WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Высшие гармоники колебаний тока в слабосвязанных сверхрешетках GaAs/AlGaAs ¶ © Г.К. Расулова, Н.П. Брунков, А.Е. Жуков, В.М. Устинов Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 декабря 2005 г. Принята к печати 19 декабря 2005 г.) Показано, что автоколебания, наблюдаемые в слабосвязанных сверхрешетках GaAs/AlGaAs, являются результатом сложения гармонических колебаний нескольких связанных осцилляторов, каждый из которых представляет собой однобарьерный туннельный диод. Связанные осцилляторы формируют расширенную границу электрополевого домена в режиме отрицательной дифференциальной проводимости.

PACS: 72.30.+q, 73.40.Gk, 73.40.Kp.

Слабосвязанные полупроводниковые сверхрешетки уменьшение частоты осцилляций к концу каждого плато (СР), в которых обнаружены спонтанные незатухающие вольт-амперной характеристики существующая теоретивысокочастотные колебания тока, привлекают внимание ческая модель не объясняет.

исследователей возможностью создания на их основе пе- На основании исследований частотных характеристик рестраиваемых по частоте генераторов колебаний тока, колебаний тока [6,7] мы предположили, что наблюдаеспособных генерировать колебания в диапазоне частот мые автоколебания есть результат сложения гармонических колебаний нескольких связанных осцилляторов, от десятков кГц до единиц ГГц. Генерация колебаний тока в слабосвязанных сверхрешетках обусловлена на- которые в режиме отрицательной дифференциальной проводимости образуют расширенную границу электроличием областей с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) в вольт-амперных характеристи- полевого домена.

Граница электрополевого домена в сверхрешетке ках сверхрешеток.

представляет собой область пространственного заряСогласно теоретической модели [1–3], осцилляции да, падение напряжения, на котором обеспечивает ретока в сверхрешетках возникают благодаря циклическозонансное согласование уровней минизон в соседних му движению границы электрополевого домена вдоль квантовых ямах. Формирование границы домена происоси сверхрешетки. Основным параметром, по которому ходит в условиях, при которых минизоны в соседних теоретически оценивается период осцилляций, является квантовых ямах разомкнуты (область ОДП в вольтвремя пролета границы домена между контактами [4].

амперной характеристике). Для резонансного согласоваОднако в ряде случаев для согласования расчетных и ния уровней минизон с эмиттера инжектируется необэкспериментальных данных число периодов сверхрешетходимое количество заряда. Из-за диссипации энергии ки, которые за период колебаний пробегает граница при переносе заряда вдоль оси СР не все инжектиродомена, варьируется [4,5]. При этом механизм, ответванные с эмиттера электроны одновременно достигаственный за уменьшение или увеличение области циклиют периода СР, в котором происходит формирование ческого движения границы домена, в рамках указанной границы домена. В слабосвязанных полупроводниковых теоретической модели не обсуждается.

сверхрешетках из-за слабого перекрытия электронных Обнаруженные нами автоколебания в сверхрешетках волновых функций между соседними квантовыми ямами GaAs/Al0.3Ga0.7As имеют частоту, значительно превы(ширина ям и барьеров превышает длину когерентности шающую частоту колебаний, определяемую временем электрона) велика вероятность захвата электронов кванпролета границы электрополевого домена между контактовыми ямами. Поэтому электроны, потерявшие часть тами [6,7]. Например, при постоянном смещении 3.0 В энергии в результате участия в процессах рассеяния частота осцилляций в начале 4-го плато вольт-амперной во время туннелирования вдоль оси СР, захватываются характеристики составляет 1.55 МГц, в то время как квантовыми ямами, расположенными позади периода, оценка частоты по времени пролета границы домена в котором происходит формирование границы домена, дает величину 0.48 МГц. Хотя приведенное соотношеобразуя протяженную (несколько периодов СР) границу ние расчетной и измеренной частот и укладывается в домена.

эмпирическую концепцию циклического движения граМы предположили [6,7], что генерация осцилляций ницы домена в пределах 1/3 длины сверхрешетки [8], тока происходит в области расширенной границы элекоднако частота осцилляций в пределах каждого плато не трополевого домена, в которой слабые флуктуации плотпостоянна и снижается к его концу [6,7]. Наблюдаемое ности захваченного ямами заряда приводят к рассо¶ E-mail: rasulova@mail1.lebedev.ru гласованию резонансно-выровненных минизон. Частота Высшие гармоники колебаний тока в слабосвязанных сверхрешетках GaAs/AlGaAs Измерения проводились на 30-периодных сверхрешетках GaAs/Al0.3Ga0.7As (ширина ямы GaAs — 28 нм, толщина барьера Al0.3Ga0.7As — 10 нм) при температуре 4.2 K. Источником синусоидальных высокочастотных колебаний служил генератор сигналов Г4-153.

На рис. 1, a показаны осцилляции тока, измеренные при постоянном смещении 3.295 В (жирной линией).

На рис. 1, b представлен фурье-спектр этих колебаний.

Обращает на себя внимание, что в разложении Фурье регистрируются линии на основной частоте ( f ) и на частотах 4-й ( f ) и 5-й ( f ) гармоник с практически рав1 ной амплитудой, а линии на частотах 2-й и 3-й гармоник отсутствуют.

Анализ амплитудно-частотного спектра собственных Рис. 1. a — осцилляции тока, измеренные при постоянном автоколебаний показал, что наблюдаемые автоколебания смещении 3.295 В (жирная линия). Тонкой линией показаны есть результат сложения трех гармонических колебаний колебания, рассчитанные по формуле (1). Для наглядности с заданной амплитудой (ai), частотой ( f ) и начальным i расчетный спектр сдвинут вниз по оси ординат на 0.05 мА.

фазовым углом (i):

b — преобразование Фурье измеренных автоколебаний.

f (t) = ai sin(2 f + i ), i = 0, 1, 2. (1) i i колебаний определяется скоростью резонансного соглаРассчитанные по формуле (1) осцилляции показаны на сования и рассогласования уровней минизон и зависит рис. 1, a тонкой линией.

от величины расстройки резонанса уровней минизон в соседних квантовых ямах. Ясно, что меньшей величине расстройки резонанса соответствует большая частота генерируемых колебаний. Мы полагаем, что в режиме ОДП расширенная граница домена представляет собой ансамбль связанных по фазе осцилляторов, каждый из которых генерирует колебания с собственной частотой.

Осциллятор представляет собой две соседние квантовые ямы, разделенные барьером, которые можно представить как однобарьерный туннельный диод. Расширенная граница электрополевого домена проявляет себя в гистерезисе тока, наблюдаемом в вольт-амперных характеристиках при изменении направления развертки напряжения [9,10], а также в сдвиге линии фотолюминесценции в сторону больших энергий при обратной развертке приложенного напряжения [11].

Следует отметить, что рассматриваемая система с полупроводниковой сверхрешеткой, в которой происходит генерация колебаний тока, отвечает основным требованиям, предъявляемым к автоколебательным системам [12]: рассматриваемая система является автономной диссипативной системой с внутренней обратной связью [9,10] и с внутренним источником энергии, которым является эмиттер, поставляющий требуемое количество заряда для резонансного согласования уровней минизон в соседних квантовых ямах.

Для того чтобы подтвердить наши предположения о том, что автоколебания в слабосвязанных СР есть результат сложения нескольких гармонических колебаний, были исследованы высокочастотные колебания тока в сверхрешетке GaAs/AlGaAs методом синхронизации Рис. 2. Фурье-спектры автоколебаний, синхронизованных собственных колебаний внешним источником синусои- внешними гармоническими колебаниями с частотой 4.2 МГц дальных колебаний. и с различной амплитудой Ue, указанной на рис. a–c.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 848 Г.К. Расулова, Н.П. Брунков, А.Е. Жуков, В.М. Устинов ний, измеренных при постоянном смещении 3.295 В, синхронизованных внешним гармоническим сигналом с частотой 4.2 МГц и с различной амплитудой. Из рис. 2, a видно, что при амплитуде внешнего сигнала Ue = 10 мВ измеряется квазипериодический сигнал с двумя несоизмеримыми частотами (отношение частот f / f = 5.188 — иррационально). При увеличении ам2 плитуды внешнего сигнала в 2 раза (Ue = 20 мВ) колебания на частоте основной гармоники ( f ) подавляются, собственные колебания структуры синхронизуются внешней силой и в фурье-спектре присутствует только одна линия, соответствующая синусоидальным колебаниям с частотой внешней силы (рис. 2, b). Из рис. 2, c следует, что с увеличением амплитуды внешнего сигнала амплитуда синхронизованных колебаний растет.

Измерение зависимости амплитуды синхронизованного сигнала от частоты (рис. 3) показало, что рост амплитуды сигнала достигает максимума на частотах, Рис. 3. Амплитудно-частотная зависимость синхронизованных близких к 5-й гармонике. В области частот 5-8 МГц автоколебаний.

синхронизация отсутствует. Как видно из рис. 3, амплитуда синхронизованного сигнала с частотой 4.2 МГц возрастает в 5 раз по сравнению с амплитудой колебаний на частоте основной гармоники, т. е. наблюдается когерентное усиление сигнала. Мы полагаем, что когерентное усиление сигнала происходит из-за взаимной синхронизации в ансамбле из нескольких осцилляторов, обусловленное постоянным сдвигом фазы колебаний осцилляторов. А именно, колебания, генерируемые в области расширенной границы электрополевого домена несколькими связанными однобарьерными туннельными диодами, синхронизуются за счет внутреннего взаимодействия, подстраивая собственные частоты.

Исследование синхронизации собственных колебаний тока в сверхрешетке внешними гармоническими колебаниями при различных величинах постоянного смещения, приложенного в областях с отрицательной дифференциальной проводимостью, показало, что при синхронизации колебаний с частотой, близкой к частоте основной гармоники f, ток I опережает по фазе внешнее переменное напряжение U = U0 sin t на 90, т. е.

Рис. 4. Синхронизованные автоколебания, измеренные при постоянном смещении 4.4 В (сплошная линия). Пунктирной проявляется емкостной характер реактивности системы.

линией показаны колебания от внешнего генератора. Сдвиг фаз Влияние контактов исключается, так как при постоянмежду синхронизованными колебаниями и внешними гармонином смещении, приложенном в области с положительческими осцилляциями равен /2.

ной дифференциальной проводимостью (на линейном участке вольт-амперной характеристики), сигналы, снимаемые со структуры и с генератора, синфазны; т. е.

в этой области напряжений сверхрешетка ведет себя Для того чтобы выделить гармонические составлякак омическое сопротивление. На рис. 4 пунктирной ющие исследуемого сложного колебания, собственные линией показан внешний сигнал от генератора (ось автоколебания структуры были синхронизованы внешординат справа), а сплошной линией — синхронизованним гармоническим сигналом с различной амплитудой ный сигнал от структуры (ось слева), измеренный при в диапазоне частот 0.5-10 МГц. Так как результаты постоянном смещении 4.4 В. Такое поведение характерно исследований синхронизации автоколебаний на частотах для прохождения переменного тока через конденсатор и близких к 4-й и 5-й гармоникам аналогичны, то здесь описывается как мы приводим данные измерений с частотой внешнего сигнала, близкой к 5-й гармонике собственных колеdU I(t) =C = CU0 cos t. (2) баний. На рис. 2 представлены фурье-спектры колебаdt Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Высшие гармоники колебаний тока в слабосвязанных сверхрешетках GaAs/AlGaAs В нашей интерпретации механизма генерации коле- [6] G.K. Rasulova, M.V. Golubkov, A.V. Leonov, P.N. Brunkov, S.O. Usov, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov, S.G. Konnikov.

баний тока в сверхрешетке мы предположили, что в Semicond. Sci. Tecnol., 19, S77 (2004).

неравновесном случае (режим с ОДП) расширенную [7] G.K. Rasulova, M.V. Golubkov, A.V. Leonov, P.N. Brunkov, границу электрополевого домена следует рассматривать S.O. Usov, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov, S.G. Konnikov. Suprlat.

как совокупность связанных однобарьерных туннельных Microstr., 37, 139 (2005).

диодов, каждый из которых генерирует колебания с [8] L.L. Bonilla, H.T. Grahn. Rep. Prog. Phys., 68, 577 (2005).

собственной частотой. При этом каждый однобарьерный [9] G.K. Rasulova, Yu.A. Efimov, V.N. Murzin. J. Appl. Phys., 82, диод можно рассматривать как емкость, в которой 3381 (1997).

барьер есть слой диэлектрика, а квантовые ямы по [10] G.K. Rasulova. J. Appl. Phys., 88, 4170 (2000).

обеим сторонам есть обкладки конденсатора. То, что [11] A.M. Tomlinson, A.M. Fox, C.T. Foxon. Phys. Rev. B, 61, в наших экспериментах при внешнем гармоническом 12 647 (2000).

воздействии ток опережает напряжение по фазе на /2, [12] П.С. Ланда. Нелинейные колебания и волны (М., Наука, 1997).

свидетельствует о том, что в области с ОДП, в которой [13] A. Amann, K. Peters, U. Parlitz, A. Wacker, E. Schll. Phys.

возникают осцилляции тока, туннелирование незначиRev. Lett., 91, 066 601 (2003).

тельно и туннельный переход эквивалентен емкости.

[14] A. Amann, E. Schll. J. St. Phys., 119, 1069 (2005).

Следовательно, предложенный нами в работе [7] релаксационный механизм генерации колебаний в слабосвя- Редактор Т.А. Полянская занных сверхрешетках справедлив и определяется процессами типа „накопление–сброс“. Период осцилляций High frequency oscillation harmonics in определяется временем резонансного рассогласования weakly coupled GaAs/AlGaAs и согласования минизон в соседних квантовых ямах superlattices и может быть описан переходными процессами, про исходящими при заряде и разряде емкости [7]. Таким G.K. Rasulova, P.N Brunkov, A.E. Zhukov, образом, модель пространственно-временных колебаний V.M. Ustinov границы домена в слабосвязанных сверхрешетках нуLebedev Physical Institute, ждается в дальнейшем развитии. Недавно динамика Russian Academy of Sciences, нескольких волновых фронтов (высокополевых доменов) 119991 Moscow, Russia в слабосвязанных сверхрешетках была описана с привле Ioffe Physicotechnical Institute, чением модели нескольких переключаемых резервуаров Russian Academy of Sciences, (an n-tank switched arrival system), уровень заполнения 194021 St. Petersburg, Russia которых контролировался общим сервером [13,14].

Таким образом, в результате синхронизации авто

Abstract

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.