Исследование плазменных неустойчивостей и переноса заряда в полупроводниковых микроструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

^ ~ Белорусский государственный университет

УДК 001.891.57+519.245+621.382

Снзюк Валерий Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВОСТЕЙ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

01 04.04 - 4*ся1чеашя электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учоюй степени кандидата

• ^шжо-мягашшчсшк наук

Минск-1997

Г\йота выполнена в Ф1 шсоо-техничеосом институте НАН Белоус»!

9

Наушый руководитель: доктор (¡хоиюэддагсматческих наук

Тршше Игорь Евгеньевич

Официальные оппонет (ы доктор фкзико-мкгемт-еткхких наук,

профессор Лабуда Антон Антонович

кандидат фюико-мвгемагнчесхих наук Бвнылев Борис Николаевич

Сигкишрукгцая организация: Белэруоский госудирсгоенньй университет

информвшки и радиоэлектроники

Защитасосгошш " 19 "декабря 1997 гада в 10°° чао» ивзасодшш совета тю защите диссертаций Д02.01.10 в Белорусском государственном университете (220050; г.Минск, пр. Ф.Осорины 4, глвисый корпус, вуд. 206).

С рцссхртицсй можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан "_" - 1997 г.

Ученый секретарь оовета по защите диссертаций, профеооор - ВВАпанасович

ОБ1ЦДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮТЫ Актуальность темы диссертации.

Одной ш важнейших проблем современной твердотельной микрошкктроники является создание источников когератюго излучения и усилителей в субмиллиметровом и дальнем ИК-диапаэонах спектра элястромягнитных волн.

Использование различных плазменных неустойчивостей, возникающих в плазме горячих электронов в полупроводниках, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений иослздогшний при построении активных твердотельных систем такого рода Многие типы плазменных неустойчивостей в полупроводниковой швзме стали объектом интенсивного изучения в последнее время. Пучковая неустойчивость в газовой плазме известна давно и изучена всесторонне и полно, что объясняется возможностью ее практического использования как основы для разработки плазменных усилителей и генераторов. Однако пучковой неустойчивости в тверд отелы гой плазме удалялось несравнимо меньше внимания. Это связано, вероятно, с та^, что до последнего времени было недостаточно ясно, как создавать пучки носителей заряда в плазме полупроводников с малым разбросом скоростей. .

Изучение пера ¡оса заряда в полупроводниковых структурах чрезвычайно важно и с точки зрения фундаментальной науки, и с точки зрения практических приложений, таких, например, как разработка новых алжтронных приборов. Корректное списание переноса заряде а полупроводниках представляет собой трудную задачу, как с маггемгшгческой, так и с фгоичеасой точки зрения. Одним го наиболее молил,гс и универсялышх методов, псзвотшосцих преодолеть эти трудности, является метод статистических испытаний, или метод Монте-Кярло. Применительно к проблеме переноса заряда в полупроводниках ,

этот метод позволяет получить численное решение уравнения Больцмана непосредственным моделированием динамики носителгй заряда внутри кристалла , так что посте того , как это решение получено , любая требуемая физическая информация может быть также легко швлочена из этих д анных

Связь с крупными научными программами, темами,

Диссертационные исследования проводились в рамках плановой тематики Физико-технического институт HAH Беларуси (темы "Электроника", "Материал") а тнкже в рамках научно-исследовательасих проектов, поддержанных Фондом фундаментальных исследований РБ (гранта №006.012 и МП 96-50).

Цель и задачи исслсдоваиня.

Целью данной диссертационной работы является комплексное исследование пучковой неустойчивости в полупроводниках и полупроводникюво-дюлектричеосих микроструктурах, получение в численном эксперименте электрофизических параметров, необходимых для построения на безе исследуемой неустойчивости реальных усилителей СВЧ-диапаоона, а также исследование процессов генерации электронно-дырочных пар и швинообразования в лавинно-пролгтной р+-п-п+-структуре, влияющих на работу лавинно-пролетных р+-п-п+-диодов.

Для достижения поставленной цели в представленной диссертационной работе решаются следукхцие основные задачи:

- построение физической модели инжекции элекгронного пучка го квантовой ямы на базе GaAs/AlGaAs - гетерехлруктуры в трехмерную плазму и двумерный электронный газ;

- моделирование методом Moirre-Карлэ инжекции электронов из барьера Шэттки Ti-GaAs в полупроводник и расчет функций распределения

заряженных частиц пучка по энергиям непосредственно после туннелирования с учетом многодолинности зоны проводимости (ЗаАя;

- построение физической модели дрейфа электронов шокектированного пучка б ароезшде галлия;

- разработка пакета программ для исследования эволюции функции распределения электронного пучка при прохождении сквозь кристалл ОаАз,

- построение программного модуля для расчета усилителя бегущей волны на иросниде галлия с барьером ПЬггки;

- разработка физической модели лавинообраэовакия и рвооеяния носителей заряда в р*-п-п* - структуре;

- построение компьютерной модели работы лавинно-пролгтного диода, изучение физических параметров прибора исследование влияния возникающей вблизи анода второй области сильного электрического ноля нп частоту генерации прибора

Научная новизна полученных результатов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе,

заключается в слеу^уквдем

- теоретически обоснована возможность построения усилителей СВЧ-диотеоона на основе пучковой неустойчивости в трехмерной полу!грошицшкоиой шшме в структурах АЮшЧБ/ОаАз/АЮаАй-З! и АЮаАзЛЗаАз/А1<ЗаАз-Се;

- теоретически обоснована возможность построения усилителей СВЧ-диалшона на основе пучковой неустой'люосш в структуре А1СнАз/0аАз/А1С1аАа-2О элаггронный газ;

- построедо и исследована методом Мэнте>-Карло физическая модель усилителя бегущей волны на ярсениде таллия с бартером ИЬтгки;

- построена и исследована методом Монте-Карло модель кремниевого р'-п-п* ливинно-лралетного диода;

- в численном эксперименте установлен эффект образования второй области сильного поля вблизи анода р+-п-п* лавшпкьпролепюго диода, определяющий вторую частоту генерации

Практическая значимость полученные результатоп.

Разработанные теоретические модели усиления волн пространственного заряда могут быть использованы для построения усилителей' на основе пучковой неустойчивости в бе, и ваАз. Разработанные компыотфныз программы позволяют рассчитать основные парамеггры приборов.

Построенная на основе метода Монга-Кярло модель усилителя бегущей волны с инжектором на базе барьера ИЬттки "П-СЗаАя позволяет оптимизировать параметры указанного прибора и дать рекомендации по его построашю. В настоящее время в рамках сотрудничества с Институтом технологии материалов элжтронной техники (Варшава) Гфоводится работа по созданию усилителя на базе указанной структуры.

Разработанная компьютерная модель кремниевого лапинно пралзтного д иода позволяет изучать процессы лавинного переноса заряоа в микроструктурах и давать рекомендации по построению реальных приборов. Работы по созданию физической модели работы кремниевой лавинно-пролешой структуры проводятся в рамках сотрудничества с Бепгосуниверситетом (кафедра системного анализа).

Экономическая значимость полученных результатов.

Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработанные компьютерные программы позволяют рассчитать

основные параметры укгояшсых приборов, зинчителыю сократив таким

образом затраты на натуральные эксперименты.

Основные положения диссертации.выносимые на защиту.

1 ti защиту выносятся следующие основные положения:

1. Модель пучковой неустойчивости n 3D электронной плазме полупроводника и усиления волн пространственного заряда при инжекции электронов го квантовой ямы в 3D электронную плазму, докшынничння возможность построетшя усилителя СВЧ- диапазона на основе гетероструктур AlGaAs/GaAa/AlGaAs-Si и AlGaAa/GaAa/ AlGaAs-Ge

2. Модель пучковой неустойчивости в 2D электронном твое и расчет усиления волн пространственного заряда при инжекции электронов из квантовой ямы в 2D электронный газ, доказывающая возможность построения уашителя СВЧ- диапазона на основе структуры A] GaAs/GaAs/Al GaAs-2D элоорош 1ый газ.

3. Моделирование методом Монте-Карло усилителя бегущей волны на арсснлде галлия с 6apbqx)M LLbrnai, позволяющее рассчитывать (jjyiao(ioo распределения носителей заряда в ишкеюированном пучке и оптимгоироватъ параметры прибора

4. Компьютерная модель процессов переноса заряда в кремниевом р+-п-п+ ляиинно-пропегшом диоде, позволившая обнаружить эффект генерации злэаронно-дырочных пар в результате образования второй области сильного электрического поля вблизи а года

ЛичпыÜ вклад соискателя.

В /шосертншюнной роботе излажены результаты, получезппле

автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель

пршшмал участие как в постановке задачи исследования, так и в проведении конкретных расчетов.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертационной работы представлялись на меясцународных кет 1«ренциях ЫАЬЮМЕЕТ1Ш-95 , ЫАМЭМЕЕПШ-97 и научных оеминарах в ФГИ НАН Б, Б ГУ, БГУИиР.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах. Из них 4 сшпл, 1 отчет о НИР, 1 доклад на международной конференции.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех оригинальных глав, выводов, списка использованных источников, и приложения. Объем диссертации 127 печатных страниц В том числз 42 рисунка, 2 таблицы, 1 приложение и список литературы ю 77 наименований.

Днооертация содержит результаты исследований, проведенных автором в период с 1993 по 1997 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении опреиелгна область исследований. В характеристике работы обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Пучковая неустойчивость и усиление волн прострянстввшого заряда в ЗО-палупроподш псовой плазме при инжехсции "электронов ш квантовой ямы.

Первая глава диссертационной работы посиящав рассмотрению физических процессов гтрогеюиощих в трехмерной плазме кристалла полупроводника при возникновении в ней направленного пучка заряженшлх частиц. Отмечается, что в таких системах существует два типа волновых процессов, которым соответствуют д ва типа решений уравнений Макоккша Наряду с быстрыми вихревыми (с фазовыми скоростями, близкими к скорости света в среда) существует такой тип решений уравнений Максвелла в среде, который соответствует медленным волнам, причем основными динамическими переменными, списывающими квазистазический волновой процесс в плазме носителей заряда в отсутствие маггаггнсго паля являются плотность заряда и потенциал, через которые могут &пъ вырожелы все другие физические величины. Два типа волновых процессов неразрывно связаны друг с другом и, воздействуя на один из лих, оказывается возшжным влиять на другой. Этот факт предлагается использовать для усиления электромагнитных колебщгий в диапазоне 'нал от до 500 ГГц путем возбуждения и поддержания пучковсй неустхЛчивости в полупроводниковой плазь®. Механизмом усиления является резонансный обмен энергаей между волнсй и часпшами.

Основной проблемой при разработке такой системы является создание в плазме полупроводника наггравлегеюго пучка заряженных часпщ с необходимыми параметрами (в »астносте с очвнь узким разбросом носителей заряда по скоростям).

В глше рассмотрен эффект инвертирования функции распределешш ^«ааронов по скоростям в п-СшАб в силыгом электромагнитном поле в перпендикулярном полю направлении и обсуждаются оаюшп.Е технические недостатки при использовании такой системы для возбуждаем пучковой неустойчивости. Для преодолеют этих трудностей

предложено инвертировать функцию распределения по скоростям при помоши внешнего инжектора заряженных частиц на базе квантовой ямы Так как разброс по энергиям электронов пучка в такой системе невелик (порядка ширины уровня квантования, что составляет —10"5 эВ), а также скорость электронов пучка много выше средней тепловой скорости частиц в пучке и плазме полупроводника, плазма пучка и плазма кристалла представлены в виде двух взаимопроникающих жидкостей, и для выведения дисперсионного уравнения использованы уравнения гидродинамики и Пуассона:

О1, О» (1)

1. , * ь__" • 1

<О(Ю + /у€) (ш-коУо)1 <ог

О; - (4*е1п0/еш])/^ , .¡"/ЧЮ .

где комплексная истота (о спределена как « - ко^о + д + Ч • ^о^о " ыо" частота, соответствующая точное фазовому резонансу, ко - волновое число (в нашвм случав мы полагаем к 0 ■> 2гс/Ь0, где Ц - период грейтинга^ Л -отстройка от точного резонанса, у - инкремент, У^ v,- тепловая скорость электронов полупроводника и частота столкновений, ^-концентрация »истиц т- эффективная масса, е- диэлектрическая лрсницаемосп, среды. Индекс е соответствует электронам плазмы полупроводника, индекс Ь электронам пучка

В численном эксперименте установлены зависимости инкремента нарастания волны пространственного заряда от температуры, скорости пучка, концентрации элзпронов в пучке.

Глава 2. Пучковая неустойчивость и усиление волн пространственного заряда при инжекции элэстронов из квантовой ямы в двумерный электронный газ.

В начале второй главы отмечается, что в основе усиления волн простриг :ств а а юго заряда в трехмерной полупрово дпосовой гитье лежит

нерезонансная пучковая неустойчивость, так как усиливаемая частота лежит

далеко от лэнгмюровасой чистоты колебаний плазмы полупроводгпжа Естественно ожидать увеличения инкремента нарастания волны при прибл!окешш к резонансной частоте.

Так кяк частота лэнгмюровских колебаний двумерного электронного поа на порядок ниже, чем трехмерного во второй главе диссертационной работы предложено заменить трехмерную полупроводниковую плазму двумерным элаорошсым лазом. Полученное для данного случая дисперсионное уравнение, отличается от уравнения (1) лишь членом:

Здесь е не является более диапектртрюсиой постодашсй полупроводника. В двумерном электронной газе это паяокаяыия функция сл н волнового вектора <} двумерного плазмона, что значительно усложняет вычисления.

Проведенные вычисления подтверждают предположение о ^гзхом воорастшпш и пере к® I гга нарастания волны лросгронстветпюго знрад» при приближении к частоте плазменного резонанса

Глава 3. Моделирование методом Монте-Карда усилителя бегущей волны с барьером ИЬттки

Указывается, что в представленных первых двух моделях усилителей на пучковой неустойчивости квантовая яма не может обеспечить высокую плотность инжектируемого пучка. В результате проведенных исследований установлено, что пучок достаточно быстро оставляется в результате прохождения по кристаллической решетке полупроводника

Ргсх^атривается модель уешпгтелл волны просгранственного заряда, в которой смещение функции распределения электронов пучка

(2)

отноагтелшо электронов плазмы поддерживается при помощи внешнего тянущего поля, а в качестве инжектора использован барьер Шэттки. Отмечается, что до сих пор моделирование таких усилителей (усилителей бегущей волны) ограничиваюсь лишь изучением распространения волн в пжхжопараллельном волноводе при наличии дрейфа носителей Между тем полный анализ работы такого прибора, его оптимизация невозможны без детального знания того как осуществляется инжехция электронов из барьера Шэтгки, как эволюционирует пучок и как он взаимодействует с волнами пространственного заряда.

Для описания процесса инжекции носителей заряда использованы параболическая аппроксимация формы потенциалы юг о барьера ТхЛЗаАз и ВКБ-приближение. В результате расчетов по методцу Монте-Карло получены функции распределения электронов по энергиям непосредственно после туниелирования.

Описание взаимодействия потока электронов с кристаллической решеткой арсенвда галлия проведено в рамках трехцолинной модели зоны проводимости с учетом непараболичносги каждой из них. Учтено три преобладающих типа взаимодействий с кристаллической решеткой ваАз: рассеяние на акустических фононах, полярных оптических фононах и мезкдолинныг переходы. Для каждого вила взаимодействий рассчитаны зависимости вероятности рассеяния электрона от его энергии в каждой из долин, которыг использованы для розыгрыша времени свободного пробега и расчета функции распределения электронов потока по скоростям. В численном эксперименте по методу Мэнге-Карло установлены зависимости функции распределения электронов потока по скоростям от расстояния до инжектора , от напряженности электрического поля и от температуры.

ГЬлучешсье данные использованы для расчета инкремента иарастагшя волны пространственного заряда Днстгерсиошюе уравнение

для коллективных колебательных мод системы плазма-поток с комплексными коэффициентами, после выделения действительной и мнимой частей представляются в виде следующей системы уравнений:

1 +

4 яе'

ю о + 5 - к V

' дГ?

е,кт * -«((»0 + 6 - к И )2 +-у'

1 + дУ дУ

АУ = О

I

'ЗС,0

(ш о + 5 - к У у

\

дГ?

дУ дУ

¿У - О

(3)

7

где Г, - смещенная функция распределения (плззмы пучка), Г;- несмещяшая (плазмы полупроводника),к- волновое чисто волны пространственного заряда

Численное решение системы (3) показывает, что инкремент нарастания волны пространственного заряда имеет жесткую зависимость от формы функции распределения электронов потока по скоростям, однако при оптимизации параметров прибора величина инкремента нарастания на порядок выше, чем у рассмотренных в первых двух главах моделей

Достоверность приведенных результатов подтверждается соответствием полученных при тестировании пакета разработанных программ основных электрофизических параметров имеющимся литературным данным.

Глава 4. Моделирование методом Монте-Юзрлэ процессов переноса заряда в кремниевом лавинно-пролетаом р+лп+- диоде с асимметричным резким р-п- переходом

Отмечается, что, несмотря на знячителыше успехи, достишутые в последние годы в области создания новых типов полупроводниковых СВЧ усилителей и генераторов, лавинно-пралетные диоды (ЛГЩ) по своим Э1 ¡ергети1 геским параметрам и эксплуатациошгым характеристикам

продолжают оставаться одними го основных твердотельных приборов для генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ диапазона

Далге в главе разработана га основе ансамблевого метода Монте-Карлэ и исследована компьютерная модель процессов .тввинообразовашш и лавшюпрохождения в кремниевом гиб ишю-про летном р*пп*-диоде. В модели учтено пять преобладающих типов взаимодействий носителей заряда с кристаллической решеткой кремния: поглощение и испускание акустических фононов, поглощение и испускание оптических фононов и ударная ионизация. Дэи рассмотрении процессов, характеристические времена которых меньше времени жизни неосновных носителей заряда, рекомбинация не учитывалась. Отличительной особенностью модели является учет влияния пространственного заряда вторичных частиц на распределение электрического псшя в приборе, т.е. решена самосогласованная задача

В численном эксперименте обнаружен эффект образования второй области сильного электрического поля вблизи анода, что согласуется с экспериментальными работами:

Ильинский АН, Куценко А Б., Степанова М.Ш/ Сиз. и техн. полупров. -1992. -Т.26, №4. -С. 710-717.

Ильинский АН, Куценко АБ.// Фю. итехн. полупров. -1994. -Т. 28, №1. С. 48-53.

Установлено, что, эффект повышения электрического поля вблизи анода можно ттаблкдать, если поддерживать предпробойное состояние равновесия время, большее >0.3х10'",с. Электроны из глубины кристалла начинают "выталкивать" эдасгронь1, находящиеся на границе прибора В результате прианодная область обедняется и ее удельное сопротивление растет. Электрическое поле Бблсои анода повышается настолько, что становится достаточным для ударной ионизации. В этом случае образующиеся у анода дырки начинают дрс^Цювал, к катоду. Вблизи

анода вероятность образования лааины намного меньше, так как величина электрического ноля здесь мезшше, чем в прик ягодной области. Вероятность возбуждения лавины резко возрастает тогда, когда дрейфующие дырки достигают прикигтодной области сильного поля. Таким образом, нябгаодается новый режим работы ЛГЩ, при котором частота генерации определяется временем дрейфа неосновных носителей заряда

Обнпруженный пришшл лнвинообраоования преаиигается иаюльэовать для построения лавинно-пролетных диодов со стабильной частотой 1«нераник, определяемой временем дрейфа дырок через весь кристалл полупроводника

ВЫВОДЫ

1. Предложена физическая модель инжекции электронного пучка из кпгагговой ямы на базе ОпАн/А]ОоЛя - гетероструктуры в трехмерную шнзму полупроводника, о также физическая модель пучковой неустойчивости волн пространственного заряда в структуре квантовая яма - кристалл полупроводника;

2. Опредеяеагы основные параметры усшпггеля на пучковой неустойчивости в структур« квантовая яма - трехмерный полупроводник. Установлено, что инкремент нарастания волн пространственного заряда имеет максимальное значаще в области температур 130-150 К Инкремент нарастания повышается с ростом отношения концентрации электронов пучка к концентрации электронов пгазмы полупроводника;

3. Предложат физическая модель шокекции электрошюго пучка из квантовой ямы на базе СаАз/АЮаАя - гетероструктуры в двумерный электронный газ и физическая модель пучковой неустойчивости волн

пространственного заряда в структуре с квантовой ямой и двумерным электронным газом;

4. Определены основные параметры усилителя на пучковой неустойчивости в структуре с квантовой ямой и двумерным элэаронным газом. ГЪказано, что инкремент нарастания волн пространственного заряда резко повышается при приближении рабочей частоты прибора к частоте двумерного плазмона.

5. Предложена модель усилителя бегущей волны да арсениде галлия с инжектором в виде барьера Шэттки. Методом Монте-Карло осуществлено моделирование процессов переноса заряда в данном приборе и определены его основные электрофизические характеристики. Установлено, что инкремент нарастания волн пространственного заряда в усилителг бегущей волны имеет жесткую зависимость от формы функции распределения носителе« заряда в плазме ш гасектируемого пучка и плазме полупровод ника

6. На основе метода Монте-Карло разработана компьютерная модель процессов лавинообраэования и переноса заряда в кремниевом

♦ + г, _

лааинно-пролетном диоде структуры р -п-п . В числгнном эксперименте обнвружш эффект генерации электронно-дырочных пар в результате образования второй области сильного электрического поля вблизи анода прибора Цхдлэжен принцип лавинообраэования в лавгашо- пролетном диоде, при котором рабочая частота генерации определяется временем дрейфа неосновных носителей заряда через кристалл полупроводника

о

СПИСОК ОПУБЛЖОВЛ1ОЫХ Р АБОГ ПО ТЕМЕ Д1-ЮСЕРТАЩИ

Основные результаты диссертант изложены в следующих публикациях:

1. Traile I.E. and Siguk V.A Beam instability and spaoo-charge wave

amplification in semiconductor plasma //phys.stat sol. (b). 1994. Vol.182 . p. 171-176.

2. Traile I.E. and Siguk V.A Beam instability and space-charge wave amplification caused by the electron injection out of QW into 2DEG . // phys.stat.sol. (b). 1996. Vol. 196. p. 85-94.

3. Траппе ИЕ.Оокж В А Пучковая неустойчивость и усиление волн пространственного заряда в пласзме полупроводников// Доклщы АН Б. 1994. т. 38, №4,стр. 45-48.

4. Traile I.E. and Siguk V.A Beam instability caused by die electron injection out of QW into 2DEG.// in: Physics, Chemistry and Application of Nonostructures (Review and short notes to NANOMEETTNT 97). World Scientific. Singapore. 1997.

5. Сшюк BA Моделирование токопереноса в кролшевом p+nn+-лавшшо-пралетном диоде методом Moi rm- Юзрло, //Вести АН Б. сер. физ. - тегашч. наук, 1997, №4, с. 81-86.

6. Трагов ИЕ, Оокк В А, Трегубович АФ. Разработка физических принципов функционирования наноэлеюронных приборов на основе квантовых ям, размер; юквш ггохш! а сых слэеи пространственного заряда и нелокальных кваншвомеканических эффектов.// Отчет по проекту ФФИ№ 006012, 1997г., Регистрационный № 199695.

РЕЗЮМЕ Сгакк Валерий Алексеевич ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ НЕУСТОЙЧИВ ОСГГНЙ И ПЕРИ ЮСА ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Ключевые слова: твердое тело, волны пространствешшго заряда, пучковая неустойчивость, рассеяние носителей заряда, усилитель бегущей волны, инкремент нарастания, лаишшо-пролетный диод, метод Монте-Карло.

Объектом исследования диссертационной работы являются пучковая неустойчивость и усиление волн пространственного заряда в полупроводниковых микроструктурах, процессы переноса заряда и усиление волны пространственного заряда в усилителе бегущей волны, процессы лавинообразования и лашшопрохождения в л ашшно-нролвтн ом р*-п-п*-диоде.

Цель работы состоит в комплексном исследовании пучковой неустойчивости в полупроводниковых микроструктурах, получении в числением эксперименте электрофизических параметров, необходимых для построения на базе исследуемой неустойчивости реальных усилителей СВЧ-дкалазена, а также в исследовании процессов генерации алекгронно-дыремпых пар н лавинообразования в лашнно-прегаетной р*-п-п- структуре. Научная новизна результатов заключается в следуют »зм: теоретически обоснована возможность построения усилителей СВЧ-диапшона на основе пучковой неустойчивости в трехмерной полупроводниковой плазме; теоретически обоснована возможность построения усилителей СВЧ-диапздсма на основе лучковой неустойчивости в 20 электронном газе; построена и исследована методом Монте-Карло физическая модель усилителя бегуний волны па арсеиидо галлия с барьером Шсгггки; построена и исследована методом Магге-Кврло модель кремниевого р'-п-п* лавигаю-пролетного диода.

Области применения результатов диссертационной работы: микро- и наноапектрошша, физика полунроьоящпюв и физика твердого тела

РОЗ ЮМЕ Спюк Валерий Аляксеев1ч ДАСЛЕДАБАНШ Ш1АЗМЫП1ЫХ1Ш У СТОЙЛЕ) АСЦЕЙ 1ПЕРАНОСУ ЭАРАДА У ПАУПРЛВЛДП1КОПЫХ М ПОДСТРУКТУРАХ

Ключавыя словы: цвердае цела, хват присторавага зарада, пучковая няустсй-лтасиь, россеЛиалне посьйта^ зараж узмищгяггышс бягучай хват, шкраменг ннрпстшшя, лшшгначгралсшы дыёд мстад Мопт>-Карла.

Аб'ектам доследования дысергацыйиай процы э'яуляецца пучковая ияустоЛтсваспь 1 уз «лишение хваля^ п^мегоривага щхщх ¡/ па^тфавадгикопых 1 дыэлектрычных штэгравашлх мжраструктурах, працэсы переносу зарада 1 ^змацненле хвал1 прасторавага зарода у узмипмльшке бягучай хвал!, працэсы лавшаутварэши 1 яашналраходжагеш у лагална-гтралёткым р*-п-п+-дыёдзе. Цзль процы заключавши ¡/ ксмплеютгым даследавашп пучковай яя^стойшвасщ У па^правадгаках 1 па$ттравадтхюва-дь1зясктрь1чных мжраструктурах, атрымант у тчбапым эксперымяще алектрафгпчных параметрау , неабходных дня пабуддвшшя па базе даследуямай ня^'стойлшасли рэальных узшцнялыпка^ ЗВЧ-дыяпазопа , а тшссама у даследцвашп працэсау геперацьп злектрсгаи-дара'пгых пор 1 лавшаЗгТвирлшя лавипса-пралстнай р'пп^- структуры, уплывшочых па ттрацу лапиша-пралёпшх р'пп'-дыбдау. Навуковая наюзна рэзультагар заюпочшяща у ппстушгым: тэа}отычна абгрумгавши магчымасць пабудавашш $змацкюшокау ЗВЧ-даишшош на аснове пучковай ¡иг^-сгойтвасщ у трохвыме[*ган гга5тгриъпд1пхстай плазме; тэргр-зггьпиа абгрунтавана магчыммць пабудившшя ушицня-пликау ЗВЧ-дыяпазона ш аснове пучковай 11я^стоюш«сщ У 20 электрошгым газе; пабудавши 1 даследавана метадам Мстпэ-Карла фЫчная мадаль ушацпяльшка бягучай хват па арсезпдзе гатя с бар'ерам Шсгпо;

пабудаваиа ) дослслшана мстадш Монтз-Карша ьидаль крэмтевага намшы-+ ♦

ггралетнага р -п-п -дысда.

Вобласщ прдмяпсння ровультага^ дысерпщьпшай працы: мшрп- 1 нанаэлетсграока, фппса пауправадтхоу 1 фипка цвёрдага цела

ABSTRACT Siguk Valerij Alexeevich INVESTIGATION OF THE PLASMA INSTABILITIES AND CHARGE TRANSPORT IN SEMICONDUCTOR MICROSTRUCTURE3

Key wordi: space charge waves, beam instability, scattering of charge earners, travelling wave amplifier, increment, avalanche transit time diode, Monte Carlo simulation.

Investigation objects are: beam instability and space charge wave amplification in semi conductor-insulator microstructures; scattering of the charge carriers and фасе charge wave amplification in travelling wave amplifier; avalanche generation in the avalanche transit time p4nn+-diode.

The main goal of the thesis consists of the complex investigation of the beam instability in semiconductors and semiconductor-insulator microstructures; of die numerical calculations of the physical parameters which are needed for the development of microwave amplifiers on the basis of such instability and of the investigation of electron-hole pairs and avalanche generation in the avalanche transit time p+nn+ -structures and which influence the operation of the avalanche transit time diodes.

The new results in the thesis are the following. The possibility of the development of microwave amplifier on the basis of beam instability in 3D semiconductor plasma is theoretically substantiated The possibility of the development of microwave amplifier on the basis of beam instability in 2D dectron gas is also substantiated The physical model of travelling wave amplifier on GaAs with Schottlcy barrier is proposed and studied numerically by means of Monte Carlo simulation. The new model of silicon p*-rv-n+- avalanche transit time diodes proposed and simuliikxl by Monte Carlo method. 1he fields of application are; micro- arid nano- scale electronics, semiconductor physics, solid-state physics.