WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Распределение носителей заряда в диссипативной структуре в полупроводниках © И.К. Камилов, А.А. Степуренко¶, А.С. Ковалев Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 8 мая 2001 г. Принята к печати 12 июля 2001 г.) Экспериментально показано, что в объеме монокристаллов Te и InSe при формировании и возбуждении сильным электрическим полем диссипативной структуры в неравновесной электронно-дырочной плазме происходит перераспределение концентрации носителей заряда. При этом, когда в диссипативной структуре реализованы только продольные автосолитоны, концентрация носителей вне автосолитонов понижается, а в случае присутствия поперечных автосолитонов концентрация носителей заряда вне автосолитонов повышается. Предлагается объяснение эффектов: продольные автосолитоны, формирующиеся в созданной джоулевым разогревом неравновесной электронно-дырочной плазме, являются холодными, а поперечные автосолитоны — горячими.

Теоретически исследовано [1–7] и эксперименталь- активатор (A) и детектор (D). В активаторе возбуждано показано, что в неравновесной возбужденной элек- лись АС тем же способом, как это делалось в [11,12];

тронно-дырочной плазме (ЭДП), созданной ударной ио- на детектор подавалась напряжение, достаточное для низацией или инжекцией в n-GaAs [8,9], либо за счет регистрации изменения омической проводимости. Если фотогенерации в n-Ge [10], а также джоулевым разогре- происходили какие-либо изменения концентрации носивом в InSb [11,12], появляются локализованные области телей в активаторе, то это прямым образом отражалось экстремальной концентрации и температуры носителей на проводимости детектора.

заряда — автосолитоны (АС) — как в виде слоев тока, Другим способом исследования диссипативной структак и в виде движущихся слоев сильного электрического туры в образцах может быть акустическое зондирование.

поля.

Известно [14–19], что для Te характерен сильно выВ работе [13] рассмотрены и описаны горячие и раженный акустоэлектрический эффект, заключающийся холодные АС — локализованные области высокой тем- в том, что в сильном электрическом поле, когда скопературы и низкой концентрации носителей заряда и рость дрейфа носителей d становится больше фазолокализованные области низкой температуры и повывой скорости звука s, в кристалле происходит генерашенной концентрации носителей соответственно. Эти ция фононов, взаимодействующих с носителями заряда.

АС составляют незначительную локализованную часть В работе [16] экспериментально показано, что степень объема образца порядка [(Ll)1/2/2]3, где L — биполярная акустоэлектронного взаимодействия в теллуре линейно диффузионная длина, l — длина остывания горячих электронов. Концентрация, температура локализованных областей, их топология достаточно полно описаны в работах [1–7,13]. Процессы и закономерности этих процессов, происходящих в остальной части объема образца, взаимодействующей с АС, недостаточно отражены в теоретических и экспериментальных работах.

Была поставлена задача выяснить, как отражается образование и эволюция локализованных состояний ЭДП — автосолитонов — на распределении концентрации и подвижности носителей заряда в объеме образца, а также, каким является продольный АС, сформировавшийся в ЭДП, полученной джоулевым разогревом. Для этой цели были исследованы образцы InSb различных размеров, имеющие при T = 77 K концентрацию носителей заряда p = (2-4) · 1012 см-3 с подвижностью µ 4000 см2/(В · с) и образцы Te, имеющие при T = 77 K концентрацию носителей p = 1.45 · 1014 см-3 с подвижностью µ 2400 см2/(В · с). Токовводами служили припаянные индием или приваренные медные провоРис. 1. a — схема деления на активатор (A) и детектор (D), лочки. Образец InSb делился на две области (рис. 1, a) — а также схема включения образца InSb в измерительную цепь.

¶ E-mail: kamilov@datacom.ru b — вольт-амперная характеристика активатора.

188 И.К. Камилов, А.А. Степуренко, А.С. Ковалев зависит от концентрации носителей заряда n = Cn, (1) где K2e3s C =, 2k2T 2µ K — коэффициент электромеханической связи, = 1-d/s — параметр дрейфа, — диэлектрическая проницаемость среды, — круговая частота генерируемых звуковых волн, µ — подвижность носителей заряда.

Результаты исследования образцов InSb представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1, b приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) активатора при подаче на него пилообразного напряжения до формирования и возбуждения АС. Все участки ВАХ, кроме участков, отмеченных на рисунке стрелками, воспроизводимы и устойчивы во времени. Соответствующая этой ВАХ временная реализация тока в активаторе IA и измене ние проводимости детектора D ID приведены на рис. 2, a, b соответственно. Увеличение проводимости детектора на участке AB рис. 2, b происходит из-за увеличения концентрации носителей в активаторе в результате джоулева разогрева. Дальнейший разогрев приводит к появлению собственной проводимости в активаторе, что сопровождается резким увеличением концентрации неравновесных носителей заряда (рис. 2, a, участок BC), которые, диффундируя в область детектора, также резко увеличивают его проводимость (рис. 2, b, участок BC).

Наличие участка BC свидетельствует о том, что в активаторе создается ЭДП, которая с дальнейшим ростом напряжения преобразуется в диссипативную структуру (ДС), т. е. ЭДП расслаивается на локализованные области экстремальной температуры и концентрации носителей в виде шнуров тока и страт электрического поля [1–7]. Из рис. 2, a (участок CD) видно, что сформировался электрический шнур тока (продольный AC), величина которого контролируется внешним приложенным к образцу напряжением. Если в объеме образца Рис. 2. a, b — осциллограммы временной реализации тока в формируются и существуют локализованные области активаторе (a) и проводимости детектора (b) при возбуждении пониженной или повышенной концентрации носителей, продольных автосолитонов в активаторе. Единицы измерения:

то в остальном объеме образца концентрация носителей IA —0.1 А/дел., ID —2 · 10-4 А/дел. c — зависимость проводолжна соответственно повыситься или понизиться, что димости детектора от тока в активаторе. Единицы измерения:

приведет к тому, что проводимость детектора возрастет ID —1.5 · 10-4 А/дел. d, e — осциллограммы временной реа или упадет. Эксперимент в данном случае показывает, лизации тока в активаторе (d) и проводимости детектора (e) что проводимость детектора ступенчато падает (рис. 2, b, при возбуждении поперечных автосолитонов в активаторе.

Единицы измерения токов IA и ID — те же, что и на осцилучасток CD), в то время как ток в активаторе растет лограммах a, b.

(рис. 2, a, участок CD). Это означает, что концентрация носителей в объеме активатора с формированием и возбуждением ДС понижается, что говорит о том, что локализованные области обогащаются носителями в результате чего концентрация носителей в объеме заряда, температура которых понижается относительно активатора также скачком понижается.

остальной части объема образца [13]. Ступенчатое падение проводимости детектора отражает тот факт, На рис. 2, c приведена характеристика зависимости что с увеличением прикладываемого напряжения, т. е. проводимости детектора D ID от тока в активаторе IA.

с повышением уровня возбуждения ДС, формируются Видно, что при росте тока в активаторе проводимость дополнительные продольные АС, как правило, скачком, детектора, следовательно, и концентрация в активаторе Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Распределение носителей заряда в диссипативной структуре в полупроводниках означает возрастание концентрации носителей заряда в активаторе. Поскольку при наличии осцилляций тока во внешней цепи активатора в детекторе колебательное изменение проводимости отсутствует, можно утверждать, что осцилляции тока во внешней цепи активатора определяются не изменением проводимости шнура тока, а движущимися вне этого шнура стратами электрического поля.

Результаты исследования образцов Te представлены на рис. 3 и 4.

Вработе [20] описана схема электрических измерений образцов Te. Приложением к образцу квазистационарного напряжения возбуждались и поддерживались продольные АС. На рис. 3, a представлена хорошо воспроизводимая квазистационарная ВАХ, полученная при изменении напряжения электрического поля как в прямом, так и в обратном направлениях. Штриховыми линиями показаны неустойчивые во времени участки. Приложением к образцу импульсов треугольной формы сильного электрического поля получали динамические ВАХ, имеющие нелинейный участок, обусловленный акустоэлектрическим эффектом. Так как каждая точка ВАХ при квазистационарном токе образца (рис. 3, a) фиксируема, то динамические ВАХ снимались при протекании через образец постоянного тока, соответствующего разным участкам квазистационарной ВАХ (рис. 3, a, точки 1–29).

Точки 1–8, 26–29 лежат на омическом участке квазипостоянной ВАХ (рис. 3, a), точки 9–25 лежат на участке квазистационарной ВАХ при напряжениях, когда в образце сформировался и существует продольный АС (АС-образец). На рис. 3, b представлены динамические ВАХ образца, через который протекает ток, указанный в точках 1, 8, 15, 25, 26 соответственно на квазистационарной ВАХ (рис. 3, a). Из рис. 3, b (точки 1, 8) видно, что ВАХ идентичны, хотя получены при протекании в образце омического тока разных величин. На осциллоРис. 3. a — квазистационарная вольт-амперная характериграммах в точках 15, 21, 25 (рис. 3, b) представлены стика образца теллура. b — осциллограммы динамических вольт-амперных характеристик образца Te. c — типичная динамические ВАХ, но уже при наличии АС в образце.

вольт-амперная характеристика Te в условиях акустоэлектрон- Видно, что акустоэлектрические осцилляции исчезли, ного взаимодействия. Цифры около осциллограмм на рис. b увеличился угол наклона нелинейного участка ВАХ, соответствуют цифрам, отмечающим точки на рис. a.

существенно понижаются. Скачок проводимости детектора не совпадает с началом скачка тока в активаторе из-за запаздывания процесса изменения проводимости детектора относительно генерации ЭДП в активаторе.

Таким образом, при росте тока шнура в активаторе концентрация в остальной части активатора понижается.

На рис. 2, d, e представлены осциллограммы временной реализации тока в активаторе и проводимости детектора при напряжениях, когда в активаторе возбуждаются движущиеся по образцу страты электрического поля — АС, а во внешней цепи — колебания тока. Видно, что при наличии в активаторе движущихся Рис. 4. Зависимость относительной концентрации носителей АС в детекторе отсутствует понижение проводимости.

na/n в образцах Te, участвующих в акустоэлектронном взаимоБолее того, проводимость детектора повышается, что действии, от тока автосилитонов.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 190 И.К. Камилов, А.А. Степуренко, А.С. Ковалев что свидетельствует об уменьшении степени взаимодей- Ток этих АС не зависит от концентрации носителей, ствия носителей заряда с акустическими колебаниями. поскольку ЭДП является плотной, а зависит от темпе3/2 3/Подобное происходит из-за понижения плотности потока ратуры: j = eµnE T E (µ = e/m T /n). Софононов, к чему приводит уменьшение концентрации гласно этому выражению, ток при наличии холодного носителей заряда в объеме образца при наличии в нем АС может достигать значительно меньших значений, чем АС. Концентрации носителей можно найти из экспе- только омический ток ( j = eµnE) при одном и том риментальных динамических ВАХ. При электрическом же электрическом поле. На примере экспериментов на поле выше критического E > Eth (рис. 3, c) в результате образцах Te показано, что АС не разрушается даже тогда, насыщения ( = 0) получаем плотность тока когда разность омического тока и тока АС j = j0 - jAS достигает величины j/ j0 = 50% относительно омичеjS = enaµE = enad, na = n, ского тока.

В случае, когда в ДС присутствуют и поперечные В случае > >0 только часть носителей na участвует АС (в образцах InSb), концентрация носителей заряда в акустоэлектронном взаимодействии, другая часть n0 — в объеме образца становится повышенной, продолжая в омическом токе (смысл углов и понятен из увеличиваться с возрастанием уровня возбуждения этих рис. 3, c). В результате имеем АС. Поскольку поперечные АС все-таки локализованные области пониженной концентрации носителей заряда и j = enaµE +en0µE = enad +en0µE, n = na +n0. (2) их повышенной температуры (горячие АС), то остальная часть объема образца, естественно, более обогащена ноПри этом, с одной стороны, имеем соотношение сителями заряда. По-видимому, можно считать, что проj - ja na дольные АС, формирующиеся в созданной джоулевым =, j - jS n разогревом неравновесной ЭДП, являются холодными.

где j = E = enµE. C другой стороны, согласно рис. 3, c Авторы выражают благодарность РФФИ за поддержку получаем работы (гранты № 00-02-17329 и № 01-02-16195).

j - ja tg - tg =, j - jS tg Список литературы и в результате na tg - tg [1] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ЖЭТФ, 71, 1542 (1976).

=.

n tg [2] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Письма ЖЭТФ, 41, 386 (1985).

[3] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Письма ЖЭТФ, 18, 122 (1973).

На экспериментальной динамической ВАХ омического [4] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТП, 13, 891 (1979).

образца (рис. 3, b, точки 1 и 8) = 0, тогда na/n = 1.

[5] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТТ, 21, 2342 (1979).

Для ВАХ АС-образца (рис. 3, b, точки 15, 21, 25) имеем [6] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТП, 13, 721 (1979).

[7] А.Л. Дубицкий, Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТТ, 28, naAS tg AS - tg AS =, (3) (1986).

n tg AS [8] Б.С. Кернер, В.Ф. Синкевич. Письма ЖЭТФ, 36, (1982).

где AS и AS — углы наклона линейного и нелинейного участков динамической ВАХ АС-образца. Углы AS и AS [9] Б.С. Кернер, В.В. Осипов, М.Т. Романенко, В.Ф. Синкевич.

Письма ЖЭТФ, 44, 77 (1986).

в свою очередь зависят от уровня возбуждения АС, т. е.

[10] М.Н. Винославский. ФТТ, 31, 315 (1989).

от тока IA. На рис. 4 представлена зависимость отно[11] А.А. Степуренко. ФТП, 28, 402 (1994).

сительного изменения концентрации носителей заряда [12] I.K. Kamilov, A.A. Stepurenko. Phys. St. Sol. (b), 194, na/n, участвующих в акустоэлектрическом взаимодей(1996).

ствии, от тока АС. С увеличением тока АС наблюдается [13] В.В. Гафийчук, Б.С. Кернер, В.В. Осипов, А.Г. Южанин.

монотонное понижение na/n.

ФТП, 22, 2051 (1988).

Итак, экспериментально показано, что в объеме образ[14] T. Ishiguro, T. Tanaka. Japan. J. Appl. Phys., 6 (7), 864 (1967).

цов монокристаллов InSb и Te при формировании и [15] G. Quentin. Phenomenes acuotoelectriques dans les возбуждении сильным электрическим полем диссипатив- semiconducteurs piezoelectriques. — Application at tellure (Paris, 1967).

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.