Введение к работе
Актуальность проблемы
В последние десятилетия бурное развитие получила полупроводниковая техника. Это связано как с более.углубленным исследованием свойств известных полупроводниковых материалов, так и с открытием и внедрением новых перспективных материалов. В частности, одним из таких материалов стала полупроводниковая квантовая сверхрешетка (СР), впервые синтезированная в начале 70-х годов. Практическое применение СР началось уже в 80-х годах, и сейчас мы имеем целый спектр полупроводниковых приборов на основе квантовых СР — от диодов и транзисторов с рядом уникальных свойств до различных элементов лазерной техники.
Столь широкий спектр применения СР обусловлен разнообразием их физических свойств. Так, например, наличие в воль-тамперной характеристике СР участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать квантовую СР в качестве генератора волн субмиллимотрового диапазона. Не менее интересными,, а возможно, и более перспективными, представляются оптические свойства СР. Очень важно, что электромагнитные (ЭМ) волны, распространяющиеся в квантовой СР, становятся существенно нелинейными уже при относительно слабых полях по сравнению с обычными полупроводниковыми материалами. Одним из следствий этого является возможность существования в СР нелинейных периодических и уединенных (солитопов, бризсров) волн, которые могут быть использованы в микроэлектронике в качестве носителей информации. Но экспериментальное изучение распро-
странения нелинейных волн в полупроводниковой СР затруднено их сильным затуханием. В связи с этим возникает проблема изучения различных каналов затухания ЭМ волн. Основными диссипативными факторами являются взаимодействие ЭМ волн с неоднородностями СР, всегда присутствующими в полупроводниковых материалах, и поглощение волн при ионизации примесных центров и при межминизонных переходах. Поэтому представляется актуальным изучение процессов распространения нелинейных ЭМ волн в СР, имеющих примеси и неоднородности кристаллической структуры, а также построение теории новых эффектов, которые могли бы лечь в основу работы электронных приборов, основанных на оптических свойствах квантовых СР. Под неоднородными СР в данной работе понимаются полупроводниковые СР, содержащие примеси и (или) области повышенной концентрации носителей тока.
Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию эффектов, связанных с процессами распространения и эволюции нелинейных ЭМ волн в неоднородных квантовых СР. Представляется, что сформулированные в данной работе положения и рекомендации стимулируют постановку новых экспериментов и создание новых полупроводниковых приборов.
Цель работы
Целью работы является:
— изучение процессов распространения и затухания нелинейных ЭМ волн в полупроводниковых квантовых СР, содержащих примеси и различного рода неоднородности;
изучение возможности детектирования и идентификации нелинейных волн с использованием эффекта увлечения электронов в процессе ионизации примесных центров;
выявление возможности стабилизации формы ЭМ волн вСР;
теоретическое обоснование принципа действия фильтра нелинейных волн на основе неоднородной квантовой СР.
Научная новизна
В данной работе впервые:
-
Исследованы квазиклассические процессы ионизации примесных центров и эффект Франца-Келдыша в СР при распространении нелинейных периодических ЭМ волн.
-
Рассмотрена возможность детектирования кноидальных ЭМ волн на основе эффекта увлечения носителей тока в процессе ионизации примесных центров.
-
Предсказан эффект стабилизации формы ЭМ солитона в СР под действием постоянного (заданного внешним источником) электрического тока.
-
Предсказан эффект, который может быть положен в основу действия солитонного фильтра на базе квантовой СР, позволяющего пропускать лишь солитоны, скорость которых превышает некоторое критическое значение.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что теоретически исследованные в ней эффекты позволяют глубже понять сущность соответствующих физических процессов и стимулируют постановку новых экспериментов.
Объекты исследования работы:
-
неоднородные композиционные полупроводниковые СР, представляющие практический интерес для микроэлектроники (создание новых элементов для микросхем), оптики (комплектующие полупроводниковых лазеров, генераторы и усилители сигналов);
-
нелинейные волны, имеющие приложение в нелинейной, квантовой оптике, в теории информации, а также относительно недавно ставшие предметом пристального внимания физиков, работающих в области теории поля.
Положения, выносимые на защиту:
-
Вероятность протекания процесса ионизации в СР при распространении кноидальных волн превышает значение вероятности ионизации в СР при распространении линейных волн, равных по частоте и амплитуде нелинейным волнам.
-
Плотность тока увлечения при ионизации примесных центров нелинейными периодическими ЭМ волнами, распро-
страняющимися вдоль слоев СР, в определенных условиях превосходит ток увлечения свободных носителей. Их отношение быстро растет с увеличением амплитуды нелинейной волны, либо с уменьшением ширины мини-зоны проводимости.
-
Электромагнитный солитон, распространяющийся вдоль слоев СР, может быть стабилизирован постоянным электрическим током, протекающим вдоль оси СР. При этом скорость солитона становится постоянной и определяется величиной постоянного тока и параметрами СР.
-
На основе квантовой СР, имеющей неоднородный слой с повышенной концентрацией носителей тока, может быть создан фильтр нелинейных уединенных волн. Такой фильтр пропускает солитоны с энергией, превышающей критическое значение, определяемое параметрами неоднородного слоя и характеристиками СР.
Апробация работы
Результаты исследований опубликованы б центральной научной печати — журналы "Физика и техника полупроводников", "Оптика и спектроскопия", Известия ВУЗов (Сер. "Радиофизика") — и докладывались на:
II и III Межвузовских научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгоградской области (Волгоград, 1995, 1996 гг.);
VII и VIII Межнациональных совещаниях "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1997, 1998 гг.);
VII Международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" (Череповец, 1997 г.);
Международной конференции "Оптика полупроводников" (Ульяновск, 1998г.),
научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного педагогического университета (1995—1997 гг.);
— научных семинарах кафедры теоретической физики
ВГПУ.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано одиннадцать печатных работ (из них 4 статьи в центральных научных журналах).
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 102 страницы, включая 11 рисунков и список цитируемой литературы из 116 наименований.
Личный вклад автора
Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве с научным руководителем СВ. Крючковым. Автор диссертации принимал непосредственное участие в вычислениях и обсуждении результатов работы, а также полностью выполнил численпый расчет и моделирование процессов на ЭВМ.
