Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка17/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   24

5.2 Високочастотні резонансні властивості напівпровідників

  • 5.2.1 Особливості поширення електромагнітної хвилі у плазмі напівпровідника


    Поширення сильної електромагнітної хвилі у плазмі напівпровідника обумовлює ряд нових явищ, пов'язаних з нелінійностями різного роду. Одне з найбільш цікавих явищ  так званий самовплив. Суть його полягає в тому, що діелектрична проникність напівпровідника починає залежати від електричного поля. Однак діелектрична проникність, у свою чергу, визначає характер поширення електромагнітної хвилі. Хвиля, таким чином, впливає сама на себе, змінюючи умови поширення. Найбільш ефективним є тепловий самовплив, який і буде розглянуто нижче.

    Газ носіїв струму (для визначеності будемо вважати їх електронами) в напівпровіднику отримує енергію від електричного поля і віддає її як ґратці при зіткненні з фононами, так і в навколишнє середовище внаслідок теплопровідності. У результаті за певних умов може встановитися стаціонарний стан, при якому середня енергія електронного газу в напівпровіднику перевищуватиме енергію ґратки і залежатиме від амплітуди електромагнітної хвилі.

    Від енергії електронів залежить частота їх зіткнень із фононами і домішками. Концентрація електронів також визначається їх енергією через процеси ударної іонізації і рекомбінації. Діелектрична проникність плазми є функцією концентрації та частоти зіткнень й, отже, електромагнітного поля. Так виникає тепловий самовплив.

    Тепловий самовплив виникає вже при відносно слабких електромагнітних полях. Це пов'язано із квазіпружністю зіткнень електронів із фононами. Ефективну масу акустичного фонона М можна визначити як (Т  температура ґратки,  швидкість звуку). Проста оцінка показує, що ефективна маса електрона аж до найнижчих температур набагато менша від ефективної маси фонона. Аналогічне твердження правильне і для оптичних фононів при температурі ґратки вище дебаївської.

    Як відомо, при зіткненні частинки масою та енергією з нерухомою частинкою масою нерухомій частинці передається частина енергії . Оскільки у нашому випадку , то частина енергії, переданої при зіткненні електроном фонону, є малою. З іншого боку, обмін імпульсами між легкою і важкою частинками є досить інтенсивним. Таким чином, час , за який електрон втрачає отриманий від зовнішнього поля імпульс, набагато менші, ніж час , за який електрон втрачає придбану від поля енергію. Як показує розрахунок, . Звідси випливає, що енергія електронного газу в електромагнітному полі зростає набагато швидше, ніж імпульс, що призводить до сильного розігріву електронного газу у відносно слабкому електричному полі [10].

    Проведений у [10] теоретичний аналіз показав, що в різних полях працюють різні механізми розсіювання. Зокрема може статися так, що залежність температури від амплітуди електричного поля буде описуватися S-подібною гістерезисною кривою. Стан електронного газу, при якому температура зменшується із зростанням поля, є нестійким. Наявність гістерезису призводить до розриву діелектричної проникності плазми. Цей ефект може бути використаний у діагностиці плазми напівпровідників.

    Одними з найбільш цікавих високочастотних властивостей напівпровідників є їх резонансні властивості, що проявляються в циклотрон-фононному резонансі (ЦФР) [10]. Електрони провідності під впливом однорідного магнітного поля Н відчувають циклотронне обертання з частотою . Осцилювальний характер їх руху добре виявляється лише при малій частоті зіткнень . У цьому разі рух електронів стає майже гармонічним і спостерігаються резонанси, безпосередньо пов'язані із циклотронним обертанням. На сьогодні вивчені два резонанси такого типу: циклотронний і магнітофононний, що виникає при магнітних полях, коли частота оптичних фононів кратна . Природа цих явищ аналогічна, і можна сказати, що виконання резонансної умови в обох випадках забезпечує інтенсивне перекидання електронів між різними рівнями Ландау.

    1. 5.2.2 Плазмові нестійкості в напівпровідниках при впливі електромагнітних полів


    До сьогодні у фізиці твердих тіл сформувався підхід до вивчення електромагнітних явищ, що базується на ідеї колективної взаємодії заряджених частинок. Тим самим було покладено початок новому напрямку, який отримав назву «плазма твердого тіла» (ПТТ). Зараз час він охоплює досить широке коло фізичних явищ у системі відносно рухливих позитивно і негативно заряджених частинок, що пов'язані між собою силами кулонівського походження. Саме ці сили визначають найважливіші властивості плазми як четвертого стану речовини  екранування, квазінейтральність, колективні явища тощо.

    На ідеї колективної взаємодії частинок базуються матеріальні рівняння, що пов'язують струми та змінні поля, тобто обчислення виразів для тензора діелектричної проникності плазми , де  частота,  хвильовий вектор електромагнітного поля. Таким чином, плазмові ефекти значною мірою визначають електродинаміку твердих тіл  провідників.

    Аналізуючи матеріальні рівняння і рівняння поля, можна отримати різного роду елементарні електромагнітні збудження (коливання або хвилі), що належать до фундаментальних понять, а їх дослідженню присвячено багато праць.

    Інтерес до плазмових ефектів у твердих тілах пояснюється специфічними особливостями поведінки електронів провідності в полі кристалічної ґратки, що дозволяє вивчати їх спектр, кінетичні властивості та взаємодії. Ці відомості важливі під час виготовлення напівпровідникових та інших твердотільних матеріалів, які мають наперед задані властивості.

    Для радіофізиків ПТТ важлива як матеріальний об'єкт, у якому за різних зовнішніх умов виникають і розвиваються нестійкості електромагнітних коливань. Ці стани плазми в напівпровідниках можуть використовуватися (і вже використовуються) для генерування, посилення і перетворення електромагнітних коливань у широкому інтервалі довжин хвиль  від радіочастотного до оптичного. Тому вивчення нестійкостей становить значну частину досліджень у фізиці плазми.

    Численні плазмові нестійкості можна розділити на дві групи: кінетичні та гідродинамічні. Перші виникають при великій довжині вільного пробігу електронів (що значно перевищує довжину хвилі) та обумовлені резонансною взаємодією повільних хвиль з окремими групами частинок, швидкості яких близькі до фазової швидкості хвилі. Гідродинамічні нестійкості пов'язані з упорядкованим рухом макроскопічних об’ємів плазми. Розвиваються вони, як правило, в інтервалі частот, менших за частоту зіткнення електронів. Для дослідження таких нестійкостей застосовують рівняння гідродинаміки.

    Характерною особливістю електронно-діркової плазми напівпровідників є відносно велике значення частоти зіткнень носіїв струму з розсіювачами. Мінімальне значення зазвичай становить , тому аж до інфрачервоних частот у напівпровідниках можна застосовувати гідродинамічне наближення. Іншими словами, в ПТТ найчастіше доводиться мати справу з нестійкостями гідродинамічного типу [10].

  • 1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   24


    База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
    звернутися до адміністрації

        Головна сторінка