Введение к работе
. '» ;
-Актуальность темы. Интерес к нелинейным явлениям в проводни-,-кахі 'толщина которых меньше длины свободного пробега носителей за-'"ряда, обусловлен широким применением тонких проводящих слоев в различных областях техники и микроэлектроники, а также необходимостью учета нелинейности при практическом их использовании. Электродинамические свойства тонких проводников в нелинейном режиме зависят от характера взаимодействия электронов проводимости с поверхностью и принципиально отличаются от свойств массивных образцов. В проводниках с большой длиной свободного пробега носителей заряда имеют место два механизма нелинейности: влияние магнитного поля1 тока на динамику электронов проводимости и разогрев их электрическим током. Разогревный механизм нелинейности является доминирующим в полупроводниках, тогда как в металлах, основную роль играют динамические нелинейные эффекты. В металлах, с числом носителей заряда порядка одного на атом, даже слабые электрические поля могут возбуждать токи большой плотности и становится существенной зависимость электропроводности от самосогласованного магнитного поля. Особенно эта зависимость проявляется в -чистых монокристаллических образцах при низких температурах, когда длина свободного пробега электронов может достигать нескольких миллиметров. В Настоящее время известен ряд экспериментально наблюдаемых нелинейных явлений в проводниках с высокой концентрацией носителей заряда, которые не нашли теоретической интерпретации, например, возникновение нестационарности при протекании постоянного тока. В связи с этим, изучение роли поверхностного рассеяния носителей заряда с анизотропным энергетическим спектром в условиях нелинейной зависимости плотности тока от электрического поля,-представляется'весьма актуальным и иі.іеет существенное значение для дальнейшего развития теории нелинейных явлений в металлах.
Целью работы является теоретическое исследование нелинейных явлений в тонких проводниках с большой длиной свободного пробега носителей заряда, помещенных во внешнее магнитное поле. Для построения последовательной теории нелинейных и гальваномагнитных эффектов в тонких проводниках, необходимо решить самосогласованную систему кинетического уравнения Ьольцмана и уравнений Максвелла с граничным условное, учитывающим рассеяние электронов поверхностью.
Научная новизна.' В работах,положенных в основу реферируемой диссертации, впервые построена количественная теория и дано объяснение ряду кинетических явлений в тонких проводниках в нелинейном режиме. Исследована нелинейная электропроводность тонких пластин из компенсированного металла в условиях статического скин-эффекта. Получено выражение для нелинейного магнитосопротивления и найдена область значений величины внешнего магнитного поля и угла между направлениями магнитного поля и тока, в которой происходит смена характера проводимости, связанная с концентрацией тока у поверхности образца.
Получены критерии возникновения эффекта Изаки в условиях статического скин-эффекта, в зависимости от плотности тока,магнитного поля и угла мевду током и магнитным полем. Рассмотрены нелинейные эффекты в металлах и полуметаллах, связанные с элект-рон-фюнонным взаимодействием. Проанализированы условия, при которых возможно проявление нелинейности, обусловленное разогревом носителей заряда электрическим током.
Предсказано нелинейное явление - возбуждение автоколебаний напряжения стационарным током в тонких проводниках с открытыми поверхностями Ферми и квазидвумерным электронным энергетическим спектром. Показано, что эффект обусловлен влиянием магнитного поля тока на динамику электронов,-движущихся по открытым траекториям.и взаимодействующих с зеркальной границей образца. Получены аналитические выражения для частот автоколебаний, построена количественная теория явления. Рассмотрен вопрос о подавлении автоколебаний внешним магнитным полем.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Критерии реализации статического скин-эффекта и выражение для магнитосопротивления в пластинах из компенсированного металла в нелинейном режиме в зависимости от величины протекающего тока и ориентации внешнего магнитного поля относительно направления тока.
-
Критерии возникновения эффекта Изаки в тонких пластинах при условии статического скин-эффекта в объемной части образца и в скин-слое в зависимости от угла между направлениями тока и магнитного поля, а такг.о степенью зеркальности отражения электронов границей образца.
-
ЬелинеР.нь'е квантом-.: и классические поправки к
'продольной электропроводности полуметаллов,помещенных в сильное магнитное поле, обусловленные электрон-фононным взаимодействием.
-
Распределение плотности тока и неоднородного электрического поля в тонких проводниках с открытыми поверхностями Ферми и квазидвумерным электронным энергетическим спектром в нелинейном режиме в присутствии внешнего магнитного поля,в случаях зеркального и диффузного рассеяния электронов поверхностью.
-
Показано,что в тонких проводниках с открытыми поверхностями Ферми имеет место возбуждение автоколебаний напряжения стационарным током. Эффект обусловлен влиянием магнитного поля тека на динамику электронов, движущихся ло открытым траекториям и взаимодействующих с поверхностью образца.
-
Аналитические выражения для частот автоколебаний и оценки предельного значения внешнего магнитного поля,. при котором происходит подавление колебательных процессов.
Научная и практическая значимость работы состоит в расширении представлений о нелинейных явлениях в проводниках с большими длинами свободного пробега носителей заряда во внешнем магнитном поле. Вопросы, рассмотренные в диссертации, представляются интересными для разработки твердотельных приборов,т.к., в современных технических устройствах используются электродинамические свойства проводников в существенно нелинейном режиме. Предсказанный в работе эффект возбуждения автоколебаний напряжения позволяет обнаружить новые свойства слоистых проводников с кваэидвумер-ннм электронным энергетическим спектром, которые не проявляются в области значения электрических полей, соответствующих линейному приближению.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на VI и VII Всесоюзных совещаниях по низкотемпературной физике металлов (Красный Лиман,1989, 1991), Международной конференции по физике низких температур (Англия, Брайтон,1990), Международном семинаре "Сильно коррелированные электронные состояния в конденсированных средах" (Алушта, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 94 страницы . машинописного текста, включая 6 рисунков и список литературы из 97 наименований.