Исследование особенностей распространения мощного миллиметрового излучения в полупроводниковой плазме в условиях ударной ионизации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

НИИ механики и физики СГУ

КОСЫГИН ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МОЩНОГО МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАЗМЕ В УСЛОВИЯХ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ

01.04.03 - радиофизика ( а полупроводников и диэлектриков

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

- доктор физико- математических наук, профессор

ЧУПИС ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

- кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник СОМОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

На правах рукописи

УДК621.372

САРАТОВ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................4

ГЛАВА1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМОЙ ПОЛУПРОВОДНИКА В УСЛОВИЯХ УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ...........................................................................18

1.1. Модели полупроводниковой плазмы в условиях ударной ионизации................................................................. 20

1.2. Механизмы ударной ионизации. Образование неравновесной электронно-дырочной плазмы в "сильных" и "слабых" электрических полях......................... 30

ГЛАВА 2. УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ В ОГРАНИЧЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ , КРИТЕРИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА УДАРНОЙ ИОНИЗАЦИИ В ТОНКИХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ И ПЛЕНКАХ...............................................................................39

2.1. Критерии развития процесса ударной ионизации в тонких полупроводниках и полупроводниковых

пленках.....................................................................................41

2.2. Пороговое поле СВЧ ударной ионизации в ограниченных полупроводниках в присутствии внешнего магнитного поля......................................................................49

2.3. Экспериментальное исследование взаимо -действия ионизирующего сверхвысокочастотного поля с замагниченной плазмой тонких полупро-

водников.................................................................................. 65

2.4. Вольт-амперные характеристики ограниченных полупроводниковых элементов во внешних СВЧ электрических и магнитных полях..................................................... 79

2.5. Полупроводниковые датчики высоких уровней мощности в миллиметровом диапазоне на эффекте

СВЧ ударной ионизации..........................................................104

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СИЛЬНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО СВЧ ПОЛЯ С МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМОЙ ТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.....................115

3.1. Самовоздействие сильного ионизирующего излучения при распространении в пространственно-неоднородной плазме полупроводника................................. 116

3.2. Экспериментальное исследование явления самовоздействия сильного высокочастотного излучения................. 129

3.3. Ударная ионизация в сильном магнитном поле

в условиях самовоздействия СВЧ излучения ...................... 133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 143

ВВЕДЕНИЕ

Одно из важных направлений развития современной радиофизики связано с развитием исследований в области высоких частот и мощностей и созданием мощных импульсных генераторных приборов коротковолнового диапазона. В связи с этим возникает потребность в исследовании свойств вещества в сильных полях, а так же особенностей распространения мощного коротковолнового излучения в условиях, когда взаимодействие поля и среды становится существенно нелинейным.

Представляемая диссертационная работа посвящена исследованию нового класса физических явлений, связанных с распространением сильного коротковолнового излучения в полупроводниковой плазме в условиях ударной ионизации. Физически это означает, что ионизационно-рекомбинационные явления в поле волны являются главным фактором, определяющим условия распространения электромагнитного излучения. Фактически, имеет место сильное нелинейное взаимодействие, которое заключается во взаимной корреляции параметров поля и плазмы неравновесных носителей в полупроводнике.

Стационарная ударная ионизация в полупроводниках - явление имеющее место при распространении в полупроводниковой плазме мощного электромагнитного излучения СВЧ диапазона, представляет интерес в связи с выделением и развитием в последнее время ряда направлений фундаментальных исследований в этой области. Это исследования особенностей распространения сильного электромагнитного излучения в частично ионизированной полупроводниковой плазме; исследование эффекта самовоздействия и генерационно-рекомбинационных явлений при распространении в полупроводниковой плазме ионизирующего коротковолнового излучения; исследования в

области накачки полупроводниковых лазеров ионизирующим СВЧ излучением.

Это сравнительно новое направление интенсивно развивается с начала 80-х годов и к настоящему времени можно говорить о разделе физики, связанном с распространением радиоволн в частично ионизированной плазме. Развитию этого направления предшествовали работы по изучению ударной ионизации в сильных постоянных полях. К первым работам в этой области можно отнести работы Фрелиха и Паранджапы (1956Д961гг.), Вольфа (1958г.), Баррафа (1957, 1960гг), Шокли (1962г.). Теория ударной ионизации в сильных постоянных полях, разработанная специально для полярных полупроводников типа InSb, InAs, была предложена Думке (1969г.).

В Советском Союзе начало работ в этой области относится к началу 50-х годов. В работах Л.В.Келдыша (1959, 1965 гг.) и В.А.Чуенкова (1961, 1976 гг.) были заложены основы кинетической теории ударной ионизации. Значительный вклад в области теоретических и экспериментальных исследований нелинейных явлений в конкретных полупроводниках сделан сотрудниками Института физики полупроводников АН Лит.ССР.

Направление, связанное с исследованием эффектов взаимодействия сильного поля с полупроводниковой плазмой интенсивно разрабатывалось в Саратовском государственном университете. Развитием ряда направлений исследований мы обязаны работам научной школы профессора Д.А.Усанова, в работах которого исследован и обобщен широкий класс электродинамических явлений, связанных с взаимодействием СВЧ поля с полупроводниковыми системами.

Самостоятельное, новое направление, связанное с исследованием закономерностей распространения в плазме ионизирующего излучения, было создано в СГУ профессором Л.И.Кацем в конце 70-х годов.

Эта дата не случайна. Исследованию механизмов развития ударной ионизации посвящено значительное число теоретических работ. Но следует отметить, что в этой области радиофизики, ввиду высокой сложности объекта исследования - полупроводниковой плазмы, только теоретические работы не могут претендовать на полноту описания и, как правило, не имеют той предсказательной силы, как, например, в более простых моделях газовой плазмы. Подобные исследования нуждаются в создании соответствующей экспериментальной базы. И именно к этому моменту времени относится создание мощных генераторных приборов ММ и СММ диапазона.

Именно задачи, связанные с разработкой метрики КВЧ диапазона и созданием управляющих приборов на высокие уровни мощности, обусловили необходимость проведения исследовательских работ в области физики взаимодействия сильного излучения с полупроводниковой плазмой в условиях ударной ионизации. При переходе уже в ММ. диапазон, вследствие существенного уменьшения сечения волнове-дущих трактов, резко возрастает концентрация поля, так, например, при мощности в импульсе 100 кВт, напряженность поля в центре стандартного волноведущего тракта 8-ми ММ диапазона составляет 3-104 В/см., что значительно превышает пороговую напряженность поля для многих полупроводников, реально используемых в радиотехнических системах (для 1п8Ь - Еп < 250 В/см., для ОаАз - Еп ~ 3.5 - 7 кВ/см.). То есть, при взаимодействии СВЧ излучения с этими полупро-

водниками именно ионизационные процессы определяют характер распространения электромагнитной волны в волноводном тракте.

В этом направлении наибольший интерес представляет исследование взаимодействия электромагнитной волны с пространственно-неоднородной плазмой в тонких, с толщиной меньшей характерной диффузионной длины, полупроводниках, поскольку в тонких полупроводниках и полупроводниковых пленках наблюдается ряд новых явлений, связанных с влиянием поверхности на распределение ионизированных носителей в объеме полупроводника [1].

Выбор тонких полупроводников в качестве объекта исследования обусловлен двумя основными причинами - с одной стороны, полупроводниковый прибор или полупроводниковый элемент в волноводе должен вносить минимальное начальное ослабление, это обязательное требование и именно такие полупроводниковые элементы реально используются в коротковолновом диапазоне, а с другой стороны - в таких полупроводниках, вследствие диффузии высокоэнергетических носителей из области разогрева, образуется пространственно-неод-, нородное распределение ионизированной плазмы, что оказывает существенное влияние на развитие процесса ударной ионизации, величины пороговых полей и электродинамические характеристики тонкого элемента [2,3].

В данном случае характерной особенностью тонких полупроводников в ионизирующем поле является зависимость плазменной частоты от мощности ионизирующего поля и индукции внешнего магнитного поля. В таких полупроводниках продольное магнитное поле

(Ел л В) способно на несколько порядков изменять степень ионизации и, соответственно, "прозрачность" полупроводниковой пленки в СВЧ диапазоне за счет удержания носителей в объеме полупроводника и уменьшения влияния поверхности (например, за счет резкого снижения темпа поверхностной рекомбинации).

Практическое использование исследуемых явлений связано, в первую очередь, с возможностью управления в широких пределах внешним магнитным полем коэффициентом отражения электромагнитного излучения и частотой плазменного резонанса в коротковолновой части СВЧ диапазона. При таком перераспределении плазмы в полупроводнике, в широких пределах изменяется концентрация неравновесной плазмы и плазменная частота, что, вообще говоря, и определяет большинство рассмотренных в работе эффектов и явлений.

Практическая актуальность работы подтверждается следующими соображениями: для большинства созданных к настоящему времени управляющих приборов ММ и СММ диапазонов существует ряд труднопреодолимых ограничений, связанных с электрическим пробоем в сильном поле [4,5] (для управляющих р-ьп структур) или значительным тепловым рассеянием (для ферритовых управляющих приборов) . В настоящее время практически отсутствуют широкополосные модуляторы, аттенюаторы и переключатели на высокие (киловаттные и выше) уровни мощности в коротковолновой части СВЧ диапазона. К наиболее перспективным разработкам в этой области можно отнести ведущиеся в настоящее время работы по созданию р-1-п- диодных матриц на высокие уровни мощности [6] (Д.А.Усанов, В.Е.Орлов, 1987г.).

Вышеперечисленным требованиям в значительной степени отвечают СВЧ приборы, использующие эффекты взаимодействия сильного СВЧ излучения ММ и СММ диапазонов с полупроводниковой плазмой неравновесных носителей заряда [2,3]. Как показывают результаты исследований, стационарная ударная ионизация позволяет эффективно управлять параметрами СВЧ поля, а высокая скорость развития процесса (10"9 с.) позволяет рассчитывать на создание мощных быстродействующих приборов КВЧ диапазона.

Именно задачи, связанные с разработкой измерительных и управляющих приборов на высокие уровни мощности, обусловили необходимость проведения фундаментальных исследовательских работ в области физики взаимодействия сильного излучения с полупроводниковой плазмой в условиях ударной ионизации.

Здесь, как по физике явления, так и с точки зрения "приборной" реализации, можно выделить два основные направления исследований, разработке которых посвящена диссертационная работа:

1. В первом случае электромагнитная волна падает на полупроводник, ионизированный коротким импульсом тока или СВЧ-им-пульсом. К этому классу явлений относятся закономерности взаимодействия коротковолнового излучения с ионизированной плазмой тонких полупроводников. С математической точки зрения задача сводится к исследованию законов отражения волны от полупроводниковой пластины с управляемой внешними электрическим и магнитным полями распределением неравновесной плазмы, которое описывается балансными уравнениями для дырок и электронов с соответствующими граничными условиями.

2. Ко второму классу исследованных явлений относятся эффекты самовоздействия ионизирующего излучения, когда поле волны и концентрация неравновесной ионизированной плазмы локально связаны в каждой точке или физически малом объеме полупроводника.

Особенности явления СВЧ ударной ионизации в тонких полупроводниковых материалах - малая инерционность (время развития процесса ударной ионизации в 1п8Ь I ~ 10"9 с) и возможность управления процессом при помощи внешнего магнитного поля определяют преимущества его использования для создания управляющих и измерительных устройств в ММ и СММ диапазонах длин волн.

В связи с этим исследованию особенностей развития процесса СВЧ ударной ионизации, связанных с распространением в плазме полупроводника сильной электромагнитной волны, уделялось значительное внимание. К настоящему времени проведен большой объем теоретических и экспериментальных исследований в данной области. Так, достаточно обстоятельно изучен процесс ударной ионизации в постоянных электрических полях. Значительное внимание было уделено исследованию эффектов разогрева свободных носителей заряда в поле ионизирующей высокочастотной волны. Имеется большое количество работ по исследованию нелинейного взаимодействия сильной электромагнитной волны с плазмой полупроводника в условиях разогрева носителей и ударной ионизации.

Современное состояние работ в данной области характеризуется дальнейшим исследованием процесса СВЧ ударной ионизации, в частности изучением особенностей развития процесса ударной ионизации в тонких полупроводниковых элементах, определением зависимости

пороговых полей и вольтамперных характеристик от геометрии (формы) полупроводника, диффузии носителей и свойств поверхности.

Однако следует отметить, что исследованию особенностей скин-эффекта при распространении в плазме полупроводника сильной ионизирующей волны; изучению влияния поверхности на взаимодействие коротковолнового поля с неравновесной, пространственно-неоднородной плазмой тонкого полупроводникового образца; исследованию особенностей проникновения ионизирующего поля в плазму полупроводника, а также явлений, связанные с влиянием сильного магнитного поля на распространение мощного излучения КВЧ диапазона в замагниченной плазме не было уделено достаточно внимания. Также малоизученными остаются особенности взаимодействия ионизирующего КВЧ поля с плазмой полупроводника в условиях самовоздействия.

В связи с этим целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование особенностей взаимодействия сильного сверхвысокочастотного излучения с ионизированной, магнитоактивной, пространственно - неоднородной плазмой свободных носителей заряда в тонких (с толщиной, меньшей характерной диффузионной длины) полупроводниковых элементах и полупроводниковых пленках, связанных с влиянием поверхности и диффузии носителей, а также внешнего постоянного магнитного поля.

Изучение особенностей распространения сильных электромагнитных волн миллиметрового диапазона в ионизированной полупроводниковой плазме в условиях самовоздействия, а также исследование возможности построения измерительных, управляющих,

ограничительных устройств указанного диапазона на основе эффекта ударной ионизации.

Актуальность работы подтверждается следующими соображениями:

В настоящее время практически отсутствуют управляющие устройства (аттеньюаторы, переключатели, широкополосные модуляторы) на высокие уровни мощности в ММ и СММ диапазонах, а для большинства существующих характерен ряд ограничений, связанных с электрическим пробоем в сильных полях (для р - {- п диодных структур), значительной инерционностью (для газоразрядных устройств) или значительным тепловым рассеянием (для ферритовых управляющих приборов).

Результаты отечественных и зарубежных исследований указывают на перспективность разработки управляющих и измерительных устройств на высокие уровни мощности в КВЧ диапазоне на основе эффектов взаимодействия излучения рассматриваемого диапазона с ионизированной плазмой носителей заряда в тонких полупроводниковых элементах и пленках.

Физические эффекты взаимодействия сил�