Содержание к диссертации
Введение
1. Системы полупроводник - газоразрядный промежуток; история развития и задачи настоящего исследования 20
1.1. Структуры ПП-ГРП - новые электронные устройства (вводные замечания) 20
1.2. Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы 25
1.2.1. Ограниченность традиционных средств в проблеме продвижения чувствительности в ИК область спектра 26
1.2.2. Нетрадиционные методы фотографии и их применение для скоростной регистрации изображений в ИК области спектра 29
1.3. Этапы разработки устройств ПП - ГРП 34
1.4. Основные процессы в системе ПП - ГРП в условиях стационарного тока 39
1.4.1. Элементарные сведения из физики горения самостоятельных разрядов в тонких промежутках 39
1.4.2. Процессы на границе полупроводник - газоразрядная плазма 42
1.4.3. Фотоэлектрическое управление стационарной плотностью тока 45
1.5. Проблема устойчивости однородных состояний структуры 50
1.6. Перспективность систем ПП - ГРП для решения задач преобразования ИК изображений в широкой спектральной области 51
1.7. Структуры ПП - ГРП как самоорганизующиеся системы 53
1.8. Основные задачи исследования систем ПП - ГРП 62
2. Динамика систем. Быстродействие в задачах преобразования изображений 63
2.1. Вводные замечания 63
2.2. Основные экспериментальные факты 64
2.2.1. Динамика структур при малых плотностях тока 64
2.2.2. Особенности переходных режимов 67
2.3. Модель динамических процессов 71
2.3.1. Двухкомпонентная нелинейная система уравнений 72
2.3.2. Аналитическое исследование модели 73
2.3.2.1. Свойства решений 73
2.3.2.2. Структура ПП - ГРП как резонансный контур 75
2.3.3. Резонансные свойства системы: эксперимент и сравнение с теорией 77
2.3.4. Результаты численного моделирования 81
2.3.4.1. Генерация колебаний за счет собственного шума системы 81
2.3.4.2. Нелинейный характер переходных процессов 84
2.4. Некоторые следствия полученных результатов применительно к решению задач скоростной регистрации ИК излучений 87
2.5. Основные выводы 90
3. Механизмы неустойчивостей 91
3.1. Общие замечания 91
3.2. Предпосылки возникновения неоднородных токовых состояний в случае ГРП с хорошо проводящими электродами 92
3.3. Стабилизация однородного состояния системы в присутствии пространственно распределенного резистивного электрода 94
3.4. Возникновение неустойчивых состояний за счет ионизационно -перегревного механизма в газе 95
3.4.1. Формулировка задачи 96
3.4.2. Линейный анализ устойчивости стационарных состояний 98
3.4.3. Режимы питания устройств - рекомендации 101
3.5. Образование токовых структур за счет потери устойчивости однородного токового состояния полупроводникового электрода 104
3.5.1. Образование множественных стационарных нитей тока в Si:Zn фотоприемниках 107
3.5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур при использовании полуизолирующего GaAs 109
3.6. Возможность возникновения неустойчивых состояний системы при переходе от Таунсендовского режима горения разряда к тлеющему 111
3.7. Заключение 112
4. Исследование и разработка полупроводниковых фотоприемников преобразователей для спектральной области 1-11 мкм 114
4.1. Предварительные замечания 114
4.2. Некоторые проблемы разработки фотоприемников 118
4.3. GaAs(Cu) приемные элементы; Первые фотоэлектрические системы для регистрации изображений в спектральной области генерации С02 лазеров 120
4.4. Приемные элементы на основе кремния, легированного глубокими примесями 121
4.4.1. Конструкция кремниевой структуры; проблема входного контакта 121
4.4.2. Краткое описание технологии изготовления Si:Au, Si:Pt и Si:Zn полупроводниковых электродов 124
4.4.3. Si(In) приемные элементы 127
4.4.3.1. Основные свойства Si:In: литературные данные 128
4.4.3.2.Исследование природы длинноволновой фотопроводимости S і :In детекторов 131
4.4.3.3. Экспериментальные результаты 131
4.4.3.4. Модель фотопроводимости при "дефиците" энергии фотонов 133
4.4.3.5.Планарные Si(In) фото приемники преобразователей и достигнутые основные характеристики устройств 143
4.5. Пространственная разрешающая способность преобразования и примеры применений устройств 144
4.6. Основные выводы 149
5. Спонтанное возникновение пространственных структур в распределениях тока благодаря активным свойствам полупроводникового электрода 151
5.1. Введение 151
5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур в полуизолирующем GaAs 152
5.2.1. Условия экспериментов 153
5.2.2. Вольтамперные характеристики системы ПП-ГРП и отдельно полупроводникового электрода 153
5.2.3. Многообразие образующихся диссипативных структур 155
5.2.4. О механизме неустойчивости и формирования структур 161
5.3. Неустойчивость однородного состояния и образование ансамбля идентичных нитей тока в системе с Si:Zn фотоприемником 164
5.3.1. Вводные замечания 164
5.3.2. Основные характеристики неустойчивости 164
5.4. Выводы 170
6. Самоорганизация токовых структур вследствие пространственно- распределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов - эксперимент 171
6.1. Введение 171
6.2. Постановка экспериментов, методы измерений 173
6.3. Неустойчивости однородного состояния с образованием
пространственно периодических структур в распределениях тока 175
6.4. Неустойчивости периодических структур: образование дефектов 176
6.5. Вторичные неустойчивости: наблюдения на страйпах, спиралях и мишенях 182
6.5.1. Зигзаг-дестабилизация страйпов и спиралей большой амплитуды 184
6.5.2. Наблюдение неустойчивости типа перетяжки 193
6.6. Паттерны, состоящие из нитей тока 196
6.6.1. Внутренняя структура нити тока и эффект самодостройки диссипативной структуры с образованием диссипативного кристалла... 198
6.6.2. Умножение числа нитей тока путем их деления 201
6.6.3. Оптическая "инжекция" диссипативных солитонов 204
6.6.4. Динамика диссипативных солитонов - рассеяние при столкновениях 207
6.6.5. Экспериментальные свидетельства существования фазового перехода в ансамбле диссипативных солитонов 210
6.7. Выводы 211
7. Самоорганизация токовых структур благодаря нелинейному взаимодействию газоразрядного и полупроводникового элементов - модель явления 214
7.1. Вводные замечания. 214
7.2. Модель пространственно - распределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов 215
7.3. Аналитическое исследование модели. Тьюринговская неустойчивость 218
7.4. Численные исследования модели на двумерной области 225
7.4.1. Переход от однородного к структурированному состоянию при изменении управляющего напряжения 229
7.4.2. Самодостройка гексагональной структуры 234
7.4.3. Увеличение числа диссипативных солитонов через их деление 237
7.4.4. Фазовый переход в ансамбле диссипативных солитонов 238
Выводы 244
- Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы
- Проблема устойчивости однородных состояний структуры
- Структура ПП - ГРП как резонансный контур
- Образование токовых структур за счет потери устойчивости однородного токового состояния полупроводникового электрода
Введение к работе
Современное общество нельзя представить без средств приема и обработки оптической информации. Технические решения соответствующих проблем основаны главным образом на использовании полупроводниковых приборов. К ним относятся, в частности, и приемники изображений в современных телевизионных устройствах. Для большого числа природных явлений и искусственных (в том числе, технологических) процессов инфракрасная область длин волн является весьма информативной. Вместе с тем, этот диапазон характеризуется относительно малыми энергиями фотонов, что создает трудности в решении проблем фотографической регистрации в ИК области спектра. Перспективный путь ее решения найден в середине 70-х годов прошлого века в Лаборатории неравновесных электронных процессов в полупроводниках ФТИ им. А. Ф. Иоффе, где было предложено регистрировать ИК изображения с помощью новых полупроводниковых приборов. В этих устройствах за счет фотоэлектрического эффекта в системе свободных носителей полупроводникового планарного фотоприемника создается электронный образ ИК изображения. Формирование преобразованного изображения в видимой области спектра осуществляется с помощью тонкого газоразрядного промежутка, который обеспечивает, кроме того, функцию подвода тока к полупроводниковому фотоприемнику.
Одна из основных задач, стоявших перед автором диссертации, состояла в исследовании способности преобразователей ИК изображений обеспечить высокоскоростной режим. Естественно, что высокое быстродействие должно сочетаться с высокой чувствительностью, т. к. именно чувствительностью определяется, насколько широкой может быть область практического применения приборов. Оказалось, что для обеспечения высоких быстродействия и чувствительности рассматриваемых полупроводниковых приборов они должны работать в условиях возможно высоких значений напряжения питания преобразователя. Другими словами, для достижения предельного уровня основных технических характеристик желательно использовать условия работы устройства, которые находятся вблизи границы потери устойчивости номинального режима. Отсюда естественным образом возникает проблема изучения механизмов нелинейностей, которые могут приводить к неустойчивостям, нарушающим функцию преобразования.
К моменту начала исследовании автора по тематике диссертационной работы, нелинейные свойства устройств и факторы, которые определяют возможности приборов в задачах высокоскоростного преобразования ИК изображений, изучены не были. Основной мотивацией наших исследований являлся практический интерес. Актуальность задачи построения высокоскоростных средств фотографии в ИК области спектра обусловлена, в первую очередь, расширяющимся освоением мощной импульсной лазерной техникой ИК диапазона длин волн. Как известно, мощные лазеры во многих технологических применениях являются исключительно эффективным инструментом. В связи с этим необходимо иметь средства изучения качества излучений таких лазеров. Среди актуальных проблем находится, например, диагностика излучений импульсных СОг лазеров (АХ = 9 - 11 мкм). Важная задача в этой области - измерение пространственно-временной динамики излучаемых лазерами световых полей, что можно осуществить, скажем, с помощью скоростной покадровой съемки в соответствующем диапазоне ИК спектра.
До появления фотоэлектрических систем фотографической регистрации быстропротекающих процессов в ИК области спектра эти проблемы решались главным образом с использованием так называемых "тепловых" методов регистрации изображений. Несмотря на значительные усилия, предпринятые исследователями разных стран по созданию соответствующих систем, этот подход не позволил построить системы с необходимой для практики совокупностью технических характеристик. Причина состоит в низкой энергетической чувствительности и относительно малом динамическом диапазоне регистрируемых плотностей энергии таких методов и сложности построения на их основе систем высокоскоростной покадровой съемки.
Одной из задач настоящей диссертационной работы явилось изучение нелинейных свойств структур ПП-ГРП с целью создания на основе этих систем методов фотографической регистрации ИК полей в спектральной области 1-11 мкм; быстродействием, обеспечивающим эффективную скорость съемки 106 кадров/с и более; и минимальной регистрируемой плотностью энергии в указанном спектральном диапазоне, не превышающей 10"5 Дж/см2. До постановки настоящих исследований методы регистрации изображений с указанной совокупностью характеристик отсутствовали.
В результате исследований по указанной теме задача высокоскоростной фотографической регистрации ИК импульсных лазерных излучений к настоящему времени в
значительной степени решена. Это потребовало, в частности, разработки планарных фотоприемников с высокой чувствительностью в соответствующих спектральных диапазонах - приемников, которые способны обеспечить устойчивую работу в условиях контакта с газоразрядной плазмой преобразователя. Прикладная часть исследований ориентировалась, в частности, на практические потребности Российского Федерального Ядерного Центра (РФЯЦ, г. Саров).
В последнее время все более важной в практическом отношении становится также задача создания технических средств фотографической регистрации быстропеременных во времени полей, излучаемых относительно слабонагретыми телами. Ряд таких задач может быть также решен с помощью скоростных преобразователей изображений ПП - ГРП.
Системы ПП - ГРП функционируют вдали от термодинамически равновесного состояния. Это следует уже из того обстоятельства, что возникновение активного тока в разрядной области возможно лишь в случае, когда энергия свободных носителей заряда в газоразрядном промежутке существенно превышает энергию теплового движения. Как известно, сильно неравновесные системы могут проявлять существенно нелинейные транспортные свойства и обнаруживать возникновение неустойчивых состояний. В результате развития неустойчивости пространственно-однородного состояния протяженной системы в ней может спонтанно возникнуть некоторая структура (которая не задается, например, непосредственно условиями на границах системы). Существование структуры, в конечном итоге, обеспечивается процессами, за счет действия которых поддерживается неравновесное состояние. Такие структуры получили название диссипативных.
Возникновение в изучаемой системе электрических неустойчивостей может быть обусловлено нелинейностями как полупроводниковой компоненты, так и разрядной области. С точки зрения функционирования системы в качестве преобразователя оптических изображений возникновение диссипативных структур в распределениях тока, как уже выше отмечалось, неприемлемо, поскольку они переводят устройство в нерабочий режим. Вместе с тем, такое поведение исследуемой системы представляет значительный интерес с точки зрения исследования явлений самоорганизации пространственно протяженных нелинейных электронных сред.
Отметим в связи с этим, что в настоящее время в мире наблюдается возрастающий интерес в области исследований нелинейных свойств неравновесных систем, а также
процессов самоорганизации в них пространственных и пространственно-временных структур. Хотя они выполняются пока на академическом уровне, полагают, что в будущем, на базе искусственных самоорганизующихся сред, удастся создать устройства обработки информации, основанные на новых принципах - т.е., принципах, которые реализуются в неравновесных системах в результате их сложного кооперативного поведения. В этой связи представляется особенно актуальным разработка и исследование электронных самоорганизующихся систем.
Следует подчеркнуть, что до настоящего времени исследования явлений самоорганизации неравновесных систем выполнялись главным образом на гидродинамических и химических средах. Причина известного отставания в исследованиях электронных систем состоит, на наш взгляд, в проблеме изготовления подходящих экспериментальных объектов, которые обладали бы необходимой совокупностью свойств. Сюда относится, главным образом, требование высокой пространственной однородности элементов системы. Дело в том, что явления самоорганизации неразрывно связаны с бифуркациями (ветвлениями) состояний - здесь имеется определенная аналогия с равновесными фазовыми переходами. Характеристические явления самоорганизации пространственно-протяженной среды могут, в общем, наблюдаться лишь в том случае, когда соответствующие критические состояния достигаются при изменении управляющих параметров в пределах исследуемой системы одновременно.
Такие состояния относительно легко достигаются, скажем, в химических системах, где соответствующая среда может, например, перемешиваться в процессе опыта. Для электронных систем, содержащих твердотельную активную часть, получение сильно неравновесных состояний, которые однородны в пространстве, является гораздо более сложной задачей - вследствие присутствия технологических ("вмороженных") неоднородностей. Такого рода неоднородности могут быть в некоторых случаях малосущественны для работы обычных электронных устройств, но оказывать определяющее влияние на сценарии самоорганизации нелинейной системы.
В процессе разработки преобразователей были созданы планарные фотоприемники с высокого качества. Использование таких приемников позволило создать на основе систем ПП - ГРП распределенные самоорганизующиеся среды с высокой пространственной однородностью характеристик. Это дало возможность наблюдать на таких системах каскады
бифуркаций, в результате которых происходит перестройка самоорганизующейся среды по мере изменения управляющих параметров.
Цель работы заключается во всестороннем изучении планарных систем ПП - ГРП. Практическая задача исследований состоит в создании на основе данных нелинейных систем технических средств скоростной фотографической съемки процессов в ИК области спектра -преобразователей изображений для широкой спектральной области 1-11 мкм. Другая проблема, которой посвящена работа и которая, будучи тесно связанной с задачей обеспечения устойчивой работы преобразователей, имеет самостоятельное значение -исследование самоорганизации нелинейной пространственно распределенной электронной среды. Вытекающие отсюда конкретные цели работы следующие:
установить механизмы, приводящие к неустойчивым режимам работы систем; выработать рекомендации относительно параметров структур и условий их питания для работы в двух режимах - устойчивом и неустойчивом. Первый используется для преобразования ИК изображений, второй - для исследования явлений самоорганизации.
установить условия функционирования преобразователей, которые позволяют регистрировать изображения в спектральной области 1-11 мкм при скорости съемки до 106 кадров/с и минимальных регистрируемых плотностях энергии излучения порядка 10" Дж/см .
на основе монокристаллических полупроводников, легированных глубокими примесями, разработать фоточувствительные электроды, которые обеспечивают устойчивую работу преобразователей изображений.
экспериментально и теоретически исследовать нелинейные свойств систем ПП - ГРП и самоорганизацию в них пространственных и временных диссипативных токовых структур.
Научная новизна.
При изучении систем ПП - ГРП установлено, что при соответствующих параметрах и надлежащих условиях питания системы могут осуществлять устойчивое высокоскоростное преобразование ИК изображений в видимую область спектра. Путем целенаправленного изменения параметров системы могут быть переведены в режимы, которые обнаруживают
многообразие сценариев самоорганизации диссипативных структур в распределениях тока. Основные новые результаты следующие:
Установлено, что при малых величинах межэлектродного расстояния в газонаполненной области системы ПП - ГРП (dg « 0,1 мм) существует устойчивый режим пространственно-однородного горения разряда в широком диапазоне плотностей тока у ~ 10 - 10 А/см . Эффект стабилизации разряда обусловлен распределенным сопротивлением полупроводникового электрода, осуществляющего токоподвод к области разряда. Это свойство систем позволяет осуществлять устойчивое преобразование ИК изображений в видимые в широком динамическом диапазоне изменения входных интенсивностей излучения (значение динамического диапазона составляет два - три порядка величины).
Разработана модель фотопроводимости примесного полупроводника в длинноволновой области спектра - в условиях "дефицита" энергии фотонов. В основе модели лежит явление фотоионизации состояний хвоста классически уширенной примесной зоны компенсированного полупроводника.
Исследованы спектральные, температурные, и компенсационные зависимости фотопроводимости кремния, легированного индием, в области "дефицита" энергии фотонов. Результаты количественно согласуются с расчетами в рамках предложенной модели.
Разработана модель ионизационно - перегревной неустойчивости однородного состояния структур ПП - ГРП. На ее основе выработаны рекомендации относительно оптимальных режимов работы преобразователей с целью обеспечения высокого быстродействия.
Обнаружен и исследован эффект прерывистого протекания электрического тока в преобразователях ПП - ГРП при малых плотностях тока (~ 10"6 А/см2 и менее). Явление находит объяснение в рамках предложенной нелинейной модели динамических процессов в преобразователях.
На основе разработки целого класса кремниевых и арсенидгаллиевых фотоприемников, легированных глубокими примесями, созданы преобразователи ИК изображений, в разной степени перекрывающие спектральную область 1-11 мкм. Скорость преобразования излучений позволяет обеспечивать эффективный темп съемки в ИК области спектра свыше 106 кадров/с при минимальных плотностях энергии входного
излучения порядка 1(Г - 1(Г Дж/см2. При этом фотоприемники устройств не требуют охлаждения ниже температуры жидкого азота. Данные устройства не имеют аналогов.
Обнаружен и исследован ряд неустойчивостей, которые сопровождаются образованием
диссипативных структур в системах ПП - ГРП. Установлено, что пороговая плотность
тока появления структур может быть очень низкой, и лежать в диапазоне 1 - 10
мкА/см2. К оригинальным результатам в этой области относятся:
і) наблюдение сложных поперечных пространственно-временных
диссипативных структур в системах ПП - ГРП, которые содержат электроды из полуизолирующего арсенида галлия. Эффект обусловлен отрицательным дифференциальным сопротивлением полупроводника (ОДС) JV-типа.
ii) обнаружение множественных стационарных нитей тока при потере устойчивости кремниевых электродов, легированных цинком.
iii) наблюдение многообразия сценариев самоорганизации за счет пространственно - распределенного нелинейного взаимодействия полупроводника и разрядной области в условиях, когда область разряда проявляет ^-образное ОДС. Среди обнаруженных структур -гексагональные и полосовые паттерны, взаимодействующие нити, а также более сложные формы пространственного распределения тока.
Предложена двухкомпонентная нелинейная система уравнений типа "реакция -
диффузия", которая описывает неустойчивость и образование диссипативных структур
в системе ПП-ГРП за счет ОДС области разряда в условиях нелинейного
взаимодействия полупроводникового и газоразрядного элементов. Модель
обнаруживает Тьюринговский механизм дестабилизации однородного состояния,
хорошо описывает ряд экспериментально наблюдаемых структур и предсказывает
новое явление - фазовый переход между разреженным и конденсированным
состояниями ансамбля нитей тока.
Научные положения, выносимые на защиту;
ПОЛОЖЕНИЕ 1. При малых величинах межэлектродного расстояния в газонаполненной области системы полупроводник - газоразрядный промежуток (dg « 0,1 мм) в широком диапазоне остаточного давления газа и плотности тока существует устойчивый режим пространственно-однородного распределения тока. Устойчивость однородного
токового состояния может нарушаться как полупроводниковой компонентой, так и газоразрядной частью за счет возникновения в них положительной обратной связи в процессе переноса заряда.
ПОЛОЖЕНИЕ 2. Применение полупроводниковых элементов, изготовленных на основе арсенида галлия и кремния, легированных рядом глубоких примесей (Сг, Си для GaAs; Аи, Pt, Zn, In для Si), обеспечивает устойчивый пространственно-однородный токоподвод к планарной разрядной области в системах полупроводник - газоразрядный промежуток. Этим создается основа для работы двух типов нелинейных систем с распределенными параметрами: преобразователей инфракрасных оптических изображений и электронных самоорганизующихся сред, возникновение диссипативных структур тока в которых обусловлено активной ролью разрядной области.
ПОЛОЖЕНИЕ 3. Использование структур полупроводник - газоразрядный промежуток, устойчиво работающих при температуре, близкой к температуре жидкого азота, обеспечивает решение ряда актуальных проблем высокоскоростного преобразования инфракрасных изображений из спектрального диапазона 1-11 мкм в видимую область. Достижение высокой чувствительности устройств может быть обеспечено оптимальным легированием полупроводника (Si:In), при котором его фотопроводимость в длинноволновой области осуществляется при возбуждении носителей фотонами, энергия которых меньше чем энергия ионизации дискретного уровня индия в кремнии. При оптимальных параметрах и режимах питания динамика рассматриваемых нелинейных систем позволяет осуществлять эффективную скорость съемки в ИК области спектра свыше 10б кадров/с.
ПОЛОЖЕНИЕ 4. В планарных системах полупроводник - газоразрядный промежуток, которые содержат полуизолирующую полупроводниковую компоненту, за счет нелинейных транспортных процессов в полупроводнике в сильном электрическом поле возможна самоорганизация пространственных и пространственно-временных диссипативных структур в распределении тока. Диссипативные структуры могут представлять собой множественные стационарные нити тока, волны плотности тока, распространяющиеся в поперечном направлении и более сложные образования, в частности, цепочечные структуры, составленные из нитей тока. Данные диссипативные структуры могут быть исследованы с применением метода визуализации пространственного распределения тока благодаря свечению газа в тонком (~ 0.1 мм) разрядном промежутке.
ПОЛОЖЕНИЕ 5. Режимы переноса тока в планарных системах полупроводник -газоразрядный промежуток в условиях ОДС разрядного промежутка характеризуются многообразием самоорганизующихся диссипативных структур в распределении тока. Критическая для образования структур плотность тока может быть малой, порядка 10"6 А/см2. Многообразие возникающих структур включает полосовые и гексагональные распределения, спирали, множественные нити и более сложные пространственные формы. Существует определенное подобие некоторых из этих структур со структурами, существующими в ряде других сред (гидродинамических и химических).
ПОЛОЖЕНИЕ 6. Диссипативные структуры, состоящие из нитей тока, могут обнаруживать дальнейшее развитие и сложную динамику. Среди возможных процессов -увеличение числа нитей тока вследствие их деления, а также за счет самодостройки структуры. При взаимодействии движущихся нитей наблюдаются следующие процессы: і) квазиупругие столкновения, когда в акте взаимодействия изменяются траектории частиц; и) образование короткоживущего связанного состояния двух нитей; ш) генерирация дополнительных нитей при столкновении двух или более частиц.
ПОЛОЖЕНИЕ 7. Двухкомпонентная нелинейная модель типа "реакция-диффузия" описывает природу неустойчивости и образование структур в условиях ОДС S-типа разрядной области и пространственно-распределенного нелинейного взаимодействия полупроводникового и газоразрядного элементов. Она обнаруживает Тьюринговскую неустойчивость пространственно однородного состояния и позволяет интерпретировать наблюдающиеся на опыте явления: образование периодических структур в распределениях тока; явление самодостройки диссипативной структуры, эффект деления уединенных нитей тока; а также предсказывает существование фазового перехода типа "кристалл - разреженная фаза" в ансамбле нитей тока. Редуцированная версия модели объясняет возникновение колебаний в преобразователе при малых токах.
Практическое и научное значение диссертации.
Выполненные в работе исследования нелинейных систем ПП - ГРП позволили сделать существенный шаг в решении важной научно-технической проблемы - фотографической регистрации быстропротекающих процессов в инфракрасной области спектра, в области длин волн 1-11 мкм. Исследования также продемонстрировали исключительно богатые возможности систем в задачах изучения проблем самоорганизации диссипативных структур в
распределенных электронных нелинейных средах. В этой области также получен ряд фундаментальных результатов, которые признаны мировым сообществом.
Идеи автора нашли воплощение в ряде национальных и международных программ по исследованиям и разработкам. Представленный в результате комплекс исследований может рассматриваться как базис нового научно-технического направления "Распределенные электронные среды на основе гибридных систем полупроводник - газоразрядный промежуток". За вклад по данной проблематике автору, в составе группы исследователей, присуждена Государственная Премия СССР по физике в 1986 г. По материалам работы имеются 2 авторских свидетельства.
Содержание диссертации отражено в 56 публикациях, в том числе в ведущих отечественных и зарубежных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Журнал Технической Физики, Письма в Журнал Технической Физики, Квантовая Электроника, Physical Review Letters, Physical Review E, Journal of Applied Physics, Physics Letters A, Journal of Physics D: Applied Physics, Infrared Physics & Technology, Journal of Signal AM, Journal of Computational Physics, European Journal of Physics В, а также в материалах конференций, в том числе опубликованными обществами SPIE и IEEE.
Результаты работы докладывались на ряде внутренних конференций и на международных совещаниях и конференциях, в том числе на XIY Международном Конгрессе по Высокоскоростной фотографии и Фотонике в Москве (1980 г.), на II и III Всесоюзных конференциях по бессеребряным и необычным фотографическим процессам (Кишинев 1975 г. и Вильнюс 1980 г., соответственно), на YIII Международном Симпозиуме по детекторам фотонов (Прага, 1978 г.), на III и IY Всесоюзных научно-технических конференциях „Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979 и 1982 г.г.), на II Международном Симпозиуме по модельным исследованиям фотографических процессов и новым фоторегистрирующих системам (Варна, 1980 г.), на Международной конференции по применениям фотонных технологий (Торонто, 1994), на XII Международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Грайфсвальд, Германия, 1997 г.), на Y Международной конференции по экспериментальному изучению хаоса (Флорида, США, 1999 г.), на XXY Международном Конгрессе по Высокоскоростной фотографии и фотонике (Бьен, Франция, 2002 г.), и на Международной конференции "Physics and Control 2003" в С. Петербурге (2003 г.). По результатам работы делались сообщения на семинарах ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Института Проблем Машиноведения РАН (С. Петербург), Центра нелинейных исследований
Лос-Аламосе кой Национальной Лаборатории (1999 г.), университетов Регенсбурга (1992 г.), Осло (1993 г.), Мюнстера (1992 г., 1994 - 2000 г.г.). Результаты работы докладывались также на ряде ежегодных съездов немецкого физического общества, и в лекции на Международной Зимней Школе ФТИ по физике полупроводников (2003 г).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 193 наименований. Объем диссертации составляет 270 страниц, в том числе 88 рисунков и 15 страниц цитируемой литературы.
Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы
В 70-х - 80-х годах прошлого столетия все более острой становилась потребность в создании средств высокоскоростной фотографической регистрации быстропротекающих процессов в ИК области спектра. В основном это было связано с проблемами количественного описания полей излучения мощных импульсных ИК лазеров. продвижения чувствительности в ИК область спектра. Киносъемка в видимой области спектра уже долгое время является исключительно информативным способом регистрации оптической информации. Большое число применений требует использования высокоскоростной съемки (под этим термином традиционно понимают скорость съемки, которая существенно превышает способность непосредственного "оптического" восприятия человеком изменений в окружающих сценах; условно считается, что к высокоскоростной съемке относятся методы, дающие скорость фотографирования порядка 102 кадров/с и выше [21]). Методы высокоскоростной съемки с использованием галогенсеребряных фотоматериалов базируются на применении оптико -механических систем. В основе таких методов лежит либо развертка меняющегося во времени изображения по неподвижной фотопленке, либо регистрирующая фотопленка перемещается относительно неподвижной оптической системы, которая строит на ней меняющееся во времени изображение. Это делается с помощью специальных скоростных оптико-механических устройств [22]. Совершенствование соответствующих методов привело к тому, что в 80-х - 90-х годах прошлого столетия они реально достигли максимально возможного уровня характеристик как в плане достигнутой чувствительности методов, так и скорости съемки. Действительно, чувствительность этих методов достигла потолка, поскольку квантовая эффективность фотопленок к тому времени достигла практически максимальной теоретически достижимой величины порядка 70 % [23]. Скорости же систем механической развертки с помощью вращающихся зеркал имеют предел, который фактически обусловлен механической прочностью вращающихся элементов конструкций. К настоящему времени на основе оптико-механических систем построены камеры, позволяющие получать скорость съемки до 2,5.10 кадров/с [24]. Параллельно с развитием скоростных оптико - механических устройств, в последние десятилетия также разрабатывались оптико - электронные высокоскоростные системы покадровой и щелевой съемки.
Главные успехи в этом направлении развития техники достигнуты на пути создания вакуумных приборов, где используются фотокатоды, использующие внешний фотоэффект. Такие устройства работают следующим образом - см. [25]. Входное излучение поступает на фотокатод устройства, в результате чего за счет внешнего фотоэффекта в вакуумном объеме вблизи фотокатода возникает облачко электронов. С помощью элементов электронной оптики пучок электронов ускоряется и обрабатывается таким образом, чтобы строить изображение на различных участках люминесцентного экрана в последовательные моменты времени. В последние годы появились также полностью твердотельные оптико-электронные высокоскоростные приемники изображений. Они основаны на использовании матриц детекторов [26] или же высокоскоростных ПЗС - матриц. Например, фирма "Фотрон" предлагает камеры со скоростью съемки до 32 000 кадров/с при пространственном разрешении 512 х 512 пикселов [27]. Уместно отметить, что оптико - электронные средства высокоскоростной регистрации изображений в видимой и ближней ИК областях спектра к настоящему времени вытеснили, в значительной степени, оптико-механические устройства. Основная причина в том, что регистраторы с записью изображений на фотопленке сложны в обслуживании; результат съемки нельзя видеть "on-line" (поскольку для этого сначала нужно проявить пленку). Кроме того, последующая количественная обработка отснятого материала довольно трудоемка, поскольку для этого вначале нужно произвести оцифровку изображения. Такая операция выполняется с привлечением дополнительной методики, которая использует автоматизированные микроденситометры [28]. Современные же электронно-оптические системы съемки снабжены средствами управления от ЭВМ, а также устройствами ввода зарегистрированных изображений в ЭВМ, что, при решении конкретных экспериментальных задач, представляет несомненные преимущества таких систем по сравнению с оптико-механическими. Приведенный краткий обзор состояния проблемы высокоскоростной регистрации изображений в видимой и ближней ИК областях показывает значительные успехи техники в освоении данного участка спектра. Расширение же этих, хорошо развитых методов, в средневолновую ИК область спектра встретилось с большими проблемами, которые оказались, в известной мере, принципиальными. Дело в том, что красная граница внешнего фотоэффекта, даже для фотокатодов с "отрицательным" электронным сродством не позволяет, как известно, продвинуться существенно в длины волн Я, 1.3 - 1.4 мкм. Подобная же проблема существует и для фотопленок - именно, при попытке сенсибилизировать (очувствить) фотопленки на спектральную область, которая включала бы даже относительно коротковолновую часть ИК спектра (А, 1.2-1.3 мкм), такая пленка после её изготовления за довольно короткое время при обычных условиях хранения будет засвечена, даже находясь в "темноте". Фактически эффект обусловлен термодинамической нестабильностью фотоматериала. Т.е., чувствительные зерна неэкспонированной фотопленки находятся в метастабильном состоянии. При хранении таких пленок при низких температурах (скажем, в холодильнике при Т О С) время хранения (до экспозиции) может быть довольно длительным, порядка месяцев.
При обычных же условиях хранения фотопленки при комнатных температурах она довольно быстро вуалируется, т.е., теряет чувствительность и становится непригодной для использования 3. Следует в связи с этим отметить, что фотографические пленки - это, по существу, квантовые дозиметры излучений; они могут копить эффект воздействия отдельных квантов потока излучения. Как известно, изолированное чувствительное зерно галогенсеребряной фотоэмульсии становится проявляемым, когда в нем будет поглощено достаточное число п квантов света (в высокочувствительных фотоматериалах п = 3 - 4 [32]). Обычные, скажем, панхроматические, пленки изготавливаются таким образом, чтобы они обладали более или менее равномерной чувствительностью к свету внутри видимой части спектра. Как известно, при обычных температурах такие фотопленки сохраняют стабильность своих характеристик в течение длительного (вполне достаточного для их применения) времени. Они не претерпевают заметных необратимых изменений при воздействии возбуждений с энергиями е 1.2 эВ (длины волн Л 1 мкм). В отличие от видимой области спектра, прямая регистрация потока квантов ИК излучения с помощью устройства, находящегося при комнатной температуре и работающего по принципу квантового дозиметра, оказывается неэффективной, что впервые было отчетливо показано Л. Г. Парицким и С. М. РЫБКИНЫМ [30,31]. В этих же работах был Иначе говоря, фотоматериал, который чувствителен в ИК области спектра, чувствителен и к термодинамическим флуктуациям с энергиями, соответствующими этим длинам волн. Отметим, что за длительное время, в течение которого развивались методы классической (галогенсеребряной) фотографии эмпирически найдены условия приготовления материалов, которые удовлетворяют условию разумного компромисса между спектральной и энергетической чувствительностями, а также пространственной разрешающей способностью, с одной стороны, и допустимым временем хранения фотоматериалов в обычных условиях [29,30,31]. предложен некий общий принцип - т.н. принцип управляемой чувствительности, которому должны подчиняться высокочувствительные устройства регистрации изображений в ИК области спектра. Формулировка этого принципа достаточно проста - фотографическая система (т.е., система, являющаяся квантовым дозиметром излучений), может достичь максимально достижимой фотографической чувствительности лишь в том случае, когда она имеет управляющий фактор, с помощью которого чувствительность к потоку ИК света включается лишь на время полезного экспонирования. 1.2.2. Нетрадиционные методы фотографии и их применение для скоростной регистрации изображений в ИК области спектра.
Проблема устойчивости однородных состояний структуры
В течение значительного времени работы по теме диссертации исследования были мотивированы главным образом необходимостью решения проблем быстродействующей регистрации ИК изображений. Поэтому существенная часть диссертации посвящена изучению физических процессов в системе, которые связаны с необходимостью решения такого рода практических задач. К важнейшим проблемам, которые нужно было рассмотреть в связи с разработкой преобразователей, относится проблема устойчивости рабочего режима преобразователя (в том числе пространственно - однородного состояния). Использование пространственно протяженной среды, функционирующей в качестве преобразователя оптических изображений, предполагает сохранение устойчивого режима работы прибора при изменении управляющих параметров. Вместе с тем, поскольку и полупроводник и разрядная область в рабочих условиях находятся в сильно неравновесном состоянии, они оба могут быть ответственны за потерю устойчивости системы и возникновение диссипативных структур в распределениях тока. (В принципе, явления самоорганизации могут возникать также благодаря взаимодействию полупроводниковой и газоразрядной компонент - за счет того, что разряд воздействует на поверхность полупроводника, может возникать положительная обратная связь, которая инициирует потерю устойчивости однородного состояния). Опасное состояние системы (с точки зрения нарушения режима преобразования ИК изображений) возникает, в частности, в том случае, когда разрядная область переходит в состояние с ОДС S-типа. Как уже выше отмечалось, один из основных механизмов возникновения ОДС связан с переходом от режима Таунсендовского разряда к тлеющему при увеличении плотности тока (см. напр. [54]). Таким образом, ситуация, благоприятная для устойчивой работы, имеет место, когда режим работы системы таков, что горение разряда находится внутри Таунсендовской области. Хотя при малых длинах разрядной области (что обеспечивает преобразовательный режим работы структуры) в широкой области плотности тока разряд не обнаруживает ОДС однородного состояния, газоразрядная часть, тем не менее, может инициировать неустойчивую работу устройства. Это - так называемая ионизационно - перегревная неустойчивость. Неустойчивости этого типа возникают, например, в газовых смесях электроразрядных лазеров [65]. Природа явления состоит в том, что, в отличие, скажем, от твердотельных систем, протекание тока в газе может влиять на плотность проводящей среды.
Именно, увеличение локального тепловыделения при положительной флуктуации плотности тока приводит к росту давления газа в данной области и его расширению. Уменьшение плотности газа, в свою очередь, усиливает разогрев электронов электрическим полем, что может сопровождаться увеличением темпа ионизации нейтральной компоненты газонаполненного объема. В результате может возникнуть режим раскачки пространственно-неоднородных флуктуации этих величин. В Гл. 3 это явление проанализировано применительно к рассматриваемой системе; делается вывод о предпочтительном режиме питания преобразователя с целью подавить рассмотренную ионизационно - перегревную неустойчивость и связанное с ней каналирование тока разряда. Как показано в Гл. 3, из соображений устойчивости работы преобразователя при высоких плотностях тока таунсендовского разряда и обеспечения высокого быстродействия желательно, чтобы полупроводниковый фотоприемник прибора функционировал в условиях значительного падения напряжения на нем. С другой стороны, наличие высокого значения падения напряжения на полупроводнике может служить причиной возникновения неустойчивых состояний системы благодаря активным свойствам полупроводниковой компоненты (см. Гл. 3,5). Совокупность свойств систем ПП - ГРП в устойчивой области работы позволяет сделать заключение о перспективности их использования для задач высокоскоростного преобразования изображений в широкой спектральной области ИК излучений. Среди главных оснований такого суждения явилась малое время фотоответа полупроводников при примесном оптическом возбуждении, а также высокий темп процессов размножения носителей заряда в тонкой газоразрядной области в условиях высокой напряженности электрического поля в газе. Уже первые применения этих систем в задачах диагностики импульсных ИК лазерных излучений [А7] показали более высокий уровень основных технических характеристик приборов по сравнению с другими устройствами аналогичного назначения, в том числе устройствами, основанными на тепловых методах регистрации оптической информации. Выполненные дальнейшие исследования и разработки этих структур позволили создать приборы с чувствительностью в спектральной области 1-11 мкм и быстродействием в субмикросекундной области времен [А8,А10,А40]. Решение этих задач в значительной степени зависело от успеха разработки фотоприемников, удовлетворяющих специфике работы в рассматриваемых гибридных устройствах. Как будет показано в данной работе, требование высокого быстродействия преобразования изображений данной системой (наряду с необходимостью обеспечить достаточную для практики пространственную разрешающую способность) приводит к тому, что фотоприемник системы должен работать в условиях высокого электрического поля. С другой стороны, имеют место такие важные для практики требования как обеспечение спектральной чувствительности систем вплоть до длин волн генерации СОг лазеров, а также работоспособность устройств в условиях охлаждения фотоприемника до температур не ниже азотных. Легко видеть, что перечисленные требования в известной мере являются противоречивыми.
Действительно, достаточно высокая температура приемника, чувствительность в длинноволновой области спектра и работа в условиях сильного электрического поля приводят, естественно, к тому, что имеет место большая плотность тока системы даже в неосвещенном состоянии. Это, в свою очередь, затрудняет получение необходимого уровня чувствительности устройства, а также приемлемого динамического диапазона регистрируемых интенсивностей излучения. Отсюда вытекает одна из важных задач, которую нужно было решить при создании средств фотографической регистрации в ИК области спектра. Именно, необходимо было разработать фотоприемники, способные обеспечить компромиссное решение указанной проблемы. Удовлетворительное решение было найдено на пути разработки примесных фотоприемных элементов на основе кремния, легированного акцепторной примесью индия. В соответствии с данными фотоэлектрической спектроскопии [66], энергия ионизации индия в кремнии составляет 0.156 эВ. Очевидно, это состояние является слишком глубоким для обеспечения фотопроводимости материала в спектральном диапазоне генерации СОг лазеров за счет перехода дырок с центров индия в валентную зону. Один из результатов настоящей работы состоит в том, что применение Si:In приемников способно обеспечить удовлетворительный уровень технических характеристик устройств в задачах регистрации импульсных излучений СОг лазеров. Исследования температурных и спектральных характеристик, выполненные для различных условий легирования Si(In), позволили предложить модель фотопроводимости материала в условиях "дефицита" энергии фотонов. Обнаруженные экспериментальные закономерности нашли удовлетворительное количественное объяснение на основе модели фотопроводимости из состояний классически уширенной примесной зоны компенсированного полупроводника [А 19 - А21, А23]. Соответствие модели и данных эксперимента позволяет давать рекомендации относительно условий легирования материала приемников для решения тех или иных задач регистрации изображений импульсных излучений СОг лазеров при азотных температурах приемника. Разработанные устройства нашли применение на предприятии РФЯЦ ВНИИЭФ, и позволили получить уникальную информацию о динамике полей излучения мощных импульсных, импульсно - периодических, а также квазинепрерывных лазеров, работающих в инфракрасной области спектра - см. публикации [67 - 69], посвященные соответствующим применениям.
Структура ПП - ГРП как резонансный контур
Резонансные свойства рассматриваемой структуры можно экспериментально выявить в условиях её питания, в дополнение к постоянному напряжению Uo, малым переменным с амплитудой Для рассматриваемого случая из выражений (4,5) можно получить в линейном приближении систему уравнений для стационарных комплексных амплитуд п и и, что дает следующую зависимость амплитуды плотности свободных носителей в ГРП в функции от частоты возбуждения и параметров структуры [А24]: Из последнего выражения следует, что при Ту» TN [что соответствует также выполнению условия (15)], система обнаруживает резонансный отклик на гармоническое возбуждение на частоте соо, определяемой (16). Условие малости возмущения (19) на резонансной частоте имеет вид [А24]: Увеличение переменной составляющей концентрации носителей на резонансной частоте по отношению к низкой частоте со 0 определяется соотношением: и, для высокодобротного состояния структуры (15) может достигать, таким образом, больших значений. Найдено также [А24], что амплитуда переменной составляющей напряженности поля в ГРП в условиях резонанса может существенно превысить величину, которую мог бы обеспечить источник переменной ЭДС, если бы его (гипотетически) непосредственно подключить к разрядной области. Для понимания процессов, ответственных за колебания в системе, целесообразно рассмотреть фазовые соотношения между и и и. Эти закономерности выявляются с помощью уравнения, которое связывает амплитуды этих величин в режиме стационарных вынужденных колебаний [А24]: Отсюда следует, что переменная компонента плотности свободных носителей в области ГРП и соответствующая составляющая тока промежутка запаздывают на угол я/2 относительно соответствующей составляющей электрического поля, что может рассматриваться как индуктивный эффект газоразрядной области. Количественная связь между гармоническими составляющими плотности тока ГРП (обусловленной модуляцией величины п) и напряжения на нем имеет вид [А24]: эффективная индуктивность разрядной области для единичной площади токового канала, j0 - величина тока в невозмущенном состоянии. Заметим, что приближенное выражение (16) для резонансной частоты с учетом (25) может быть представлено в виде Резонансное возрастание поля в разрядной промежутке в области частот со « соо свидетельствует, что в данном случае реализуются условия для резонанса напряжений. В эквивалентной электрической схеме это соответствует резонансу на последовательно соединенных реактивных элементах.
Элементы эквивалентной схемы структуры для малых отклонений от стационарного состояния могут быть найдены из соотношений для плотности тока в обеих областях. В заключение этого параграфа отметим, что в условиях постоянного напряжения питания эквивалентная электрическая схема структуры принимает вид параллельного контура с потерями (Рис. 17) [А24]. Резонансные свойства структуры ПП - ГРП наблюдаются на опыте - при измерениях частотных зависимостей отклика системы в условиях, когда, наряду с постоянным напряжением, на нее подается малое гармоническое возмущение. На Рис. 18 (кривая 1) показан пример такой зависимости для криогенной системы ПП - ГРП при заполнении разрядной области азотом [А24]. В качестве фотоприемника структуры использовался кремний, легированный золотом. (Применение Si:Au в качестве материала детектора позволяет работать в широкой области изменения плотности тока в условиях питания структуры постоянным напряжением). Толщина фотоприемника и разрядной области составляли 0.5 и 0.08 мм, соответственно; давление азота, приведенное к Т = 0 С, равнялось 50 мм рт. ст.. Величина сопротивления полупроводникового детектора устройства задавалась интенсивностью стационарной подсветки. Сигнал яркости свечения разрядной области регистрировался с помощью ФЭУ. Кривая Рис. 18 показывает отклик системы на возбуждение малым (модулирующим) напряжением при изменении частоты модуляции. Экспериментальная зависимость вполучена при Щ = 1,0 кВ;_/о = 35 мкА/см и амплитуде модулирующего напряжения и = 9 мВ10. Следует заметить, что при этой амплитуде возбуждения системы переменным напряжением нелинейности в отклике системы на синусоидальное возмущение еще не регистрировались. Для описанных условий опыта частота собственных колебаний составила, как следует из Рис. 18, порядка 80 кГц. Используя найденное из эксперимента значение собственной частоты, и пользуясь соотношением (11), можно оценить важный параметр структуры - величину характерного времени xjv, которое определяет кинетику процессов изменения плотности носителей в разрядной области. Кроме значения (щ, для этого нужно знать величину параметра К (превышение напряжения питания над критическим значением Ucr), а также значение тц. Эти величины легко определяются из условий эксперимента. В результате, для данных Рис. 18, найденное значение тм составило 1.5-10" с. Отметим, что полученные таким образом величины тц существенно (примерно на порядок величины) превышают значения, вычисленные с использованием соотношения (7). В связи с наблюдаемым несоответствием экспериментальной и теоретической величин ты заметим, что из трех параметров (тц, ты, К), которыми описывается теоретическая зависимость (11), два, а именно - тц и К - известны в условиях эксперимента достаточно точно. Значение же третьего (гдт) определяется, в соответствии с выражением (7), комбинацией четырех величин, причем параметры ve, В и у известны с относительно невысокой точностью. При сравнении теоретических резонансных кривых с экспериментальными параметр ты может использоваться, таким образом, в качестве подгоночного.
В соответствии с полученными выше результатами аналитического рассмотрения, для относительно низких плотностей тока (когда имеет место осцилляторное затухание возмущений), частота собственных колебаний системы щ j . Такое поведение системы наблюдается экспериментально в довольно широкой области изменения плотности тока - см. выше Рис. 12, где приведена зависимость частоты колебаний системы (эта частота наблюдается в спектре свечения разрядной области в отсутствие возбуждения системы гармоническим сигналом) от средней по времени плотности тока. Представленные результаты получены для работы устройства при комнатной температуре; использовался фотоприемник на основе полуизолирующего GaAs; ГРП структуры заполнялся азотом при остаточном давлении 50 мм рт. ст.; толщина разрядной области 80 мкм, величина напряжения питания 0.8 кВ. Из данных Рис. 12 следует, что в достаточно широкой области изменения плотности тока (за исключением малых токов, когда наблюдается переход к прерывистому горению разряда - см. ниже Разд. 2.3.4.1) изменение частоты с током хорошо укладывается на корневую зависимость. Поскольку, как уже отмечалось, параметры К и ти достаточно точно определяются условиями опыта, корневые экспериментальная и теоретическая зависимости могут быть совмещены путем надлежащего выбора значения времени релаксации т , который, таким образом, опять выступает в роли подгоночного параметра. В приведенном примере удовлетворительное соответствие данных теории и эксперимента достигается, если Интересно также сравнить теоретические и экспериментальные значения постоянной затухания осциллирующего состояния. Такое сопоставление показывает, что экспериментальные резонансные кривые отклика системы на гармоническое возмущение существенно уширены по сравнению с теоретическими зависимостями (построенными для тех же резонансных частот еоо, которые наблюдаются в экспериментах). Пример сравнения показан на Рис. 18, где, в дополнение к экспериментальной зависимости амплитуды отклика системы на малое гармоническое возмущение, приведена теоретическая кривая резонанса системы. Теоретическая зависимость, опять же, построена для величины т , которая "правильно" описывает значение центральной частоты осциллятора. Из последних данных следует, что одной лишь корректировкой характеристического времени TN не удается совместить теоретическую и экспериментальную кривые отклика осциллятора на гармоническое возмущение. Именно, наблюдается существенное уширение экспериментальной зависимости относительно той, которая предсказывается простой теоретической моделью.
Образование токовых структур за счет потери устойчивости однородного токового состояния полупроводникового электрода
Экспериментальные исследования систем ПП - ГРП обнаруживают, что устойчивая работа газоразрядной области может быть недостаточна для устойчивости работы всей системы. Неустойчивости могут инициироваться также полупроводниковой компонентой структуры. Действительно, система работает, как правило, в условиях довольно высокой разности потенциалов на полупроводниковом электроде (типичное значение электрического поля в объеме полупроводника порядка 5.103 В/см); Транспортные характеристики полупроводника при этом могут стать существенно нелинейными, что может явиться причиной дестабилизации структуры. Неустойчивое состояние работы приемника возникает, как правило, в случае, когда напряжение питания системы достигает некоторых критических значений. Такое явление наблюдается, например, при использовании фотоприемников, изготовленных из Si:Zn и полуизолирующего GaAs. В рассматриваемой системе нами наблюдались нестабильности двух типов, развивающиеся в полупроводниковой компоненте - это неустойчивости, в результате которых образуется стационарная многонитевая токовая структура [А25, А27, А28], или сложные нестационарные паттерны, которые претерпевают последовательность превращений при изменении управляющих параметров [А49, А51]. Подчеркнем, что существование таких явлений было установлено для условий таунсендовского разряда при малых длинах разрядного промежутка (dg 100 мкм, умеренное давление газа в промежутке) и относительно низких плотностях тока ( 10" А/см ), т.е., в типичных условиях работы преобразователя изображений, когда разрядная область работает устойчиво - см., напр., Ряд практических задач современной техники требует высокой чувствительности методов приема изображений. Это, например, необходимо, чтобы реализовать высокоскоростную фотографию относительно слабонагретых объектов. Такие задачи возникают в некоторых материаловедческих проблемах (таких как поведение конденсированного вещества в условиях его ударного возбуждения).
Применение высокочувствительных полупроводниковых детекторов, которые работали бы в данных устройствах устойчиво, представляет, вместе с тем, серьезную проблему. Опыт использования приемников с повышенной чувствительностью свидетельствует о понижении порога возникновения неустойчивых состояний системы в данном случае. При решении проблемы создания высокочувствительных фоторегистраторов ИК излучений одна из задач состояла в освоении спектрального диапазона генерации химических лазеров, работающих в области длин волн вблизи 3 мкм. Поскольку проблема примесей в полупроводниках к тому времени была наиболее изучена применительно к кремнию, было решено создавать регистраторы на указанную область спектра именно с использованием данного материала. Первые приборы для этой спектральной области были созданы на основе легирования кремния глубокой примесью золота [АЗ,А8]. Они работали при температуре газоразрядной ячейки порядка температуры жидкого азота. Одним из недостатков систем с Si:Au детекторами является довольно сильная зависимость чувствительности этих детекторов от длины волны внутри рассматриваемого диапазона (см. Рис. 25 а), что является недостатком прибора, предназначенного для решения указанных проблем. Следующий шаг в создании приборов, которые могут быть эффективными в этих задачах, базировался на разработке Si:Zn приемников. Известно, что примесь Zn в кремнии может обеспечить более высокую абсолютную чувствительность по сравнению с использованием примеси золота, и, кроме того, спектральная чувствительность Si:Zn детекторов несколько более продвинута в ИК область по сравнению с Si:Au [ИЗ]. Подробное изучение устойчивости работы систем с Si:Zn фотоприемниками выполнялось в работах [А25, А27, А28]. Введение Zn в кремний осуществлялось методом высокотемпературной диффузии элемента в закрытой ампуле (способ легирования описан, например, в работах [114 - 117]). В качестве исходного материала использовались пластины ориентации [111] n-Si с удельным сопротивлением р = 100 - 150 Ом.см. Особенности технологии и некоторые свойства полученных образцов описаны ниже, в п. 4.4.2. В экспериментах, посвященных устойчивости системы с Si:Zn приемниками, газоразрядный промежуток структуры заполнялся азотом. Отметим, что достаточно высокое удельное сопротивление таких приемников р 109 Ом.см, которое позволяет их использовать в системе ПП - ГРП на постоянном токе, достигается лишь при температуре Т 110 - 120 К. Поэтому опыты проводились при криогенных температурах, близких к температуре жидкого азота. Эксперименты проводились при отрицательном потенциале приложенного напряжения на р+ - электроде фотоприемника. Основное проявление неустойчивости состоит в том, что превышение напряжения питания устройства некоторой (критической) величины может приводить к образованию множественной системы нитей тока [А25, А27, А28]. Пример пространственной структуры, возникающей в распределении тока, показан на Рис. 26. Характерное проявление обнаруженной неустойчивости состоит в том, что токовые нити, образующие паттерн, практически идентичны - они имеют примерно одинаковую амплитуду и форму, а также одинаково ориентированы в пространстве. "Одинаковость" нитей тока дает основание предположить, что эти объекты по существу - автосолитоны [78 - 80] или - как их также называют в последнее время - диссипативные солитоны [91, 118], которые могут образовываться в самоорганизующихся пространственно распределенных средах. Следует отметить, вместе с тем, что к настоящему времени терминология в данной области еще не установилась. Более подробно результаты исследования этого эффекта описаны в Главе 5. Там же описываются эксперименты, свидетельствующие, что эффект обусловлен процессами в полупроводнике, а не в разрядном объеме.
Газоразрядная область служит в данном случае лишь для визуализации пространственного распределения тока в полупроводниковом электроде. В работах [А25, А27] приводятся данные, которые свидетельствуют, что в основе неустойчивости лежат эффекты двойной инжекции носителей заряда в высокоомный кристалл (в данном случае - из наружного контакта и из области разряда). В этих же работах на качественном уровне рассматривается модель явления. В соответствии с предложенным механизмом, неустойчивость не связана с появлением отрицательного дифференциального сопротивления на глобальных ВАХ структуры или полупроводникового электрода. В следующем параграфе мы остановимся еще на одной экспериментальной ситуации, где оказалось возможным использование газоразрядной области для наблюдения явления самоорганизации в системе носителей заряда полупроводника. 3.5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур при использовании полуизолирующего GaAs. Первые исследования систем ПП-ГРП были выполнены с использованием электродов, которые изготавливались из полуизолирующего (SI) GaAs:Cr [10, Al, А2]. Этот материал может иметь высокое удельное сопротивление при комнатной температуре (р 107 - 109 Ом.см), что позволяет использовать системы на постоянном токе при комнатной температуре. Исследования показали высокую линейность характеристик устройств и хорошую устойчивость работы GaAs электродов в условиях контакта с газоразрядной плазмой. При их использовании на ранней стадии исследований устройств был получен значительный объем информации, относящейся к свойствам систем ПП - ГРП - см. [А1, А2, А5, А9, А12, А13, А15]. Такие электроды использовались в преобразователях, которые были разработаны для целей регистрации импульсных лазерных излучений в ближней ИК области спектра [А7]. В последнее время нами были вновь предприняты попытки вернуться к применению SI GaAs в структурах ПП-ГРП, работающих в режиме преобразования ИК изображений. В качестве исходного материала для изготовления электродов использовался SI GaAs производства фирмы "Freiberger", Германия. Материал получен с применением современного уровня технологии LEC (Liquid Encapsulated Czochralski). Как известно, высокое сопротивление такого материала обусловлено компенсирующим действием глубоких доноров - т. н. EL2 центров, которые, как это достаточно хорошо к настоящему времени установлено, образуются благодаря собственным дефектам GaAs [119]. Изготовление полупроводниковых электродов системы ПП - ГРП из этого материала производилось двумя способами.
