Процессы переноса заряда в полупроводниках и структурах полупроводник-диэлектрик в условиях воздействия электромагнитного поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

белорусский государственный университет

РГБ ОД

УДК: 62I.MS.J42.) ♦ 51».2:510.145 ♦ 515.421 + 517.511 + 515.21:519.2

Тралле Игорь Евгеньевич

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

И СТРУКТУРАХ ПОЛУПРОВОДПИК-ДИЭЛЕКТРИК В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

(II 114 1(1 . Ф.ПИКИ 1К1.1уМ|КЖОЛИНКОЬ н люлектрико*

АЬТОРИФЕРАТ диссертации на соискание ученой степеии тжюра физико-математических наук

Минск - 1996

1 5 ДЕК 1995

Работа выполнена в Физико-техническом институте АН Беларуси

Научный консультант:

член-корр. АН Беларуси профессор Л.И. Рурский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Е.В. Бузанева

доктор физико-математических наук профессор В.Е.Борисснко

доктор физико-математических наук профессор И.Д.Феранчук

Оппонирующая организация: Лаборатория теоретической фишки

Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна

Защита состоится 20 декабря 1996 года в 14т часов ьа заседании Совета Д 02.01.16 по присуждению ученой степени доктора наук в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени государственном ушшсрсит¿те (2200806 г. Минск, пр.Ф.Скорины 4, Главный корпус.аул.206)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан ¡9 ноября 1996 года

Ученый секретарь Совета Доцент

Стсльмах В.Ф.

Актуальность_теми

Начиная примерно с середины 60-х голов и до настоящего времени наблюдается неослабевающий интерес к волновым свойствам плазмы твердого тола. Исследование распространения и неустойчивости волн в плаз ме твердых тел и, в частности, полупроводников, не только открывает новые возможности для изучения физических свойств твердых тел, но также чрезвычайно важно с точки зрения их практических приложений, т.е. использования этих явлений для создания функциональных устройств интегральной электроники СВЧ. В связи с развитием интегральной электроники СВЧ-диапазона, а также оптоэлектроники, актуальным становится изучение особенностей распространения, возбуждения и взаимодействия волн в тонких слоях полупроводников. Поиски путей создания твердотельных СВЧ-устройств с распределенном взаимодействием вызвали также интерес к исследованию волновых процессов в многослойных структурах, содержащих полупроводниковые слои с дрейфующими носителями заряда.

Одним из самых перспективных и бурно развивающихся согодня направлений исследований, тесно связанных с современной квантовой физикой твердого тела, является наноэлектроника. За «юслоднио годы в этой области был достигнут значительный прогресс, связанный с созданием сканирующего туннельного микроскопа и усовершенствованием методов молокулярно-нучковой эпитаксии. В исследовательских лабораториях фирм-лидеров в этой области электронной техники и нанотохнологичес-ких центрах ведущих университетов интенсивно исследуются киантовораз-мерные структуры, в которых используется волновая природа носителей заряда для того, чтоби разрабатывать на этой основе принципиально новые виды приборов. .

Возникающие в связи с этим проблемы диктуют необходимость разработ ки теории взаимодействия электромагнитных волн с волнами пространственного заряда (ВГ13) в тонких слоях полупроводников, исследования пучковой неустойчивости в полупроводниково-диэлектрических структурах и двумерном электронном газе, а также исследования квантового переноса заряда в шсокоочастотных пространственно-неоднородных полях в тон

ких слоях полупроводника структур полупроводник-диэлектрик с целью разработки на этой основе физических принципов функционировать новых ТИПОВ КИУНТ01ШХ приборов и устройств.

Разработка новых типов полупроводниковых приборов требует понимания природы электронной структуры примесей, порождающих в запрещенной зоне полупроводника различные состояния, в частности, глубокие энергетические уровни. Во многих случаях именно наличие глубоких уровней придает полупроводнику или микроструктуре на его основе желаемые или, наоборот, нежелательные свойства. Поэтому с изучением примесных цонтров,создающих глубокие уровни в запрещенной зоне, связано решение основной задачи полупроводникового материаловедения -получение полупроводников и микроструктур на их основе с наперед заданными характеристиками. Вторая причина устойчивого интреса к проблеме глубоких примесных уровней состоит в том, что до недавнего времени не существовало общепринятой теории таких состояний в полупровод пиках.

Первыми работами, в которых было показано, что ни модель Кона - Лат-тинджора, ни модель Костора-Слейтера не могут дать корректного описа пия глубоких уровней,создаваемых в полупроводниках атомами переходных металлов,были работы Холдейна-Андерсена и Флерова-Кикоина. В этих работах было явно сформулировано утверждение, что глубокие уровни в таких системах возникают в результате резонансного рассеяния зонных электронов на «»-уровнях незаполненных оболочек примеси.В этих первостепенной важности пионерских работах не была, тем не менее,построена количественная теория таких примесных центров. Таким образом, актуаль ной задачей являлась раразработка методов расчета электронной структуры примесных центров, создаваемых атомами переходных металлов в полупроводниках.

Германий и кремний являются до настоящего времени наиболее широко используемыми материалами полупроводниковой микроэлектроники. Поскольку дефекты структуры оказывают влияние на электрические и оптические свойства полупроводника, то исследование и контроль состояния его нарушенного слоя после различных видов обработки представляют собой актуальную задачу. Основными методами исследования дефектов структуры поверхности являются электронная микроскопия, электроногра-

фия, рентгеновская топография и ЭПР. Наряду с этими методами в послед нео время стали применять и метод экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ), преимуществами которого являются высокая чувствительность к структурным нарушениям, возможность исследовать структуру -образца без предварительного травления и сравнительно недорогое оборудование. Несмотря на большое количество работ по ЭЭЭ, до недавнего времени но существовало единой точки зрения на природу этого явления. Основное трудности возникали при попытке объяснить совокупность экспериментальных результатов по ЭЭЭ с поверхности полупроводников, у которых ширина заиерщен-ной зоны меньше энергии сродства электрона к кристаллу х. Германий и кремний как раз и принадлежат к веществам такого рола, вот почему разработка модели явления ЭЭЭ, которая была бы и состоянии объяснить особенности ЭЭЭ с поверхности Германия и кремния, являлась актуальной задачей.

При решении многих задач в нелинейной оптике необходимо иметь информацию о нелинейной комплексной восприимчивости вещества. Для ее расчета обычно используются полуфеноменологическио подходы, которые не позволяют строго учесть спектральные характеристики восприимчивое ти вещества, находящегося в электромагнитном поле произвольной интенсивности. Известно, например, что описание крыла линии поглощения требует в обтем случае учета немарковских эффектов, связанных с взиимодействием атомов в среде с резонансным внешним нолем. По этой причине значительный практический интерес вызывает возможность микроскопического расчета нелинейной комплексной восприимчивости примесных центров полупроводника в произвольном внешнем поло, поскольку это открывает возможность получения ценной информации о взаимодействии различных примесных центров с колебаниями решетки, а также для определения порога пробоя кристалла, легированного различными примесями.

Все вышеизложенное определило цель данной диссертационной работы, а именно: комплексное исследование процессов переноса заряда в полупроводниках и полупроводниково-диэлектрических структурах в условиях воздействия на них электромагнитного, высокочастотного электрического и магнитного полей. Для постижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

- разпитие теории глубоких примесных уровней, создаваемых атомами переходных металлов в креюши;

- разработка теории экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников с шириной запрещенной зоны меньшей энергии сродства электрона к кристаллу;

- развитие немарковского подхода в описании взаимодействия мощного ре зонаисного электромагнитного излучения с примесными полупроводниками)

- изучение особенностей дифракции электромагнитных волн на волнах пространственного заряда;

- исследование пучковой неустойчивости в полупроводниковой плазме и двумерном электронном газе;

- исследование квантового переноса заряда в высокочастотном пространственно-периодическом поле в полупроводниково-диэлектрических структурах.

У«1Учноя_новизна работы состоит в том, что:

- развита теория пучковой неустойчивости и усиления волн пространственного заряда в объемной плазме полупроводника и двумерном электронном газе структур полупроводник-диэлектрик;

- разработана квантовая теория переноса носителей заряда в высокочастотном поле структур полупроводник-диэлектрик и на этой основе предложен новый способ формирования квантовых ям, получиьлих название динамических и новый тип квантовых точек;

- изучены закономерности дифракции электромагнитных волн на волнах пространственного заряда и разработан метод ее описания в тонких слоях полупроводников;

- на основании модифицированного кластерного самосогласованного ха-ме тода рассеянных волн установлена энергетическая структура кремния, со держащего примеси переходных металлов;

- предложена модель и построена теория экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников с шириной заперщешгой зоны меньшей,чем энер гия сродства электрона к кристаллу и на этой основе дано объяснение совокупности экспериментальных фактов, относящихся к этому явлению, а именно, большой энергии испускаемых электронов, зависимости тока эмис сии от температуры и времени.

0сцоо1ше_здщищаеше_положения

1. Модифицированный кластерный самосогласованнй х - метол рассеянных волн и расчеты электронной структуры глубоких примесных центров, создаваемых атомами переходных металлов в кремниию

2. Теория окзоэлектронной эмиссии с повер*ности полупроводников, у ко торых ширина заперщенной зоны еменьше энергии электронного сродства х- Модель явления включает высоколежащие квазистационарные состояния (резонансы), вырожденные по энергии с сотояниями сплошного спектра. Электрон, локализованный в таком состоянии может ударно рекомбиниро-вать со свободной дыркой, а выделившаяся в акте рекомбинации энергия передается, вследствие кулоновского взаимодействия, электрону, также локализованному в квазистационарном состоянии. В результате последний приобретает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть кристалл.

3. Модель явления светоиндуцированного изменения намагниченности ар-сенида марганца, по которой изменение намагниченности является следствием возникновения неравновесного, наведенного светом диамагнитного момента квазиевободных электронов в одной из подзон с»-зоны щюнодимос ти этого материала.

4. МетоД описания взаимодействия мощного резонансного излучения с при месными центрами полупроводников, основанный на использовании немарковских квантово-кинетических уравнений- для матрицы плотности, и учете различных ветвей фононного спектра кристалла. .

5. Метод описания дифракции электромагнитных волн на волнах пространс твенного заряда в тонких слоях полупроводника структур диэлектрик-полупроводник с периодически расположенными управляющими электродами.

6. Теория усиления волн пространственного заряда в слоях нолупроводни ка полупроволниково-лгг,,"(5ктрических структур с периодическими упрапля кхцими электродами и двумерном электронном газе. Усиленно является следствием пучковой неустойчивости, возникающей либо вследствие инвер сии функции распределения электронов по импульсам, перпендикулярным сильному внешнему электрическому полю (- 100 кВ'см'1) в оадз, либо вследствие непосредственной инжекции электронов из квантовой ямы в полупроводниковую плазму.

7. Теория квантового переноса носителей заряда в высокочастотном прос тринетвенно-перонодическом электрическом поле полупроводниково-диэлек

трической структуры с грейтингом. Показано, что если частота поля дос таточно велика,а масштаб пространственной неоднородности мал (порядка длины свободного пробега электрона в полупроводнике), то имеет место явление динамической локализации заряженной частицы. При этом в такой структуре возникают глубокие "динамические" квантовые ямы а также при помещении структуры в квантующее магнитное поле,- квантовые точки со спектром носителей заряда, управляемым внешними полями.

Пршаическая_и_нахчная_значшость работы состоит в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы для определения микроскопических параметров и корреляционных функций кристаллов, для определения энергетических и электрофизических характеристик полупроводников: для разработки новых типов дефлекторов и направленных ответвителей поверхностных электромагнитных волн с максимально достижимой глубиной модуляции, а также для разработки туннельно-резо-нансных структур с новом типом квантовых ям и квантовых точек,обладающих тем свойством, что спектр носителей заряда в них может управлять ся внешними полями - электрическим и магнитным.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается строгостью используемых теоретических методов, наличием предельных переходов к результатам болев ранних теорий, качественным и количественным согласием между выводами теории и имеющ-мися экспериментальными данными.

Апробация_работы Материалы диссертации представлялись на следующих конференциях и научных семинарах:

и Всесоюзная конференция "Экзоэлектронная эмиссия и ее применение" (г.Рига, 1981 г.); Всесоюзная конференция по кванотовой химии твердого тела (г.Рига, 1984 г.); IX Всесоюзное совещение по квантовой химии (Черноголовка, 1985 г.); 25 Сибирский семинар "Физика кластеров" (г.Новосибирск, 1987 г.); и Всесоюзная школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и по/упроводни-ковотдиэлектрическими струткурами" (г.Саратов, 1988 г.); ш Всесоюзное совещание "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах» (г.Вильнюс, 1989 г.); уц Всесоюзный симпозиум "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" (г.Паланга, Г989 г.); 35 Международный научный коллоквиум Высшей те-

хнической школы Ильменау (г.Ильменау, Германия, 1990 г.); 5 Международная конференция "The physics of electro-optic raicrostructures and microdevicea" (Гераклион, Греция, 1990 г.); ii Всесоюзный семинар по квантовой оптике (г.Минск, 1988 г.); Международная конференция "Microelectronics 90" (г.Минск, 1990); hi Всесоюзная школа-семинар "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупро-водниково-диэлектрическими структурами" (г.Саратов, 1991 г.): Международная конференция "Microelectronics 92" (Г.Вар11ЮВа, 19921'.); II Международная конференция по нанотехнологии "nano и» (г.Москва, 1993 г.); Международная конференция "Quantum Well and Superlattice Physics (OE/LASE'94), Los Angeles, California, usa, 1994); доклэды в

разные годи на научных семинарах в БГУ, Институте физики А1СБ, физико-математическом факультете Университета им.А.Мицкевича в Г.Познань (Польша),на семинарах в Лаборатории теоретической физики ОИЯИ (г.Дубна ),в Институте технологии материалов электронной техники (г.Варшава) и др.

Полученные результаты опубликованы в 37 статьях , препринтах, и трудах вышеуказанных совещаний и конференций.

Личный_вклад Основные результаты исследований, отраженные в защищаемых положениях, получены автором диссертации. В работах, выпол ценных в соавторстве, соискатель принимал участие как в постановке за дачи исследования, так и в проведении конкретных рассчетов.

00ъем_и_структура_ва0оты Диссертация состоит из введения, семи глав, четырех приложений и заключения. Работа изложена на 261 странице машинописного текста, включает 31 рисунок, 3 таблицы, 4 приложения и список литератры из 245 наименований.

Диссертация содержит результаты теоретических исследований, проведенных автором в период с 1981 по 1994 гг.

Глава I. Электронная структрура примесей переходных металлов в полупроводниках.

Первая глава посвящена развитию одного из методов расчета электронной структуры твердых тел, - так называемого самосогласованного ха-метода рассеянных волн в кластерном приближении. В этой главе предложена модификация модели так называемой m-t-формы зарядовой плот

ности,основанная на учете перекрывания электронных плотностей атомов, образующих химическую, связь. В работе получены явные формулы, описыва шие кулоновскую часть потенциала кластера с учетом такого перекрывания. Кластерное приближение позволяет использовать быстро сходящиеся разложения для молекулярных орбиталей, а использование модифицированной т-е-формы потенциала кластера дает возможность выразить матричные элементы секулярного уравнения через комбинации радиальных функций, являющихся решением соответствующего уравнения Шредингера и сферических функций Бесселя и Неймана, являющихся функциями только расстояния между парой атомов 1 и ; и исключить громоздкую процедуру вычисления многоцентровых интегралов.

При вычислении энергии орбиталей следует начинать с пробных функций, состоящих из нескольких "парциальных" волн, увеличивая порядок секулярного детерминанта до'тех пор, пока изменения энергии орбиталей не станут меньше некоторой наперед заданной величины. В работо найдено, что от двух до трех парциальных вол« (1 -О, I, 2; л -орбитальное квантовое число) на этом достаточно для достижения сходимости к орбитальным энергиям с точностью порядка 0,001 пу.

Найденное множество энергетических уровней и волновых функций, соответствующих занятым молекулярным ороиталям представляет собой отп равную точку для проведения самосогласования с учети статистической аппроксимации ооменно-корреляционного члена в уравнении Шредингера для кластера. Первоначальные волновые функции используются в дальнейшем для нахождения плотности электронного заряда, которая используется как основа для генерации нового потенциала, компоненты которого являются входными данными при первой итерации; затем вычисляются новые значения энергий и волновые функции и вычислительная процедура повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто самосогласование по тешиалов и зарядовых плотностей.

Разработанный нами вариант ха-метода рассеянных волг, в котором у.читывается возможное перекрывание электронных плотностей атомов, образующих связь, был использован для расчета энергетического спектра примесных атомов группы железа в кремнии. Поскольку атомы пеереходных элементов имеют недостроенные а-оболочки, в разложение волновых функций по сферическим гармоникам включались члены с 1 = 2. Для квазидиа-

гонализации секулярного детерминанта использовалось разложение волновых функций по комбинациям сферических гармоник, образующих Оазис неприводимых представлений точечной группы кластера тл.

Расчеты, проведенные для примесного атома гп, например, показывают, что Зй-электроны гп полностью локализованы на центральном (примесном) атоме кластера и в образовании связи с атомами почти не участвуют. Под действием кристаллического поля Зс!-уровень цинка сдвигается ниже края валентной зоны и расщепляется на два - Г)аи Г , причем уровень Г12 лежит выше Г и величина расщепления составляет примерно 0,17 эВ; еще одно из состояний Г возникает, главным образом, в результате взаимодействия 4*-злектронов цинка с валентными электронами атомов кремния. У атома цинка имеется два 4з-электрона, поэтому для образования связей с ближайшими атомами 51, у которых в образовании связей участвуют 4 электрона, не хватает 2 электронов, что указывает на акцепторный характер примеси гп и 51. Заполняя рассчитанные ороитали электронами в соответствии« с принципом Паули, находим, что состояние Г15 заполнено 4 электронами. Во внешнем поле симметрии тл это состояние трехкратно вырождено и, следовательно, может находиться в трех зарядовых состояниях - гп°, гп, и гпг~, т.о. когда в соотношении Г15 нет дополнительных электронов, есть один и два электрона соответственно.

Аналогичный расчет, проведенный для атомов си в качестве примеси, показывает, что состояние Г15 будет содержать на один электрон меньше, чем в случае цинка, а значит примесь меди в кремнии может находиться в четырех зарядовых состояниях. При таком подходе естественным образом объясняется особенномть глубоких примесных центров в полупроводниках, отмеченная еще Л.В.Келдышем (Келдыш Л.В. Глубокие уровни в полупроводниках.// ЖЭТФ.Г973.Т.45,вып.2, с.364-375). именно, их многозарядность. Кроме того, такое поведение примесей переходных элементов в кремнии действительно наблюдается в эксперименте.

В заключение главы проведено сравнение наших количественных расчетов с точно решаемой моделью Андерсена-Флерова-Кикоина, сделаны выводы об их полном качественном соответствии друг другу и о том, что существенное отличие примесей переходных металлов от обычных изоэлек-

10

тронных примосей заключается в том, что наряду со "сверхглубокими" уровнями в валентной зоне, потенциал замещения или внедрения, индуцированный ¿-оболочкой, порождает собственные "резонансные" уровни в запрещенной зоне полупроводника.

Глава 2. Теория экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников.

Данная глава посвящена разработке теории экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников, у которых ширина запрещенной зоны меньше энергии электронного сродства. В работе предложена следующая модель экзоэлектронной эмиссии с поверхности вышеуказанных материалов. Предварительная механическая обработка поверхности полупроводника приводит к образованию различных дефектов в его поверхностном слое, при этом дефекты могут создавать как состояния в запрещенной зоне,так и состояния, вырожденные с состояниями сплошного спектра и лежащие вы соко в зоне проводимости. Последние отождествляются с квазистационарными состояниями (резонансами), которые при определенных условиях могут оказаться относительно долгоживущими. Интенсивное возбуждение поверхности полупроводника потоками заряженных частиц или г-квантов при водит к заселению электронами высоколежащих квазистационарных состояний, которые в нормальных условиях не заселены. Безы лучательная рекомбинация электрона в квазистационарном состоянии со свободной дыркой приводит к выделению сравнительно большой энергии г > ^.которая, вследствие кулоновского взаимодействия рекомбинирующего электрона с электроном, тэкже локализованном на близкорасположенном дефекте,передается последнему, после чего он приобретает энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе твердое тело -вакуум.

Поскольку квазистационарные состяния со временем опустошаются, т.е. число электронов в этих состояниях непрерывно убивает после окончания возбуждения, то и число актов ударной рекомбинации, в результате кото рых возникают экзоэлектроны, будет, при неизменных внешних условиях, также убывать. Этим объясняется, почему при постоянной температуре эмиссия быстро затухает.

Нагрев возбужденной поверхности приводит, с одной стороны, к возрастанию тока эмиссии за счет роста числа актов ударной рекомбина-

ции, а с другой стороны, к термической активации квазистационарных состояний, т.е. выбросу захваченных электронов с квазистационарных состояний в состояния непрерывного спектра с последующей быстрой тер-мализацией и, следовательно, исключению их из числа участвующих в оже-процессе. Независимо от термической активации происходит спонтанный распад квазистационарных состояний, т.е. уход электронов в состояния непрерывного спектра. Совместное действие этих процессов,как показано в диссертационной работе, позволяет объяснить возникновение максимумов интенсивности тока экзоэмиссии при линейном нагреве. 13 работе рассчитаны коэффициенты ударной рекомбинации и плотности тока экзоэмиссии в рассматриваемой модели а также кинетика тормостимулиро-ванной экзоэмиссии, проведено сравнение с экспериментом и сделан вывод о том, что предлагаемый механизм ЭЭЭ позволяет непротиворечиво и полно объяснить все наблюдаемые закономерности экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников, у которых ширина запрещенной зоны меньше энергии электронного сродства.

Глава 3. Теория светоиндуцированного изменения намагниченности ор-сенида марганца.

В третьей главе предложена теория явления светоиндуцированного изменения намагниченности полупроводника арсенида марганца, наблюдавшегося в работах Г.Л. Говора и H.H.Сироты (Говор Г.А., Сирота H.H. Исследование магнитного перехода в арсениде марганца под воздействием световых импульсов.// Письма в ЖЭТФ.1972.T.I6,вып.3, с.137-140. Говор Г.А. Оптическая активация спиновой нестабильности в арсениде марганца // ДАН БССР.1978. Т.23, n 6, с.515-518)

Известно, что при нормальных условиях арсенид марганца является ферромагнетиком со спином атома марганца 2s = 3,4 (так называеое высокоспиновое состояние). При наложении давления до 4 кбар или повышении температуры до т = тс = 318 К происходит фазовый переход 1-го рода из ферромагнитного высокоспинового состояния в низкоспиновое парамагнитное (2s = 2).

Опыты Говора и Сироты состоят в следующем. Образец арсенида мар ганиа помешался в слабое внешнее магнитное поле н - 100 э и освещался светом с длительностью импульса - 3,5 мксек и энергией - 500 Дж.

Непосредственно на образец навивалась измерительная катушка, подключенная к осциллографу. В момент освещения арсенида марганца в сигналь ной катушке наводилась ЭДС,регистрировавшаяся на экране осциллографа, что интерпретировалось как изменение намагниченности млив под действием света. Специально поставленные опыты с применением тепловых фильтров,охлаждением поверхности образца парами жидкого азота и др. позволили авторам сделать вывод, что изменение намагниченности мплв имеет нетепловую природу и интепретировать результаты опытов как наб людение фазового перехода арсенида марганца из ферромагнитной фазы в парамагнитную под действием света.

В одной из работ была предпринята попытка объяснить как само возникновение магнитного упорядочения, так и изменение тс под действием света в арсениде марганца на основе теории Рудермана-Киттеля-Ка-суи-Иосиды (РККИ). Однако формально теория РККИ есть теория возмущени! по малому параметру а = лз/ес, т.е. по отношению энергии обмена к энергии Ферми. Для арсенида марганца этот параметр отнюдь не мал. и поэтому теория РККИ для него неприменима.

В диссертации предложена иная интерпретация наблюдавшегося явления. Экспериментальные данные, полученные в 12) показывают, что на спектральной зависимости относительного изменения намагниченности имеется два максимума в окрестности л1 = 0,49 мкм ;2,5 эВ) и л2 = = 0,75 мкм (0,7 эВ). Максимум на длине волны 0,49 мкь соответствует электронным переходам из валентной ер-зоны в зону зоны проводи-

мости, второй максимум может соотвествтовать переходу из яр-зоны в зо ну <1 ; т.е. . под действием световых импульсов происходит увеличение населенностей одной из узких подзон а-зоны («^ либо <зс , либо, если спектр источника света достаточнов широк, - обеих зон сразу). Квазисвободные электроны этой зоны в течение короткого времени, равного длительности вспышки, участвуют в дополнительном вращательном движении вокруг оси,совпадающей с направлением внешнего магнитного поля н. С этим же движением связан орбитальный магнитный момент, направленный навстречу внешнему магнитному полю, вследствие чего и возникает изменение магнитного потока, пронизывающего сигнальную катушку. Изменение потока естественным образом приводит к возникновению в . н^й ЭДС, импульс которой и наблюдается на экране осциллографа,соединенного с ка-

тушкой.Иными словами, наблюдается наведенный светом неравновесный диамагнитный момент квазисвободных электронов в одной из узких подзон ЗОНЫ проводимости НпАБ.

В данной главе методом матрицы плотности вычислены временные и спектральные характеристики наведенной светом намагниченности и показано, что все основные особенности наблюдавшегося явления объясняются возникновением вышеуказанного неравновесного светоиндуцированного диа магнитного момента.

Глава 4. Взаимодействие примесных центров кристалла с мощным монохроматическим полем.

Многие процессы в квантовой и нелинейной оптике рассматриваются на основе полуклассического подхода, согласно которому поле описывается классическими уравнениями Максвелла, а среда - с помощью квантовой механики. При описании релаксационных процессов в вещество, как правило, используют полуфеноменологические уравнения, основанные либо на привлечении стохастических моделей, либо на постулировании интегра ла столкновений блоховского типа в квантовом кинетическом уравнении. Однако иногда такой подход оказывается недостаточным. Это, в частности, относится к эффектам немарковской релаксации,учет которых необходим при расчете нелинейной комплексной восприимчивости примесных цент ров кристалла. В этой главе получены интегро-дифференциальные уравнения, описывающие немарковскую эволюцию матрицы плотности примесных центров кристалла, взаимодействующих с резонансным электромагнитным полем и колебаниями решетки. В случае стационарного монохроматического поля найдено решение кинетического уравнения для матрицы плотности примесного центра при произвольной величине напряженности внешнего поля. Это позволило найти общее аналитическое выражение для нелинейной восприимчивости и, в частности, для нелинейного коэффициента поглощения примесных центров. Так, в частном случае взаимодействия примесного центра с оптическими фононами нелинейный коэффициент поглощения определяется формулой:

кЫ) =

(<У - ^(и))^' + а2(и) + тг/4 + 2гххх1(1 -(и'/",)*•(">))

где

Г(Ы) = —Л- г = ,г2 У (К)|2, п = (ехр0Ли- I)"1,

П (и) - и2 1 1 1

' I -»

к

4г*2

р (и) = [и (ы'/П(и))2 + (I + 2п )ы']Г(ы)--\- ,

а^П (и)

а2(и) = - [и + (I + 2п])и']Г(о) .

Здесь N - плотность примесных центров, ы - частота оптического фоно-на, по - линейный показатель преломления, с? - дипольный момент, и" = = и - йо - отстройка от перенормированной частоты перехода между двумя состояниями примесного центра, р1 и рг - вероятности^заселения верхнего и нижнего уровней в стационарном состоянии; х0- ео6/2ь, т) -

время продольной релаксации, п(и) = /и'2 + 4х2 - раОиевская частота. Учет вклада оптических фононов приводит к появлению двух боковых пиков в крыльях линии поглощения. В данной главе приведены также расчеты нелинейного коэффициента поглощения для различных моделей мелкого и глубокого примесных центров/Показано, что увеличение интенсивности света приводит к эффекту просветления, причем контур линии во всех случаях несимметричен и существенно отличается от лоренцевского. Взаи модействие мелкого центра и глубокого центра с пьезоэлектрическими ко лебаниями приводит к сдвигу максимума поглощения в коротковолновую область спектра. Взаимодействие мелкого центра с пьезоэлектрическими колебаниями приводит к появлению на крыле линии поглощения дополнительного максимума. Развитая теория согласуется с блоховской моделью при небольших отстройках и' если рабиевская частота превосходит часто ту фононов, а такжу некоторую постоянную, определяемую электрон-фонон ним взаимодействием.

Глава 5. Дифракция света на волнах пространственного заряда в МДП структурах с периодическими полевыми электродами.

Волновые процессы в^пла^ме твердого тела сопровождаются в общем случае как вихревыми (е., н), так и квазистатическими потенциальнами (Ер = - чр) полями. Квазистатические волны являются специфичными для данной среды: волна пространственного заряда (ВПЗ) в полупроводниках, акустические волны в пьезоэлектриках, спиновые волны в магнетиках.

Примерами ВПЗ в полупроводнике могут служить волны в усилителе бегущей волны на эффекте Гвнна, либо движение заряда в форме "зарядового пакета", являющееся как бы вынужденным колебанием плотности и реализуемое в структурах, получивших название приборов с переносом за ряда (НПЗ) или с зарядовой связью (ПЗС). Теория, развитая в работе, применима к обоим типам колебаний плотности заряда, однако в целях наглядности удобно считать ВПЗ вынужденными колебаниями плотности, возбужденными способом, близким к используемому в ПЗС. В работе рассматривается структура - металл-диэлектрик-полупро-водгак (Рис.), где слой диэлектрика нанесен с двух сторон полупроводниковой пластины, а поверх этих слоев нанесены полевые электроды, представляющие собой периодические последовательности. Если на каждую пару электродов (верхних и нижних) подается напряжение и с некоторым фазовым сдвигом относительно соседних так, чтобы вдоль обеих поверхностей слоя полупроводника распространялась "бегущая волна" и = иосоз(пс - кох), где ко = 2пД и если толщина слоя полупроводника невелика, то вместе с волной напряжения в полупроводнике будет распро страняться волна плотности заряда л = по + л сов(пе - нох). Подобная модуляция плотности заряда ведет к модуляции диэлектрической:проницаемости полупроводника с = со + с1соз(пе - Если на слой полупро водника, заключенный между у = у0 и у = у, падает электромагнитная волна под некотрым углом к оси у, то она будет испытывать дифракцию на модуляции диэлектрической проницаемости подобно тому, как это происходит на ультразвуковых (УЗ) колебаниях.

16

Рис. Структура диэлектрик-полупроводник с периодическими полевыми электродами : 1 - полевые электроды,- 2 - слой диэлектрика,- з - полу проводник; 4 - падающий световой пучек.

Здесь, однако, имеется весьма существенное отлыие, заключающееся в следующем: при анализе диффракции света на УЗ килебаниях исходят из того, что свободные заряды в диэлектрике отсутствуют и. следовательно, при выводе волнового уравнения из уравнений Максвелла в пос ледних плотность свободных зарядов п и токов ] полагают равными нулю. в оптике металлов, где ни п ни j не равны нулю, тем не менее считают, что максвелловское время релаксации г, значительно меньше харак терного времени изменения амплитуды поля. В металлах сг а 10~"с

с дает для х величину много мень-

что при любых разумных значениях

шую, чем 2тг/о.» кг" с в оптическом диапазоне частот и эю также дает возможность положить л и } равными нулю. В полупроводниках ситуация иная: ни.л ни J не равны нулю, а сверх того, т . Ю"12 с, что превосходит величину 2п/" в оптическом диапазлне частот и, следовательно, при выводе волнового уравнения нельзя положить плотности зарядов и токов равными нулю.

В данной главе получены уравнения, описывающие дифракцию света на ВИЗ в полупроводнике и получены их решения как в случае брэгговс-кой дифракции так и за пределами брэгговского приближения.

В случае брэгговской дифракции найдено отношение интенсивности первого дифракционного максимума к нулевому \ух/уо\2 и показано, что это выражение переходит в соотвествугацую формулу брэгговской дифракции на УЗ при л 0 и j -» 0. Показано также, что выбирая должным образом ио, п и к можно добиться, чтобы величина |к Д6|г была как больше, так и меньше чем при дифракции на УЗ.

В данной главе рассмотрен также режим дифракции света на ВПЗ в . "квантовом пределе", когда расстояние между двумя последовательно расположенными электродами сравнимо либо даже меныце длины свободного пробега электрона в полупроводнике. В этом случае амплитуда т-го дифракционного пучка связана не только с амплитудами двух ближайших максимумов, как в случае дифракции Брэгга, но со значительно большим их числом. В этом случае появление высоких порядков диффракции является следствием сложной формы ВПЗ.

В заключение главы рассмотрен случай ВПЗ, неоднородной по коорди пате г.

Развитая теория открывает путь разработки дефлекторов и направленных ответвителей электромагнитных волн с максимально достижимой глубиной модуляции и управляемых только электрическим полем.

Глава 6. Усиление волн пространственного заряда в микроструктурах металл-диэлектрик-полупроводник.

В первых двух параграфах данной главы исследлуется усиление ВПЗ б структурах металл-диэлектрик-полупроводник с периодически рас-положеншми управляющими электродами (грейтингом), где в качестве полупроводника используется арсенид галлия.

Пусть в направлении у, перпендикулярном оси грейтинига, к полупроводнику приложено напряжение, достаточное для создания напряженности поля е ~ 100 кВ-см"1. Известно, что при такой напряженности поля в валв имеет место инверсия функции распределения электронов центральной долины зоны проводимости для волновых векторов, перепен-

дикулярных направлению внешнего поля е. Эта инверсия проявляется как дополнительный пик на функции распределения, проинтегрированной по параллельной шлю компоненте волнового вектора. Наличие такого максимума эквивалентно присутствию в плазме полупроводника потока электронов с максимумом плотности для некоторого значения их скорости г » V . Присутствие в плазме электронных потоков или пучков может приводить к нарастанию, т.е. усилению и генерации тех или иных волн, если их фазовые скорости будут удовлетворять условию < где -скорость электронов в пучке.

Пусть вдоль оси грейтинга распространяется "бегущая волна" напряжения V сое(к* - ис), где ко > 2пДо, а ^ - расстояние между дву мя соседними электродами. Выберем частоту ы таким образом, чтобы фазо вая скорость этого возмущения гг = и/ко лежала в окрестности г (уг< г{), - скорости, соответствующей дополнительному максимуму функции распределения. Вместе с "бегущей волной" напряжения в полупроводнике будет распространяться волна плотности заряда, которая будет усиливаться "пучком" электронов с максимумрм плотности при у = г . Механизм усиления - резонансный обмен энергией между частицами и волной, который в данном случае из-за выполнения условия <н/йу (г = >

0), т.е. преобладания в исходном состояний частиц, движущихся быстрее волны, должны приводить к росту амплитуда волны.В определенном смысле такой "пучек" можно рассматривать как классический мазер на продольных колебаниях, поскольку фактически механизм неустойчивости связан с инверсной заселенностью состояний частиц, со скоростями, близкими к фазовой скорости волны.

В работе в терминах уравнения Больцмана для трехкомпонентной функции распределения со столкновительным членом в приближении времени релаксации получено дисперсиошшое уравнение для коллективных колебаний мод системы шшзма-пучек; на этой основе получено трансценден тное уравнение для инкремента нарастания ВПЗ г1 и получено его численленное решение. Условие г, = г*1, где г - время релаксации, является естественным порогом возникновения усиления, поскольку столкно вительный член в правой части уравнения Больцмана ведет к затуханию колебаний. Здесь также рассмотрен процесс оунчировки заряда и показано, что поскольку ко1 << I, где 1 - средняя длина свободного пробега

электрона в полупроводнике, то за время порядка периода колебаний поле волны успевает сформировать локальные сгустки электронов и именно такие сгустки зарядов играют роль "черепковских излучателей". В первых двух параграфах рассматривается усиление вынужденных колебаний плотности заряда с частотами, значительно меньшими лэнгмюровских коле баний трехмерной плазмы; подобная неустойчивость может быть названа нерезонансной. Ясно, что если частота колебаний пространственного заряда будет приближаться к частоте плазменных колебаний, естественно ожидать увеличения инкремента, поскольку инкремент резонансных неус-тойчивостей всегда больше, чей нерезонансных. Приблизиться к резонансу можно, если заменить трехмерную плазму двумерным (2о) электронным газом, поскольку частота двумерного плазмона меньше, чем трехмерного и значительно ближе к рассматриваемой полосе частот. Именно такая ситуация рассмотрена в третьем параграфе настоящей главы, где получено дисперсионное уравнение для колебательных мод системы пучек -2и электронный газ, на основе которого получено соответствующее уравнение для инкремента колебаний и найдено его численное решение. Показано, что при стремлении частоты колебаний и к частоте 2о-плазмона инкремент нарастает, но резонансные и нерезонансные неустойчивости переходят одна в другую непрерывно и отличаются только величиной инкремента.

В четвертом параграфе главы рассмотрена пучковая неустойчивость плазмы, возникающая пои инжекшш электронов из квантовой ямы. В этом случае невозмущенная скорость инжектируемых электронов может оказаться больше средней скорости электронов плазмы, а также тепловой скорости электронов пучка. Поэтому их можно представить как две взаимопроникающие электронные жидкости и описывать уравнениями гидродинамики и Пуассона. Здесь же получена соответствующая система урав нений для безразмерной отстройки и инкремента и найдено ее численное решение. Проанализирована зависимость инткремента от концентрации при месей, скорости инжектируемых электронов, периода грейтинга, отношения плотности пучка к плотности плазмы и от температуры. Если принять, что концентрация электронов пучка зависит только от ширины уровня в квантовой яме, то инкремент уменьшается с ростом температуры. Если считать, что число туннелирующих электронов зависит с г температуры, а

независящей от температуры величиной является отношение плотности пуч ка к плотности плазмы, то температурная зависимость инкремента радикально меняется: на начальной стадии при низких температурах инкремент возрастает, затем при более высоких температурах имеет место насыщение инкремента. Такое поведение инкремента объясняется одновремен ным действием двух конкурирующих процессов: увеличением концентрации электронов пучка при росте температуры с одной стороны и уменьшением подвижности с другой. Последняя при низких температурах уменьшается медленно, а затем (примерно при 60 К) уменьшается резко; как следствие, происходит насыщение роста инкремента и даже его небольшое умень шение.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке нового типа усилителей и генераторов в диапазоне 400-700 ГГц.

Глава 7. Новый тип динамических квантовых ям и квантовых точек.

В данной главе рассматривается движение квантовой заряженной частицы в пространственно- и времени- периодическом потенциале вида v(x,t) = v^coskQx-cosut и устанавливается ряд интересных асимптотических свойств соотвествующего гамильтониана.

Из классической электродинамики известно, что в электромагнитном поле в областях, свободных от источников, не существует абсолютных максимумом и минимумов потенциала, что исключает возможность про бывания заряженной частицы в состоянии устойчивого равновесия. Тем самым исключается и возможность локализации частицы, если под локализацией понимать такое состояние, при котором частица с энергией, меш шей некоторой заданной величины не может выйти за пределы ограниченной области пространства ни при каких начальных условиях. Это утверждение, как показали В. Пауль и независимо A.B. Гапонов и и М.А. Миллер , не распространяетя на случай неоднородного високочас тотного поля,, где локализация частицы возможна. Используя процедуру усреднения по быстрым осцилляциям, Гапонов и Миллер показали, что средняя по времени сила, действующая на частицу потенциальна, причем потенциал силы пропорционален квадрату модуля электрической напряжен ности и не зависит от знака заряда.

При рассмотрении движения квантовой заряженной частицы в терминах уравнения Шредингера нами был выведен безразмерный параметр д, представляющий собой квадрат отношения энергии частицы в электрическом поле к кванту энергии колебаний: g = 1/8(evyhuf. При этом оказалось, что если этот параметр достаточно велик (g - Ю9+10"), то эффективный потенциал, в котором движется частица, может рассмвтри-ваваться в некоторм смысле как не зависящий от времени и имеющий вид:

V ,, = --- = 2<*sin кх ,

off О

где а = (evjkof/8тш2. Этот результат полностью эквивалентен классическому, однако он получен без какой бы то ни было процедуры усреднения. Кроме того оказывается, что спектр частицы в таком потенциале описывается формулой:

cn = (2n + I)|g|""2<x , п = 0, 1,2, ...

На первый взгляд такой вывод представляется ппарадоксальным, поскольку исходный гамильтониан явно зависит от времени и энергия, вообще говоря,не должна сохраняться.Тем не менее асимптотические свой ства решений соответствущего уравниня Матье, обусловленные очень большой величиной параметра g и очень малой величиной 2и / un (ып n4i= дсп п<1А) таковы, что частица долгое время находится в сос тояшм сп с вероятностью, соотвествующей начальному распределению. Физическое объяснение этого состоит в том что поскольку hu « с , возмущение H{t) следует рассматриваьть как адиабатическое, а адиабатическое возмущение,как известно из квантовой механики, не может вызвать переходы между состояниями дискретного спектра.

Условие адиабатичности в данном случае сводится к следующему: v = hk^/imj » I, и для избранных значений ко и ы составляет v ~ 100. Ситуация напоминаеет Ваннье-штарковскую локализацию электронов кристалла в сильном однородном электрическом поле, когда электрон оказывается как бы плененным в потенциальной яме. Область полей 2л << << ае|Е| (лш - ширина разрешенной зоны, а - постоянная решетки), для

которых такой эффект возможен, называется квантовой. Поскольку значе ние ширины разрешенных зон составляет единицы электронвольт, квантовая область имеет место при напряженноетях полей больше Ю6 В см"1, что практически почти недостижимо из-за возникновения электрического пробоя. В нашем случае неоднородного высокочастотного поля эта квантовая область достигается при значительно меньших значениях напряжен ности поля.

Далее в этой главе рассмотрена физическая модель, соответствующая описанной выше ситуации и показано, что подобные "динамические" квантовые ямы иогут быть реализованы в МДП-структурах с периодически расположенными полевыми электродами, если расстояние между двумя соседними электродами не превышает длины свободного пробега электрона в полупроводнике. При этом оказывается, что если толщина диэлектрике достаточно велика, высшие пространственные гармоники Фурье-разложения пространственно-периодической части потенциала сильно подавляются в слое диэлектрика и потенциал,приобретает вид ~ квсозкох-•совис. Здесь же рассмотрено резонансное туннелирование электронов в подобной структуре с "динамическими" квантовыми ямами.

В последнем параграфе рассмотрено действие квантующего магаит-ного поля на данную структуру и показано", что если поле в параллельно границе раздела диэлектрик-полупроводник и оси грейтинга,' то в ней возникает квазинульмерный объект - квантовая точка, спектр электрона в которой полностью дискретен и определяется формулой:

сп>. (2п + 1)|дГ'/га + (т + 1/2)Ьио,

где ио = ев/т', го*- эффективная масса электрона. Эти результаты могут быть использованы для разработки целой гаммы новых микро- и наноэлектронных приборов с многообещающими характеристиками .

Основные результаты работы Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Предложена модификация ха-метода рассеянных волн и развит новый кластерный метод расчета энергетического спектра твердых тел, учитывающий перекрывание электронных плотностей атомов участвующих в образовании химических связей. Метод особенно эффективен при описании энергетического спектра веществ с ковалентным типом связей.

2. Метод использован для расчета электронной структуры примесей переходных элементов группы железа (гп, ш, си, Ие), создающих глубокие примесные уровни в кремнии. Установлены количественные зависимости между заселенностью глубоких уровней, создаваемых этими примесями и зарядовыми состояниями примесных центров.Показано,что предложенный подход дает количественные результаты, полностью согласующиеся с теорией глубоких примесных центров Андерсена-Флерова- Кикоина.

3. Предложена теория экзоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводников, для которых ширина запрещенной зоны меньше энергии сродства элетрона к кристалл,/. Показано, что экзоэмиссионный процесс можно расматривать как ударную рекомбинацию свободных дырок и электронов, захваченных в процессе возбуждения поверхности на долгоживущие квазистационарные состояния, лежащие высоко в разрешенной зоне,с последующей передачей выделившейся энергии е > е^ испускаемым электронам, первоначально также локализованным в квазистационарных состояниях.

4. На основе предложенной теории экзоэлектронной эмиссии объяснены особенности испускания электронов с поверхности таких полупроводников как германий и кремний, в том числе появление пиков термостимулирован ной экзоэлектронной эмиссии выше комнатной температуры в диапазоне 400- 700 К при линейном нагреве, экспоненциальный закон затухания экзоэмиссии для выделенного пика при постоянной температуре, увеличение постоянной распада квазистационарного состояния с увеличением температуры, связь между временной стабильностью возбужденного дефек та и его термостабильностью, а также зависимость ширины эмиссионного пика и энергии экзоэлектронов от температуры.

5. Предложена модель, описывающая явление изменения код действием све

та намагниченности магнитного полупроводника мпАэ. Методом матрицы плотности вычислены временные и спектральные характеристики наведенной светом намагниченности и показано, что изменение последней под дейтсвием света объясняется возникновением светоиндуцированного диамагнитного момента квазисвободных электронов в одной из подзон а-зоны проводимости.

6. На основе немарковского кинетического уравнения для матрицы плотности дано описание поглощения света примесными центрами полупроводника во внешнем резонансном электромагнитном поле с учетом взаимодействия с фононной подсистемой. На основе развитого подхода найдено общее аналитическое выражение для нелинейного коэффициента поглощения и нелинейного показателя преломления кристалла с примесями во внешнем монохроматическом поле. Получены зависимости нелинейного коэффициента поглощения в полупроводниках с разными типами примесных центров, взаимодействующих с различными ветвями фононного спектра кристалла. Покано.что увеличение интенсивности поля приводит к эффекту просвет-леня, причем контур линии во всех рассмотренных случаях несимметричен и существенно отличается от лоренцевского.

7. Развит метод описания дифракции электромагнитных волн на волнах пространственного заряда, возбуждаемых в ЩЛ-структурах с периодичес кими полевыми электродами. Показано, что теория применима также и в случае дифракции электромагнитных волн на волнах пространственного заряда, возбуждаемых в устройствах на эффекте Ганна. Теория открывает путь разработке таких приборов, как дефлекторы для оптических систем связи и направленные ответвители поверхностных электромагнитных волн с максимально достижимой глубиной модуляции, управляемых только электрическим полем.

е. Предложен новый способ усиления волн пространственного заряда в ВДП-структурах с периодически расположенными полевыми электродами, а также в двумерном электронном газе и развита теория соответствующего явления. Показано, что усиление волн пространственного заряда есть следствие пучковой неустойчивости, которая возникает из-за инверсии функции распределения электронов в сильном электрическом поле в таком полупроводнике,как арсенид галлия. Рассмотрена также пучковая неустой чивость при инжекшш электронов из квантовой ямы в слой полупроводни-

ка структуры полупроводник -диэлектрик, содержащей грейтинг. Найдена температурная зависимость инкремента нарастания волн пространственного заряда при различных параметрах структуры. Полученные результаты могут служить основой для разработки новых типов усилителей и генераторов СВЧ-диапазона.

9. Рассмотрено движение квантовой заряженной частицы в пространственно-периодическом высокочастотном электрическом поле и для этого случая построена теория захвата заряженных частиц.На этой основе предложен новый способ формирования квантовых ям и рассмотрено резонансное туннелирование электронов в подобного рода структурах. Показано, что под дейстием квантующего плоя в структуре возникает квазинульмерный объект - квантовая точка, обладающая тем свойством, что спектр заряженных частиц в ней будет полностью дискретным, определяющимся двумя внешними полями - электрическим и магнитным. Эти результаты могут быть использованы для разработки целой гаммы новых микро- и оптоэлектрошгах устройств и приборов.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержать диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Гурский Л.И., Смольский В.П., Тралле И.Е. Учет перекрывания атомн-ных сфер в ха-методе рассеянных волн. // Изв. АН БССР. 1984. №> 6,

с.66-72.

2. Гурский Л.И., Смольский В.П., Тралле И.Е. Расчет энергетических характеристик и равновесной длины связей многоатомного кластера с учетом перекрывания атомнных сфер в хд-методе рассеянных волн. / В сб. докл. и Всесоюзн. конф. по квант, химии тв. тела. Рига. 1985, с. 95-56.

3. Гурский Л.И., Смольский В.П., Тралле И.Е. Расчет полной энергии и равновесной длины связей многоатомного кластера с учетом перекрывания атомнных сфер в ха-методе рассеянных волн. / В сб. докл. IX Всесоюзн. совещ. по квант, химии. Черноголовка. 1985, с. 101-102.

4. Гурский Л.И., Смольский В.П., Тралле И.Е. Расчет полной энергии и

равновесной длины связей многоатомного кластера с учетом перекрывания атомнных сфер в *а-методе рассеянных волн. / Cö. научн. трудов 25 Сибирского семинара "Физика кластеров". Новосибирск. 1987, с. 163-167.

5. Гурский Л.М., Смольский В.П., Тралле И.Е. Расчет энергетического спектра многоатомного кластера кремния, содержащего атомы переходных элементов *„-РВ методом. /В сб. трудов 25 Сибирского семинара "Физика кластеров". Новосибирск. 1987, с. 168-169.

6. Гурский Л.И., Смольский В.П., Тралле И.Е. Расчет энергетического спектра примечных центров, создаваемых атомами переходных элементов в кремнии. // ДАН БССР. 1988. Т. 32, No II, с. 983-988.

7. Покрышкин А.И., Тралле И.Е. О механизме термостимулированной эк-зоэлетронной эмиссии с поверхности полупроводников. / "Вопросы прочности и пластичности металлов". 1981. ФТИ АНБ, Минск, "Наука и техника", с. 55-56.

8. Гурский Л.И., Покрышкин А.П., Тралле И.Е. О механизме термостимулированной экзоэлетронной эмиссии д поверхности полупроводников. // ДОКЛ. АН БССР. 1981. Т. 25, No 4, с. 3II-3I4.

9. Гурский Л.И., Покрышкин А.И., Тралле И.Е. Релаксация возбужденных квазистационарных состояний как возможный.источник экзоэлектронной эмиссии полупроводников. // ИТФ. 1983. Т. 53, ВЫП. II, с. 22C9-22I3.

10. Гурский Л.И., Покрышкин А.И., Тралле И.Е. О термостимулированной экзоэмиссии полупроводников. / В сб.: Экзоэмиссия и ее применение. Рига. РПИ. 1981, с. 3-10.

11. Маханек А.Г., Тралле И.Е. О светоиндуцированном изменении намагниченности арсенида марганца. // ЖПС. 1984. Т. 41, No 5, с. 822-827.

12. Апанасевич H.A., Круглов В.И., Тралле И.Е. Взаимодействие примесных центров кристалла с когерентным электромагнитным полем. Минск. 1985. - 30 с. (Препринт/ ИФ АН БССР. No 373.)

13. Apanasevich P.A., Kruglov V.l., Tralle I.E. Interaction of crystal impurity centers with a coherent electromagnetic field. /Phys. stat. solidi (b) . 1986. Vol. 137, p. 641-653.

14. Apanasevich P.A., Kruglov V.l., Tralle I.E. Absorption of impuri ty centers of a crystal in the field of a strong monochromatic wave. // I'hys. Stat, solidi (b) . 1990. Vol. 161, p. 869-882.

is. Тралле И.Е. Диффракция света на волнах пространственного заряда в многослойных структурах с периодически расположенными управляющими электродами. // ДАН БССР. 1991. Т. 35, No 10, с. 885-892.

16. Tralle I.E. Electromagnetic Wave Diffraction by Space Charge Waves in Metal-Insulator-Semiconductor Microstructures. // Phys. stat. solidi (a). 1991. Vol. 128, p. 501-511.

17. Тралле И.Е. 0 возможности усиления плазменных колебаний в МДП-структурах с периодически расположенными полевыми электродами. / В сб. трудов vii Всесоюзного еминара "Плазма и неустойчивости в полупроводниках". Паланга. 1989, с. 144-146.

18. Тралле И.Е. О возможности усиления плазменных колебаний в многослойных структурах с периодическими управляющими электродами. / В с<5. трудов 3 Всесоюзн. школы-семинара "Взаимодействие электромагнитных волн в полупроводниками и полупроводниково-диэлекрическими структурами-. Саратов. Изд. Саратовского Унив. 1991, с. 91-92.

19. Тралле И.Е. Усиление плазменных колебаний в многослойных структурах с периодическими управляющими электродами. // ДАН БССР. 1991. Т.35, с. 132-135.

20. Tralle I.E., Filonc/ А.В. On the possibility of space-charge wave amplification in multielectrode MIS-microstructure. // Phys. stat. solidi (b). 1992. Vol. 173, p. 775-781.

21. Tralle I.E., Filonov A.B. Amplification of space-charge wave in a two-dimensional electron gas in a strong electric field (b). 1994. Vol. 182, p. 165-170.

22. Тралле И.Е., Сизюк В.А. Пучковая неустойчивость и усиление волн пространственного заряда в плазме полупроводников. // ДАН Б. 1994. Т. 38, № 4, С. 45-48.

23. Tralle I.E., Sizjuk V.A. Beam instability and space-charge wave amplification in a semiconductor plasma. //Phys. sta. solidi (b). 1994. Vol. 182, p. 171-176. .

24. Tralle I.E., Filonov A.B. Space-charge wave amplification in multielectrode MIS-microstructure and in two-dimensional electron gas. // Journ. of Phys: D, Appl. Phys. 1994. Vol. 27, p. 1707-1711.

25. Тралле И.Е. 0 новом типе квантовой сверхрешетки. Труды и Всесоюзной школы-семинара "Взаимодействие электромагнитных волн с полу-

проводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами". Изд. Саратовского Унив. 1988. с. 72-73.

26. Тралле И.Е. Динамическая локализация электронов и отрицательная диффракционная проводимость в МДП-структурах с периодически расположенными электродами. // ДАН БССР. 1988. Т. 32, No 12, с. I08I-I084.

27. Tralle I.E. On a new type of quantum superlattice. // Phys. Lett. A. 1990. Vol. 146, No 718, p. 443-446.

28. Tralle I.E. On a new type of "dynamic" superlattice. 35 Internationales Wissenschaftliches Kolloquim. Technische Hochschule Ilmenau DDR. 1991, S. 23-24.

29. Tralle I.E. MIS-microstructure with periodic field electrodes. A new type of dynamic superlattice. // Acta physice polonica A. 1991. Vol. 79, No 5, p. 699-705.

30. Тралле И.Е. Динамическая сверхрешетка в структуре МДП полевого транзистора с периодически расположенными полевыми электродами. // Электрон, техника. Сер. Электрон. СВЧ. 1990, вып. 10, с. 24-26.

31. Tralle I.E. Analytical description of some quantum systems with space- and time-periodic Hamiltonians. // Phys. Rev. A. 1993. Vol. 48, No 5, p. 3489-3503.

32. Tralle I.E. On a new type of dynamic "quantum wells in nonuniform high frequency electric field in MIS-microstructure. Proceedings of the Second Int. Conference on Nanometer Scale Science and Technology. Pt. B, p. 624-636. Moscow 1993.

33. Tralle I.E. On a new type of dynamic quantum wells and quantum dots. // Phys. etat, solidi (b). 1994. Vol. 181, p. 97-107.

34. Tralle I.E. On the lateral dynamic quantum wells in multielect-rode MIS-microstructure. // J. of Phys. D: Appl . Phys. 1994. Vol. 27, p. 1713-1718.

35. Tralle I.E. Space charge wave amplification in 2D and 3D semicon ductors /in: Physics, Chemistry and Application of Natiostructures. Ed. by V.E.Borisenko, A.B.Filonov, S.V.Gaponenko and V.S.Gurin.Minsk, 1995

36. Tralle I.E. Dynamic quantum wells im multielectrode MlS-micro-structure with the periodic field electrodes./in: Frontiers in Nano-scale Science, Ed.by A.-P.Jaucho and E.V.Buzaneva, Kluwer Acad. Presa 1996.

37. Tralle I.E. On the dynamic localization of charged particles in multielectrode Insulator-Semiconductor Microstructure. Proceed, of the International Conference on Electron Localization and Quantum Transport in Solids, Jaszowiec, Poland 1996, p.227-228.

РЕЗЮМЕ

Траллс Игорь Евгеньевич ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ И СТРУКТУРАХ ПОЛУНРОВОДНИК-ДЮЛЕКГРИК К УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО НОЛЯ Ключевые слона: примесные центры, экэоэлсктронная эмиссия, волны Пространственного заряда, пучковая неустойчивость, динамическая локализация.

Предмет исследования: примесные центры переходных металлов в полупроводниках, экзоэлсктронная эмиссия с поверхности полупроводников с шириной запрещенной юны, меньшей энергии сродства электрона к крис|аллу, дифракция электромагнитных волн на волнах пространственного заряда, пучковая неустойчивость н усиление волн пространственного чаряда , динамическая локализация заряженных частиц в МДП-струкгурах с грейтингом.

Цель диссертационной работы состоит в комплексном исследовании процессов переноса заряда в полупроводниках и иолунроводинково-диэлектрнческих структурах в условиях воздействия электромагнитного, высокочастотного электрического и магнитного полей. Новизна работы заключается в том, что: развита теория пучковой неустойчивости и усиления волн пространственного заряда в объемной плазме полупроводника и двумерном электронном газе: разработана квантовая теория переноса носителей заряда в высокочастотном поле структур полупроводник-диэлектрик и на этой основе предложен новый способ формирования квантовых ям и квантовых точек; развит немарковский подход к описанию взаимодействия мощного резонансного электромагнитного излучения с примесными полупроводниками; предложена модель и построена теория экзоэлектроинон эмиссии с поверхности полупроводников с шириной запрещенной зоны меньшей, чем энергия сродства электрона к кристаллу; изучены закономерности дифракции электромагнитных волн на волнах пространственного заряда в топких слоях полупроводников. Области применения роультатов диссертационной работы: физика полупроводников, физика твердого тела, микро- и наноэлектроника

ГУМОМ')

Траллс 1гар Яугенав1Ч ПРАЦЭСЫ ПЕРАНОСУ ЗА!'АДА У ПАУИРАНАДШКАХ I СТРУКТУРАХ

паУнравадшк-ды'ш.ктрык вл Умовах УЗДЗЕЯННЯ

'ЭЛЕКТРАМАППТИАГА ПОЛЯ Ключ а выи словы: дамешкавыя центры, экзаэлекгронная эмкэя, хвал! прасторавага зараду, пучковая пяустошнвасць, дынамгшая лакалпацыя. Пралмет даследнаимяу: дамешкавыя центры пераходных металлу у шуправадтках, экзаэлекгронная эмшя з паверхш пауправадшкоу, у як1х шмрыня забароненаи зоны меньш, чым энерпя сроднасш электрона да крышталю: дыфракпыя электрамагнргных хваляу на хвалях прасторавага зараду.

пучковая няустойлжаспь i ушацненнс хваляу ирасторапага зараду. дмпамгшая лакчип заныя imci.GiTay зараду у МДИ-струкгурах з гр'шцшгам. Мзтаи дмссртацыииаи прайм з'яуляецца каммлекснае ласлсдпапмс iipaincajr псрапосу зарада у иауиравадшках i пауправадшкова-дызлектрычных структурах ва умовах уздзсяния >лекграма| штнага, выеокачасцтевага злектрычнага ¡магштнага nancy. Ilanhiia »раны заключена у тмм. што: разтта тзорыя пучкован iiflycroiijiiiiacni i узмацнення хваляу прасторавага зараду у абъемпай плазме пауправадшка i двухмерным электронным 'aie; разпрацавана кваптаная порыя псрапосу нось(лтау зараду у высокачасшневым iu>;ii структурау пауправалтк-дызлекгрык i па rjTaii падставс праиамаваны новы спосаб фармаваипя квантакых ямау i квамтавмх кропак; разшты нсмаркауск! падыход да ашеанпя узаемадзеяння магутнага рззанансавага вымрамсньпанмя з ламешканым! паунравадшкам!; праианапапа мадзль i разпранавана т~юрыя зкзачлектроннан тмicii з паверхш наунравадшкоу, у hkîx шырмня забароненай зоны мснмп, чым знерпя ероднасш злектропа да крышталю; вывучаны заканамсрнасш дифракции электрамагттных хпадяу на хвалях прасторавага зараду у toiikîx пластах паунранаджкоу.

Абсиг ужыпання iti.iiiiKay праш.пфтка наунравадшкоу, фгз1ка цвердага цела, MÎKpa- i натолоктрошка.

ABSTRACT

Trallc Igor Evgcnievich CHARGE TRANSPORT IN SEMICONDUCTORS AND SEMICONDUCTOR-INSULATOR MICRODSTRUCTURES UNDER THE ACTION OF ELECTROMAGNETIC FIELD Key words: impurity centcrs, Kramer effect, space charge waves, beam instability, dynamical localization.

Investigation objects: impurity centers of transitional metals in semiconductors, Kramer effect H orn the surfaces of semiconductors with the energy gap less than the electron affinity; elcctromagmetic wave diffraction by the space charge waves, beam instability and space charge wave amplification, uynamical localization in semiconductor-insulator microstructures with grating.

The main goal of the thesis is the complex investigation of charge carriers transport in semiconductors and insulator-semiconductor microstructures under the action of electromagnetic, high frequency electric and magnetic fields. The new results obtained in the dissertation are: theory of beam instability and space charge wave amplification in semiconductor plasma and 2D electron gas; quantum theory of charge transport in high frequency non-uniform electric field in the insulator-semiconductor microstructures and the new type of quantum wells and quantum dots formation; the development of non-markovian approach to the description of resonance

32

electromagnetic field interaction with the semiconductor impurities; the development of the model and the theory of exoelcctron emission (Kramer effect) from the semiconductor surfaces, when the energy gap is less than the electron affinity; the investigation of electromagnetic wave diffraction by the space charge waves in thin semiconductor films.

The fields of application are: semiconductor physics, solid slate physics, micro- and nano-scale electronics.

Подписано к печати 14.11.96 .Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 2.0 Тираж 100 экз Заказ432.

Отпечатано на ротапринте Белорусского государственного университета 220080 г. Минск, ул. Бобруйская, 7.