' примесные центры и исследованы их свойства. Об
наружено существование инверсного участка у ФР в области
T«itu)( . Это позволяет реализовать в определенных услови-
ях отрицательную продольную статическую проводимость в слабых Е, а при наличии неэквидистантности уровней Ландау - отрицательное поглощение в условиях ЦР. Изучено поведение фотоэлектронов в сильных продольных Е. Показано,что существует ситуация, в которой продольная проводимость, положительная в слабых Е, в сильных Е становится отрицательной.
-
Вычислено столкновительное поглощение излучения электронами при произвольных oL для Etl31 Н и E^ll Н. При <х»1 поглощение имеет максимумы вблизи сО-=пиу^ ( 7Z = 2*3,4...) - гармоники квантового ЦР. Эти осцилляции подробно изучены для короткодействующего рассеивающего потенциала. Теория естественным образом объясняет результаты ряда зарубежных работ, в которых гармоники наблюдались, но удовлетворительного объяснения не получили.
-
Исследовано поглощение излучения, связанное с отрывом электрона от нейтрального атома примеси в магнитном поле. В модели потенциала малого радиуса найдены система волновых функций не-прервного спектра электрона в поле центра и энергии связанных и " квазисвязанных состояний с моментом 7ft . Вычислено сечение фотоотрыва. Оно испытывает осцилляции, связанные с последовательным включением в поглощение новых зон Ландау с ростом со . Структура этих осцилляции зависит от знака амплитуды рассеяния J^ электрона с моментом / = I на данном центре в Н=0: при J.4. 0 имеется один пик выше^дна зоны Ландау, при > 0 - два пика па обе стороны дна.
Перечисленные положения выносятся на заїциту.
Практическая ценность работы. Сформулированы ограничения на измерительные возможности "обычного" эффекта Холла. Отметим,что
для получаемых в последнее время образцов ${ с чрезвычайно малой компенсацией (К^Ю'^ + Ю ), обладающих рядом уникальштх свойств /6/, вопрос о магнитоконцентрационном эффекте является особенно актуальнім, поскольку этот эффект должен наблюдаться уже в относительно слабых полях.
Изучены особенности регистрации ЦР по изменению статической проводимости - метода наблюдений ЦІ', черезвычайно широко используемого в настоящее время.
Подтверждены экспериментально формулы для линии ЦР горячих носителей, полученные автором ранее.
Получены и для А<і<1 подтверждены экспериментально формулы для квантового ЦР.' Тем самым значительно расширены возможности ЦР кок методо измерений.
Обнрружена принципиальная возможность создания активных устройств на IIP фотоносителей в квантующем магнитном поле.
П модели центров малого радиуса изучены спектры поглощения Д"(Л+)-центров, связанного с фотоотрнвом лишнего носителя в сильном Н. Результаты могут быть полезными при изучении влияния магнитного поля на эти центры. Отметим, что эта задача на самом деле выходит за рамки теории Д~(А+)-центров. Она представляет интерес для всех случаев, когда речь идет о фотоотрыве заряда, связанного на центре малого радиуса (глубокие примеси в полупроводниках, ионы И" и ряц других объектов).
Апробация работы.
'Результаты диссертации докладывались на третьем всесоюзном симпоизуме по физике горячих носителей (Вильнюс, 1965 г.), на 2-й (Москва, 1968 г.) и 3-й (Москва, 1968 г.) межвузовских конференциях педагогических институтов по радиофизике и спектроскопии ; на конференции молодых ученых (Вильнюс, 1967 г.) ; на 9-й Международной конференции по физике полупроводников (Москва, 1969 г.) ; на конференции по свойствам полупроводников в сильных магнитных полях (Ленинград, 1971 г.), на 5-м Всесоюзном .симпозиуме nd плазме и неустойчивости в полупроводниках (Вильнюс, 1983 г.) ; на Всесоюзном, семинаре по оптическому детектированию магнитных резонан-сов (Киев, 1985 г.). По мере выполнения работы результаты докладывались неоднократно на семинарах ФИ АН СССР им.П.К.Лебедева, МГУ им.Н.В.Ломоносова, а также на семинарах ИФПП АН Лит.ССР
(Вильнюс), ИФШІ АН УССР (Киев), ШГГ АН СССР (Черноголовка),ФТИ AF1 СССР им.А.Ф.Иоффе (Ленинград), ИШ АН СССР (Горький), Основное содержание работы отражено в 22-х публикациях.
Вторая часть диссертации является непоср едственным продолжением исследований, выполненных автором в кандидатской диссертации. Поэтому здесь кратко излагаются и используются ряд полученных там результатов. Однако, последние не входят в число основных результатов настоящей диссертации и соответствующие публикации не включены в указанный выше список 22-х работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х частей, содержащих каждая по две главы, заключения и списка литературы. Объем работы - 280 стр., из них: машинописный текст -233 стр., рисунки - 20 стр., список литературы - 27 стр. (242 наименования) . Первый параграф каздой главы - введение, где дается, в частности, обзор предшествовавших работ, последний - выводы.
