Исследование электрических доменов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ А1МДЕМИЯ ЯШ «ШШО-ТШИЧНСКИЙ ШЛШУГ им.А.Ф.ИОЗФЕ

Ка правах рукописи

ШУР МИХАИЛ сшович (США)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДОМЕНОЗ (01.04.02 - теоретическая физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе РАН.

Официальные оппоненты: ВОРОБЬЕВ Л.Е., доктор физико-математических наук', профессор;

ГРИБНИКОВ З.С., доктор физико-математических наук, профессор;

ШМАРЦЕВ Ю.В., доктор физико-математических наук, профессор.

Оппонирующая организация - Институт физики полугхроводников,

Вильнюс, Литва.

Защита состоится " " 199$ г. в (0 часов

на заседании специализированного совета Д 003.23.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе по адресу: 194021 Санкт-Петербург, з'л.Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному вше адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан

УченыЕ секретарь '-

Специализированного совета Д 003.23.02,

доктор физико-математических наук Л.М.СОРОКИН

РОСС''* С-КАЯ ПОСУДА" I ГЕННАЯ

БИБШОТЕКА

ОБЩ ХАРАКТЕРИСтаКА РАБОТЫ .

Актуальность работы. Исследования доменной неустойчивости представляют значительный интерес как с физической точки зрения, так и с точки зрения многочисленных практических приложений. На основе результатов таких исследований бани созданы мощные генераторы СВЧ, усилители СВЧ, многочисленные аналоговые и логические приборы, стабилкзеторы тока и другие устройства. Весьма перспективным представляется использование доменов сильного поля для модуляции света, генерации ультразвука зпдоть до частот 10 ...10 Гц и т.д. Большинство этих практических приложений основано на использовании ганновской доменной неустойчивости, изучении которой и посвящена основная часть нашей работа. В диссертации рассмотрен также новый тип доменкой неустойчивости, возникающей в сегнетоэлектряках-полупроводниках.

Эффект Ганна был открыт э 1963 году, и почти сразу же стало появляться большое число теоретических и экспериментальных работ, посвященных физике эффекта и его практическим приложениям.

Теория, объясняющая эффект Ганна, была а основном развит* в работах В.Д.Бонч-Вруовича, А.Ф.'Волкова, П.Батчзря и У.Фосет-та, Б.Найта и Ди'.Петерсона и других.

Цель настоящей работа состоит в исследовании новых фиги-ческих явлений, протекающих в условиях доменной неустойчивости, и рассмотрении приборов на основе эткзе явлений.

Научная новизна работа заключается в следулцем.

I. Для доменной формы неустойчивости ч условиях эффекта Ганна развита аналитическая теория, позволяющая э хоросеи согласии с эксперименгальншии результатами и результатами численных расчетов описать зависимость параметров стабильного домена от параметров образца и приложенного напряжения для предельных случаев малой и большой концентрации электронов, вольт-мперную характеристику образца с доменом, пороговое поле исчезновения домона, процесс формирования домена и его перестройки при изменения напряжения.

2. Исследовано влияние внезиего магнитного поля и собственного магнитного'поля тока на параметра эффекта Ганна.

3. Определены зависимости интенсивности ультразвука, генерируемого диодом Ганна, от параметров образца и напряжения-смещения. Показано, что введение а диод Ганна ультразвука сравнительно небольшой интенсивности монет обеспечить модуляцию ганновской генерации звуковой волной.

4. Предложены новые способы модуляции света, основанные на использовании краевого электроопгкческого эффекта и на снятии электрическим ьолем сдвига Яосса-Бурштейна.

5. Показано, что в полупроводниках с двумя сортами носителей могут распространяться волны объемного заряда и квазинейг-ральные волны. Указано на новый, полевой, механизм затухания (или нарастания) квазинейтралькых волн. Предсказана возможность неустойчивости кмзикейгральньгх волн и проанализированы условия ее возникновения..

6. С помощью нелинейной теории определены форма и скорость доианав в диодах Ганна с двумя сортами носителей (электронами у дырками). Показанр, что дырки ускоряют двиаеше домена, ограничивают его амплитуду й обусловливают возмоеность распространения доменов как от катода к аноду, таг и в обратном направлении. В условиях сильного захвата дарок могут возникать медленные домены сильного поля, распространявшиеся от анода к катоду.

7. Разработаны математические модели на ЭВМ, описывающие поведение генератора Ганна. С их помощью рассчитаны зависимо«1» КГЩ генератора Ганна от параметров домена и внешней цепи. Пред сказана возможность работы диода в гибридном режиме. Рассчитан! параметры диода Ганна, характеризующие его как элемент логических схем. Предложено использовать диод Ганна в качестве стабилизатора тока. Доказано, что,используя нарастание квазинейтрал! ных волн, ' мокко осуществить новый способ усиления СВЧ колебаний. ■

6. Показано, что в сегнетоэлектранах-лолупроводниках иохе: реализовкзаться новый тип зелн электрической индукции: своеобразные сегнетоэлектрнческое домены, движущиеся во внешне« элек-

тричесном поло. Построена линейная м нелинейная теория таких водз.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Многий важные свойства приборов, основанных на эффекте Ганна, могут быть объяснены и рамках феноменологической теории. Такая теория, развитая в диссертации, позволила предсказать различна в пороговых полях зарождения и иечеэшззкия доменов сильного поля, рассчитать времена армирования и рассасывания доменов и импеданс образца с распространяющимся по не."-у доменом в хорошем согласии с экспериментальными данными и результатами численных расчетов.

2. Магнитное поле оказывает сильное влияние на параметры эффекта Ганна. Эффекты, обусловленные влиянием магнитного поля на эффект Ганна, впервые наблюдались экспериментально и были интерпретированы*теоретически в работах, вошедаих в настоящув диссертации. В нестоящее время эти эффекты широко используются для контроля качества диодов Ганна.

3. Разогрев электронов (или дырок) электрическим полем в вырожденном полупроводнике приводит к изменению поглощения света за счет снятия вырождения и уменьшения или полного исчезно-вения сдвига Мосса-Вурштейна. Этот эффект, предсказанный в диссертации, был позднее использоввн для прямого экспериментального измерения температуры неравнооеснях электронов в полупроводниках.

4. В образцах о двумя сортами носителей - электронами и дырками - эффект Ганна приобретает качественно новые черты, впервые предсказанные и обобщенные в работах, вошедших в диссертацию. В дополнение к обычной неустойчивости волн объемного заряда может возникнуть неустойчивость кваэинейтральных волн.

В полупроводниках с положительной дифференциальной подвижностью такие волны аатухаюг, приводя к новому механизму затухания флуктуации плотности электронно-дырочных пар. В полупроводниках отрицательной дифференциалы-, й подпикностьи такие волны могу нарастать, привод« к возникновению доменов нового типа. Такие домены могут распространяться от акода к катоду. £роме того.

б

наличке дырок маке? приводить к существенному уменьаеиию амплитуды поля в домене, Изложенная, в диссертации теории этих эффектов основана на методе, схожем с методом малого трения.

5. Развитая в эоиедаих в диссертацию работах аналитическая теория позволила создать эффективную компьютерную) модель для генераторов Гакна. Модель позволила предсказать новый реадвд работы таких генераторов - гибридный реки;.;. В сантиметровой области СВЧ диапазона ото? режим п настоящее время является одним из основных.

6. В лолупроаодниках-сегнетоэлектршсах носители заряда могут экранировать электрическую индукцию в доменных стенках. В этом случае стенки могут двигаться во внешнем Электрическом поле. Математический анализ этих явлений кокет быть выполнен методах«, аналогичными методам анализа обычного эффекта Гакна.

Практическая ценность работы состоит в развитии теорети- • ческих представлений о новых типах волн в полупроводниках с двумя сортами носителей и сегнетоэлектриках-полупроводниках, построении аналитической теории, позволяющей определять параметры домена и образца с доменом в хорошем согласии с экспериментальными "результатами и результатами численных расчетов, исследовании ковш: физических: эффектов: модуляции ганнозской генерации ультразвуком, модуляции света за счет краевого электрооптического эффекта и снятия электрическим полем сдвига Мосса-Бурштейна. Ряд полученных результатов позволял объяснить экспериментальные данные но движению доменоа в образцах с дырками и явлениям в сегнетоэлектриках-полупроводникэх. Предложены простые инженерше модели расчета параметров генераторов Ганна на 33-'.1. С их помощью предсказан новый эффективный режим работы ганновеких генераторов - гибридный режим. Развит аналитический подход к расчету параметров диода Ганка как элемента логических схем.

. Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по усилении и генерации в СВЧ к оптическом диапазоне 58, Гамбург,'1968 год), на Международной конференции по усилению и генерации-в

СБЧ и оптическом диапазоне («044-70, Амстердам, 1970 год), на Международном симпозиуме по неустойччвостям и плазме и твердом геле (Вильнюс, 1971 год) , на Всесоаоной конференция по (Томск, 1968 год), на Всесоюзной конференции по физике сегшто-эдектричесева (Рига, 1968 год,, на Всесоюзном сешнаро по технологии сегнетоэлектршсов (Москва, 1969 год), на Всесоюзном симпозиуме по сегквтшдектрикам-полупроводникам (Роетов-на-До-иу, 1969 год), на Республиканской конференции по оот;ей к прикладной физике (Алиа-Аг'а, 1970 год), ка Всесоюзном симпозиуме по генерации СВЧ колебаний диодом Гакна (Новосибирск, 1973 год), на Ученой Совете АН СССР по комплексной проблеме "Теория твердого тела", на семинаре кафедра теоретической физики ¡¿ГУ, на семинара кафедры полупроводников МГУ, на семинаре в 11РЭ АН СССР, ка семинаре полупроводниковых лабораторий Института физики полупроводников (Литва), на объединенном семинаре полупроводниковых лабораторий СМИ нм.А.Й.Иоффа, а также на семинарах лаборатории неравновесных процессов йТИ, семинарах лаборатории сегнетоэлектрлчестаа £ТЙ и на семинарах секторов теоретического отдела ФТИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 работ, 6 обэоргч и монография. Перечень работ приведен в концо реферат.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации 258 страниц, в том числе 205 'страниц текста и 53 рисунка. Список литературы включает 172 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введении дается обцал характеристика работы, формулируется цель работы, кратко излагается содержание, отмечаются эсновные результаты работы и представленные к защите нзучкыо юложения.

Первая глава носит вводаай, обзорный характер. В ней каче-;твенно описывается физическая картина эффекта Ганяе и кратко

рассматриваются■генераторы и усилители СВЧ на диодах Ганна.

Вторая глава посвящена теории эффекта Ганна.

В § I главы Л описаны рнзличныэ модели, используемые в литераторе для описания эффекта Ганна, и приведены основное уравнения так называемой'телевой модели, в которой предполагается, wo дрейфовал скорость электронов является локальной функцией электрического ноля. Второй параграф посвящен изложению теории' стабильных доменов. Обцее решение, списывающее профиль заряда в стенках домена, было получено б работах Батчера и Фосетта, Бонч-Бруевича, Волкова и других. Исходя из этого решения, в § 2 получеш аналитические выражения, описывающие профили зарада и поля в сгекках.домена, вольтамперную характеристику образца с доменом и зависимость порогового поля исчезновения дамана от параметров образца. Зги выражения получены для двух предельных случаев ~ малой и большой концентрации электронов П0 (па ГЪкр и П0 » , где - характерное значение концентрации электронов, зависящее от диэлектрической проницаемости образца, коэффициента диффузии и параметров зависимости дрейфовой скорости электронов от электрического поля. Дня Gaߣ flnp составляет ~ 2-Ю-40 см~э). Результаты аналитической теории хорошо согласуются с экспериментальным, данными и результатами численных расчетов параметров домена на ЗЕ'<1.

Третий параграф главы II посвящен динамике ганновских доменов. В нем подучено уравнение, описывающее процесс формирования ганновских доменов боль.кой амплитуды при П0 П,хр. Решение этого уравнения позволило получить простое аналитическое выражение;, определяющее связь между временем формирования домена и параметрами.образца. Проделаны также численные расчеты времени формирования домена и показано, что1 аналитическая теория хорошо согласуется с результатами этих рксчетоз, а также с экспериментальном денными и результата' л численных расчетов других авто-роз. .Рассчитан также практически важный процесс, реакции образца с доменом на импульс напряжения ступенчатой формы.

§ 4 главы G посвяцен исследована влияния магнитного поля на эффект Ганка. Сильлое влияние магнитного поля яа эффект' Гак-

на было впервые обнаружено наш? в работах [I, 2] на образцах с малым отношением //¿^ , где / - длина, сС - поперечной размер диода. Как показано в работах [I, 2] и в 5 3 глазы П, это влил-ние связано с геометрическим кагнетосопротивлешсй образцов. 3 5 3 приведены экспериментальные и теоретические зависимости порогового поля Е^ , порогового тока и другхх ппрамзтроз, характз-. ризукгдих эЗДект Ганна, от величины поперечного магнитного поля. В этом параграфе содержится такие расчет влияния собственного магнитного, поля на офйект Гекна и показано, что такое влияние становится сущестзешьс.! линь при ^с/, 2-10"° см"'*.

Глава Ш посвяг.оча рассмотрению различна:: физических явлений, связанных с эффектом Ганна. 3 § I этой главы содержится теория генерации ультразвука в диодах Гзмна. Впервые на возможность генерации ультразвука в диодах Ганна указали Гринберг и Кастальский. Ими были рассчитаны вклады в интенсивность ультразвука, генерируемого благодаря периодическому измеиежао поля вне домена и движению домена вдоль образца. Однако, как показано з наших работах [3, 4], более существенный вклад в интенсивность генерируемого ультразвука дают процессы изменения поля в приконтактных областях при формировании и исчезновении домена. Результата изложенной в 5 3 теории качественно согласуются с экспериментальными д акныш.

В § 2 главы 1У описан предложенный как и механизм модуляции ганновской генерации ультразвуковой волной. Возможность такой модуляции связана с тем, что ультразвуковая волна вследствие пьезоэффекта создает в образце переменное электрическое поле. В случае, когда длина волны ультразвука меньше длины диода, мозено осуществить ситуацию, при которой суммарное электрическое поле в точках максимумов переменного электрического поля будет больше В^ , а в узлах - меньше Е{ . При этом гакновская генерация будет возникать, очевидно, только при введении а образец ультразвуковой волны. Если ке амплитуда переменного пол*1 достаточно велика, так что поле в максимумах превышает , а в минимумах пеньке порогового поля Еа , то размер -Сласти, ь которой генерируются домены сильного поля, будет пределяться длияой волни ультраачу-Приведенное в 5 И оценки ¡юкрзмззэт, что в зависимости от

параметров диода Гайка, интенсивность ультразвук;:, необходимая дта осуществления модуляции, ыохет делать в предела): от долей Вт/ем*" до величины порядка сотни Вт/с;.;"*.

3 5 3 глуви рассмотрены два предложенных нали способа модуляции света - за счет краевого электросптического эс| Ьекта [б"} и зэ счет снятия греющим электрическим полз:« сдвига края погло-щааап «осеа-Буратейна о выровденнах полупроводниках [б].

Первый из этих способов основан на сочетании электрооптического к краевого оффзятов. Для осуществления модуляции к боковой поверхности образца прижимается пластинка, изготовленная из ве'доогва с большей константой о л е кт р о о пти ч е с ко г о взаимодействия. Благодаря кРаезому эффекту поле из образца (например, поле домена) проникает в контактирующее с образцом вещество. Пропустав луч света через область, в которую проникает поле, кокко наблюдать линейный злектрсспткческкй эффект. Такая система может бьггь использована как для модуляции свита, так н для исследования, распределения шля в образце (саетоыой зонд)„ Этот способ может быть принензи для исследования ляооро полупроводника независимо от ширины запрещенной зоны и константы электрооптического взаимодействия. Экспериментально кл наблюдали краевой олектрооптиче-ский аффект, пропускея луч гелаЕ-нноксвого лазера через кристалл ВД? вблизи границы кристалла и плотно прижатого к нему обратно смененного кг,эскизного диода.

йгорой предложенный нами в з 3 з^фект экспериментально проверялся Хенраком и Лантшем на образцах ка (га 5/. Они регистрировали изменение сдвига Мосса-Бурстейка края поглощения при изменении температуры реиетки к при изменении электрического поля. Из сравнения этих двух зависимостей определялась зависимость эб-фект:-;зьоГ: электронной темяерату.« от электрического поля. Такой метод определения электронно..; температуря обладай* значительными пре^уцестнамг. пер ?д дотгмми метедккеиа к^л-рьний.

Г::--.г.:й 1У посвяцена исследованию эфлеуто Ганна в полупроводниках с двумя сортами носителей ['>'-11^. 3 первом параграфе э^ой главц рассмотрены волны носителей зярядп в полупроводниках с Двузд сортами носителей. В полупроводниках с двумя сортами но-

сителей так ъе, как и чисто электронном или чисто дырочном полупроводнике, возмогло распространение волн объемного заряда, затухающих' или няраст."Шк.х (в зависимости от знака дифференциальной проводимости). Однако, как было показано еще в начале пятидесятых годов в работах Хейкса и Шохли, з них усгут распространяться тшгае квазиией'градьннз флуктуации электронов к дн-рик, объемный заряд которых мал по сравнению с зарядом отдельно электронов.и дырок во флуктуации. Как показали Хайнс г. Шотсли, такая хваэииейтркльная флуктуация движется во внешнем электрическом поле с оибиполярной скоростью и затухает благодаря процессам амбипояярной диффузии. 3 § 3 показано, что существует еце один механизм изменения амплитуды квазинейтральной флуктуации, доминирующий при достаточно сильных электрических поляк. Этот (пслевой) механизм связан с отклонением от нейтральности з области флуктуации. В случае, когда для электронов и дорок выполняется закон Ома. справедливо соотношение Эйнштейна, аnozpo (где Пс и ра - стационарные значения концентраций электронов и дырок), условно того, чтобы затухание вследствие полевого механизма доминировало над затуханием, связанным с амбиполяркой диффузией. имеет особенно простой вид: <f£ 7 > / , где Т- температура решетки, <5- диэлектрическая проницаемость образца. Например, при ра = см"3 к комнатной температуре полевой механизм доминирует :ри Е > I кВ/см. Для Оо.Яз такое поле при комнатной температура не яллязтея греющим. Как показано в 5 I, измерение зависящею от поля декремента затухания может бьггь испольг.овано для экспериментального определения подвижности носителе;',, з частности, для измерения подвижности носителей с малой проводимостью в собственных полупроводниках, когда. стандартная методика Хайнеа-Шокта не годится.

3 диодах Ганна при наличии ъ них электреюв и дырок вблизи порогом > поля эфф^хта Гякнч существует область полей, в которой полная дифференциальная проводимость образца положительна, в дифференциальная проводимость электронов отрицательна. 3 5 1 показано, что в этой области полей, ;э ki opof волны обьгмного заряда затухают, кваэинейтряльныо волни могут нарастсть, и пай-

дены условия неустойчивости3^. Такой новый тип неустойчивости кокет быть использован для реализации предложенного нами нового способа усиления СВЧ. колебаний - усиления на квазинейтральных волнах- Проимуцеством этого способа усиления является возможность резкого (в принципе, на несколько порядков) ух.сличения выходной мощности усилителей Гаша, поскольку при усилении на квазинейтральных волках снимаются ограничения сверху на произведение Пс1> (критерий Кремера), существенные при стандартном способе усиления с помощью нарастающих волн объемного заряда.

В § I рассмотрено такке Влияние на неустойчивость квазинейтральных волн захвата носителей заряда на пр^чесныз центры.

3 области полей, в которой полная дифференциальная проводимость образца отрицательна, з полупроводнике с двумя сортами носителей так же,как и в чисто дырочном или электронном полупроводнике, нарастазт волны объемного заряда и могут возникать домены сильного поля. Теории доменов сильного поля, возникающих в таких системах, посвящен § 2 глДУ. Теория основана на реоении системы уравнения Пуассона и уравнеь.>й непрерывности для электронов и дьгрск. Исследуются решения, соответствующие стабильным дойкам, распространяющимся в длинном образце. При этой все величины зависят лгать от ОС- иЬ (здесь ¿с , - пространственная координата и время, и- - скорость домена), к исходная система уравнений значительно упрощается. Параметры доменов определяются с пс ,ощь:о метода последовательных йриближений. 3 нулевой приближении определяется профиль заряда в стенках домена, в первом. приближении - его скорость. Такое рассмотрение справедливо при сравнительно боль них концентрациях электронов (Пс >/7^" Г 10~э с:.Г3 для когда плотность объемного заряда в доке-

ке мала пс сравнении с полным зарядом электронов проводимости в единице объе:,:а. Результаты расчета показывает, что дырки узэли-

хН1а приниипиельнук Еоггакность неустойчивости золн при отрицательной прсзод;и:остк носителей одного знака и положительно?, полной дг.^ерзир:а.тьной проводимости указывалось в работах Кикзидзе, гугадзе и Фетисова, а так*» Бонч-Бруевича у. Хс::уто-

чивают скорость домена и уменьшают его амплитуду. При достаточно больной концентрации дырок в поле в домене может упасть до ~ 20...25 кВ/см по сравненкп с величиной ~ 100...150 кВ/см в чисто электронном образце, а скорость домена может значительно превысить, скорость электронов вне домена. Кроме того, становился возможным существование доменов двух типов - распространяющихся от катода к аноду образца и в обратном направлении. При большой концентрации днрок ( р0 > 10^ см"3 для (Яг Аь) эти домены имеют почти одинаковую форму и близкое (по абсолютной величине) значения скорости и " \/93п > ГДЭ ~ коэффициент диффузии электронов, - максвелловское время дырок. Отличаются эти домены вкладом дырочной компоненты в плотность объемного заряда в стенках домена.

Заметим, что при достаточно большой концентрации подвижных дырок исходную систему удается решить, не прибегая к методу последовательных приближений. Таной расчет приводит к тем же результатам, что и расчет с помоцью метода последовательных приближений.

Полученные в § 2 результаты объясняют экспериментальные данные Хикса и Гуетина, наблюдавпих увеличение скорости домена и уменьшение поля в домене в -диодах Ганна при наличии

дырок, и результаты Барса, набладаЕшего увеличение скорости домена в 1п Р в присутствии дырок. Они подтверждаются также экспериментальными данными Судзиловского, полученными на образцах из

&А-

Результа и § 2 могут иметь важное практическое значение, ■ поскольку уменьиение поля в домене позволяет предотвратить ударную ионизация зона-зона, т.е. снять одну кз основных физических причин, приводящих к зыходу генераторов Ганна из строя-. Увеличение скорости домена при наличии дырок может быть использовано для расширения частотного диапазона работы генераторов Ганна в пролетных реаимах и для управления часютой ганновсчой генерации. Некоторые дополнительные зозисяяости открывается такге для модуляции еэгта до^гна;«.

Эффект 'Ганна часто исследуют в компенсированных образцах

¿'»/У.?, в которых, существен захват носителей на примесные центры. В 5 3 глаза ТУ рассмотрены свойства доменов сильного поля в компенсированном материале при наличии дырок. В кем показано, что в некотором диапазоне значений концентрации подвижных дырок возможно существование доменов двух типов - доменов, почт-и полностью аналогичных обычным ганкорским доменам, и медленных доко-нов, распространяющихся от анода :< катоду образца,- Объемный заряд в стенках медленных доменов связан, а основном, с зарядом примесных центров. Часть результатов, содержащихся з этом параграфе, подучена с помощью метода последовательных приближений. Однако для определения границ значений параметров, г^ри которых могут аблядаться медленные домены, причлось прибегнуть к численному решению исходной системы уравнений на ЗИМ.

Глава У диссертации посвящена исследованию работы приборов нэ основе эффекта Ганна. В первом параграфе зтой главы описан предложенный нами стабилизатор тока на диоде Гакиа [12, X""]. Преимуществами такого стзбияизатсуа являются малое время установления стабилизации, широкий частотный диапазон, работы, малые габариты и отсутствие дополнительна источников питании.

В 5 2 рассмотрен поедложенинй нами способ усиления С¡34 колебаний на квасинеИгральных волнах. Получены критерии, выполнение которых необходимо для получения усиления, и показано, иго эти критерии могут быть легко удовлетворены, например, в -диодах Ганна. Показано таете, что выходная мощность усилителей на квази нейтральны.* волках моясет на несколько порядков превысить выходную мощность Ганновских усилителей на нарастающих волнах объемного заряда.

§ 3 главь. У посвящен теории генераторов Ганна. В нем содержится описание математической модели генератора Ганна но ЭВМ и приведены рассчигтдаке с пошцыо стой модели зависимое?'- ЩЦ генератора Ганна от параметров образца и напряжения смещения [1419]. Один из основных результатов этого параграфа [14] указывает на возможность эффективной генерации в гибридном режиме, т.е. на частотах порядка обратного времени формирования домена. Впоследствии такой режим работы наблюдался экспериментально к ока-

змея особенно ¡эффективным на частотах десятисантиметревого диапазона.

В & 3 главы V получен также простой критерий, определяющий, 5 ка';см из режимов рабстц (пролетном или 01103) работает генератор Ганна, и на сснозе этого критерия дани интерпретация описанных а литературе экспериментальные ре::ииоз работы.

3 § 4 главы У на основе изученных в гл.II результатов, относящихся к формированию домена сильного поля, произведен расчет простейшей ганнозеней логической схемы - импульсного усилителя на дюде Ганна. &тот расчет позволяет определить-зависимость крутизны выходного импульса от параметров образца и сопротивления нагрузки, а ?акке получить критерии, которым долуо удовлетворять сопротивление нагрузки для работа импульсного усилителя Ганна.

Глава У1 диссертации посвящена исследованию нового, предсказанного нами типа неустойчиэости в сегнетоэлекгринах-лслупро-водниках [20-24]. Физическая причина возникновения такой неустойчивости состоит в неустойчивости однодоменного состояния. В обычных сегнетозлектриках эта неустойчивость приводит к разбиению кристалла на сегнетоэлектрические домены. Поскольку в сегнетозлектриках-изоляторах нет сиободных зарядов, дивергенция электрической «ищукцнч в обычных доыенкых стенках равна нулю. В сегнетоэлектрлках-иолупроводникях,благодвря наличию свобод;цвс зарядов, могут реализоваться доменные стенки совершенно другого типа, в которых спонтанная индукция экранируется свободными зарядами. Благодаря тому, что объемный заряд в этих стенках состоит из свободных носителей заряда, они могут двигаться при приложении внешнего электрического поля. Это относится не только к таким своеобразным "доменном стен:;е:л", но и к границе между сег-иетоэлектрической я параэлектрической фазами. Движение границ мекду сегнетсэлзктричоскоЗ к пгрззлектротрсксй ¿азами вэ внешнем электрическом поле ранее наблюдалось нг опыте 3.!,1.§р:;дкикым, Л.!'.Горе-ловим, А.А.Грековым, З.А.ЛяхозкцкеГ: и А.А.Родикым.

л'лозд'1рз эта неустойчивость исследовалась такие в работах Е.З.Чзисхого.

В параграфе 2 гл.У1 содержится линейная теория неустойчивости р еегнетоэлектриках-полуароводниках. Эта теория показывает, что в сегнетоэлектрйке-полупроводнике даже при не зависящей от электрического поля проводимости могут, благодаря отрицательной дифференциальной диэлектрической проницаемости, нарастать волны объемного заряда. В этом пе параграфе с помощью йетода фазовой плоскости классифицируются возможные типы нелинейных решений. , .

§ 3 главы У1 посвящен нелинейной теории волн электрической индукции в сегнетоолектриках-полупроводниках. В кем получены критерии существования движущейся доменной стенки, связанной со свободными носителями, и найден профиль заряда в такой стенке. Исследована также вольтамперная характеристика образца с доменом.

Перечислим в заключение основные полученные в диссертации результаты:

1. Получены аналитические виражения, описывающие в явном виде зависимости параметров стабильного домена от параметров образца и приложенного напряжения для предельных случаев малой и большой концентрации электронов.

2. Для тех ке предельных случаев получены выражения для аольтамперной характеристики образца с доменом и для порогового поля исчозновения домена.

3. Проделан численный расчет параметров стабильного домена и показано, что результаты численного расчета хорошо согласуются п пол/чанными аналитическими выражениями.

4. В рамках упрощенной модели аналитически рассчитан процесс формирования домена и процесс реакции образца с доменом на импульс напряжения ступенчатой формы. Показано, что результаты расчета хороао согласуются с экспериментальными данными и с результатами численных расчетов.

6. Показано, что вьошее поперечное магнитное пол сильно саняот на пороговое полз и порОгоэмй ток Т^ ганиозских колола кий. Теоретически и зкепериментально исследованы зависимости £ (в) и (&)• Результаты расчетов хорошо согласуются с

полученными онспериментальндаи данными.

й. Рассмотрено вликше собственного магнитного поля тока на эффект Гаада. Показано, что это влияние сводится к уменьшению эффективной площади поперечного сечения, охваченной неустойчивостью при заданном напряжении смещения, и что в бО-Лз оно становится существенным при П0(£ 2« см-*".

7. Определены зависимости интенсивности ультразвука, генерируемого диодом Ганна на пролетной частоте и ее гармониках, от параметров образца и напряжения смещения. Показано, что основной, вклад в эту величину дают процессы формирования й рассасывания домена Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными.

8. Показано, что введение в диод Ганна. ультразвука сравнительно небольиой интенсивности может обеспечить модуляцию ган-новской генерации ультразвуковой волной. Предложены два способа такой модуляции.

9. Предложен новый способ модуляции света, основанный на использовании краевого электрооптического эффекта. Этот способ позволяет использовать диоды Ганна для СВЧ модуляции видимого и ультрафиолетового света. Экспериментально продемонстрирована модуляция света обратно смеценшм р-п-перэходом за счет краевого электрооптического эффекта.

10. Предложен новый механизм модуляции света, основанный на снятии греющим электрическим полем сдвига Мосса-Бурштейна. Позднее этот эффект был использован для экспериментального определения температуры горячих электронов ъ $&.

11. Получены дисперсионные соотношения для волн носителей заряда в полупроводниках с двумя сортами носителей.. Показано, что в этих полупроводниках могут распространяться волны Съемного заряда и квазинейтральные волны. Указано на новый (полевой) механизм затухания (или нарастания) квазшейтральных волн.

12. Предсказан новый тип неустойчивости - неустойчивость кзазинсйтрэльных волн - и проанализированы условия ее возникновения.

13. С помочь» нелинейной теории определены еррм«- и скорость

доменов сильного поля в диодах Ганна с двумя сортами носителей. Доказано, что дырки ускоряют движение домена и ограничивают его амплитуду. При достаточно большой концентрации дырок возмонно распространение доменов как от катода к аноду, так и в противоположна» направлении. Полученные результаты объясняют экспериментальные данные по движения доменов в образцах с дырками.

14. Показано, что в условиях сильного захвата дырок могут возникать медленные домены сильного поля, распространяющиеся от анода к катоду. С помощью аналитической теории и численных расчетов на ЭВМ определены параметры медленных доменов и область их существования.

_5. Предложено использовать диод Ганна в качестве стабилизатора тока. Показано, что стабилизатор тока на диоде Генна обладает рядом ваяных преимуществ: малыми габаритами, высоким быстродействием и т.д. Экспериментально исследован такой стабилизатор.

16. Показано, что, используя нарастание квазинейтральных волн, можно осуществить новый способ усиления СВЧ колебаний. Этот способ позволяет резко увеличить выходную мощность и расширить частотный диапазон усилителей Ганна.

17. Разработаны математические модели на ЗЗМ, описывэщме поведение генератора Ганна. С их помощью рассчитаны зависимости КЦЦ генератора Ганна от параметров диода и внешней цепи и предсказана возможность работы диода Ганна в гибридном режиме. Получен простой критерий, позволяющий определить, в каком режиме работает генератор Гениа. . ,

18. Рассчитаны параметры диода Ганна, характеризующие его как элемент логических схем: зависимость' времени переключения от сопротивления нагрузки, допустимые значения сопротивления нагрузки и т.д.

19. Показано, что в сегнетоэлектриках-яолупроводниках может реализоваться новий тип волн электрической индукции - воеоброэ-ные сегнетоэлектрические домены, движущиеся во внешнем электрической.псле. Эти домена возникают вследствие нарастания волн-объемного заряда в сегиетоэлектрмяах-полупроводт:ках из -за отри-

цательного знака дифференциальной диэлектрической проницаемости при значениях поля, меньших коэрцитивного поля, и значениях электрической индукции, меньячх спонтанной индукции.

20. Построена линейная и нелинейная теория таких волн, определена их скорость, профиль заряда в стенках домена, рассчитана вольтамперная характеристика сегнетоэлектрика-полупро-водника с доменом. Предсказанные явления качественно согласуются с экспериментальными данными.

Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в работах [1-35], в обзорах [Зб-40], в брошюре [41] и" в монографии

т.

СПИСОК ШШОЧЕНШХ В ДКССЕРВДИ) РАБОТ •

1.Xevinahtein U.K., Uasledo-v D.lf., Shur M.S. Magnetic field influence on the Gum effect. // Jhys. Stat. Sol. - 1969. -V.33, Ho.2 - P.897-903. .

2. Xevinshtein М.Б., Lvova Т.У., Kaaledov D.N., Shur M.S.. Magnetic field influence on the Srnm effect (II). // Phyo.Stat.Sol. (a). - 1970.- V.1, No.1. - ?. 177-187. .

3. Гущина H.A., illyp M.C. Генерация ультразвука в диодах Ганна/ДЯП. - 1970. - Т.4. - Вда.6. - C.I806-I8I0.

4. Guochina N.A., Shur M.S. Ultrasound generation in Gunn diodes // Proc. VHI-th. Int.Conf.Microw. Optic. Geaer. Amplif., M0GA-70. Amstardnm. - 1970. - ?. 9-37.

5. Краевой электрооптический эффект/И.В.Грехов, Л.¡¿.Кол-чин, М.Е.ЛевинштеЯй, M.C.iliyp/Л'ТП. - 1971. - Т.5. .- Вып.Н. -C.22I6-22I9.

6. Shur M.S. The effect оi the shift of the absorption edge/by electrical field in the degenerate semiconductors // Phya.Lett. - 1969. - V.29A, lio.9. - P. 490-491-

Gelrcont B.L., Shur M.S. She instability of quasi-neutral waves in a Semiconductor v/ith two kinds of carrier // ?hye. Lett. - 1971. - V.35A, No.5. - P. 353-354.

Q. Гельконт 5.Л., Lfyp 11.С. Новый тип неустойчивости в полупроводнике с двумя сортами носителей - неустойчивость квази-нейтрЯяьных волн//ФТII. - 1971. - Т.5. - Вып.б - C.I082-I086.

9. Гельмо г В.Л., liiyp М.С. Влияние дырок на эффект Ганна// Труды симпозиума по физике плазш и электрическим неустойчиьос-тям в тзердьпс телах. - Вильнюс, 1978. - С.253-261.

10. Гедьмонт БД., Щур М.С. Домен сильного поля в диодах Ганна с двумя сортами носитаййй//2ЭТЗ!. - 1971. - Т.60. - Выл.6. - С.2296-2307.

П. Gelmont B.L., Shur U.S. High field Gunn.domains.in the presence of.electron-hole pairs // Pfaya. bett. - 1971. -V.36jt, Ко.4. - P. 305-306.

12. Левинштейн M.E., Щур М.С. Стабилизатор тока на диоде Ганна//^'ГП. - 1969. - Т.З. - Вып.7. - 0.1035-1087.

13. А.с. 267706. Стабилизатор тока/М.Е.Левинштейн, М.С.liiyp /f&.'A. - 1970. - » ГЗ.

14. Dizhur D.P., levinshtein M.E., Shur U.S. Computer calculations of. the efficiency of the Gunn generator // Electron, lett. - 1963. - V.4, Ho. 21. - P. 444-4+6.

15. Dizhur D.P,, Levinshtein M.E., lfaaledov D.H., Shur I'.S. Computer model of the Gunn diode // Proe VTI^th Int.Conf. Microw.Optio.Gener.Amplif. MOGA-68. Hamburg.-1968. - Р.4Э6-441;

16. Kuznetsor K.V,, levinahtein M.E., Shi.- M.S. The investigation of the Gum diode operation in. a resonator using the computer model // Soli State Electron.-1971.-V. 14,Но.3.-P.207-:

17. Levinshtein M.E., Shur M.S. Computer-calculations of the effioien of the Gunn generator // Proo. VHI-th Xnt.Gonf. Mi crow. Op tic. Gener. Aroplif.M0GA-70. Amafcerdam. -1970. - P. 20-30.

16. Levinshtein M.E., Puahkareva L, 3., Shur M.S. Influence of the second liermonio of a resonator on tha parameters of a Gunn generator. // Electron Lett, - 1972. - V.S, Ho.2. - P.31-3

19. Левинштейн U.E., Пушкаре 8<з Л.С., Щур Ml С. Влияние второй гармоники резонатора на параметры генератора Ганна, рабо-

тающего в режимах пролетных мод и гибридном режиме//Радиотехни-ка и электроника. - IS73. - T.IS. - Вып.З. - С.667.

20. Шур Ц.С. Возможность неустойчивости в сагнетоэлектри-ческдас кристаллах с полупровод.шковыш свойствами//ЙТ. - 1968. - Т.10. - Вып.9. - С.2652-2657.

21. Шур М.С. К теории волн, электрической индукции в сегне-тоэлектрических кристаллах с полупроводниковыми свойствами// ■«ИГР. - 1968. - T.I0. - Вып. 12. - С.3560-3566.

22. Щур U.C. Типы волн электрической иццукции в сегнето-электриках-полупроводниках с фазовым переходом первого рода при', температурах выше температуры перехода//5ТТ. - 1968. - Т. 10. -Вып.12. - С.3684-3687.

23. Шур М.и. Новый механизм доменной неустойчивости в сег-нетоэлектриках-полупроводнкках//ИТ. - 1969. - Т.П. - Вып.9. -С.2506-2510.

24. Щур Ь2.С. Теория волн электрической индукции , в сегкето-электрических кристаллах с полупроводниковыми СЕ0йствами//Иэв. АН СССР. Сер.физическая. - 1969. - Т.ЗЗ. - № 2. - C.207-2I2.

25. Levinshtein U.E., Shur M.S. Behaviour of he high-field, domains below the voltage.of the nuoleation threshold // Phya. Stat. Sol. - 1966. - V.2B, Ho.2. - Î. 827-830.

26. Левинштейн M.E., Шур M.С. Простая аналитическая теория поведения домена сильного, поля в GtbJ?$ диоде Ганна//Груды 2-го Всесоюзн.совещания яо исследованию Gaßs (Томск, К 3): Приложение к яурналу "Известия вузов СССР". Сер.¿¡тонка. - 1969. -

» 5. - Вып.2 - С.174-177.

27. Шур М.С. О времени формирования и рассасывания доменов сильного п0ля//&ГТ. - 1968. - Т.10. - Вып.10. - C.3I3S-3I40.

28. lllyp Л.С. Аналитическая теория~динамкки"ганяовскйх дс-ыенов/ДТП. - 1973. - Г.7. - Вып б. - 0.1178-1183.

29. Гельконт Б.Л., Иур U.C. Влияние собственного магнитного поля на эффект Генна//ЗГП. - 1970. - Г 1. - Вып.4. - С.722-726.

30. Казаков Д.Л., ¡Lyp U.C. Возможность модуляции г гни о век ей генерации ультразвуковой вояной//£ТЛ. - 1959. - Ï.3. - Зып.6. -C.I250-I252.

31. Казаков А.Л., Щур М.С. Новые пьаэо- и сегнетоматериалы: Сб.статай. - М., 1969. - 236 с.

32. lerinebtein М.Е., 3hur M.S. Calculation of the parameter« of the rciorowave Gunn generator J J Electron.Xett. - 1963. -

V.4, Ho.11. - P. 233-235. . .

33. Gelmont "".b., Star M.S. S-type current-voltege charao- . texistlc in Gunn diodes // J.Pbye.D. - ; 1973.-V.6,lfo.7.-P.842-850.

34. Левинштейн М.С., Шур М.С. Некоторые параметры, характеризующие диод Ганна как элемент логических схем//Радиотехника и электроника. - 1974. - Т.Ш. -» 6. - C.I3X0-I3I2.

35. Левинштейь U.E., Щур М.С. Простой критерий определения рекимоз работы генераторов Гаша//Радио1ехника и электроника. -1974. - Т.XIX. - * 7.. - C.I554-I5&6.

36. Левииштейн U.E., Щур М.С. Влияние на параметры приборов на эффекте Ганна внешних физических условий//Зарубежная радиоэлектроника. - 1974. - ff 1. г П.49-72. .

37. ЛевишггеЯн М.Е., liiyp li.C. Влияние на аффект Ганна контактов и неоднородностей. Обзор//Зарубежная радиоэлектроника. -1973. - » б. - С.Ш-ИЗ.

38. Левинштейн М.Е., Щур М.С. Приборы iia основе эффекта Ганио. Обзор. Часть I. Физические основы работы ганновских приборов и ганновские генераторы CBV/Зарубежная радиоэлектроника. - 1970. - » 9. - С.58-66.

39. Левииштейн М.Ё., %р М.С. Приборы на основе эффекта Ганна. ОЗзор. Часть П. Ганновские генераторы СВЧ, работающие в режиме 0Н03, и ганновские усилители СВЧ//Зарубежнйя радиоэлектроника. - 1970 - № II. - С.50-90.

40. Левишгаейи U.E., Шур М.С. Зффект Ганна//®ГП. - 1971. -Т.5. - Вып.9. C.I791-I827.

41. Шур М.С. Зффект Ганна. - Л., Г971. 78 с.

42. Левииштейн U.E., Цокола Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. -М., 1975. 238 с.