Динамические ОДП в субмиллиметровой области при стриминге и инверсии населенностей горячих электронов в объеме полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Х51) 2

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

/Ш

ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А,Ф .ИОФФЕ

ДИНАМИЧЕСКИЕ ОДП В СУБМИЛЛИМЕТРОВОЙ ОБЛАСТИ ПРИ СТРИМИНГЕ И ИНВЕРСИИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ОБЪЕМЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

(01,04.10 - физика диэлектриков и полупроводников)

На правах рукописи

АНДРОНОВ Александр Александрович

УДК 621.315.592

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

К (с с/ ¿(-Ш / Ч^ с и/-

Оф ¿ЦО'УЛ^

о

Ленинград-1988

Работа выполнена в Институте прикладной физики АН СССР, г.Горький.

Официальные оппоненты: чл.-корр. АН СССР

В.И.ПНРЕЛЬ,

доктор физ.-мат.наук З.С.ГРИБНИКОВ,

доктор физ.-мат.наук Е.М.ГЕРШЕНЗОН.

Ведущая организация Институт физики полупровод-

ников АН Литовской ССР.

Защита диссертации состоится "_1988г.

в ____ часов на заседании специализированного совета

Д.003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе АН СССР по адресу: 194021, Ленинград, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " " _;_1988г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат. наук

Л.М.СОРОКИН

ОВЩШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ01Н

Актуальность проблема. Одной из важнейших задач физики по~ упроводников и полупроводниковой электроники является создашю ктпвннх систем субмиллииэтрового и дальнего Ж диапазонов элзкт-шагнптного спектра. Принципы, на которых основаны традиционные да полупроводниковой электроники активные системы - гетеролазе-а и микроволновые даоди и транзисторы - но "срабатывают" в тих диапазонах. В гетеролазерах при продвижении от ИК дяапазо-а к дальнему ИК диапазону падает вероятность межзонных перехо-;ов, частота излучения приблигается к плазменной частоте системы веятелей заряда» а длина волны излучения становится существенно ояыпе ширины гетероперехода. Бее это приводит к тому, что готе-олазерн с длиной волны излучения А большей 30 * 40 микрон тсутсгвуют. Инерционность электронных процессов в микроволновых йодах и транзисторах приводит к тому, что о увеличением часто-ы при переходе от СВЧ диапазона к ьиллиыетровсму диапазону эф-октивяоеть этих приборов падает а они перестает функцнониро-зть на границе субмиллиметрового диапазона при Д. —800 -ООО микрон. Диапазон длил волн электромагнитного излучения т 40 * 50 до 800 - 1500 микрон фактически недоступен существую-игл полупроводниковым активным системам. Нахождение а разработка лззтческих принципов, на базе которых могут быть созданы актив-ые системы этой области электромагнитного спектра - актуальней-ая проблема полупроводниковой электрошки. Основой такте систем охут служить сильно неравновесные (немаксвелловские, апизотрон-ае и инвертированные) состояния горячих носителей заряда в по-упроводнлках. Такие состояния горячих носителей изучались в 3- 70-х годах в работах Пинсона и Брея 11] , Восилюса я Левин-она [2] , Куросава и Маедн [3] , Фоссота и Риса [4], !.'аодн а уросавы [5] . Однако явного указания на конкретные возможности гпользования таких состояний горячих носителей заряда для со-ИЭ1ШЯ активных систем субмиллпметрового диапазона сделано не ало.

Из сказанного вытекали цели работа: разработка физических зедставленпй об анизотропных или инвертированных распределениях зрячих носителей заряда в объема полупроводников, исследования роводкмости таких систем горячих носителей на высоких частотах, шезденпе механизмов отрицательной дифференциальной проводимос-

» о [■»

В. й.^гм»

Стд<гл

:сертаций

си (ОДП) этих систем' в субмиллиметровом диапазоне и выделенне материалов и условий,- где такая ОДП и основанная на ней активная среда указанного диапазона.монет быть реализована.

Научная новизна работы состоит в тем, что в работе впервые указаны механизмы динамической ОДП (ОДП в области частот (¿> не примыкающей к uj = 0 ) в полупроводниках и выделены случаи такой ОДП, которые могут быть реализованы.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что в ней заложены фундаментальные основы новой области физики полупроводников и полупроводниковой электроники - физика инвертированных распределений и динамических ОДП горячих носителей. Развитие исследований в этой области привело к созданию мазеров и лазеров субшллзшэтрового диапазона на горячих дырках в гергашш (см., например, [6, 7]), представляющего первый шаг .на пути возникновения полупроводниковой электроники субмил-лиыетрового в дальнего' ИК диапазонов.

Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывались на Ш-УГ Симпозиумах "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" Вильнюс;, на 8, 10 и 12 Совещаниях по теории полупроводников;' на Ш и 1У Всесоюзных симпозиумах по субмиллиметровым волнам, на IX е X Всесоюзных конференциях по физике полупроводников, на ХП конференции по когерентной и нелинейной оптике, на П-ой Международной конференции "Тенденции квантовой электроники" (Бухарест, сентябрь 1985), на 17 и 18 Международных конференциях по физике полупроводников, на 1У Международной конференции по горячил электронам в полупроводниках (Инсбрук, июль 1985), на У Международной конференции по горячим носителям в полупроводниках (Бостон, июль 1987) и опубликованы в работах [ i - 20 ] .

Публикация результатов диссертации;» По результатам исследований, вошедшх в диссертацию, опубликовано 20 печатных работ в советских и международных нурналах, а такке в сборниках статей; перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заклетения и списка цитированной литературы из 105 названий. Содержание диссертации приведено в конце автореферата. Объем диссертации составляет 204 страницы, включая 59 рис; и I таблицу.

СОДЕРЕАНИЕ ДИССЕРТАЦИЯ

Во Введении обоснована постанови исследований, составляющих содераазшо диссертации, кратко обсугдаются известные раните заботы Кромера [8], Лэкса [Э] и Вольфа [10] по попыткам созда-шя активных полупроводниковых сред субмиллпметрового диапазо-ш ¡а осковз носителей с отрицательными ¡иссак; и цлхлотронно-уо резонанса (ЦР). Рассмотрены аналогии, которые послугллл »тправнвм моу.зктои при постановка исследований, представлв!тых 1 диссертации. Отмечено принципиальное отлично сястсм горячих гасителей со статической и динамической ОДП (рис.1). В послед-гам случао при достаточно низкой концентрации носителей ке-'стойчивыми оказывается лишь поперечные электромагнитные волы в системе; ни статические, ш низкочастотные движущиеся до-гены не возбуждаются (как это имеет место в случао статичоскоЗ )ДП), как но возбулдаются и продольные колебания пространствеи-юго заряда на высоких частотах. В результате на основе систем ■орячих носителей с динамической ОДП мсш'о создать истигаше >бъо!яшз актившо среда (т:ша газовых или твердотельных лазер-нх сред), для которых (в отличие,.например, от гашювскях сис-ем) нет необходимости принимать специальные меры для подавле-мя статических илидвижущихся доменов' (что, фактически, здесь :огет быть осуществлено линь при достаточно излом размера сяо-еыы). Кратко изложено такет основное содерншшо диссертации ее главные обаие результаты.

Во второй главе рассмотрен СТНГЯШГ - сильно агазотрогагоэ ытянутое в пространство кстульсов вдоль электрического поля аспределоние горячих носителей в у?.:ере(шо-логированнш: ьште-иалах с сильной сачзью носителей с оптичоскимн фононаии пря ззких температурах Т и дгнаьзгаескяо ОДП при стрнмиьто. Терян стр;ютнг был введегг Пкнсоисм и Бреем ГI] при обсуждения ксперямеятальиого исследования такого распределения дырок в тргкикг возникает в шггорвадо полей, удовлатворяхсих условна

•;<еЕ/Р5 < , ш

- -частота рассеяния носителей при энергии 6<"Ьи>0, Ьь)0 -нерггя оптического фопона 'чп кТ), р0 - ( 2т* п и;о у/2 — (¿пульс носителей пря £ = пи!с , ^-характерная частота кздуче-яя оптических фононоз пря 6 > Й ц10 . В этш олучаа имеет ыос-

Вольт-амперные характориогахл и дайерегошальзшя проводимость в случае динамической (А) и статической (Б) СЩД. Характерная частота иЗ определяется РЕЗОНАНСНЫМИ частотами системы носителей - пролетной, циклотронной, /частотой ыехподзонных переходов;

то т.н. ДЩАЭДЛЕСЮЙ разогрев носителей, когда при носителя двигаются почти без рассеяния, а, достигнув £ > быстро излучают оптический фонон, оказываясь при с «"О. Носители совершают, таким образом, циклическое движение с характерной ПРОЛЕТНОЙ частотой и1£ = 2 31 е Е / р0 , Экспериментальные (I] и численше [ 3] исследования создали основу представлений о стриминго. Однако ряд вопросов, таких как аналитическая теория стриминга, влияние магнитного ноля (в том числе квантующего) Н || Е и (или) гофрировки и вырождения зоны, оставались но исследованными. Рассмотрение динамических 0Д1 при стримпнге было начато в работах, входящих в настоящую .диссертацию,

В пп.2.1, 2.2 рассмотрены основные представлешгя о статических и динамических характеристиках горячих носителей при стримннге, развита аналитическая теория этих характеристик цля случая носителей в простой параболичной зоне и показано, тео области продольной динамической ОЛЛ в этом случае могут существовать на частотах Ы в интервале

ПЮ£<и!<(П+-|)и;Е, П = 1, 2 , 3 • • • • (2)

Этшчено, что та1сая ОДП могла бы бить реализована в чистом П ~ Сй Аб при Т — 10К . Последующи числешше исследования [II] подтвердили этот вывод. Рассмотрена такте проводимость при стрикинго в высокочастотной и т.п. квантовой области гастот, где резонансные эффекты на пролетшге частотах не проявляются.

В п.2.3 рассмотрена эффекты при стрпмлнге носителей, за-•тмаюашс один шиша уровень Ландау. Рост плотности состояний гасителей в этом случае позволяет иметь пролетну>э ОДП и в П — I П $ 6 , где связь электронов с оптическил! фононами :равш!телыю слабая, а одномерный характер кинетического урав-¡ешш для электронов в этом случае позволяет исследовать стрл-дакг и условия для осуществления пролетной ОДП (з тем число : учетом примесного рассеяния) сравнительно простыми сродствэ-ш, Показано, что в И - 1п $6 при Т - 4 - 10 К и концентрации примесей N1 4 Ю*® пролетная ОЛЯ в магнитном поле Н — 50 кГс момет бить реализована на частотах в субмкллимет-)02см диапазоне. На примере динамической ОДЦ в этом случае [родемонстрпровано, как с использование;.! метода НаШазяета мо.м-ю поучить предельное значение концентрации лоситолей, при

которой еще возбуждаются продольные колебания пространственного заряда на частотах, где существует ОДИ.

В п.2.4. рассмотрен стриминг дырок гофрированной зоны (типа зоны тяжелых-дырок Qg ) в направлении осей типа [100], когда являются существенными эффекты поперечных отрицательных масс. Показано, что локализация стришнга внутри областей (конусов) отрицательных поперечных масс приводит к инверсии в распределении дырок в поперечном направлении. Аналитическим рассмотрением и результатами численного моделирования продемонстрировано,что наложение классически сильного магнитного поля Н Н Е И [100] при (Jc ii)E , С0с = eH/fnC циклотронная частота, m средняя масса дырок, приводит за счет изменения характера динамического движения дырок при £ < tlOJ0 к кардинальному изменению распределения дырок и возникновению многопучкового стриминга. В результате основная доля дырок разделяется приблизительно поровну на пять цучков: один локализован вблизи оси конуса отрицательных циклотрошшх масс, а четыре других вблизи эквиваленте осей конусов положительных циклотронных масс, соответствующим направлениям, близким к [III] .

Рассчитана поперечная проводимость дырок в переменном поле круговой поляризации, резонансном с циклотронным вращением дырок с отрицательными массами. Поскольку дырки, в пучке, локализованном вблизи оси конуса отрицательных циклотрошшх масс, инвертированы в поперечном направлении (т.е. для этих дырок имеет . место инверсия по уровням Ландау), а дырки в пучках вблизи осей конуоов с положительными массами, нерезонансны с указанны.! переменным полем, проводимость на ЦР дырок с отрицательными массами оказывается отрицательной. Расчет показывает, что динамическая ОЛД этого типа монет быть реализована в уморенно-легаро-ванном р — Q в при Т 4 20 + 30 К на частотах в коротковолновой части миллиметрового и в субтлиллиметровом диапазонах. Тем самым показано, что можно осуществить циклотронный вариант' НБШГ'а - усилителя и генератора на дырках■с.отрицательными массами, широко обсуздавшегося в начало 60-х годов.

Последующие работы по-осуществлении (см.[6,12,13] ) и численному моделированию проводимости [6, 13] НЕМАГ'а на ДР полностью подтвердили этот вывод.

Третья, глава посвящена исследованию штертаровашшх распределений горячих носителей в скрещенных электрическом и маг-

китном полях при низких температурах в материалах с сильной связью носителей с оптическими фононами, в условиях, когда при £<Ь(л)0 существуют замкнутые траектории, на которых носители могут накапливаться. Ранее возмозность возникновения в этих условиях сильно неравновесных (немаксвелловскпх) распрэделе!Шй носителей была отмечена в работах [2]; в работе (5] продемонстрировано, что в этих условиях может возникать инверсия в распределения носителей по энергии.

В диссертации рассмотрены условия возникновения в этом случае и инверсии в распределении носителей по уровням Ландау, инверсии в заселенности подзон вырожденной валентной зоны полупроводников типа германия и выделены ситуация, в которых воз-мокко возникновение динамических ОЛД на ЦР и на частотах меж-подзоншх переходов носителей.

В п.3,1 на примере простой зо;ш рассмотрены общие представления о распределении горячих носителей в скрещенных полях в этом случае, условия возникновения шпзсрсин в распределении носителей по энергии-и по уровнял Ландау и возвонкость использования инвертированных распределений для получения ОДП. Инверсия в распределении носителей по энергии возникает при

Рс-^С < Ро пли (3)

% - скорость дрейфа носителей в скрещенных полях, из-за накопления носителей на замкнутых при б < п и/0 траекториях дайкенля носителей в импульсном пространстве, что легче реализовать в сравнительно сильных электрическом-и магнитном полях (при ис » еЯ /т*с - о « когда носители, проникая глубоко з область £ ^ Я ц) о , после излучения оптического фонола ' слеш- заметкуэ вероятность появиться везде при £ < Ь и)0 ). 3 другой сторогш для виранешюй инверсии в распределешга носителей по уровням Ландау необходимо преимущественное заселение замкнутой ГЛАВНОЙ траектории (той, которая проходит через £ =0 )» 1Т0 достигается при

Рс^ Ро / 2 (4)

1рл этом, для того, чтобы балл заселены преимущественно уровни !аэдау с энергией ¿д - Рс / 2Гп* необходимо, чтобы носители юсле излучения оптического фонона локализовались вботзи £ —О

что имеет место вообще говоря при сравнительно слабых полях

Проведенные аналитические и численные расчеты распределен® и проводимости на ЦР горячих электронов в скрещенных полях показали, что динамическая ОДП на ЦР, вызванная инверсией в распределении электронов по уровня?,! Ландау, могла бы быть реализована в этом случае в чистом п -^а А Б при наличии добавочного поля Е„ /I Н нри температуре Т - 4 -г- 10 К, как при <<^0 так и (благодаря наличию Б„ ^ 0 ) при .

В п.3.2 обсуздаегея межподзонная инверсия в распределения дарок, условия возникновения и характеристики стимулировагшого излучения дарок в скрещенных полях, 'вызванного динамической ОДП на частотах пентодаонных переходах дарок в этом случае. Межлод-зонная инверсия возникает из-за накопления легши дырок на замкнутых при £ < ^(0о траекториях движения в кшульсном пространстве в случае, когда аналогичные траектории в подзоне тяжелых дарок отсутствуют или их роль шла. Это имеет место при

и = ¿С— = V < I/ = , (5) т. Н Ч 4 т, '

1/2 ■

где рей =( ^ 10 еу -- импульс дарок в подзонах при £ = Ьь]в>

¡П1 и ПО 2 - эффективные массы в подзонах тяжелых и легких дарок соответственно. В этих условиях соотношение мевду средними населенностями и ^ в подзонах отзывается близко к отношению времен гшзни в подзонах, определяемых частотой рассеяния • V (для легких) и пролетной частотой £ Е/ро( -гг еН/т,С = Ц)С| (для тяжелых):

1г/{1 * &С11 $ • <6>

Это отношение мскет быть значительно больше единицы в умеренно-легированных образцах р - §6 при ГР .< 20 - 30 К. В результате возникает инверсия прямого оптического перехода мезду подзонами, перс на соленность подзоны легких дарок (впервые указанная в [14] ) и др.

При расчете областей динамической ОДП и характеристик стимулированного излучения, вызванных мелиодзонной инверсией, крале прямого оптического перехода мезду подзонами дарок необ-

кодшо учесть еще процессы поглощения при непрямых процессах, которые существенн в низкочастотной области, где их мояно учесть по формуле Друде* Результаты простого аналитического расчета показывают, что динамическая ОДП этого типа возможна в умеренно-легированном р — С} £ при Т 20 - 40 К в шн-зоком интервале мапщтных полей ( Н - 7 20 кГе) на частотах СО - ( 1/5 -г 2/3) (^.Аналитические оценки эффективности зтимулированного излучения, основанного па ОДД этого типа.по-сазали, что она может достигать величины, близкой к 10"^.

Таким образом в диссертации предложен и рассчитан эффективным механизм динамической ОДП л стимулированного излучения горячих дырок, который может быть реализован в умеренно-леги-юванном р — (¿6 при Т — .20 * 30 К в широкой области длин золн в дальнем ИК диапазоне. Последукщяе результаты численного юделпрования [7, 15] и осуцествленпе стимулированного излуче-' пш этого типа [7, 16] полностью подтвердили эти вывода работы.

В..Главе 4 исследуется т.н. ДИНАМИЧЕСКИЙ "мездолшшьй перенос горячих электронов в материалах типа И — (^0. Ай и Ч-СсЦ-хА^ А$ , условия существования инвертированных распределений и динамических ОДЦ в субмиллиметровой области в 1Том случае. Динамический медцолинный перенос имеет место в электрическом поле £ >> £-п , Еп - пороговое поле начала меж-рлпнного переноса электронов из шпеней (Г) долины, в верхние X и Ь ) долины. Еще з работе 4 было отмечено, что в том случае в нижней долине А ~ Аб возникает инвертиро-.ашюе распределение электронов и могло надеяться на сущоство-,ание поперечной динамической ОДП, В диссертации подробно ис-ледованы характеристики горячих электронов при динамическом екдолинном переносе в материалах с различным "зазором" между ккней (Г) в верхними С X или [1 ) долинами. Изменение за-ора позволяет изменять условия динамического разогрева и вид аспрадедекия электронов, что существенным образом сказывается а зависимости проводимости от частоты. Зазор мезду долинами онно изменять в П - С^а ^ Аз изменением доли алши-ия X , что и определило выбор этого соединения как тшшч-ого материала. При динамическом меядолинном переносе электрода нилней (Г) долины набирают энергию, с которой начинается эддолиннкй перенос, динамическим пролетным, образом за счет бяорвизд в электрическом полз. Поэтому:зависимость проводи-

мости от частоты определяется пролетными аспектами (типа тех, которые сутцествены для пролетной ОДП при рассеянии на оптических фононах) для разных групп электронов.

В п.4.2 рассмотрена двуходлинная Г — X. модель мевдолин ного переноса, в которой полностью пронебренено рассеянием ВНУТИ1 нижней долины и предполагается, что время кеадолинного Г — X рассеяния Т0 —е-0. Показано, что в случае большого зазора Гх между долинами ( >"> К СО®", К 10* - энергия мевдолинного фонона) области цродольной и поперечной ОДП в субмиллиметровом диапазоне связаш с существованием двух групп электронов в Г-долине,• имеющих сравнительно малое и большое времена■ пролета Г-долины. При малом зазоре: — 2"КоЗ* (случай т.н. мевдолинного стрпмзнга, когда в Г-долине возникает распределение типа стрилшга, вызванное мелсдолннными переходами такая ОДП связана с группировкой электронов в Г-долине в переменном поле.

Проведенные в п.п. 4.3, 4.4 аналитические расчеты и числен ное моделирование дифференциальной проводимости в п—А6-хАв подтвердили выводы модельных расчетов о механизмах динамической ОДП, но показали, что параметры П - АА$ не достаточно экстремальны для появления динамических ОДП этих типов в этом материале. Найдены значения параметров, для которых такая 0Д1 сохраняется. Оплачено, что трудности реализации динамических ОДП связаны здесь с отсутствием выраженных резонансных свойств электронов в этих условиях; они могли бы быть преодолены при введении в систему электронов резонансной частоты - например циклотронной.

В Заключении сфорлуяироваш основные результаты работы и очень кратко обсувдается возможность переноса представлений о динамических ОДП горячих носителей в объеме полупроводников на динамические ОДП горячих носителей в гетероструктурах, где появление новых резонансных частот (связанных с ограниченным движением в структурах) может определить частотшо области динамических ОДП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Развиты представления о СТИЕлИНГЕ - сильно анизотропном распределении горячих носителей при неупругом рассеянии на опти-

шских фоконах. Разработана аналитическая теория стримикга, в дал числе с учетом квантующего магнитного поля Н II Е и ишзотропии зонной структура. Показано, что при стрпминге в ■офрпрованной зоне вдоль осей конусов отрицательных масс воз-гакает инверсия в распределении дырок в поперечном направле-ши. Продемонстрировано, что при налаю щи в этом случае маг-мтного поля ТГИ Е происходит развал стриминга на пять [учков.

2. Предложена и исследована пролетная динамическая ОДП ри стрнминге. Показано, что такая ОДП могла бы быть реализована при Т - 4 + ю к в чистых п-ЦаАги 8 п-1п5б

I магнитном поле Н — 50 хТс па частотах в миллиметровом и убмиллиметровом диапазонах.

3. Пред л око на и исследована поперечная динашгческая ОДП а цР дырок с отрицательными массами при стримянге в р - . оказано, что такая ОДП молот быть реализована в слаболегнро-анном р — С^е при Т - 20 + 30 К на частотах в коротко-олновой части миллиметрового и в субшллимотровом диапазонах.

4. Развиты представления об инвертировашпос распределе-иях носителей в скрещенных полях при неупругом рассеянии на птическлх фенонах. Найдены условия возникновения инверсии

о энергии и по уровням Ландау.

5. Показано, что инверсия по уровням Ландау к динамичес-ая ОДП на ЦР за счет локализации электронов вблизи т.н. главой траектории в Е , Н полях может быть реализована в астом. - Ра Аэ при Т - 4 + 10 К.

6. Указана и исследована ме.чшодзо:шая инверсия в распреде-знии дырок вырожденной валентной зоны в скрещенных полях. Най-эш условия при которых ме:шодзошшя инверсия приводит к дп-змлческой 0Д1 на частотах в дальнем ИК дианазоно. Показано,

го такая ОДП монет быть реализована в умерешю-логировашюм

р — С^е при Т —20 -зо к.

7. Развит представлешм об анизотропных и кпвертирован-IX распределениях горячих электронов в материалах с разными )зора:.я ме."кду нижней и верхщшл долинами, Наедены механизмы шамичосклх ОДП в таких материалах на высоких частотах. Пока-¡но, что параметры Д-С|а, А£х Аэ не позволяют реализовать ги механизмы. х

' ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Стт

1. ВВЕДЕНИЕ........................................... <

1.1. Предпосылка работы............................ 5

1.2. Побуждения, из которых возникли исследования, составляющие содержание работы ................

■1.3. Развитие представлений о динамических ОДП

горячих носителей ............................. 15

1.4. Краткое содеряание работы ..................... 2;

2. СТРИМИНГ ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЕ!;! Г! ДШШ.йМЕСКИЕ ОДП

ПРИ СГРК.1!ИГЕ ...................................... 2!

2.1. Стриминг: основные представления и параметры 21

2.2. Стриминг в изотропной параболической зоне и пролетная ОДП ................................. 3!

2.2.1. Статические характеристики ............. 3'

2.2.2. Пролетная динамическая ОДП............. 3!

2.2.3. Высокочастотная проводимость ............ 4!

2.2.4. Проводимость з квантовой области....... 4(

2.3. Стриминг носителей, зашглапцнх один уровень

Ландау (электроны в П 1п ¿6 ) .............. Л'.

2.3.1. Статическая функция распределения и

ВАХ.................................... О!

2.3.2. Динамическая дифференциальная СВЧ проводимость ........................... 5:

2.3.3. Ограничения на параметры и электромагнитная неустойчивость .................. 61

2.4. Стриминг носителей в го:!р:гоованно": зоне и

Н2,1АГ на ЦР................................... 6'

СТР.

2.4.1. Сункция распределения и поперечная инверсия распределения дорок........... 67

А. АкспальЕО-сиьздетршшшх зона ....... 67

Б. Многопучковый стрш-шиг а гоЗряровая-

кой подзоне тяяеяых дарок ......... 71

2.4.2. ОДП при стркминге в гофрированной зоне

я ОДП ка ЦР.......................... 76

A. 05ггр;е замечания об инверсии в распределении я ОДП дырок с отрицательнее;! Maccai.ni ......................................76

B. Расчет проводимости на ЦР дгфок с отрицательными массами при стримннге.. 81

3. 1ШВЕРСЙЯ НЛСЕЯЕННОСПй ГОРЯЧИХ НОаГГЖП В СКРШцЕНШХ 3,Н 1ШЯХ ПРИ ¡«¿УПРУГО:,! РАССЕЯНА НА- ОПТИЧЕСКИХ

ФОНОШ и МЗЕРЫ.КА. ГОРЯЧИХ Д1РКАХ................. 09

3.1. Инвертированное распределения в простой параболической зоне....................................89

3.1.1. Основные процессы и параметры, опреде-ляицне вид распределен:!« носителе*..... 89

3.1.2. Условия возникновения инверсии в распределении носителей .................... 95

А. Инверсия по уровня:.! Ландау.......... 9Э

Б. Инверсия в распределен^! по энергии.. 103

3.1.3. ОДП при инверсии в распределении горячих .

носителей.............................. 108

А. Инверсия в распределении носителей ■

по энергии и статическая ОДП........ 108

Б. Инверсия распределения по уровня«

Ландау и ФЛ на UP .................. 112

Ctj

3.2. Мекподзонная инверсия населеиностей дарок в

скрещенных полях и лазеры на горяча дырках 12-1

3.2.1. Предварительные замечания...............124

, 3.2.2. Сорхмияг легких и тяжелых дырок при Н=0 12£ . 3.2.3. Мегпрдзокная инверсия населеиностей

дырок в El H полях ....................................132

3.2.4. КоЭ'Клциент усиления СЕ.Г.1 излучения на нестодзонных переходах дырок.............132

3.2.5. Спонтанное и стимулированное излучение

дарок в скрещенных полях.................144

4. МЕШШШй ПЕРЕНОС ГОРЯЧИХ Э.ТЕ1СГР0Н03 В '.'АТЕРИЛЛАХ

типа п-Qa,.xА£х As и суе^шпсдегрозуз волни ..... 154

4.1. Введение ..........................................................................151

4.2. Процессы при динамическом меядолинном переносе

и анализ простейшей модели ................... I5S

4.2.1. Модель МС5Д0ЛИ1Ш0Г0 переноса .................158

4.2.2. Статические характеристики........................163

4.2.3. Ликерештальная проводимость

и (флуктуации тока.............................IG3

4.3. Исследование возможности существования области продольной СЕЛ 0Д1 при А£ Гх >> tlGJ* • 174

4.4. Xné'lepс нцналъ !;ая проводимость при мегдолинноа стриминге ...........................................178

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................183

БЖЩЦРНОСТИ ........................................187

ЛИТЕРАТУРА' .................................................139

А. Работы, предеговляшне садсп~аш:с диссертации 189

Б. Цитированные работы..............................192

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Г. Андронов A.A., Козлов В.А. Низкоте.шературная отрицательная дийференциалънач СВЧ проводимость в полупроводниках при яе-упругом рассеянии // Письма в ЖЭТФ. 1973. - Т. 17. й 9. С.124-128.

2. Альбер Я.И., Андронов A¿A., Валов В.А., Козлов В.А., Лер-нер A.M., Рязанцева И.П. Инверсия яаселенностей горячих ,электронов и отрицательная проводимость в полупроводниках // 2ЭТФ. - 1977. - Т.72.'й 3. С. 1030-1050. }. Ащсроноз A.A., Козлов В.А., Мазов Л.С., Шастин В.Н. Об усилении далекого инфракрасного излучения в германия при шгоер-сии населешостей "горячих".дырок // Письма £<?ГФ. - 1979. -Т.ЗО. .'в 9. С.585-589. - . ' ; ; * U Андронов A.A., Валов В.А., Козлов В.А., Шзов Л.С. Гальваномагнитные эффекты и инверсия населеяяостей горячих электронов при неупрутом рассеяния на оптических (Johohex // ФТТ. -ICS0. - Т.22. Л 5. C.I275-I283. ^

i. Андронов A.A., Валов В.А., Козлов В.А., ;.!азов Л.С. Инверсия населеняостеп, стримянг и ОДП "горячих" электронов в мапит-ном поле. Сравнение полярного и деформационного рассеяний на оптических фононах. - Горький, 1980. - 16 с. (Препринт / ИПФ

ah ссср; :

» Aadronov A.,A.., Yalov V.A., Kozlov V.A., ttazov L.3. Hot electrón streaming and population inversion ior polar and deformation scattering // Sol.St.Comm. - 19SO. - V.36, II 7, P.603-607.

. Андронов A.A., Валов В.А., Козлов В.А., Ыазов Л.С. Численное моделирование поведения горячих электронов з n-GaAa при стрнмияге и инверсии населенностей в магнитном поле // <Ш. - .1981. - T.I5. И 7. C.I30I-I3I0, . Андронов A.A., Валов В.А., Козлов В.А., Мазов Л.С. $ушсцяя распределения, ЕОльта'.шерные характеристик::, пролетная динамическая ОДП горячих электронов, эаядадаятах один уровень Ландау // <ШТ. - 1981.. - Т.15. И 9. C.I7I7-I723.

. Аццроноз A.A., Газрпленко В.И., Додин Е.П., Красяльнлк З.Ф., Черноброзцеза ?Л.Д. Динамика тязелых дырок германия з скрецен-

яых электрическом и магнитная полях. - Горький, 1981. - 22 с, (Препринт / ШФ АН СССР J* 40).

10. Андронов А.А., Додин Е.П., Красильник З.Ф. Инвертированные распределения и 0ДИ на циклотронном резонансе тягелых дырок германия при стришшге (НШАГ на ЦР) // ©Ш. - 1982. - T.I6. Я 2. С.212-219.

11. Андронов А.А., Гавриленко В.й., Гряшн О.Ф., Ыурзлн В.Н., Еоздрин Ю.Н., Стоклицкий С.А., Чеботарев А.П., Шастин В.Н. Наблюдение инверсии дырок в скрещенных е и Н полях по спонтанному длинноволновому ИК излучению // ДАН СССР. - 1982, - Т.267. Л 2. С.339-343.

12. Авдронов А.А., Дзамукашвили Г.Э. Модельный расчет субмиллиметровых ОДП и флуктуаций тока при ыендолинном переносе в

ми льном электрическом поле // -Инвертированные распределения ' горячих электронов в полупроводниках: Сб.науч.тр. - Горький: ■. НПФ АН СССР. 1983. С. 187-196.

13. Андронов А.А. Возникновение и развитие представлений об анизотропии и инверсии/горячих электронов в полупроводниках //

Инвертированные распределения горячих электронов в полупроводниках: Сб.науч.тр..- Горький: ШО АН СССР. 1983. C.5-I6.

14. Aüdronov А.А., Dzmukashvili G.E. Оп FXR 2ÍDC and noises Xor hot electrón intervalley transfer // Sol.St.Corara. - 1985. -V.55, H 10. - P.915-918.

15. Андронов А.А., Дзамукашвили Г.Э. 0 возможности субмиллиметровой ОДП при меадолинном переносе горячих электронов з сильных электрических полях // 5/ГП. - 1985. - Т. 19. Т» 10. C.I8I0-I82I.

16. Andronov А.А. Population Inversión and Far-Inírared Emission of Hot Electrons in Semiconductora // Xnfrared and Milliraeter Víaves (K.Button Editor). - 1986. - V.16. -P.150-18

17. Авдронов A.A., Додан E.П., Красильняк З.Ф. ¡.Шогопучковый стримлнг тякелых дырок в германии // Письма ЕЭТФ. - 1986. -Т.43. Л 8. С.373-376.

18. Авдронов А.А. Полупроводниковые мазеры на циклотронном резонансе // Известия ВУЗов, Радиофизика. - 1966. - Т.29. 9. C.I0I7-I03I.

19. Авдронов А.А. Горячие электроны-в полупроводниках к субмил-• диметровые волны // МП. - I987.-T.2I. J57. C.II53-II87.

0. Андропов А.А.', Дзамужзшвили Г.Э., Каглиивш® З.С. к Нефедов И.II. 0 динамической СВЧ ОДП при мездолинном переносе горячих электронов в материалах типа Ga1 ■ // ФТП. - 1987. - Т.27. 1Ь 10. C.I8I3-I8I9. .

ЦИТИРОВАННАЯ ЖГЕРАТ5РА

. Pinsoa Я., Bray R. Experimental do termination of the energy distribution functions and analysia of tho 'energy-1030 mechanises of hot carriers in p-typo gornianivra // Phys.Rev. -1964. - 7.136, A1449 - 1457.

. Восюгос И.И. f Левинсоя И.Б. Генерация оптических фононов и гальваномагнитные эффекты при электронном распределении с большой анизотропией // ДЗТФ, - IS66. - Т.50. ¡Ь 6. С.1660-1665; Гальваномагнитные эффекты в сильных электрических полях при неупругогд рассеянии электронов // ЕЭТФ. - 1967. -Т.52/.'5 4, С.1013-1023.

. Kurosawa Т., Maeda Н. Monte-Carlo calculation of hot electron phenomena // J.Phy3.Soc.Japan. - 1971.-V.31.-P.668-678. Fancett Я., Hoea H.D. Electron population inversion in СаАз induced by high electric fields // Phya.Letters. -1969. - V.28A, И 17. - P.731-733.

1. Maeda H., Kurosawa T. Hot Electron Population Inversion in Crosoed Slectric and Magnetic Fields // Proc, 11 Intern. Conf .Jhy3.Seniicond., Warsaw. - 1972. - P.602-607. Полупроводниковые мазеры на циклотронном резонансе: Сб.статей под ред. А.А.Андронова. - Горький: ИП'З АН СССР, 1286. -175 с.

Субмиллкметрозые лазеры на горячих дырка:-: в полупроводниках: Коллективная монография. - Горький: КПФ АН СССР, 1986.184с.

!. Kromer Н. Proposed negativo-raaaa amplifier // Phys.Rov. -1958. - V.109, К 5. - P.1856.

I. Lax B. Cyclotron Hesononce and Impurity Levele in Semiconductors // Quantum Electronics Symp. - II. y., I960. - P.42S-449.

0. Wolff P.A. Proposal for cyclotron resonanco ггдаог in InSb // Physico. - 1964. - 7.1, N 3. - P.147-157.

11. Стариков E.B., Шикторов П.Л. Отрицательная дифференциальная проводимость в n-GaAs на частотах пролетного резонанса // ФТП. - 1983. - T.I7. Уе 12. C.2I20-2I23.

12. Андронов'A.A., Белянцев А.М., Гавриленко В.И., Додин Е.П., 1фасильник 3.0., Никоноров В.В., Павлов С.А. Ицлуцирозанное миллиметровое излучение горячих дырок гермаиия в Е, Н полях ( KEMAG" на ЦР) // Письма в Е5ТФ. - 1984. Т.40. й 6. C.22I-223.

13. Аадронов A.A., Додин Е.П., Гавриленко З.И., Белянцез А.!.'., Красильник З.Ф., Никоноров В.В., Павлов С.А., Шварц i.l.Ll. Мазер на циклотронном резонансе горячих дырок германия с отрицательными эффектами массами // ГЗГФ. - 1985. - Т. 90. Л I. С.367-384.

14. Восилюс И.И. Влияние легких дырок в германии на некоторые гальвано-магнитные эффекты // OTT. - 1969. - T.II. & 5. С.924-927.

•15. ПокелаЮ.К., Стариков S.B., Шикторов П.Н. Влияние гофрироз-ки валентной зоны Ge на условия генерации дальнего КК излучения в скрещенных Е,в полях // Лит.сиз.сборник.' - 1985. - Т.25. й 4. С.7-18.

16. Андронов A.A., Зверев К.В., Козлов В,А., Ноздрин 10.Н., Павлов С.А., Шастин В Л!. Стимулированное излучение в длинноволновом ИК диапазоне на горячих дырках Ge в скрещсн-ных электрическом и магнитном полях // Письма в 7.3ТФ. -1984. - Т.40. ß 2. С.69-71.