Электромагнитные волновые явления в ограниченной и неравновесной электронной плазме твердого тела тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Попов, Вячеслав Валентинович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Саратов
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
гэ»о»«*
На правах р} копнсл
ПОПОВ Вячеслаз Валентинович
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ОГРАНИЧЕННОЙ И НЕРАВНОВЕСНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛАЗМЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Специальность 01.04.03 - радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Работа выполнена в Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского и в Саратовском филиале Института ргшиотехникн и электроники Российской Академии Наук
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, академик РАЕН.Скницык Н.И.
Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук
Волков В.А.
■ доктор физико-математических наук, профессор Названов В.Ф. - доктор физико-математических наук Шараевский Ю.П.
Ведущая организация: Институт общей физики РАН, г.Москва
Защита состоится <?>9$т. в мин. на засе-
дании диссертационного совета Д.063.74.01 £ Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского (410026, г.Саратов, ул. Астраханская, 83).
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке СГУ. Автореферат разослан ^ Р^ТЛи^^ хдд^.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат физико-математических наук,
доцент ппЛ^^ Анихин В.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Волновые явления в плазме твердого тела стали активно исследоваться с начала 60-х годоз. Первоначально предметом исследований были в основном плазменные волны (плазмоны) в объеме металлов я полупроводников. В последующие годы получили развитие исследования колебаний и волн в ограниченной и низкоразмерной (в том числе неоднородной) полупроводниковой плазме. Отличительной особенностью плазменных т-олебаний и .золн в ограниченных и низкоразмерных системах является их связь с поперечными электромагнитными полями з окружающих средах. Поэтому в значительной степени работы по изучению свойств этих колебаний были инициированы задачами спектроскопии поверхности и границ раздела полупровсдпиков с помощью электромагнитных волн. Для поверхностной плазменной волны на границе полупроводника (или металла) был введен специальный термин - "поверхностный плазменный псляритон". В общем смысле под термином поляритон" понимается электромагнитная волна, с: язан-ная с каким-либо собственным элементарным, возбуждением системы.
Как известно, на поверхности полупроводников и в яолупро-воднчковых гетеропереходах могут образовываться электронные слои пространственного заряда. Если толшина слоя сравнима или меньше длины волны электрона, то энергия поперечного движения последнего квантуется, образуя дискретный спектр, в то время как движение электрона в плоское , и слоя.остается свободным. Таким образом, ^ еализуптся слои двумерного (22?) -электронного газа. Плазменные волны, существующие в 2£> электронных системах, получили название двумерных плазменных волн (2О плазмонов). Двумерные плазменные волны можно, в принцип-, также отнести к классу поверхностных плазменных поляритонов, т.к. в них присутствует поперечная (к направлению распространения волны) компонента электрического (и магнитного) поля. Однако по отношенто к 215 плазмонам такой термин практически не употребляется. Это, по всей видимости, связано с тем, что первоначально основное внимание уделялось исследованию сильно замедленных 2Ц плазмонов, которые в большинстве случаев (но не во всех) с достаточной степенью точности могут быть описаны в электростатическом приближении.
Внешнее магнитное поле существенно изменяет вид спектров поверхностных и двумерных плазменных воли. Различают трн основные взаимные ориентации внешнего магнитного поля 2?о. вектора нормали к поверхности плазмы и н двумерного волнового вектора к [кк ■ С) волны. Две взаимно ортогональные ориентации магнитного поля в плоскости поверхности плазмы (Вг.п = 0) получили специальные названия геометрии Фарадея (¿-¡¡Во)" и геометрии Фойгта (к±Во). Третья рриенгагая соответствует нормальному к плоскости поверхности плазмы направлению магнитного поля. Последняя ориентация магнитного поля используется главным образом п структурах с 2£> электронной плазмой.
Как известно, вследствие того, что диэлектрическая проницаемость кристаллической решетки полупроводника £; отличается от единицы, в спектре магнитоплазменных поверхностных полярито-нов, соответствующем геометрии Фойгта. возникает разрыв дисперсионных ветве!) в полосе частот распространения объемных волн в полупроводнике. Другой эффект, к которому приводит присутствие внешнего магнитного поля, заключается в появлении новых дисперсионных ветвей поверхностных магнитоплазменных поляритонов, связанных с так называемыми виртуальными плазменными возбуждениями: В отличие от реальных (неизлучаюших) поверхностных собственных плазменных колебаний виртуальные возбуждения не могут существовать в системе без внешнего воздействия сколь-нибудь продолжительное время из-за их радиационного распада. Однако. связываясь с поперечными электромагнитными полями, виртуальные колебания приводят к возникновению нового типа поверх. ностных магнитоплазменных поляритонов.
Несмотря на то, что в области исследования поверхностных и двумерных магнитоплазменных колебаний и волн выполнено большое число работ, некоторые важные проблемы были исследованы неполно. К ним относятся, в частности, исследование дпеенпативных эффектов при распространении поверхностных магнитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и изучение влияния частотной зависимости динамической диэлектрической проницаемости окружающих сред на спектр дг.умерных плазменных води.
Для возбуждения сильнозамедленьых плазменных волн в Ю электронных слоях внешними электромагнитными волнами обычно
применяются периодические элементы связи с периодом, определяемым длиной возбуждаемой плазменной волны. В качестве элемента связи используются латеральные (плоскость решетки параллельна плоскости 2£> электронной плазмы) металлические решетки или создается стационарное периодическое распределение концентрации электронов в самой 2.0 системе.
Строго говоря, процесс взаимодействия электромагнитных и 2.0 плазменных волн на периодическом элементе связи должен рассматриваться на основе общего электродинамического подхода. Тем не менее наиболее распространенной до настоящего времени была электростатическая постановка задачи о 2Ю плазменных колебаниях в структурах с периодическими решетками. В рамках электростатического приближения удается объяснить многие особенности спектров возбуждения 2О плазмонов при слабой связи электромагнитных и 2£> плазменных волн. Однако, если ситуация не соответствует случаю слабой связи, электростатическая теория становится неприменимой. В частности, с ее помощью не удается объяснить экспериментально наблюдаемые ширины линий электродных плазменного и циклотронного резонансов, ^ также адекватно описать сдвиг плазменного резонанса при изменении структуры элементарной ячейки.периодического элемента связи. Это требует разработки строхэй электродинамической теории взаимодействия электромагнитных волн с 2.0 электронными системами на периодическом элементе связи. '
Характерная особенность электронной плазмы в полупроводниках заключается в возможности се перехода в термодинамически неравновесное состояние при практически реализуемых интенсивно-стях внешних воздействий. Одним из наиболее распространенных способов создания неравновесной плазмы в полупроводниках является разогрев электронов в сильном электрически :л поле. Электромагнитные явления в плазме горячи" электронов в полупроводниках интенсивно исследовались в последние десятилетия как с точки зрения изучения физических свойств самих горячих электронов, так и с целью разработки новых принципов генерирования и преобразования электромагнитного излучения в интересном с научной и практической точек зрения, но сравнительна мало освоенном до настоящего времени в приборном отношении терагерцевом частотном диапазоне. В то. же время ряд важных вопросой оставались открытыми. Сре-
Л,и них - вопросы о влиянии анизотропии динамической поляризации плазмы горячих электронен й сильном переменном электрическом иоле на распространение и нерезопаленое преобразование частоты слабой электромагнитной волны и о закономерностях взаимодействия горячих электронов с ансамблем собственных плазменных копебаннй.
Из вышесказанного следует, что исследования электромагнитных волновых явлений в ограниченной, двумерной к неравновесной электронной плазме составляют содержание одного из перспективных современных направлений развития электродинамики плазмы твердого тела,и поэтому проведение работ б этом направлении представляется актуальны;...
Цель диссертационной работы. Основной целью настоящей работы является развитие теоретических основ физики волновых явлений, обусловленных взаимодействием электромагнитных полей, электронов и плазменных колебаний в ограниченной, двумерной и неравновесной электронной плазме в твердом теле. При этом особое внимание уделяется обоснованию использования исследуемых эффектов для решения задач экспериментального изучения свойств электронной плазмы в полупроводниках и для разработки новых способов генерации п преобразования электромагнитных волн в крайневысокочастотном (КВЧ) п терагерцевом диапазонах.
С учетом описанной выше степеуи разработанности темы в диссертации проведены исследования ряда актуальных научных проблем; решение которых имеет важное значение с фундаментальной и прикладной точек зрения: ■
с роли диссипатшшых эффектов в процессах распространения по-' верхностных магнитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в процессах преобразования поверхностных волн в объемные в плоских, структурах металл-диэлектрик-полупроводник; -
в влияния частотной зависимости динамической диэлектрической
. проницаемости кристаллической подложки на спектр 2£) плаз-менньIX волн;
в процессов взаимодействия электромагнитных волн с плазменными, магнитоплазменными и циклотронными ^колебаниями
электронов в латерально-периодпческих структурах с 2 О электронной плазмой, а том числе процессов генерации электромагнитных золи а таких системах;
о динамических волновых эффектов при распространении электромагнитных волн в Яериодически нестационарной плазме горячих электронов в полупроводнике;
в эффектов взаимодействия горячих электронов с ансамблем собственных плазменных колебаний в полупрсводцпке.
■г
Научная новизна результатов:
1. Обнаружены новые физические эффекты, связанные с влиянием процессов диссипации в полупроводнике на свойства магпито-плазме1. _1ых поверхностных поляритонов на границе раздела полупроводник -диэлектрик: эффект резонансного поляритонного поглощения на виртуальных магнитоплазмевных возбуждениях п эффект диссипативной невзаимности при преобразованш поверхностных магнитоплазменных волн в объемные.
2. Предсказано существование нового типа магнитог волн на поверхности полярного кристалла с 2В э.г, слоем в частотной полосе ''остаточных лучей", где , ческая проницаемость кристалла отрицательна.
3. Развита строгая электродинамическая теория плазмек. нитоплазменных колебаний в литерально-периодических мах с 21) электронной плазмой, а том числе в системах с риодически неоднородной 2£> электронной плазмой-, и зперв! установлена существенная роль электромагнитных радиаяио ных эффектов з процессах возбуждения п за' ухания плазме ных колебаний в таких система:".
4. Предложен новый физический принцип генерации электрод нитных волн в терагерцевом частотном диапазоне, оспованн на дифракционном излучении 2.0 плазменных волн з струк ре .с периодической' решеткой в условиях развития абсолюта дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний в системе.
5. Предсказан эффект гигантской динамической электрооптической анизотропии полупроводника, индуцированной разогревом электронов в сильном переменном электрическом поле. •
6. Вгтррвые исследованы процессы спонтанной генерации неравновесных плазменных колебаний в газе горячих электронов в полупроводнике и влияние неравновесных плазменных колебаний на транспортные характеристики горячих электронов.
Научная и практическая значимость работы. Научная ценность работы состоит в развитии физических представлений об электромагнитных волновых явлениях в ограниченной, двумерной и неравновесной полупроводниковой электронной плазме, заключающемся в изучении новых физических эффектов и получении новых сведений, способствующих более глубокому физическому пониманию известных явлений.
Практическая значимость работы имеет, по крайней мере, два аспекта. Во-первых, ряд результатов проведенных исследований со- . ставляют теоретические основы экспериментальных методов изучения электронных плазменных систем с помощью электромагнитных волн. Развитая в работе теория взаимодействия электромагнитных и плазменных волы в латерально-периодических структурах с 2В электронной плазмой поззоляет интерпретировать экспериментальные данные спектроскопических исследований 2£> электронных систем. Использование эффектов наведенной динамической электрооптической анизотропии и устойчивого преобразования частоты электромагнитной волны б плазме горячих электронов позволяет бесконтактным образом получать информацию о механизмах и характеристиках рассеяния горячих электронов в полупроводшь ках. что важно как для понимания физики процессов рассеяния, так и для обоснованного выбора материалов различных полупроводниковых устройств. Второй аспект практической значимости диссертации состоит в разработке физических основ новых принципов и устройств для генерации и преобразования миллиметровых и суб-миллилютровых электромагнитных волн. К числу' исследованных физических эффектов, имеющих выход в область технических приложений,"-Относятся эффект диссипативной невзаимности при преобразовании поверхностных магнитоплазмеиных волн в объемные и эффект генерации терагерцевого электромагнитного излучения в
условиях развития абсолютной дрейфовой неустойчивости 21) плазменных колебаний в структуре с периодической решеткой.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Рассеяние электронов в 'полупроводнике существенно влияет па характеристики спектра поверхностных магнитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и приводит к новым физическим эффектам, не проявляющимся в . отсутствие электронного рассеяния. Прг малой диэлектрической проницаемости диэлектрика ел <С £/ з спектре возникает дополнительный резонанс, связанный с поглощением поверхностного поляритона на виртуальном магнитоплазменном возбуждении. При большой диэлектрической проницаемости
> £1 утечка магшгтоплазменной поверхн' стной волны в объем диэлектрика приводит к эффекту нерезонансной диссипативноЯ невзаимности распространения электромагнитных волн в структурах металл-диэлектрик-полупроводпик, заключающемуся в уменьшении затухания волны в направлении к Т| (А) х п).
2. На границе полярного кристалла с 20 электронным слоем в присутствии нормального к плоскости границы внешнего магнитного поля могут распространяться поверхностные магнито-плазменные волцы с отрицательной дисперсией и с частотами, лежащими в полосе "остаточных лучей", при условии, что значение электронной циклотронной частоты больше, чем частота поперечн: IX оптических колебаний кристалла?
3. Электродинамические эффекты играют существенную роль в процессах возбуждения и затухания плазменных и циклотронных колебаний в латерально-периодических системах с 2В электронной плазмой. Так, например, радиационное затухание колебаний определяет значительную часть (до одной трети для реальных структур) ширин линий плазменного и циклотронного резонансов и на несколько порядков превосходит значение соответствующей величины, получаемое в рамках теории слабого возмущения однородности системы. Частота, радиационное ушнрение и форма линии плазменного резонанса в общем случае немонотонным образом зависят от геометрических параметров
элементарной ячейки латерально-периодпческой системы и от глубины поверхностной модуляции концентрации электронов в таких системах.
4. В открытой системе со слоем 2£> электронной плазмы и латеральной периодической металлической решеткой возможно развитие абсолютной дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний, приводящее к генерации электромагнитного излучения. Пороговое значение дрейфовой скорости электронов, соответствующее началу генерации, определяется по формуле и(/. —
0)/2тг, где ¡^¿»(О) - частота 2£> плазменных колебаний в отсутствие дрейфа электронов, Ь - период решетки. Для возникновения генерации не требуется введения в систему дополнительных устройств, обеспечивающих обратную связь электромагнитного излучения с плазменными колебаниями.
5. При разогреве электронной плазмы и сильном переменном электрическом поле накачки возникает эффект гигантской динамической анизотропна полупроводника (двулучепреломление и линейный дихроизм) т отношению к слабой (сигнальной) высокочастотной электромагнитной волне, если расстройка частот сигнальной волны и накачки становится меньше характерной частоты релаксации энергии электронов в полупроводнике. Величина динамической анизотропии оказывается на несколько порядков больше, чем величина анизотропии, наведенной статическим греющим электрическим полем.
6. Процессы спонтанной генерации плазменных колебаний горячи. ми электронами в полупроводниковой плазме мог>"^приводить к
сильно неравновесному распределению плазменных колебаний ь пространстве их волновых векторов. Неравновесность ансамбля плазменных колебаний существенно изменяет транспортные характеристики электронов в сильных электрических полях.
Личный вклад автора. Постановка всех задач, рассмотренных в диссертации.-и ьывод основных теоретических положений принадлежат автору диссертации. Работы по распространению и преобразованию электромагнитных волн в полупроводниковой плазме с горячими электронами были выполнены во многом под влиянием научных идей соавтора этих работ профессора Л.И.Каца. Работы
по исследованию магнптоплазмешшх поверхностных полярптонов бы. ~т выполнены в соавторстве с Р.М.Ревзпным и М.А.Сафоновой. К глубокому сожалению, Л.П.Кац и Р.М.Ревзин безвременно ушли из жизни. Основные результаты по исследованию взаимодействия электромагнитных и плазменных волн в латерально-периодических структурах с 'Ю электронной плазмой получены совместно с О.Р. Матовым. О.Ф.Мешковым и аспиранткой О.В.Полищук, работающей под научным руководством автора. Исследования кинетических процессов в связанных электронной и плазмонной подсистемах плазмы орячих электронов в полупроводнике были выполнены совместно с Т.П.Солодкой и аспиранткой Т.Ю.Багаезой.
Азтор глубоко признателен профессору Н.И.Сшшцыну за плодотворные обсуждения многих зопросов настоящей диссертационной работы, а таске сотрудникам лаборатории твердотельной СВЧ электроники Саратовского филиала Института радиотехники и электроники РАН, кафедры вычислительной физики и автоматизации научных исследований и НИИ механики и физики Саратовского гос-универсптета за помощь, критические замечания и ценные а-леты. Особую благодарность автор выражает Л.А.Мироновой за большую помощь в работе с источниками научно-технической информации.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на:
э 2-ом Всесоюзном симпозиуме по миллиметре вым и субмиллиле-тровым волнам (Харьков, 1978);
а 9-ой Всесоюзной конференции по электронике-сверхвысоких частот (Киев, 1979);
а I научно-технической конференции по интегральной электронике СВЧ (Новгород, 1982); .
о Всесоюзной научно-технической конференции "'Проектирование и применение радиоэлектронных устройстз па диэлектрических . волноводах и резонаторах" (Саратов, 1983);
* II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полугфоЕодшгкозо-дизлектри-ческнми структурами"' (Саратов, 1988);
в VII Всесоюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (Паланга, 1989)';
• II Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (ISSWAS '89) (Болгария, Варна, 1959);
• 35-ом Международном научном коллоквиуме (ГДР, Ильменау, 1990); ' - '' .
« III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом" (Саратов, 1991);
• 1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (Украина, Харьков, 1991);
® семинаре международной Школы по материалам для электроники: рост, свойства и применения (Италия, Триест, Международный центр теоретической физики, 1991);
• Российских конференциях по физике полупроводников: I (Нижний Новгород, 1993); II (Зеленогорск, Ленингр. обл., 1995); III (Москва, 1997);
• семинаре международного Института продолженного обучения НАТО "Локализованные электроны и фотоны: Новая физика и применения" (Италия, Сицилия-Эриче, Центр культуры и науки цм. Э.Майорана, 1993);
е Международном Харьковском симпозиуме "Физика и техника
• миллиметровых и субмнллнметровых волн" (Украина, Харьков, • 1994): '
• семинаре международной научно-исследовательской рабочей группы по физике конденсированного состояния (Италия, Триест, Международный центр теоретической физики, 1994);
е ce.vunape международного Института продолженного ооучения НАТО "Технология, свойства и применения низкоразмерных полупроводников" (Болгария, Созопол, 1994);
о Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика1' (Зеленоград, 1995);
• 4-ой Международной конференции по электродинамике и оптическим сзойстзам неоднородных сред (Россия, Москва-С.Петербург, 1996);
• V Всероссийской школе-~еминаре "Волновые явления в неоднородных средах", посвященной 70-летию академика Р.В.Хохлова (Крас.новидово, Моск. обл., 1996);
• научной конференции "Проблемы фундаментальной физики" (Саратов, 1996);
• научной конференции "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997);
® XXVI Международной школе по физике полупроводниковых соединен-^ (1АБгО\У1ЕС97) (Польша, Устронь-Язовьец, 1997);
• 3-ем Международном Харьковском- симпозиуме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" (Украина, Харьков, 1998);
• научных семинарах Саратовского госуниверситета и' Саратовского филиала Института, радиотёхники и электроники РАН.
Часть результатов, представленных в диссертации, получена в рамках исследований, проводившихся в 1993-1998 гг. по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 93-0215480 и 96-02-19211), а также грантам в системе высшего образования России по исследованиям в области фундаментального естествознания (грант 2-оЗ-7-20 ьа 1992-1993 гг.) и в области электроники и радиотехники (грант V-114 на 1994-1995 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы, в том числе 22 работы в российских и зарубежных реферируемых научных издания>: Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей, охватывающих восемь глав, и заключения. Работа включает 228 стр. текста, 86 рисунков и библиографический список цитированных источников из 24о наименований, в том числе 42 публикации автора по теме диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новизна, научная и практическая значимость и краткое содержание диссертации, указан личный вклад автора.
Первая часть работы (главы 1-3) посвящена исследованию поверхностных и двумерных- магнитоплазменных волн в латерально-однородных структурах.
Во второй части (главы 4-6) рассматриваются электромагнитные колебания и волны в латерально-периодических структурах с двумерной электронной плазмой.
В третьей части (главы 7,8) исследуются электромагнитные и плазменные волны в объеме полупроводниковой плазмы с горячими электронами.
Ниже изложено содержание глав диссертации.
Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию распространения магнитоплазменных поверхностных поля-ритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик в геометрии Фойгта при произвольном соотношении диэлектрических проницае-мостей диэлектрика и кристаллической решетки полупроводника £■(.. Вид спектра магнитоплазменных поверхностных полярито-нов по величине внешнего магнитного поля существенно различается в двух возможных частотных диапазонах ш < ш* и ш > и>*, где и* =ир\е1/(Е4 + £<)]1/2 > ир — (е2Лге/т*£о-|)1/'2 ~ плазменная частота, Ме, е к тп* - соответственно концентрация, элементарный заряд и эффективная масса электронов. Заметим, что величина и* есть не что иное, как частота поверхностных плазменных колебаний на границе раздела полупроводник-диэлектрик в отсутствие внешнего магнитного поля (поверхностная плазменная частота).
Показано, что, в отличие от выводов работ других авторов, резонанс магнитоплазменного поверхностного поляритона на любой заданной частоте и при отсутствии потерь в системе возникаем только при одном (резонансном) направлении распространения волны (при к II (В0 X «) 5 диапазоне и> < и* и при к И (Во х и) в диапазоне ш > ы*). В наиболее интересном с точки зрения исследуемых в диссертации эффектов частотном диапазоне и < из* величина резо-
нансного магнитного поля определяется из условия
ис = , - и, (1)
"Г -с/}
где сь'с = еВц/т' - электронная циклотронная частота. Поверхностная волна, распространяющаяся в противоположном направлении, не испытывает резонанса в отсутствие потерь в системе. При < е; эта волна связана с виртуальными магнитоплазмепными возбуждениями, резонансное условие для которых при ш < и* имеет вид
= , " . - О) (21
и(£1 - 5Л) •
и реализуется за пределами области распространения поверхностных волн. Из последнего условия следует, в частности, что виртуальный ре~-шанс может возникать только при с; >
Основное внимание уделено рассмотрению диссипативных эффектов в спектрах магнптсплазменных поверхностных полярнтонов, связанных с рассеянием электронов в полупроводнике, в частности, эффекта резонансного поглощения на зиртуальном магнито-плазменном возбуждении и эффекта дпссппативной невзаимности при преобразовашш поверхностных волн в объемные. Оказывается, что при наличии потерь в системе и достаточно малых величинах =сI -С резонансы поглощения поверхностных ноляритонов с частотами и < имеют место для обоих противоположных направлений распространения волны, причем один из этих резонансов (йри к П (Во х ц)) связан с поглощением поляритона на виртуальном поверхностном мчпштоплазменном возбуждении. Эффект невзапмной утечки магннтоплазменных поверхностных поляритонов в объем диэлектрика возникает при > с/ и приводит к резкому уменьшению затухания волны,. распространяющейся з нерезо^ансном направлении. Величина порогового магнитного поля утечки поверхностной волны в объем диэлектрика при и> < и* определяется из условия
ыс =
(3)
-л — * .
Во второй главе теоретически и экспериментально исследованы свойства магннтоплазменных волн в плоских структурах металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П) в геометрии Фойгта з диапазоне ш < и.'* в зависимости от толщин слоев структуры, соотношения
диэлектрических проницаемостей ха Л и от величины внешнего магнитного поля. Выбор диапазона. ш < и* связан с тем, что в этом диапазоне реализуется оптимальное соотношение 'между величинами плазменных и диссипативных эффектов. С ростом частоты вклад плазменных эффектов в поляризацию полупроводника в высокочастотном электрическом поле волны уменьшается как (шр/и>)2, в то время как уменьшение влияния диссипации происходит пропорционально параметру и/ш. В связи с этим в высокочастотном диапазоне и > и* дисснпативные эффекты преобладают.
Показано, что замедление и затухание магнитоплазменных волн при резонансе значительно увеличивается при уменьшении толщины слоя диэлектрика, но значение резонансного магнитного поля при этом не меняется. При < увеличение приводит к росту отношения резонансного затухания к затуханию волны, распространяющейся в противоположном (нерезонансном) направлении, за счет того, что резонансы поглощения на реальном и виртуальном магнитоплазменных возбуждениях раздвигаются по величине резонансного магнитного поля с ростом величины е^ (см. формулы (1) и (2)). При ел > £', использование эффекта невзаимного преобразования поверхностных волн в'объемные волны в диэлектрическом слое позволяет реализовать режим невзаимного затухания электромагнитных волн в М-Д-П структурах в достаточно слабых (по сравнению с резонансным значением) магнитных полях. Использование указанного эффекта оказывается наиболее плодотворным в частотном диапазоне и <С Шр (что соответствует длинноволновой части КВЧ диапазона для реальных параметров полупроводника). В этом •случае резонансное условие (1) записывается кат: шс ~ (и^/ш)^* а порог утечки поверхностной волны в объем диэлектрика, определя-" емый выражением (3), достигается в значительно более слабых магнитных полях шс — -г — а).'.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных с использованием плоских двуслойных структур диэлектрккгполупро-водник 1поЪ, подтверждают основные теоретические ншврды гл.1,2 и демонстрируют принципиальную возможность псвддьзования свойств магнитоплазменных поверхностных ноляритонов ддя создания полупроводниковых невзаимных управляющих устройств в КВЧ диапазоне.
В третьей главе в электростатическом приближении решена
задача о плазменных колебаниях в 22? электронном слое,, расположенном па поверхности полярного кристалла, в присутствии внешнего магнитного поля, нормального к плоскости 2П электронной плазмы. В области частотной независимости диэлектрической проницаемости ес полярного кристалла (вдали от частот собственных оптических колебаний кристалла) дисперсиопная зависимость 2О магнитоплазменных волн имеет известный вид ы2 = + . _ Здесь
W2D = ^
е'Аг
- частота плазменных колебаний с волновым числом к = jfc| в слое 2D электронной плазмы, расположенном на границе раздела сред с диэлектрическими проницаемостями ес и £j , в отсутствие внешнего магнитного поля, где Ns - поверхностная концентрация электропов B-2D плазме. Показано, что взаимодействие 2D магнитоплазмен-ных волн с полярными оптическими колебаниями кристалла при-вогдт к возникновению связанных фонон-магннтоплазменных волн, спектр которых значительно отличается от спектров невзаимодействующих возбуждений вблизи и внутри частотной полосы "остаточных лучей" и>то < и < ujîo , где што и шьо ~ частоты соответственно поперечных и продольных оптических колебаний решетки полярного кристалла. Вблизи полосы " остаточных лучей" диэлектрическая проницаемость полярного кристалла испытывает наибольшую частотную дисперсию и становится отрицательной внутри этой полосы.
Установлено, что вид спектра связанных фонон-магнитоплаз-менных волн зависит от соотношения электронной циклотронной частоты Wc и частоты поперечных оптических колебаний полярного кристалла. При шс < и-'то в спектре образуется полоса непропуска-кия в области частот, совпадающей с пСшосоН "остаточных лучей" . полярного кристалла. При wc > ujto на частотах и < mm(uc, u>s), где us - частота поверхностного оптического фонона, в полосе "остаточных лучей" возникает новый тип волны с отрицательной дисперсией.
На основании качественных оценок показано, что возможность существования колебаний с частотами ш < ыс в полосе "остаточных лучей" обусловлена отрицательной величиной диэлектрической проницаемости полярного кристалла в этой полосе частот, в связи
с чем возвращающая кулоновская сила, возникающая при плазменных колебаниях, оказывается направленной противоположно магнитной лоренцевской силе, действующей на электроны во внешнем магнитном поле, направленном перпендикулярно плоскости 2D системы. В результате циклотронные колебания становятся "мягче"', т.е. их собственная частота становится меньше, чем циклотронная частота шс. Впоследствии связанные фонон-магнитоллазменные возбуждения в полосе "остаточных лучей" были обнаружены экспериментально в работе других авторов (Butov L.V., Grinev V.l., Kulakovskii V.D., Andersson T.G. // Pliys. Rev. В., 1992, 46, р. 13627).
В четвертой главе приводятся результаты исследований взаимодействия электромагнитных и плазменных волн в открытой структуре с 2D электронной плазмой- и латеральной частопериодической полосковой металлической решеткой (период решетки намного меньше длины электромагнитной волны). Развита строгая электродинамическая теория 2D плазменных колебаний, происходящих в направлении периодичности структуры, с учетом всех возможных механизмов их затухания: электронного рассеяния в 2D плазме; диэлектрических потерь в материалах структуры и омических потерь ■ в металлических полосках решетки; электромагнитного излучения из структуры. Такая геометрия задачи соответствует условиям экспериментов по поглощению и излучению электромагнитных волн в структурах с 2D электронной плазмой и решеточным элементом связи. Метод решения заключается в переходе от дифференциальных уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные поля в различных средах структуры, к интегральному уравнению относительно плотности поперечного тока на проводящей полоске решетки, учитывающему граничные условия и отклик '2D электронной плазмы. Интегральное уравнение решается методом Галеркииа при разложении функции плотности тока на полоске по полиномам Чебы-шева 2-го рода с весовой функцией, явно удовлетворяющей условию Мейкснера на ребре полоски.
Рассмотрены как неизлучаюшие, так и радиационные колебания. Нерадиационнымч являются медленные плазменные волны с приведенными волновыми числами к большими, чем волновые числа поперечных электромагнитных волн в окружающих структуру средах. Дисперсионные зависимости для медленных плазменных аоли испытывают разрывы на границах зоны Бриллюэна рассма-
триваемой периодической структуры. Дисперсионные зависимости плазменных колебаний в области малых волновых чисел испытывают разрыв в центре зоны Бриллюэна. Этот разрыв соответствует расщеплению частот радиационного и нерадиационного плазменных колебаний с нулевым приведенным волновым' числом. Радиационные колебания характеризуются симметричным распределением продольного электрического поля относительно центров щелей решетки, тогда как нерадиационпые колебания имеют антисимметричное распределение поля. Соответственно только радиационные 2Б плазменные колебания могут возбуждаться внешней электромагнитной волной, падающей нормально на поверхность решетки. Установлена существенная роль эффектов электромагнитного излучения в процессах возбуждения и затухания таких колебаний.
Вычислены частоты и ширины лнний спектра электромагнитного излучения 2£> плазменных колебаний с нулевым приведенным волновым числом в зависимости от коэффициента заполнения решетки (отношение ширины проводящей полоски ю к периоду решетки £), и толщины диэлектрического зазора между 2Ю электронной плазмой и металлической ¿.ешеткой. Расщепление частот радиационных и нерадиацпопных колебаний стремится к пулю при »/¿-»Он при и>/Ь —+ 1. Наибольшая, величина расщепления частот для основных (низших по частоте) колебаний имеет место при ы¡Ь = 0,5. Для высших типов колебаний величина расщепления частот осциллирует с изменением ги/Ь от нуля до единицы, переходя через точки вырождения' (расщепление равно нулю). Число точек вырождения равно номеру полосы непропускания в спектре 2П плазменных колебаний.
Показано, что. радиационное затухание плазменных колебаний 7Г возрастает при увеличении коэффициента заполнения решетки. Существует определенное значение толщины диэлектрического зазора (1 = (1тат , при котором достигается максимальное' радиационное затухание. Величина йтах возрастает при увеличении поверхностной концентрации электронов и коэффициента заполнения решетки. Уменьшение радиационного затухалня при й > ¿тат происходит из-за уменьшения связи плазменных колебаний с полями решетки, а • уменьшение уг при <1 < ¿т<1Т связано с шунтированием поля плаз-• менных колебаний металлическими полосками решетки.
Решена задача о возбуждении Ю плазменных колебаний в
полупроводниковой гетерострук^уре с решеточным элементом связи нормально падающей на поверхность структуры внешней электромагнитной волной. Показано, что с помощью специального выбора толщины подложки можно существенно (более чем на 20%) увеличить интенсивность плг змеиного резонанса.
Результаты расчета сравнены с данными известного эксперимента (Batke Е;, Heitmann D., Tu C.W. // Phys. Rev В., 1986, 34, p. 6951) по возбуждению 2D плазменных колебаний в полупроводниковой гетероструктуре GaAs/AlGaAs электромагнитными волнами субмиллиметрового диапазона и показано, что радиационное затухание 2D плазменных колебаний определяет значительную часть ширины линии плазменного резонанса. При этом расчетная величина радиационного затухания на два порядка превосходит значение соответствующей величины, получаемое в рамках теории слабого возмущения однородности системы, развитой ранее в работе М.В.Крашенинникова и А.В.Чашшка (ЖЭТФ, 1985, 88, с. 129). Установлено, что еще одним фактором, ответственным за существенное уширение линии плазменного резонанса, являются диэлектрические потери в материалах гетероструктуры. В то же время выяснено, что омические потери в металлических полосках решетки практически не влияют на частоту и ширину линии резонанса в реальных экспериментальных структурах.
Предложен новый физический принцип генерации электромагнитных волн, в терагерцевом частотном диапазоне, основанный на дифракционном излучении 2D плазменных волн в открытой струк- ' туре с периодической металлической решеткой в условиях развития абсолютной дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний. Пороговое значение дрейфовой скорости электронов, соответствующее началу генерации, определяется по формуле uth — Хш2д(0)/2тг , где W2d(0) - частота 2D плазменных колебаний в отсутствие дрейфа электронов, L - период решетки. Построена диаграмма направленности генерации. Особо отмечено, ч,то для возникновения генерации не требуется введения в систему дополнительных устройств, обеспечивающих обратную связь электромагнитного излучения с плазменными колебаниями. Существование и физическое содержание данного эффекта генерации подтверждается теоретическими результатами, полученными независимо в работе других авторов (Mikhailov S.A., Savostiaucva N.A. // Appl. Phys. Lett., 1997, 71, p. 1308).
В пятой главе развитая в гл.4 теория 2D плазменных колебаний в структуре с периодической металлической решеткой распространяется на случай присутствия внешнего постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно к плоскости 2D электронной плазмы. В этом случае наряду с поперечными то'калга необходимо учитывать продольные токи изображения в ггроводящих полосках решетки, индуцированные холловскпми токами в 2D электронной плазме. В результате возникает система двух интегральных уравнений для плотностей поперечного и продольного токов, которая затем решается методом Галеркина. При этом функция плотности продольного тока аппроксимируется рядом по полиномам Чебыше-ва 1-го рода с весовой функцией, явно удовлетворяющей условию Мейкснера Для продольного тока на ребре полоски.
С использованием развитого теоретического подхода исследованы собственные 2D магнитоплазменные и циклотронные колебания с нулевым приведенным волновым числом в структуре с латеральной периодической металлической решеткой. Показано, что частота радиационных магнитоплазменных колебаний увеличивается с ростом магнитного поля в хорошем соответствии с простой формулой и2 — и>2д + если под u>2D в этой формуле понимать частоту 2D плазменных колебаний в структуре с решеткой в нулевом магнитном поле. Так же, как и в случае отсутствия магнитного поля, радиационное затухание магнитоплазменных колебаний значительно увеличивается при уменьшении ширины щелей решетки из-за возрастания связи поля плазменных колебаний с однородным электрическим полем излучаемой поперечной электромагнитной волны.
В отличие от 2D магнитоплазменных колебаний однородное циклотронное движение электронов в 2D системе сопровождается электромагнитным излучением даже в отсутствие периодической решетки. Так, например, в случае, если 2D электронный слой погружен в среду с диэлектрической проницаемостью е , нетрудно получить следующее строгое значение комплексной собственной частоты однородного циклотронного колебания:
где Zq = 120тг Ом - волновое сопротивление свободного пространства. Первое слагаемое в мнимой части комплексной частоты 7е =
1/т, где т -характерное время электронной релаксации, соответствует диссипативному электронному затуханию, а второе представляет собой радиационное затухание циклотронных колебаний.
Исследован эффект сдвига частоты циклотронной моды от значения электронной циклотронной частоты в структуре j решеткой и дано физическое объяснение этого явления, основанное на учете электродинамической связи однородного циклотронного движения, с. неоднородными вынужденными магнитоплазменнымн колебаниями. Показано, что в случае частопериодической решетки радиационное затухание циклотронных колебаний практически не зависит от коэффициента заполнения решетки и составляет половину величины радиационного затухания однородного циклотронного движения в структуре без решетки, что связано с действием частопериодической решетки в качестве эффективного поляризатора для полей излучения.
Результаты расчета сравнены с экспериментальными данными других авторов (Batke Е., Heitmann D., Tu C.W. // Phys. Rev. В., 1986, 34, p. 6951) и получено количественное совпадение экспериментальных и теоретических значений частоты и ширины линии циклотронного резонанса в полупроводниковой гетероструктуре GaAs/AlGaAs с металлической решеткой. Эффект сдвига частоты циклотронных колебаний не наблюдается в реальных экспериментах, т.к. его величина оказывается порядка погрешности измерений. Отмечено, что расчетная и экспериментальная величины суммарной ши{. ;шы линии магпитоллазменного резонанса в сильных магнитных иблях > 2uj-iD совпадают только в предположении о том, что эффективное время электронной релаксации маппггоплазменных колебаний примерно в два раза меньше циклотронного времени релаксации. Вайду того, что в данной диссертации эффективное время электронного рассеяния вводится чисто феноменологически, невозможно выяснить физическую причину столь существенного отличия магнитопдазмег.иого и циклотронного времени релаксации. Для выяснения этого вопроса необходимо развитие микроскопической теории затухания магнитшшазменных колебаний.
IHi^TftaLXJiilli'. диссертации посвяшена теории плазменных ко-лмкишй в периодически неоднородной 2D электронной плазме. Рассмотрена модель сплошной 2D электронной системы с прямоугсчь-цым профилем планарной модуляции равновесной концентрации
электронов при произвольной глубине модуляции. Теоретический подход, применяемый в данной глазе, идейно близок методу, использованному в главах 4 и 5, и состоит в получении системы интегральных уравнений для плотностей токов на полосках 2D плазмы с высокой й низкой концентрациями электронов и последующем решении этой системы интегральных уравнений методом Галеркина с разложением функций плотностей токов по полиномам Лежандра.
Вычислены частоты и радиационное затухание для двух основных (низших по частоте) типоз плазменных колебаний с нулевым приведенным волновым числом. Вследствие симметрии выбранного прямоугольного профиля распределения равновесной концентрации электронов в 2D системе одно из основных колебаний является нерадиационным. Частоты обоих основных колебаний уменьшаются с ростом глубины планарной модуляции концентрации электронов (при постоянной средней концентрации Ns), что связано с локализацией поля основных колебаний в областях 2D плазмы с меньшей плотностью электронов. В отличие от случая структуры с однородной 2D электронной плазмой и металлической решеткой, рассмотренного в гл.4, имеет место вырож; зпие частот основных радиационной: и нерадпагшонной мод колебаний при некотором соотношении ширин w и s ■ (w -г s = L, где L - период неоднородности) полосок плазмы соответственно с высокой и низкой концентрациями электронов. При малых значениях глубины модуляции равновесной плотности электронов вырождение наступает при приблизительно равных ширинах полосок с разной концентрацией электронов. С ростом глубины модуляции точка вырождения сдвигается в область больших w/s. Радиационное затухание •)> увеличивается с ростом глубины модуляции, однако при этом максимум уг достигается при большем х ар актер и стич е ск о м отношении wfs. В результате возникает немонотонная зависимость от глубины модуляции при любом фиксированном характеристическом отношении.- "
Результаты расчета сравнены с опубликованными экспериментальными данными (Heitmann D. // Surface Science, 1986, 170, p. 332) по субмнллиметровой фурье-спектроскопии плазменных колебаний в периодически неоднородной 2D электронной плазме, а также с результатами разработанной ранее другими авторами (Крашенинников М.В. Чаплик A.B. // ФТП, 1981, 15, с. 32) приближенной теории малого периодического возмущения равновесной концентра-
ции электронов. Отмечается ка шственное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Обсуждаются наиболее вероятные причины количественного расхождения экспериментальных и теоретических значений величины расщепления частот основных 2£> плазменных колебаний. Установлено, что теория возмущений дает удовлетворительное согласие с результатами строгого расчета, только при малых значениях глубины модуляции (< 0,05).
В седьмой главе построена феноменологическая линейная теория распространения электромагнитных волн в безграничной периодически нестационарной среде. Общая теория конкретизирована для случая нестационарной электронной полупроводниковой плазмы в сильном переменном электрическом поле с учетом анизотропии разогрева электронов. Исследованы эффекты распространения, устойчивого преобразования частоты и модуляции слабой (сигнальной) волны в такой нестационарной анизотропной среде.
Показано, что при разогреве электронной плазмы в сильном переменном электрическом поле накачки с частотой ыо возникает эффект гигантской динамической анизотропии (двулучепреломление и линейный дихроизм) полупроводника по отношению к сигнальной электромагнитной волне на частоте и ¡>, если расстройка частот сигнальной волны и накачки меньше характерной.частоты релаксации энергии электронов в полупроводнике й . Физическое содержание эффекта заключается в следующем. В случае высокочастотной накачки величина анизотропной части (зависящая от угла между векторами электрического поля накачки Ео и сигнала Е) выделяемой в полупроводнике мощности колеблется с разностной частотой и — ио . При — Ыо| < Р анизотропная часть -лектронной температуры успевает "следить" за изменением анизотропной части выделяемой мощности, что приводит к резкому увеличению анизотропии полупроводника по отношению к сигнальной волне с частотой и V. Величина динамической анизотропии оказывается на несколько порядков больше, чем величина анизотропии, наведенной статическим греющим электрическим полем. Выражение для разностей квадратов комплексных коэффициентов преломления небыкно-венчой (Ё\\Ес) й обыкновенной (Е ± Ео) волн на частоте ш ;§> V
принимает наиболее простой вид при — <С ¡> , ш,шо С V :
где V - характерная частота релаксации импульса электронов в полупроводнике (обычно V V ), д - показатель степенной зависимости величины V от температуры электронного газа в (у ^ в'), Ев - амплитуда.электрического поля накачки, Ер = (т'ии&х/е2)1'2 - характерное "плазменное" поле, ,0у - температура кристаллической решетки полупроводника (в энергетических единицах). Из формулы (4) следует, что знак эффекта определяется знаком параме' ра д, что может быть использовано для экспериментальной идентификации механизмов рассеяния электронов в полупроводнике.
Анизотропный нагрев электронной плазмы при ш,шо й, \и — и.'о| < V приводит к возбуждению вынужденной гармоники на зеркальной частоте сигнальной волны ш — 2и>о — — '-■•> ■ В изотропном случае и!,у происходит смешанная (амплитудно-частотная)
модуляция сигнальной волны. Однако при низкочастотной накачке и-'о -С ш величина частотной модуляции оказывается гораздо меньше амплитудной. .
В восьмой главе описаны процессы спонтанной генерации плазменных колебаний горячими электронами в объеме полупроводника и исследованы эффекты влияния неравновесности ансамбля плазменных колебаний на кинетические характеристики горячих электронов. Описание эффектов электрон-плазмонного взаимодействия проведено в рамках самосогласованного подхода с использованием итерационной процедуры, включающей моделирование транспорта горячих электронов методом Мопте-Карло и решение стационарного кинетического уравнения для плазмонов:
[ВД + - адрад = [ад - лу ¡П = о,
где -¥9(д) - функция распределения плазмонов в пространстве их волновых векторов д, И,ге(д) и И эффективные частоты соответственно испускания п поглощения плазмонов с волновым вектором д электронами плазмы, N1 - равновесное (плаиковское). распределение плазмонов при температуре кристаллической решетки полупроводника, 7£ - феноменологическое характерное время релаксации ансамбля плазменных колебаний к равновесному сосш-
яншо. Величины И^До) вычислялись по известным формулам в первом (борцовском) приближении теории возмущений.
На примере исследования сильнолегированвого полупроводника п -GaAs установлено, что функция распределения плазменных колебаний значительно (Nq изменяется на порядок я "юлее) отклоняется от разновесной и становится существенно анизотропной в электрических полях с напряженностью в несколько киловольт на сантиметр. Показано, что электрон-плазмонное рассеяние су- ' щественно подавляет инверсию функции распределения электронов, обнаруженную ранее другими авторами в слаболегированном GaAs в сильных электрических полях.
Обнаружено, что неравновесные, возмущения плазмонной подсистемы практически не влияют на величину низкополевой подвижности электронов в полупроводнике n-GaAs, однако существенно изменяют транспортные характеристики электронов в сильных полях. В результате расчетная поле-скоростная характеристика лучше описывает известную (Masselink W.T. // Semicond. Science and Technol., 1989, 4, p. 503) экспериментальную зависимость.
В заключении приведены основные результаты работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
Главный итог диссертационной работы состоит в разработке теоретических основ ряда электромагнитных волновых явлений, обусловленных взаимодействием электромагнитных полей, электронов и плазменных колебаний а ограниченной, низкоразмерной и неравновесной полупроводниковой электронной плазме, что определяет вклад автора-диссертации » развитие этого современного направления электродинамики полупроводниковой плазмы. В рамках указанного научного направления а работе получены следуклцие основные результаты.
1. Исследовано распространение поверхностных магннтоплаз-менных волн па границе раздела полупроводник-диэлектрик и в плоских латерально-однородных структурах металд-'диэлектрпк-по-лупроводник, в том числе. в структурах с 2D электронной плазмой. при произвольном значении диэлектрической проницаемости диэлектрика и при наличии потерь, обусловленных электронным-рассеянием в полупроводнике. Обнаружены новые физические Эф-
фекты, связанные с влпяпием диссипации в полупроводнике на свойства магпитоплазменных поверхностных поляритонов: эффект резонансного полярнтонного поглощения па виртуальных магпитоплазменных возбуждениях и эффект диссипативной невзаимности при преобразовании поверхностных махнитоилазменных волн в объемные. Последний эффект позволяет реализовать режим невзаимного затухания электромагнитных волн в структурах металл-дизлект-рик-полупроводник в достаточно слабых (дорезонансных) магнитным полях. Предсказано существование нового типа поверхностных магпитоплазменных волн с отрицательной дисперсией па границе полярного кристалла с 2D электронным слоем, распространяющихся в частотной полосе "остаточных лучей" при условии, что.значение электронной циклотронной частоты больше, чем частота поперечных оптических колебаний кристалла.
2. Развита строгая электродинамическая теория плазменных и магнитоплазменных колебаний в латерально-п ери одических структурах с 21? электронной плазмой, в том числе в структурах с периодически неоднородной 2Г> электронной плазмой, и установлена существенная роль электромагнитных радиационных эффектов в процессах возбуждения и затухания плазменных колебаний в таких системах. Показано, что радиационное затухание колебаний мо. жет определять значительную часть (до одной трети для реальных структур) ширин линий плазменного и циклотронного резонансов. Частота, радиационное уширение и форма линии плазменного резонанса в общем случае немонотонным образом зависят от толщины подложки и от геометрических параметров, определяющих внутреннюю структуру элементарной ячейки латерально-периодической системы, а. также от глубины поверхностной модуляции концентрации электронов в таких системах. Показано, что с помощью специального выбора толщины подложки можно существенно (более чем на 20% для реальных структур) повысить эффективность возбуждения плазменных колебаний внешней электромагнитной волной.
3. Предложен новый физический принцип генерации электромагнитных волн в терагерцегом частотном диапазоне, основанный на дифракционном излучении 2£) плазменных волн в структуре с лате-
- • ральной периодической решеткой в условиях развития абсолютной дрейфовой неустойчивости плазменных колебаний в системе. Пороговое значение дрейфовой скорости электр'онов, соответствующее
началу генерации, определяется по формуле ы(д = £ш2£)(0)/27г где Ы2о(0) - частота 2П плазменных колебаний и отсутствие дрейфа электронов, £ - период решетки. Для возникновения генерадаи не требуется введения в систему дополнительных устройств, обеспечивающих обратную связт электромагнитного излучения с плазменными колебаниями.
4. Построена феноменологическая линейная теория распространения электромагнитных волн в безграничной периодически нестационарной среде. Общая теория конкретизирована для случая разогревной нестационарности электронной полупроводниковой плазмы в сильном переменном электрическом поле с учетом анизотропии разогрева электронов. Показано, что при разогреве электронной плаз;.д>1 в сильном переменном электрическом поле накачки возникает эффект гигантской динамической анизотропии полупроводника (двулучепреломлеяие и линейный дихроизм) по отношению к слабой (сигнальной) электромагнитной волне, если расстройка частот сигнальной волны и накачки меньше характерной частоты релаксации энергии электронов в полупроводнике. Величина динамической анизотропии оказывается на несколько порядков больше, чем величина анизотропии, наведенной статическим греющим электрическим полем. В общем случае модуляция сигнальной волны под действием сильного греющего переменного электрического поля является смешанной (амплитудно-частотной). Однако при низкочастотной накачке величина частотной модуляции оказывается гораздо меньше амплитудной. • »
1 5. С использованием итерационной процедуры, включающей последовательные моделирование транспорта горячих электронов методом Монте-Карло и решение квиетического уравнения для плаз-монов, исследован процесс спонтанной генерации плазменных колебаний горячими электронами в полупроводнике и эффекты влияния неравновесности плазмонной подсистемы на кинетические характеристики горячих электронов. На примере исследования сильнолегированного полупроводника п -СаАв установлено, что функция распределения плазменных колебаний значительно отклоняется от равновесной и становится существенно анизотропной в электрических полях с напряженностью в несколько киловольт на сантиметр. Показано, что электрон-плазмонное рассеяние существенно подавляет инверсию функции распределения электронов в СаАа в сильных
электрических полях. Обнаружено, что веравповеспые возмущения плазменной подсистемы практически не влияют на величину низкополевой подвижности электронов в полупроводнике л -GaAs, однако существенно изменяют транспортные характеристики электронов в сильных полях. В результате расчетная поле-скоростная характеристика значительно лучше описывает известную экспериментальную зависимость.
6. Развитые в диссертации теоретические подходы и исследованные физические "эффекты могут быть использованы для обоснования экспериментальных методов изучения электронных плазменных систем и положены в основу создания еовых типов устройств для генерации и преобразования электромагнитных волн в КВЧ и терагерцевом диапазонах. . -
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Кац Л.И., Попов В.В., Ревзнн P.M. / К расчету невзаимных устройств для субмпллпметрового дпалазона // Радиотехника и электроника. 1977. Т. 22. N 6. С. Л07-1113. , .
2. Попов В.В., Ревзнн P.M. / Электрооптическая анизотропия полупроводников, индуцированная разогревом электронов при взаимодействии двух волн в субмилллметровом диапазоне // Письма в Журнал технической физики. 1980. Т. 6. N 1. С. 28-31.
3. Попов В.В., Ревзнн P.M. / Перестройка спектра поверхностных магнптоплазменных волн 'на гранпце невырожденного полупроводника с диэлектриком // Письма в Журнал технической физики.. 1981. Т. 7. N 22. С. 1399-1404.
4. Цопов В.В.. Ревзин P.M., Сафонова М.А. / Влияние диссипации на распространение поверхностных магнптоплазменных волн в .структуре полупроводник-диэлектрик // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28. N 10. С.2005-2013.
5.. Альтшулер Е.Ю., Кац Л.И., Попов В.В. / Поверхностные электромагннтные волны в полупроводниковых структурах и их применение в технике СВЧ: Обзоры по электронно!! технике. Сер. Электроника СВЧ. - М: ЦНИИ "'Электроника'". 1983. N 7 (940). 60 с.
о. Кац Л.И., Попов В.В., Ревзин P.M. / Устойчивое преобразование частоты и характер модуляции субмиллиметрового пзлуче-
ния в нестационарной полупроводниковой среде //В кн.: Высокочастотные свойства твердых тел: Сб. научных трудов / Ред. кол. В.П.Шестопалов (отв. ред.) и др. - Киев: Наукова Думка, 1985, с. 168-178.
7. Полищук О.В., Попов В.В., Синицын Н.И. / Связанные фо-нон-магнитоплазменные поверхностные волны в структуре с двумерным электронным газом // Письма в Журнал технической физики. 1987. Т. 13. N 19. С. 1197-1200.
8: Матов О.Р., Полищук О.В., Попов В.В. / Влияние плоской металлической решетки на дисперсию плазменных волн в тонком полупроводниковом слое// Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37. N 12. С. 2242-2250.
9. Матов О.Р., Полищук О.В., Попов В.В. / О радиационном затухании двумерных плазменных волн в открытой структуре с металлической решеткой// Письма в Журнал технической физики. 1992. Т. 18. N 16. С.86-89.
10. Matov O.R., Polischuk O.V., Popov V.V. / Electromagnetic emission from uvo-dimensional plasmons in a semiconductor-dielectric structure with metal grating; rigorous theory // Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 1993. V. 14. N 7. P. 1455-1470.
11. Матов O.P., Полищук O.B., Попов В.В. / Влияние диссипации на ширину линии поглощения электромагнитных волн двумерными плазмонами в 4.1GaAs/GaAs гетероструктуре // Письма в Журнал технической физики. 1993. Т. 19. N 17. С. 37-39.
12. Matov O.R., Polischuk O.V., Popov V.V. / Diffraction of two-dimensional plasma waves from lamellar metal grating in a GaAs/ AlGaAs heterostructui-e// Conference Proceeding.-Kharkov, Institute of Radio-physics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine. 1994. V. 1. P. 204-207. -
13. Popov V.V., Bagaeva T.Yu., Solodkaya T.I. / Monte Carlo study of electron-plasmon scattering effects on hot electron transport in GaAs // International Centre for Theoretical Physics, Miramare-Trieste. Internal Report IC/94/205, 1994, 18 p,
14. Попов B.B., Багаева Т.Ю., Солодкая Т.Н. / Влияние эле: трон-длазмонного рассеяния на транспортные характеристики горячих электронов в вырожденном GaAs // Физика и техника полупроводников. 1994. Т. 28. N 8. С. 1468-1471.
15. Matov Q.R., Meshkov O.F., Polischuk O.V., Popov V.V. /
Grating assisted electromagnetic emission from magnetoplasmon and cyclotron modes in two- dimensional plasma layer on GaAs: a rigorous theory // В кн.: Fabrication, Properties and Applications of Low-Dimensional Semiconductors // Ed. by M.Balkaaski and I.Yanchev, NATO'' ASI, Series, Series 3: High Technology, V. 37. - Dordrecht -Boston - London: Kluwer Academic Publishers, 1995, p. 237-238.
16. Popov V.V., Solodkaya T.I., Bagaeva T.Yu. / Monte Carlo study of electron-plasmon scattering effects on hot electron transport in GaAs // Physica В.: Condensed Matter, Amsterdam: Elsevier Science B.V. (Noth-Holland). 1996. V. 217.' Р/118-126.
17. Матов O.P., Мешков О.Ф., Полишук O.B., Попов В.В./ Теория электромагнитного излучения двумерных магнитоплазменных и пиклотронных колебаний в полупроводниковой гетероструктуре с периодическим экраном // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1996. Т. 109. N 3. C.S76-890.
18. Matov O.R., Meshkov O.R., Polischuk O.V., Popov V.V. / Generation of submillimeter electromagnetic radiation from two-dimensional plasma waves in a semiconductor heterostructure with metal grating // Physica A: Statistical and Theoretical Physics. 1997. V..214. P. 409413.
19. - Popov V.V., Bagaeva T.Yu. / Effect of nonequilibrium plasmons on electron-plasmon interactions in semiconductors // Acta Physica Polonica A. 1997. V. 92. N 5. P. 963-966.
20. Матов O.P., Мешков О.Ф., Попов B.B. / О спектре плазменных колебаний в структурах с периодически неоднородной двумерной электронной плазмой // Журнал экспериментальной и тео-. ретической физики. 1998. Т. 113. N 3. С. 988-999.
21. .Попов В.В., Цымбалов Г.М. / Влияние толщины подложки на плазменный резонанс в полупроводниковой гетероструктуре с двумерным электронным газом // Письма в Журнал технической физики. 1998. Т. 24. N 9. С. 70-74.
22. Попов В.В., Теперик Т.В., Цымбалов Г.М. / Спектр поля-ритонных возбуждений двумерной электронной плазмы в магнитном поле // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1998. Т. 68. N 3. С. 200-204.
Заказ 77. Тираж 100'
Объем 2 а.л. Подписано в печать 26.10.98 г. Типография Иэд-ва СГУ
{ '
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Российская академия наук ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ Саратовский филиал
ТШГН.1 тЧцжышсвскУт----------
президиум ВАК России решечяе от " ¿7ё 19^ <\, N0
. ученую -есевъ ДОКТОРА I
г. .
Начальник У. • р л л \ 1Т1Ш10В Вйчее
На правах рукописи УДК 621.377+385:538.567
Г'
ентинович
ЯВЛЕНИЯ
В ОГРАНИЧЕННОЙ И НЕРАВНОВЕСНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛАЗМЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Специальность 01.04.03 —радиофизика
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Научный консультант: академик РАЕН, профессор, д.ф.-м.н.
Н.И.СИНИЦЫН
САРАТОВ 1998 г.
Оглавление
Введение 7
I. Магнитоплазменные волны в плоских латерально-одно-
родных полупроводниково-диэлектрических структурах 31
1. Магнитоплазменные поверхностные электромагнитные волны на границе раздела полупроводник-диэлектрик 32
1.1. Введение в проблему ............................................................32
1.2. Получение дисперсионного уравнения. Форма поляризации поля и потоки мощности......................................................................36
1.3. Влияние поляризации диэлектрика на дисперсию магнитоплазменных поверхностных электромагнитных волн на границе раздела полупроводник-диэлектрик ........................................................................45
1.3.1. Предварительные замечания............................................45
1.3.2. Малая поляризуемость диэлектрика..................................46
1.3.3- Большая поляризуемость диэлектрика................................55
1.4. Магнитоплазменные поверхностные электромагнитные волны с поглощением на границе раздела полупроводник-диэлектрик........................61
1.4.1 Малая поляризуемость диэлектрика..................................61
1.4.2 Большая поляризуемость диэлектрика................................67
1.5. Основные результаты и выводы................................................70
2. Магнитоплазменные электромагнитные волны в структурах металл-диэлектрик-полупроводник 74
2.1. Постановка задачи исследований....................... 74
2.2, Теория магнитоплазменных электромагнитных волн в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Преобразование поверхностных волн в объемные ....................................... 77
2.3. Экспериментальные исследования распространения магнитоплазменных волн в плоских волноводных структурах металл-диэлектрик-полупроводник........................................ 84
2.3.1. Экспериментальная методика. Приготовление экспериментальных образцов ................................. 84
2.3.2, Результаты экспериментов и их обсуждение............. 89
2.4, Основные результаты и выводы........................ 97
3. Магнитоплазменные поверхностные волны в структурах с двумерной электронной плазмой 98 3.L. Современное состояние исследований . .................... 98
3.2. Двумерные плазменные волны, как предельный случай поверхностных волн в плоском плазменном слое....................... 101
3.3. Связанные фонон-магнитоплазменные волны в структуре с двумерной электронной плазмой..............................115
3.3.1 Вводные замечания...........................115
3.3.2 Результаты исследований и их обсуждение .............116
3.4. Выводы...................................... 126
II. Электромагнитные колебания и волны в открытых ла-терально-периодических структурах с двумерной электрон-
ной плазмой 128
4. Плазменные колебания и волны в открытой структуре с двумерной
электронной плазмой и периодической металлической решеткой 129
4.1. Обзор и постановка проблемы..................................................129
4.2. Описание теоретического подхода..............................................133
4.2.1. Идеально проводящие полоски решетки..............................133
4.2.2. Учет конечной проводимости металлических полосок решетки . . 144
4.3. Предельные случаи: двумерные плазменные волны в латерально-одно-родной структуре..................................................................146
4.4. Влияние периодической металлической решетки на дисперсию медленных двумерных плазменных волн..............................................148
4.5. Спектр электромагнитного излучения двумерных плазменных колебаний. Интерпретация данных спектральных измерений...........157
4.5.1. Предварительные замечания............................................157
4.5.2 к Результаты расчетов и их обсуждение. Сравнение с экспериментом 162
4.6. Неустойчивость плазменных волн и генерация электромагнитного излучения в открытой периодической структуре с дрейфующей двумерной электронной плазмой.............................. 181
4.6.1. Постановка вопроса........................... 181
4.6.2. Результаты расчетов и их обсуждение................ 183
4.6.3. Оценка возможности использования неустойчивости плазменных волн в структуре с решеткой для генерации терагерцевого электромагнитного излучения........................ 190
4.7. Возбуждение двумерных плазменных колебаний внешней электромагнитной волной в полупроводниковой гетероструктуре с решеточным элементом связи................................... 192
4.7.1. Вводные замечания........................... 192
4.7.2 Особенности теоретического подхода.................194
4.7.3 Результаты расчетов и их обсуждение. Сравнение с экспериментом 200 4.8 Выводы......................................207
5 Электромагнитное излучение двумерных магнитоплазменных и циклотронных колебаний в полупроводникоьо-диэлектрической структуре с периодической металлической решеткой 210
5.1 Постановка проблемы..............................210
5.2 Описание теоретического подхода.......................211
5.3 Предельный случай: однородный двумерный слой магнитоактивной плазмы в отсутствие решеточного элемента связи................217
5.4 Спектр электромагнитного излучения магнитоплазменных и циклотронных колебаний в структуре с периодической металлической решеткой. Сравнение с экспериментальными результатами...............218
5.5 Выводы......................................228
6 Плазменные колебания в структурах с периодически неоднородной двумерной электронной плазмой 231
6.1 Постановка задачи исследований.......................231
6.2 Описание теоретического подхода.......................235
6.3 Результаты расчетов и их обсуждение....................240
6.4 Выводы......................................248
III Электромагнитные и плазменные волны в полупроводниковой плазме с горячими электронами 250
7 Электромагнитные волны в периодически нестационарной полупроводниковой плазме 251
7.1. Феноменологическая теория распространения электромагнитных волн в
нестационарной полупроводниковой среде..................251
7.2. Электрооптическая анизотропия полупроводников, индуцированная разогревом электронов в сильном переменном электрическом поле.....261
7.3. Устойчивое преобразование частоты и модуляция электромагнитного излучения в нестационарной полупроводниковой плазме...........265
7.4. Основные результаты и выводы........................268
8. Взаимодействие плазменных волн с горячими электронами в полупроводнике 270
8.1. Рассеяние электронов на плазменных волнах. Транспортные характеристики горячих электронов ...........................270
8.1.1. Вводные замечания...........................270
8.1.2. Модель описания электрон-плазмонного рассеяния....... . 271
8.1.3. Транспортная модель. Результаты моделирования и их обсуждение282
8.2. Спонтанная генерация плазменных волн горячими электронами в полупроводнике ....................................290
8.2.1. Вводные замечания...........................290
8.2.2. Теоретическая модель .........................292
8.2.3. Результаты расчетов и их обсуждение................296
8.3. Выводы......................................308
Заключение 311
Список литературы 315
Введение
Волновые явления в плазме твердого тела стали активно исследоваться с начала 60-х годов. Первоначально предметом исследований были в основном плазменные волны (плазмоны) в объеме металлов и полупроводников. Эти вопросы нашли свое отражение в целом ряде монографий [1-4]. В последующие годы получили развитие исследования колебаний и волн в ограниченной и низкоразмерной (в том числе неоднородной) полупроводниковой плазме. Отличительной особенностью плазменных колебаний и волн в ограниченных и низкоразмерных системах является их связь с поперечными электромагнитными полями в окружающих средах. Поэтому в значительной степени работы по изучению свойств этих колебаний были инициированы задачами спектроскопии поверхности и границ раздела полупроводников с помощью электромагнитных волн.
Для поверхностной плазменной волны на границе полупроводника (или металла) был введен специальный термин - "поверхностный плазменный поляритон". В общем случае под термином "поляритон" понимается электромагнитная волна, связанная с каким-либо собственным элементарным возбуждением системы [5]. Различным аспектам физики поверхностных плазменных поляритонов и их применения для спектроскопии поверхности и границ раздела полупроводников посвящены несколько монографий [5-8] и обзорных статей [9-12].
Как известно, на поверхности полупроводников [13] и в полупроводниковых гетеропереходах [14] могут образовываться электронные слои пространственного заряда. Если толщина слоя сравнима или меньше длины волны электрона, то энергия попе-
речного движения последнего квантуется, образуя дискретный спектр, в то время как движение электрона в плоскости слоя остается свободным. Таким образом, реализуются слои двумерного (21?) электронного газа. Плазменные волны, существующие в 21? электронных системах, получили название двумерных плазменных волн (21? плазмо-нов) [14]. Двумерные плазменные волны можно, в принципе, также отнести к классу поверхностных плазменных поляритонов, т.к. в них присутствует поперечная (к направлению распространения волны) компонента электрического (и магнитного) поля. Однако по отношению к 21? плазмонам такой термин практически не употребляется. Это, по всей видимости, связано с тем, что первоначально основное внимание уделялось исследованию сильно замедленных 2/? плазмонов, которые в большинстве случаев (но не во всех) с достаточной степенью точности могут быть описаны в электростатическом приближении.
Внешнее магнитное поле существенно изменяет вид спектров поверхностных и двумерных плазменных волн. Различают три основные взаимные ориентации внешнего магнитного поля В0, вектора внешней нормали к поверхности плазмы п и двумерного волнового вектора к (кп = 0) волны [11, 12]. Две взаимно ортогональные ориентации магнитного поля в плоскости поверхности плазмы (В^п = 0) получили специальные названия геометрии Фарадея (к\\В0) и геометрии Фойгта (к1.В0). Третья ориентация соответствует нормальному к плоскости поверхности плазмы направлению магнитного поля. Последняя ориентация магнитного поля используется главным образом в структурах с 2Б электронной плазмой.
Известно, что вследствие того, что диэлектрическая проницаемость кристаллической решетки полупроводника отлична от единицы в спектре магнитоплазменных поверхностных поляритонов, соответствующем геометрии Фойгта, возникает разрыв дисперсионных ветвей в полосе частот распространения объемных волн в полупроводнике [9]. Другой эффект, к которому приводит присутствие внешнего магнитного поля, заключается в появлении новых дисперсионных ветвей поверхностных магнитоплазменных поляритонов, связанных так называемыми виртуальными плазменными
возбуждениями [9, 11]. В отличие от реальных (неизлучающих) поверхностных собственных плазменных колебаний виртуальные возбуждения не могут существовать в системе без внешнего воздействия сколь-нибудь продолжительное время из-за их радиационного распада. Однако, связываясь с поперечными электромагнитными полями, виртуальные колебания приводят к возникновению нового типа поверхностных магни-топлазменных поляритонов [11, 12].
Несмотря на то, что в области исследования поверхностных и двумерных магни-топлазменных колебаний и волн выполнено большое число работ, некоторые важные проблемы были исследованы неполно. К ним относятся, в частности, исследование дис-сипативных эффектов при распространении поверхностных магнитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и изучение влияния частотной зависимости динамической диэлектрической проницаемости окружающих сред на спектр двумерных плазменных волн.
Для возбуждения сильнозамедленных плазменных волн в 21) электронных слоях внешними электромагнитными волнами обычно применяются периодические элементы связи с периодом, определяемым длиной возбуждаемой плазменной волны [1517]. В субмиллиметровом диапазоне электромагнитных волн период решетки элемента связи составляет величину порядка микрона. В качестве элемента связи используются латеральные (плоскость решетки параллельна плоскости 21) электронной плазмы) металлические решетки или создается стационарное периодическое распределение концентрации электронов в самой 21) системе.
Строго говоря, процесс взаимодействия электромагнитных и 22) плазменных волн на периодическом элементе связи должен рассматриваться на основе общего электродинамического подхода. Тем не менее наиболее распространенной до настоящего времени была электростатическая постановка задачи о 20 плазменных колебаниях в структурах с периодическими решетками. В рамках электростатического приближения удается объяснить многие особенности спектров возбуждения 21) плазмонов при слабой связи электромагнитных и 2Б плазменных волн. Однако, если ситуация не соот-
ветствует случаю слабой связи, электростатическая теория становится неприменимой. В частности, с ее помощью не удается объяснить экспериментально наблюдаемые ширины линий электронных плазменного и циклотронного резонансов, а также адекватно описать сдвиг плазменного резонанса при изменении структуры элементарной ячейки периодического элемента связи. Это требует разработки строгой электродинамической теории взаимодействия электромагнитных волн с 2.0 электронными системами на периодическом элементе связи.
Характерная особенность электронной плазмы в полупроводниках заключается в возможности ее перехода в термодинамически неравновесное состояние при практически реализуемых интенсивностях внешних воздействий. Одним из наиболее распространенных способов создания неравновесной плазмы в полупроводниках является разогрев электронов в сильном электрическом поле. Электромагнитные явления в плазме горячих электронов в полупроводниках интенсивно исследовались в последние десятилетия как с точки зрения изучения физических свойств самих горячих электронов, так и с целью разработки новых принципов генерирования и преобразования электромагнитного излучения в интересном с научной и практической точек зрения, но сравнительно мало освоенном до настоящего времени в приборном отношении терагер-цевом частотном диапазоне [3, 8, 18-21]. В то же время ряд важных вопросов оставались открытыми. Среди них - вопросы о влиянии анизотропии динамической поляризации плазмы горячих электронов в сильном переменном электрическом поле на распространение и нерезонансное преобразование частоты слабой электромагнитной волны и о закономерностях взаимодействия горячих электронов с ансамблем собственных плазменных колебаний.
Из вышесказанного следует, что исследования электромагнитных волновых явлений в ограниченной, двумерной и неравновесной электронной плазме составляют содержание одного из перспективных современных направлений развития электродинамики плазмы твердого тела и поэтому проведение работ в этом направлении представляется актуальным.
Цель диссертационной работы. Основной целью настоящей работы является развитие теоретических основ волновых явлений, обусловленных взаимодействием электромагнитных полей, электронов и плазменных колебаний в ограниченной, двумерной и неравновесной электронной плазме в твердом теле. При этом особое внимание уделяется обоснованию использования исследуемых эффектов для решения задач экспериментального изучения свойств электронной плазмы в полупроводниках и для разработки новых способов генерации и преобразования электромагнитных волн в крайневысокочастотном (КВЧ) и терагерцевом диапазонах.
С учетом описанной выше степени разработанности темы в диссертации проведены исследования ряда актуальных научных проблем, решение которых имеет важное значение с фундаментальной и прикладной точек зрения:
- роли диссипативных эффектов в процессах распространения поверхностных маг-нитоплазменных поляритонов на границе раздела полупроводник-диэлектрик и в процессах преобразования поверхностных волн в объемные в плоских структурах металл-диэлектрик-полупроводник;
- влияния частотной зависимости динамической диэлектрической проницаемости кристаллической подложки на спектр 2Б плазменных волн;
- процессов взаимодействия электромагнитных волн с плазменными, магнитоплаз-менными и циклотронными колебаниями электронов в латерально-периодических структурах с 21) электронной плазмой, в том числе процессов генерации электромагнитных волн в таких системах;
- динамических волновых эффектов при распространении электромагнитных волн в периодически нестационарной плазме горячих электронов в полупроводнике;
- эффектов взаим
