Исследование возбужденной неравновесной электронно-дырочной плазмы в узкозонных полупроводниках

Последние десятилетия характеризуются бурным развитием различных направлений физики в области исследования явлений самоорганизации и хаоса. Актуальность данной тематики связана с тем, что знание основных закономерностей самоорганизации позволяет перейти к контролю и управлению реальными физическими процессами, в которых процессы самоорганизации приводили бы к образованию структур с заданными характеристиками как в стационарном режиме, так и в динамическом. В данной работе проведено исследование неравновесной (температура носителей заряда и решётки сильно различаются) возбуждённой электронно-дырочной плазмы (ЭДП) в узкозонных полупроводниках, рассматриваемой как диссипативная система со свойственной ей способностью к самоорганизации.

Работа направлена на изучение фундаментальной проблемы нелинейной физики конденсированных сред, связанной с явлениями самоорганизации в диссипативной системе — в полупроводниковой неравновесной ЭДП. Самоорганизация — процесс спонтанного образования и эволюции диссипативной структуры при изменении уровня неравновесности ЭДП, при котором появляются нелинейные пространственно-временные структуры, характеризующиеся существенным отличием температуры и концентрации носителей — автосолитоны (АС). Исследование условий возникновения АС и их эволюция с изменением уровня возбуждения ЭДП в полупроводниковых кристаллах в данной диссертационной работе является основным. Для экспериментального изучения АС в неисследованных с этой точки зрения узкозонных полупроводниках использовались различные методики измерений (вольтамперные характеристики (ВАХ) на квазипостоянном токе, импульсах электрического поля, динамические ВАХ, а также сильные импульсные электрические поля). Кроме того исследовалось влияние слабых продольных магнитных полей на поведение АС. С применением всестороннего гидростатического сжатия до 1 ГПа, позволяющего изменять параметры полупроводника, исследовано влияние физических характеристик полупроводниковой плазмы на образование и эволюцию АС. Проведено сопоставление экспериментальных результатов исследований АС в ЭДП с результатами теоретических работ. Весь комплекс обозначенных исследований проведён на лабораторной автоматизированной экспериментальной установке. Проведён численный компьютерный анализ токовых неустойчивостей, обусловленных движением АС в кристалле с изменением уровня возбуждения электрическим полем неравновесной ЭДП, при воздействии на образец слабого магнитного поля и высокого гидростатического давления. Проанализированы: фазовые портреты, амплитудно-спектральная характеристика. Выявлены сценарии развития неустойчивости в ЭДП.

Изучение неравновесной ЭДП, как диссипативной системы, проведены в узкозонных полупроводниках: типа АщВу и элементарном полупроводнике VI группы. Полупроводниковые материалы на основе соединений АщВу представляют собой обширный класс веществ, свойства которых вызывают большой интерес и в настоящее время активно изучаются многими исследователями. Преимущество этих полупроводниковых соединений по сравнению с элементарными полупроводниками IV группы (германием и кремнием) состоит в том, что они имеют широкий набор таких основных параметров, как ширина запрещённой зоны и подвижность носителей заряда. Это позволяет выбрать в конкретных приложениях материалы, имеющие оптимальные характеристики. В качестве объектов исследования в экспериментах были использованы антимонид индия и теллур.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование нелинейных явлений в возбуждённой ЭДП в узкозонных полупроводниках /МпБЬ и Т. е. Полученные результаты позволят получить более полное представление о физике процессов, связанных с образованием устойчивых динамических самоорганизованных структур. Другим аспектом работы является получение данных о влиянии внешних факторов (электрические и магнитные поля, высокое гидростатическое давление) на образование и эволюцию АС в ЭДП полупроводников, изучение их свойств. Исследование сценариев развития АС в полупроводниковой плазме и сопоставление полученных результатов с теоретическими представлениями.

Постановка задачи.

Идея самоорганизации таких кооперативных систем, как ЭДП в полупроводниках и полупроводниковых структурах достаточно нова. Исследованных полупроводниковых материалов на предмет возбуждения АС в неравновесной ЭДП не велико (ваАБ, ве, 81). Естественно, следует значительно увеличить количество экспериментальных результатов в области исследования нелинейных явлений и самоорганизации в неравновесной ЭДП исследованиями других полупроводниковых материалов. Поэтому в качестве объектов исследования были выбраны следующие полупроводниковые материалы:

• р-ШЪ (р=2Ч-4−1012 см'3, /^2500−5-7000 см2/В-с при Г=77К).

• Те (/7=1.45−1014 см" 3, //-2400 см2/В-с при Г=77К).

Выбор антимонида индия и теллура в качестве объектов обусловлен тем, что в них всесторонне изучена зонная структура, однако они не исследовались ранее с точки зрения явлений самоорганизации в ЭДП этих полупроводниковых материалов.

Наблюдаемые экспериментально неустойчивости тока, обусловленные возникновением и движением АС в ЭДП, представляют собой один из видов переходов от регулярности к динамическому хаосу. Изменение любого физического параметра материала может привести к разнообразным сценариям развития ДС. В этой области научных интересов есть большой задел в теоретических исследованиях, однако, экспериментальных работ по этой теме не так много.

Научная новизна работы.

1. В образцах антимонида индия обнаружены и исследованы термодиффузионные автосолитоны в сильных электрических полях. Измерена скорость движения поперечных автосолитонов. Показано, что они обладают свойством самоорганизации.

2. Экспериментально показано, что продольное магнитное поле до 150Э приводит к перераспределению электрического поля автосолитонов в антимониде индия, изменяет частоту и амплитуду токовых осцилляции, вызванных движущимися автосолитонами.

3. Исследования распределения концентрации носителей заряда и их температуры в объёме образцов монокристаллов антимонида индия и теллура, при наличии диссипативной структуры, полученной джоулевым разогревом, показали, что продольные автосолитоны являются холодными, а поперечные — горячими.

4. Исследованием распределения плотности тока по сечению образцов монокристаллов антимонида индия определена область локализации продольного АС.

5. Обнаружено, что непрерывное гидростатическое сжатие до 1 ГПа образца антимонида индия приводит к изменению порогового электрического поля, необходимого для образования диссипативной структурыс ростом давления нарушается регулярность токовых осцилляций, обусловленных движущимися автосолитонами.

Научное и практическое значение работы.

Полученные в диссертации экспериментальные результаты об образовании ДС в ЭДП полупроводников позволяют получить более полное представление о физике процессов, связанных с образованием устойчивых динамических структур. Получены данные о влиянии внешних факторов (электрические и магнитные поля, высокое гидростатическое давление) на образование и эволюцию ДС в ЭДП полупроводников. Собран и проанализирован экспериментальный материал о сценариях развития ДС в полупроводниковой плазме. Обнаруженные эффекты могут быть практически использованы для создания осциллирующих приборов, управляемых слабым магнитным полем, в качестве детекторов слабого магнитного поля, а продольный АС с высокой плотностью тока — как источник инфракрасного рекомбинационного излучения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались:

• на Международной конференции «Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах». Махачкала 8−11 сентября 1998 г.

• Международной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН «Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане» (Естественные науки). Махачкала, 21−25 мая 1999 г.

• Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектронике. Санкт-Петербург, 30 ноября — 3 декабря 1999 г.

• Международной конференции «Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики ДНЦ РАН, Махачкала, 6−9 сентября 2000 г.

• Международной конференции: Ninth International Conference on «High Pressure Semiconductor Physics». September 24−28, 2000 Hokkaido University, Sapporo, Japan.

• Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах». Институт физики ДНЦ РАН, Махачкала, 11−14 сентября 2002 г.

Публикации.

Основные результаты опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 9 научных статьях и материалах 8 конференций. Список статей, опубликованных в реферируемых журналах приводится в автореферате диссертации.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения шести глав и заключения, изложенных на 114 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 43 рисунка и список литературы из 80 наименований. Общий объём диссертации 121 страниц.

Основные результаты и выводы представленной работы заключаются в следующем:

1. Экспериментально в образцах /?-1п8Ь впервые обнаружены и исследованы продольные и поперечные термодиффузионные АС в постоянном и импульсном электрическом полях. В результате проведённых исследований было обнаружено несколько мод колебаний тока, обусловленных движением поперечных АС, измерена скорость их движения.

2. Впервые исследовано влияние продольного магнитного поля на поведение термодиффузионных АС в образцах кристаллов /?-1п8Ь. Показано, что изменение магнитного поля может приводить к делению продольных АС. Показано, что после воздействия магнитного поля на образовавшуюся устойчивую ДС (продольные АС), последующее отключение магнитного поля в некоторых случаях приводит к образованию устойчивых ДС с другими характеристиками.

3. Проведены исследования распределения концентрации носителей заряда в объёме образца при наличии в ЭДП ДС. Экспериментально обнаружено, что при образовании как продольных, так и поперечных АС в объёме исследуемых образцов существенно перераспределяется концентрация носителей заряда.

4. Исследована локализация продольного АС в объёме образца монокристалла /?-1п8Ь. Показано, что в процессе образования продольных АС, на токовых зондах образца происходит перераспределение плотности тока, свидетельствующее об образовании ДС.

5. Впервые показано, что изменение параметров полупроводникового материала при увеличении гидростатического сжатия (в эксперименте до 1 ГПа) влияет на образование ДС в ЭДП с характерной закономерностью.

6. Изучено явление коллективного поведения АС в /?-1п8Ь. Экспериментально показано соответствие исследованных сценариев развития кооперативного поведения поперечных АС с возможной динамикой развития ДС, определённой теоретическими представлениями.

Научное и практическое значение работы заключается в том, что полученные в диссертации экспериментальные результаты об образовании ДС в ЭДП полупроводников позволяют получить более полное представление о физике процессов, связанных с образованием устойчивых динамических структур. Получены данные о влиянии внешних факторов (электрические и магнитные поля, высокое гидростатическое давление) на образование и эволюцию ДС (автосолитонов) в ЭДП полупроводников. Собран и проанализирован экспериментальный материал о сценариях развития ДС в полупроводниковой плазме. Обнаруженные эффекты могут быть практически использованы для создания осциллирующих приборов, управляемых слабым магнитным полем, в качестве детекторов слабого магнитного поля, а высокая локализация тока в продольном АС — как источник инфракрасного рекомбинационного излучения.

Выражаю искреннюю благодарность и признательность научным руководителям чл.-корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук, профессору Камилову И. К., кандидату физико-математических наук, в.н.с. Степуренко A.A. за внимательное руководство и помощь.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить заведующего лабораторией Нелинейной динамики и хаоса кандидата физ.-мат. наук в.н.с. Алиева K.M., заведующего лабораторией Физики полупроводников доктора физ.-мат. наук в.н.с. Гаджиалиева М. М. и весь коллектив лаборатории за создание условий для выполнения этой работы, критику и полезные советы.