Введение к работе
Актуальность работы. Исследования доменной неустойчивости представляют значитэлькый интерес как с физической точки зрения, так и с точки зрения многочисленных практических приложений. На основе результатов таких исследований бали созданы мощные генераторы СВЧ, усилители СВЧ, миогочислонныа аналоговые и логические приборы, стабилкзеторы тока и другие устройстпа. Весьма перспективным представляется использование доменов сильного поля для модуляции света, генерации ультразвука зплоть до частот 10 ...10 Гц и т.д. Большинство этих практических приложений основано на использовании ганновской доменной неустойчивости, изучении которой и посвящена основная часть нашей работа. В диссертации рассмотрен также новый тип доменкой неустойчивости, возникающей в сегнетоэлектряках-полупроводниках.
Эффект Ганна бил открыт в IS63 году, и почти сразу же стало появляться большое число теоретических и экспериментальных работ, посвященных физике эффекта и его практическим приложениям.
Теория, объясняющая эффект Ганна, была в основном .развит'* в работах В.Д.Бонч-Бруовича, А.Ф.'Волкова, П.Батчзра и У.Фосет-та, Б.Найга и Дк'.Петерсока и других.
Цель настоящей работа состоит в исследовании новых физических явлений, протекающих в условиях доменной неустойчивости, и рассмотрении приборов на основе зткк явлений.
Научная новизна работа заключается в следуящем.
І. Для доменной формы неустойчивости ч условиях эффекта Ганна развита аналитическая теория, позволяющая э хороиок согласии с акспер'шентальннми результатний и результатами численных расчетов описать зависимость параметров стабильного домена от параметров образца и приложенного напряжения для предельных случаев малой и большой концентрации электронов, вольт-мперную характеристику образи* с доменом, пороговое поле исчезновения домена, процесс формирования домена и его перестройки при изменения напряжения.
-
Исследовано влияние внеаиего магнитного поля и собственного магнитного'поля тока на параметра эффекта Ганна.
-
Определены зависимости интенсивности ультразвука, генерируемого диодом Ганна, от параметров образца и напряжения-смещения. Показано, что введение а диод Ганна ультразвука срав-чительно небольшой интенсивности монет обеспечить модуляция ганноБской генераций звуковой волной.
-
Предложены новые способы модуляции света, основанные на использовании краевого электроопгкческого эффекта и на снятии электрическим ьолем сдвига Яосса-Бурштейна.
-
Показано, что в полупроводниках с двумя сортами носителей могут паспространяться волки объемного заряда и квазикейг-ральные волки. Указано на новый, полевой, механизм затухания (или нарастания) квазинейтралъкых волн. Предсказана возиожпост* неустойчивости квазикейгральньгх волн и проанализированы условия ее возникновения..
-
С помощью нелинейной теории определены форма и скорость доианев в диодах Ганна с двумя сортами носителей (электронами у дырками). Показано, что дырки ускоряют двигение домена, ограничивают его амплитуду и обусловливают возмояноеть распространения доменов как от катода к аноду, таг и в обратном направлении. В условиях сильного захвата дырок могут возникать медленные домены сильного поля, распространяться от анода к катоду.
-
Разработаны математические модели на ЭВМ, описывающие поведение генератора Гакна. С их помощью рассчитаны эависиыост* КЦД генератора Ганна от параметров домена и внешней цепи. Пред сказана возможность работы диода в гибридном режиме. Рассчитан! параметры диода Ганна, характеризующие его как элемент логических схем. Предложено использовать диод Ганна в качестве стабилизатора тока. Доказано, что,используя нарастание квазинейтраш яых волн, ' иохно осуществить новый способ усиления СВЧ колебаний.
6. Показано, что в сегнетоэлектраках-лолупроводниках іюжеч реализовкзаться новый тип зелн электрической индукции: своеобразные сегнетоэлектрнческое домены, движущиеся во внешнем элей-
тричесном поло. Построена линейная и нелинейная-теория таких
ВОД5.
На защиту выносятся следующие научные положения.
-
Многий вачсные свойства приборов, основанных на эффекте Ганна, могут быть объяснены в раыкзх феноменологической теории. Такая теория, развитая в диссертации, позволила предсказать различна в пороговых полях зарождения и иечеэноззкия доменов сильного поля, рзсстатать времена формирования и рассасывания доменов и импеданс образца с распространяющимся по нему доменом в хорошем согласии с экспериментальными данными и результатами численных расчетов.
-
Магнитное поле оказывает сильное влияние на параметры эффекта Ганна. Эффекты, обусловленные влиянием магнитного поля на эффект Ганна, впервые наблюдались экспериментально и были интерпретированы'теоретически в работах, вошадтих в настоящую диссертацию. В нестоящее время эти эффекты широко используются для контроля качества диодов Ганна.
-
Разогрев электронов (или дырок) электрическим полем в еырозденном полупроводнике приводит к изменению поглощения света за счет снятия вырождения и уменьшения или полного исчезно -вения сдвига Мосса-Бурштейна. Этот эффект, предсказанный в диссертации, был позднее использовччн для прямого экспериментального измерения температуры нерааноиесных электронов в полупроводниках.
-
В образцах с. двумя сортами носителей - электронами и дырками - эффект Ганна приобретает качественно новые черты, впервые предсказанные и обобщенные в работах, вошедших в диссертацию. В дополнение к обычной неустойчивости волн объемного заряда может возникнуть неустойчивость кваэинзйтральных волн.
В полупроводниках с положительной дифференциальной подвижностью такие волны аатухаюг, приводя к новому механизму затухания флуктуации плотности электронно-дырочных пар. В полупроводниках отрицательной дифференциалы-. Л подпикностья такие волны могу нарастать, приводя к тозникнбвекию доменов нового типа. Такие домены могут распространяться от акодо. к катоду. Кроив того.
(
наличке дырок мокет приводить к существенному уменьвеияо амплитуды поля в домене. Изложенная в диссертации теория этих эффектов основана на методе, схожем с методом малого трения.
-
Развитая в зоиедаих в диссертацию работах аналитическая теория позволила создать эффективную компьютерную модель для генераторов Ганна. Модель позволила предсказать новіли решим работы таких генераторов - гибридный режим. В сантиметровой области СВЧ диапазона ото? режим в настоящее время является одним из основных.
-
В лолупроводниках-сегнетоэлектриках носители заряда могут экранировать электрическую индукцию в доменных стенках. В этом случае стенки могут двигаться во внешнем Электрическом поле. Математический анализ этих явления может быть выполнен методами, аналогичными методам анализа обычного эффекта Ганна.
Практическая ценность работы состоит в развитии теорети- ческих представлений о новых типах волн в полупроводниках с двумя сортами носителей и сегнетоэлектриках-полупроводкиках, построении аналитической теории, позволяющей определять параметры домена и образца с доменом в хорошем согласии с экспериментальными "результатами и результатами численных расчетов, исследовании ковш: физических эф$ектов: модуляции ганновской генерации ультразвуком, модуляции света за счет краевого электрооптического эффекта и снятия электрическим полем сдвига Мосса-Бурштейна. Ряд полученных результатов позволил объяснить экспериментальные данные но движению доменоа в образцах с дырками и явлениям в сегнетоэлектриках-полупроводникэх. Предложены простые инженерные модели расчета параметров генераторов Генна на ЭК'Л. С их помощью предсказан новый эффективный режим работы ганновских генераторов - гибридный режим. Развит аналитический подход к расчету параметров диода Ганка как элемента логических схем.
. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по усилению и генерации в СВЧ к оптическом диапазоне Wc^-SS, Гамбург,'1968 год), на Международной конференции по усилению и генерации.в
СБЧ и оптическом диапазоне (WWW-7Q, Амстердам, 1970 год), на Ііевдуняродіїсм симпозиуме по ноустойччвостям в плазме и твердом теле (Вильнюс, 1971 год), на Всесоаоной конференция по &<ъА% (Томск, 1968 год), на Всесоюзной конференции по физике сегшто-электричесева (Рига, 1968 год,, на Всесоюзном сеыинаро по технологии сегнетоэлектриков (Москва, 1969 год), на Всесоюзном симпозиуме по сегкетоэдектрикам-полупроводникам (Роетов-на-До-иу, 1969 год), на Республиканской конференции по сот;ей к прикладной физике (Алиа-Ава, 1970 год), ка Всесоэзноа симпозиуме по генерации СВЧ колебаний диодом Гакна (Новосибирск, 1973 год), на Ученой Совете АН СССР по комплексной проблеме "Теория твердого тела", на семинаре кафедри теоретической физики ЖУ, на семинаре кафедры полупроводников МГУ, на семинаре в ИРЭ АН СССР, ка семинаре полупроводниковых лабораторий Института физики полупроводников (Литва), на объединенном семинаре полупроводниковых лабораторий СМИ им.А.Й.Иоффа, а также на семинарах лаборатории неравновесных процессов #ГИ, семинарах лаборатории сегнетоэлектрячества ІТИ и на семинарах секторов теоретического отдела ФТИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 работ, 6 обэоргч и монография. Перечень работ приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вне-, цения, шести глав и заключения. Объем диссертации 258 страниц, в том числе 205 'страниц текста и 53 рисунка. Список литературы включает 172 наименования.