ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Рой Віктор Федорович

УДК 537.86 / 87; 530.182

НЕЛІНІЙНІ ПРОЦЕСИ ВЗАЄМОДІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ТА ПРУЖНИХ ХВИЛЬ З ТВЕРДОТІЛЬНОЮ ТА ГАЗОРОЗРЯДНОЮ ПЛАЗМОЮ

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків-1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академіі міського господарства.

Науковий консультант: - доктор технічних наук, професор,

Намітоков Кемаль Кадирович,

Харківська державна академія міського

господарства, завідувач кафедри світлотехніки та

джерел світла.

Офіційні опоненти: - доктор фізико-математичних наук, професор,

Погорілий Анатолій Миколайович,

Інститут магнетизму НАНУ, завідувач відділу.

- доктор фізико-математичних наук, професор,

Прохоров Едуард Дмитрович,

Харківський державний університет,

завідувач кафедри електроніки.

- доктор фізико-математичних наук, професор,

Черпак Микола Тимофійович,

Інститут радіофізики та електроніки НАНУ,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: - Київський університет ім. Т. Шевченка, кафедра квантової радіофізики.

Захист відбудеться "_26_"__травня___1999р. о__13:15__годині на засіданні спеціалізованої ради Д 064.052.03 Харківського державного технічного університету радіоелектроніки ( 310726, Харків, пр. Леніна, 14 ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки ( 310726, Харків, пр. Леніна, 14 ).

Автореферат розісланий "_23__" ___квiтня___1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чурюмов Г.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Проблема взаємодії різних типів хвиль, які розповсюджуються в тій чи іншій системі з електронно-дірковою плазмою твердих тіл є одним із актуальних завдань сучасної радіофізики, що дає змогу детального вивчення релаксаційних процесів у конденсованому стані речовини, а також механізмів виникнення ряду електронно-хвильових явищ, які супроводять розповсюдження цих хвиль через динамічне нелінійне середовище. У системі з електронними потоками виникає ряд електродинамічних (ЕД) явищ, таких як дифракція, затухання, підсилення та генерація деяких типів хвиль, фізична природа яких зумовлена різними механізмами взаємодії їх з носіями, у тому числі черенковським випромінюванням тієї чи іншої хвилі зарядом, який рухається з "надхвильовою" швидкістю.

Вивчення таких явищ уперше було проведено в газорозрядній електронно-іонній плазмі, де можливе поширення багатьох типів хвиль, і присутність електронних потоків або пучків може привести до виникнення різних типів нестійкості: затухання, наростання чи генерації деяких хвиль у системі. Незважаючи на те, що такі дослідження проводяться досить давно і багато явищ достатньо вивчені, усе ж залишаються актуальними такі питання, як особливості поведінки низькотемпературної газорозрядної плазми ( НТ ГРП ) у високих частотах (ВЧ), що мають значний науковий і практичний інтерес.

Порівняно недавно аналогічні явища стали вивчати й у твердотільній плазмі напівпровідників та металів, де електронні чи "діркові" потоки можна створювати за допомогою зовнішніх полів, хвиль чи градієнтів концентрації або температури. У цьому випадку стикання електронів і дірок з граткою відіграють більшу роль порівняно з ГРП, у результаті чого при низьких температурах, коли розподіл носіїв стає виродженим, виникають принципово нові квантові ефекти, відсутні в газорозрядній плазмі. При цьому гратка відіграє активну роль, і електронні потоки можуть збуджувати або підсилювати ту чи іншу граткову хвилю. Різноманітність типів середовищ, а також можливість у широких межах змінювати їх параметри, зумовили

2

значний науковий та практичний інтерес до дослідження ЕД явищ у твердотільній плазмі. Оскільки швидкість носіїв струму, якої можна реально досягти у плазмі твердих тіл, сягає 106-107см/с, то практичний інтерес викликають порівняно повільні хвилі. Очевидно, що найбільш придатними для вивчення взаємодії з потоками носіїв струму в твердотільній плазмі є ВЧ пружні хвилі, які розповсюджуються із швидкістю 105-106 см/с. ЕД процеси у твердотільній плазмі можна розглядати як взаємодію елементарних збуджень, серед яких основними є електрони та фонони.

Розповсюдження пружних коливань у різних системах супроводжується дисипацією їх енергії, зумовленою процесами обміну з носіями заряду, теплопровідності, внутрішнього тертя або в'язкості, що значною мірою залежить від властивостей самої системи. Це дозволяє використовувати вивчення взаємодії ВЧ пружних хвиль з плазмою твердих тіл як ефективний метод дослідження її фундаментальних фізичних характеристик: структури енергетичного спектру, механізмів електрон-фононної взаємодії, ангармонізму міжатомних сил тощо, і застосовувати їх у розробці електронно-хвильових систем, де реалізується така взаємодія.

Пружні хвилі, деформуючи кристалічну гратку, збуджують систему квазічастинок (фононів, електронів провідності, магнонів та ін.), які утворюють енергетичний спектр плазми твердого тіла та виводять їх із стану локальної рівноваги. Хвиля напруг, що виникає в кристалі, реагує на нерівноважність цієї системи, що приводить до її затухання та зміни швидкості розповсюдження. Вимірювання декременту затухання та швидкості розповсюдження ВЧ пружних коливань у широкому діапазоні частот при різних поляризаціях хвиль дозволяє одержати інформацію про взаємодію елементарних збудників у твердотільній плазмі з монохроматичними фононами. Розповсюдження пружної хвилі через кристал провідника супроводжується утворенням потенціального рельєфу й виникненням хвиль електронної густини з періодом, який дорівнює періоду пружних коливань. Хвилі електронної густини викликають періодичні в часі і просторі зміни електронної частки діелектричної проникності провідного середовища з просторовим періодом, відповідним до періоду пружної деформації, аналогічно зміні граткової діелектричної

3

проникності. Амплітуда та фаза електронної хвилі визначається співвідношенням частоти пружних коливань та релаксації електропровідності середовища, дифузною частотою і залежить від зовнішніх полів. Як результат у провідному середовищі формуються дві зміщені по фазі дифракційні гратки з однаковим періодом, але різної амплітуди, які ефективно взаємодіють з електромагнітними хвилями. В умовах нелінійної електрон-фононної взаємодії, а також електронних резонансів у магнітних полях можуть виникати ефекти резонансної електроплазмової взаємодії, які на порядки величин більші ефективністю, ніж граткова взаємодія і відкривають шляхи створення принципово нових електронно-хвильових систем.

Сучасні досягнення радіофізики, які знайшли широке теоретичне та практичне застосування, дають змогу приступити до вивчення тонких механізмів взаємодіі електромагнітних і пружних хвиль із плазмою твердих тіл в умовах виникнення нелінійних ЕД резонансних явищ, зумовлених квантуванням енергії носіїв струму в провідних кристалах, які можуть виявитися ефективним інструментом визначення параметрів енергетичного спектру носіїв струму і механізмом впливу на саму хвилю. Для проведення таких досліджень найбільш придатними є монокристали Bi, Sb та Zn, у яких електронно-хвильові резонансні ефекти виникають при порівняно малих магнітних полях, а ізоенергетичні поверхні носіїв досить прості і відносно легко підлягають інтерпретації.

Серед великої кількості експериментальних методів, які використовуються для цієї мети, найефективнішими є магніторезонансні, що дають змогу вивчати механізми взаємодії ВЧ пружних хвиль із плазмою металів і напівметалів у квантуючому магнітному полі. Відомі магніторезонансні методи досить складні та мало інформативні, що значно ускладнює одержання й інтерпретацію експериментальних результатів при дослідженні динамічних характеристик твердотільної плазми. У зв'язку з цим актуальним є вивчення ЕД явищ, обумовлених електронно-хвильовою взаємодією в провідниках у квантуючому магнітному полі які, за нашими уявленнями, можуть бути використані як інструмент дослідження структури енергетичного спектру, а також застосовуватись як механізм ефективної взаємодії електромагнітних і пружних хвиль у твердотільній плазмі.

4

Дослідження нелінійних процесів взаємодії електромагнітних хвиль із НТ ГРП, які визначають основні функціональні характеристики електроплазмових систем, мають самостійний інтерес, насамперед із точки зору оптимізації режимів електронно-хвильової взаємодії. Завдяки наявності деякої кількості наповнювальних газів і парів, процеси плазмового розряду при ВЧ живленні значно відрізняються від розряду низькочастотного, особливо в перехідній області від беззіткнувального механізму рекомбінації носіїв до дифузного розсіювання. Попередні дані свідчать про значне підвищення ефективності взаємодії електромагнітної хвилі з електронно-іонною ГРП та покращення характеристик електроплазмових систем на підвищених частотах таких, як джерела генерації випромінювання, що роблять актуальними подальші дослідження в цьому напрямку. Вивчення ВЧ ЕД процесів у НТ ГРП важливе у зв'язку з потребою знаходження оптимальних умов підвищення ефективності взаємодії електромагнітних хвиль із електронно-іонною плазмою газового розряду та покращення функціональних параметрів електроплазмових систем.

Зв'язок дисертації з науковими проблемами, планами, темами:

Дисертаційна робота є наслідком багаторічних досліджень, які проводились в Інституті радіофізики та електроніки НАНУ, Фізико-технічному інституті низьких температур НАНУ, Харківській державній академії міського господарства у відповідності з тематичними планами науково-дослідних та госпдоговірних робіт.

Мета роботи:

- експериментальне виявлення та з'ясування фізичної природи нелінійних електродинамічних процесів, що відбуваються при взаємодії ВЧ пружних хвиль з твердотільною плазмою напівпровідників, металів та напівметалів і застосування знайдених закономірностей для розв'язання проблеми підвищення ефективності взаємодії електронної системи з різними типами хвиль;

-експериментальне підтвердження існування нових механізмів електронно-хвильової взаємодії і обумовлених ними явищ, передбачених теорією, які є наслідком дисперсії функції розподілу енергії носіїв у плазмі провідників у магнітному полі, та

5

з'ясування їх можливостей як інструменту для дослідження фундаментальних характеристик плазми так і для розв'язання проблеми підвищення ефективності електронно-хвильових систем;

- розробка фізичних основ оптимізації електрофізичних параметрів ВЧ газового розряду для підвищення ефективності електронно-хвильової взаємодії, покращення спектральних, енерговипромінювальних та функціональних характеристик електроплазмових систем.

Розглянути як прикладну задачу можливість практичного використання знайдених та досліджених явищ для розробки фізичних принципів підвищення ефективності існуючих електронно-хвильових систем та шляхів створення принципово нових.

Завдання дослідження :

- розробка ефективної методики й апаратури для вивчення нелінійних електроплазмових та магніторезонансних електронно-хвильових явищ у плазмі провідних монокристалів;

- вивчення нелінійних електродинамічних явищ у перспективних монокристалах напівпровідників в умовах впливу різних зовнішніх факторів: температури, концентрації носіїв заряду, електричних і магнітних полів та з'ясування фізичної природи, механізмів їх виникнення і оптимальних умов існування;

- вивчення електронних магніторезонансних явищ у провідних монокристалах та аналіз можливого використання їх як ефективних механізмів для керування параметрами електромагнітних і пружних хвиль та ефективного методу вивчення структури енергетичного спектру твердотільної плазми;

- вивчення ВЧ електродинамічних процесів у НТ ГРП та знаходження шляхів оптимізації режимів роботи електроплазмових джерел випромінювання;

- розробка фізичних принципів створення нових електронно-хвильових приладів, пристроїв і систем за результатами досліджень ЕД явищ у твердотільній та газорозрядній плазмі.

6

Наукова новизна одержаних результатів:

- у плазмі провідних монокристалів напівпровідників, металів і напівметалів уперше проведене комплексне вивчення процесів нелінійної електронно-хвильової взаємодії та механізмів виникнення електродинамічних явищ, зумовлених ефектами переносу носіїв струму пружною хвилею в умовах впливу температури, частоти, концентрації носіїв заряду, зовнішніх електричних і магнітних полів, і визначення умов їх оптимального існування;

- у "нормальних" (не фотопровідних) напівпровідниках уперше знайдено й досліджено явище поперечного пружньоелектричного ефекту обумовлене трансформацією пружних хвиль поздовжньої поляризації у хвилі "поперечні" відносно хвильового вектора ВЧ коливань, завдяки анізотропії електронно-хвильової взаємодії у плазмі п'єзоелектричних напівпровідників та дифракційного механізму - у напівпровідниках з переважно деформаційним механізмом електрон-фононної взаємодії. Показано можливість реалізації механізму колінеарної дифракції електромагнітних і пружних хвиль на поперечному пружноелектричному ефектові, а також прийому та індікації поверхневих хвиль різної поляризації;

- експериментально знайдено й досліджено нове фізичне явище - диференційний акустомагнетоелектричний ефект, який започатковує клас так званих "розсіяних" ефектів, теоретично передбачених Ю. Гуляєвим (Диплом на відкриття №133);

- уперше експериментально знайдено й досліджено явище захоплення та перенесення носіїв пружною хвилею у плазмі металів та напівметалів - ЗЕ ефект;

- у плазмі провідників уперше експериментально знайдено 2 нових магніторезонансних ефектів осциляцій ЗЕ струму, зумовлених різними механізмами електронно-хвильової взаємодії у магнітному полі. Встановлена залежність амплітуди та періоду осциляцій від екстремальних розмірів поверхнонь Фермі плазми досліджуваних монокристалів. Одержано аналітичні вирази для компонент ЗЕ струму в умовах квантування енергіі носіїв у сильному магнітному полі;

7

- уперше в діапазоні частот від 0,05 до 1200 КГц експериментально досліджено еволюцію електрофізичних процесів НТ ГРП і запропоновано фізичні моделі, які відповідають експериментальним даним; виявлено область значного (до 50%) зниження потенціалу ініціювання ВЧ розряду, що відкриває принципово нові можливості оптимизації електрофізичних параметрів електроплазмових процесів і режимів їх функціонування. На частотній залежності ВАХ ГРП виявлена область значного (до 30%) зниження напруги розряду і відповідне збільшення ККД електроплазмової взаємодії та інтенсивності випромінювання короткохвильової області спектру.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено фізичні основи електронно-хвильового методу дослідження нелінійних ЕД процесів у плазмі провідників, який базується на явищі захоплення і перенесення носіїв струму пружною хвилею та акустоелектричного детектування ВЧ сигналу в монокристалі провідника. Він дає змогу виявляти дрейфову рухливість носіїв струму, енергію деформаційної взаємодії в плазмі провідників, коефіцієнт електронної дисипаціі енергії пружних хвиль і визначати на його основі міждолинний час релаксації носіїв у широкому діапазоні частот, температур та провідностей плазмового середовища;

-розроблено фізичні основи електронно-хвильового магніторезонансного методу дослідження структури енергетичного спектру носіїв струму у твердотільній плазмі провідників, який дозволяє вивчати топологію поверхонь Фермі та чітко ідентифікувати приналежність досліджуваних квазічастинок до електронної або діркової зон. Запропоновано метод вимірювання компонент тензора ефективної маси, який також є ефективним інструментом дослідження механізму релаксації енергії носіїв у твердотільній плазмі в квантовому магнітному полі;

- обгрунтовано можливість використання магніторезонансних ефектів і резонансної частотної та концентраційної залежності взаємодії електромагнітних і пружних хвиль у провідних кристалах для реалізації механізмів резонансної дифракції

8

електромагнітного випромінювання, що відкриває перспективи створення ефективних електронно-хвильових систем нового покоління;

- на базі частотної залежності АМЕ ефекту запропоновано унікальну можливість вимірювання дуже малих проміжків часу життя нерівноважних носіїв струму, а також дослідження однієї з найважливіших характеристик плазми твердих тіл - механізму розсіювання імпульсу та часу релаксації енергії електронів;

- розроблено електронно-хвильовий метод контролю, у тому числі візуального, енергетичного профілю пружних хвиль у твердотільній плазмі, придатного для застосування, як у системах неруйнівного дослідження структури провідних монокристалів, так і в різних оптоелектронних пристроях. Розроблено фізичні принципи створення високочутливих електронно-хвильових систем - детекторів, приймачів, модуляторів пружних та електромагнітних об'ємних і поверхневих хвиль, які можуть застосовуватись як в практиці фізичного експерименту, так і в метрологічній практиці контролю за якістю матеріалів, виробів і процесів;

- розроблено й упроваджено ефективний метод нерезонансного низькопотенціального ініціювання ВЧ розряду в НТ ГРП, який дає змогу реалізувати енергоекономічний і спеціальний режими функціонування електроплазмових систем, зокрема, джерел випромінювання, що дозволило створити пристрої, які забезпечують такі режими. На базі частотної залежності форми напруги розряду показана можливість визначення основних параметрів НТ електронно-іонної плазми.

Результати досліджень використані при виконанні НДР "Опал" і "Радуга" ІРЕ НАНУ, ФТІНТ НАНУ та госпдоговірних робіт №17000424000 і №1705505000 з організаціями МакНДІ, CхідНДІ, ЦНДІПідземмаш, ВФ ГУА ім. Скочинського й запроваджені у виробництво.

Особистий унесок автора:

- обгрунтування напрямку досліджень, постановка завдання на різних етапах виконання роботи, проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів, написання наукових праць;

9

- розробка й оволодіння комплексом дослідницьких методик для вивчення електрофізичних характеристик твердотільної та газорозрядної плазми, вивчення нових нелінійних ЕД явищ, зумовлених різними механізмами електронно-хвильової взаємодії.

Усі наукові положення, винесені на захист і висновки за дисертацією належать авторові. Із публікацій у співавторстві в дисертації використано результати, одержані самостійно.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на 11 Всесоюзном совещании по исследованию полупроводников в сильных магнитных полях, Ленинград, 1971; XV11 Всесоюзном совещании по физике низких температур,

Донецк, 1972; V11 Всесоюзной конференции по квантовой акустике твердого тела, Харьков, 1972; Всесоюзном семинаре по проблеме упругих волн в металлах, Новосибирск, 1973; V111 Всесоюзном совещании по квантовой акустике и акустоэлектронике, Казань, 1974; ХХV Всесоюзном совещании по физике низких температур, Харьков, 1980; Всесоюзном совещании ассоциации городов "Союзсвет", Минск, 1991; Международной конференции "Ресурсосбережение и экология промышленного региона", Макеевка, 1995; 11 Республиканской конференции Украинского вакуумного общества, Харьков, 1996; 11 Симпозиуме "Вакуумные технологии и оборудование", Харьков, 1998; конференціях та семінарах ІРЕ та ФТІНТ НАНУ, Державній академії міського господарства.

Публікації. За темою дисертації надруковано 57 наукових праць (з яких 15 без співавторів), у тому числі 1 монографія, диплом на відкриття, 12 авторських свідоцтв, 1 патент України. По матеріалам дисертації складено 5 методичних посібників.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури та додатків.

Основний текст дисертації міститься на 257 сторінках і включає 5 таблиць, 99 малюнків. Додатки в кількості 7 подано на 73 сторінках. Загальний обсяг

10

нумерованих сторінок - 396. Список литератури складається із 234 бібліографічних найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, формулюються мета роботи, завдання, які потребують розв'язання, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, рекомендації щодо можливого впровадження їх у практику.

У першому розділі розглянуто основні поняття і співвідношення, що характеризують взаємодію пружних хвиль із провідним середовищем, а також зв'язок між дисипацією енергії пружних коливань і механізмами взаємодії їх із електронною

системою твердотільної плазми. Аналізуються фізичні процеси, що супроводжують розповсюдження електричних хвиль у плазмі носіїв заряду в напівпровідниках, металах і напівметалах.

Для неп'єзоелектричного провідного середовища з характерною електрон-фононною взаємодією через деформаційний потенціал розглянуто особливості розповсюдження пружних хвиль у плазмі напівпровідників і напівметалів, в умовах, коли енергія електрона як функція його квазіімпульсу має декілька мінімумів, що дає можливість здійснюватися міждолинним переходам носіїв заряду і виникненню, завдяки цьому, явища переносу ними енергії в напрямку розповсюдження хвилі.

Для п'єзоелектричного середовища із сильною електрон-фононною взаємодією через п'єзопотенціал дано феноменологічний опис умов виникнення електродинамічних явищ, зумовлених нелінійною взаємодією пружних хвиль із електронно-дірковою плазмою анізотропного провідного середовища, унаслідок чого відбувається передача енергії імпульсу фононів носіями струму і виникають постійні складові руху електронів у напрямку групової швидкості хвиль (акустоелектричний (АЕ) ефект).

Розглянуто умови виникнення явища підсилення пружної хвилі дрейфом носіїв заряду з "надхвильовою" швидкістю, яке зумовлено у випадку низьких часто- черенківським випромінюванням об'ємного заряду, сформованого самою хвилею, або окремими електронами - у разі високих частот. Досліджено умови досягнення

11

максимального підсилення електромагнітної хвилі залежно від швидкості дрейфу носіїв, частоти, концентрації домішок, структурних дефектів, теплових фононів.

Значну увагу зосереджено на аналізі впливу поздовжніх і поперечних магнітних полів на процеси електронно-хвильової взаємодії у твердотільній плазмі. Показано, що в квантуючому магнітному полі, коли енергетичний спектр стає дискретним і утворюються рівні Ландау, виникає ряд магніторезонансних ефектів, зумовлених квантуванням колового руху електронів, природа виникнення яких зумовлена різними механізмами взаємодії носіїв з електромагнітною хвилею.

Показано, що при розповсюдженні пружної хвилі через монокристал провідника в умовах протікання АЕ струму у поперечному магнітному полі можуть виникати аналоги ефектів Холла, Пелтьє, Еттінсгаузена та ін., які мають особливості, зумовлені існуванням дисперсії функції розподілу енергії носіїв у твердотільній плазмі.

У другому розділі приведено дані про розроблену вимірювальну установку та методику досліджень взаємодії пружних хвиль із твердотільною плазмою, що базується на використанні явищ захоплення носіїв та АЕ детектування ВЧ сигналу в кристалі провідника. Чутливість і точність вимірювання АЕ методу значно вища, ніж ультразвукового, де величина сигналу із зразка пропорційна W, тоді як при АЕ дослідженнях вона пропорційна інтенсивності ВЧ пружної хвилі W. Унаслідок детектування сигналу в монокристалі провідника ця методика не потребує використання ВЧ приймальних пристроїв, що значно спрощує вимірювальну установку та техніку виконання досліджень, дозволяє вдвічі зменшити втрати на перетворення ВЧ електромагнітного сигналу.

У першій частині розділу наведено блок-схему вимірювальної установки та дано коротку характеристику її складових частин. Основою установки є ВЧ генератор та приймач, які працюють у безперервному режимі або в режимі імпульсної модуляції, що дає змогу використовувати синхронне детектування вимірювального сигналу та реєстрацію похідної по магнітному полю від електричного сигналу з дослідного монокристала. Розроблено універсальний кріогенний пристрій, який дає змогу вимірювати ВЧ електродинамічні характеристики твердотільної плазми в діапазоні температур від 300 до 1,4 K і, завдяки оригінальній конструкції, повністю узгоджувати

12

імпеданс п'єзоперетворювача з коаксиальною лінією, вихідними і вхідними ланцюгами вимірювальної установки, - підвищуючи чутливість її майже на порядок.

У другій частині розділу розглянуто питання генерації та приймання ВЧ монохроматичних пружних хвиль, вимоги до виготовлення зразків, точності та плоскопаралельності поверхонь електромеханічних резонаторів, характеристики акустичної зв'язки. Приведено основні технічні характеристики вимірювальної установки.

Третій розділ присвячено дослідженню нелінійних електронно-хвильових процесів у плазмі напівпровідників, зумовлених різними механізмами взаємодії пружних хвиль із носіями заряду, граткою та ін. об'єктами кристалу. Дослідження проводилися у монокристалах як із переважно деформаційним характером електрон-фононної взаємодії (А111ВV) - InSb, так із п'єзоелектричною взаємодією (А11ВV1) - CdS, а також Te з рухливістю носіїв від 300 см2 / Вс (при 300 К) у CdS до 105 см2 / Вс в InSb. Показано, що при розповсюдженні хвилі поздовжньої поляризації в монокристалі Те з концентрацією носіїв р = 51013 см-3 у напрямку [1000] на частотах 300 МГц величина ЕАЕ = 250 В см Вт-1. Уздовж тригональної вісі Те величина ЕАЕ досягає 150 В см Вт -1, що свідчить про трансформацію пружних поздовжніх хвиль в об'ємі кристала та появі п'єзоелектричних компонент, які ефективно взаємодіють із носіями через п'єзопотенціал. Експериментально підтверджено залежність ЕАЕ від концентрації носіїв no: ЕАЕ ~1/no і при no = 5 1018 см-3 провідність і частота релаксації м зростають, збільшуючи компенсацію п'єзополя електричної хвилі. Показано, що дисипація енергії W пружної хвилі пропорційна 1/ і в області провідностей м ( - частота коливань) переважає граткове поглинання і тоді ЕАЕ = Wk L Гем ( - діелектрична приникність, k - коефіцієнт електромеханічного з'язку, - швидкість хвилі, L - довжина ділянки взаємодії, Ге- плазмове поглинання) і залежність ЕАЕ від 1/ - квадратична. В області малих с ( с- частота релаксації) поле об'ємних зарядів не виникає і при qR<1 (R - радіус Дебая, q - хвильовий вектор) ефективність електронно-хвильової взаємодії не залежить від і Ге. При qR>>1 дисипація електромагнітної хвилі пропорційна 1/ , це зумовлено тим, що пружна хвиля R не утворює просторового заряду. При Гp >> Ге величина ЕАЕ=W L

13

не залежить від , k, бо хвиля повністю затухає в кристалі й ЕАЕ визначається енергією W, яка поглинається в одиниці об'єму. В монокристалах CdS із темновим питомим опором (106 - 1010) Ом см для п'єзоактивної хвилі поздовжньої поляризації при малих , коли м >> і Ге << Гр, ЕАЕ = ВWk2 / 2, де В = 1/ ГрL [ 1 - ехр (-ГрL) ], ( Гр - граткове поглинання) і Е АЕ не залежить від і , але залежить від типу хвилі, яка розповсюджується у зразку.

При більших , коли м ~1 і Ге << Гр , ЕАЕ = W L тобто ЕАЕ ~1/, хвиля повністю поглинається й ЕАЕ не залежить від ; із збільшенням область лінійної залежності ЕАЕ від 1/ зростає. При ще більших , коли м << 1, лінійна залежність ЕАЕ ~ переходить у квадратичну. Таким чином, у кристалах із малим Гр лінійна область визначається умовою ГeL >> 1, і ЕАЕ визначається інтенсивністю W пружних коливань, досягаючи величини 180 ВсмВт-1 для електричних хвиль поперечної поляризації.

Відношення величин ЕАЕ на відстані від випромінювача, де (Ге + Гр) << 1 і (Ге + Гр) >>1 дає сумарний коефіцієнт дисипації ( Ге + Гр ) який не залежить від nо і W. Для кристалів з молекулярним з'язком (Те, тригональна вісь) характерне "резонансне" поглинання, зумовлене коливальними модами гратки й атомів, за якого енергія пружної хвилі переходить від одного резонуючого осцилятора до іншого.

В області провідностей , де ЕАЕ не залежить від Ге може бути визначена рухливість носіїв k'EAE, де k'= / W Ге - коефіцієнт, який слабко залежить від температури. Вимірювання дає змогу визначати міждолинний час релаксації носіїв = m*1 e, де m*1 - дрейфова маса однієї долини.

ПОПЕРЕЧНИЙ ПРУЖНОEЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. Виникнення Еп в напря-мку, нормальному векторові пружної хвилі поздовжньої поляризації, виявлено нами в монокристалах InSb і Te, що дає змогу виключити механізм його виникнення, пов'яза-ний із нерівномірністю освітлення в CdS. Температурна залежність Еп(Т) близька до ЕАЕ(Т), а величина досягає 100 ВсмВт -1, що підтверджує участь п'єзопотенціалу в формуванні поперечної ерс Еп. Розподіл Еп потенціалу в круглих зразках у площині ХУ, коли q || [1000] показав, що вектор Еп спрямований під кутом 30о до тригональної

14

вісі, що свідчить про анізотропний характер трансформації поздовжньої хвилі в "квазіпоперечну" з вектором поляризації в площині ХZ. Для напівпровідника з деформаційною взаємодією - InSb, де анізотропія незначна, розподіл потенціалу в монокристалах із концентрацією n = 81013 см-3 уздовж напрямків [110], [111], [112] п'єзоактивних та неп'єзоактивних для пружних хвиль поздовжньої поляризації -ідентичний, що підтверджує гіпотезу про дифракційний механізм трансформації поздовжньої хвилі в "квазіпоперечну".

Магнітне поле H || q не впливає на розподіл потенціалу ЕАЕ, але значно змінює характер розподілу Еп при q Н при умові с >1, що виконується для InSb вже за Н = 200 Е. Це свідчить про існування потоку носіїв нормального до вектору q, зумовленого дифракцією хвиль в об'ємі кристала, які взаємодіють із носіями та викликають появу "електродинамічної сили" з поперечною, відносно потоку енергії W електромагнітної хвилі складовою. Феноменологічний підхід до дифракційного механізму виникнення цього явища якісно узгоджується з експериментом.

Внесок плазмового поглинання Ге пружної хвилі в магнітному полі H || q і Н q різний для InSb і Те, що зумовлено відмінністю їх ізоенергетичних зон. В InSb збільшення Н до 15 кЕ приводить до зміни Еп ~ Н2 з подальшим насиченням, що зумовлено магнітним "вимерзанням" електронів у плазмі напівпровідника. У монокристалах Те за Н || q величина ЕАЕ не змінюється, а за Нq ЕАЕ зменшується через викривлення орбіт носіїв і зменшення поздовжньої складової руху та імпульсу. У випадку qRс<< 1 ( Rс - циклотронний радіус) довжина вільного пробігу носіїв l мала порівняно з довжиною хвилі , виконується умова ql << 1 і в магнітному полі l зменшується через викривлення траєкторії під дією сили Лоренца. Магнітне поле Н змінює максвелівський час релаксації м, який залежить від : м = (Н) / о, де (Н) = (о) / (В)2 при В1, що дає змогу визначати м ( тут В - магнітна індукція). У другому випадку ql >> 1 дисипація пружної хвилі є квантовомеханічним процесом електронно-хвильового розсіювання з періодичністю Н-1, яка визначається розмірами ізоенергетичних поверхонь валентної зони ( при f >> kБT; h >> kБT; м >>1 ) , що дає змогу визначати її параметри ( f - енергія Фермі ).

15

ЕЛЕКТРОННО-ХВИЛЬОВА ВЗАЄМОДІЯ В ДРЕЙФОВОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ. У кристалах CdS з питомим опором 650 Ом см при і = 1,5 мкс і 300 К на частоті f = 600 МГц підсилення поздовжньої пружної хвилі досягає 20 дБ при внесених утратах 60 дБ. Розрахункове значення коефіцієнта підсилення, одержане із виразу: Ге = Го м / ( 1 + L2) + ( ), де Го = 4,34 [ 4 / ] [ ] = 8,62 k2/2 дБ/см дає величину 40 дБ (L = Rэ / , - густина середовища, Др). Розходження результатів зумовлено існуванням у CdS значного числа центрів захоплення носіїв, а також просторовим наростанням флуктуації вздовж напрямку дрейфу та встановленням стаціонарного потоку шуму на кінці кристалу. Область електронно-хвильової взаємодії обмежена знизу - шумами, а згори - насиченням, зумовленим повним групуванням усіх суб'єктів взаємодії. Діапазон взаємодії можна розширити шляхом збільшення площі випромінювання хвиль, що приводить до підвищення рівня сигнального насичення. Із збільшенням довжини області взаємодії L, зменшується погонне підсилення, яке потрібне для досягнення шумового насичення і зменшується дрейфове поле UДр. При зміні UДр залежність Г(f) не змінюється і Гmax слабко залежить від довжини L. Якщо рівень вхідного сигналу W >10 мВ, - вихідний досягає 1 В і залишається незмінним. У безперервному режимі величина коефіцієнту підсилення Ге визначається ефективністю тепловідводу енергії, що розсіюється в кристалі, що досягається максимальним відношенням поверхні зразка до його поперечного розрізу. При імпульсному сигналі і = 1,5 мкс і UДр = 850 В/см, Ге= 18 дБ/см, а при безперервному - Ге= 14 дБ/см, що зумовлено наростанням потоку теплових фононів. Для хвиль поздовжньої поляризації внесені втрати зменшуються на 20 дБ через більш ефективну передачу енергії пружних коливань W у кристалі і Ге дорівнює 20 дБ при розсіювальній потужності ~ 3,5 Вт. На частотах 500 МГц вихідна потужність сигналу обмежена 70 мВт/мм2 через ефекти насичення. На тонких стержнях монокристалів CdS при Т = 300 К, і = 1,5 мкс і f = 40 МГц одержано - Ге= 15 дБ/см ( = 2,5 10-5 Ом-1см-1). У більш сильному пьезонапівпровіднику Те - Ге(UДр) лінійна до величини ЕАЕ<< Eкр, яка розрахована із холлівської рухливості та близька до величини поля для позавісьових зсувних шумових мод, унаслідок чого відбувається параметрична взаємодія хвиль, яка полягає в перекачуванні енергії пружної

16

монохроматичної хвилі в шумові моди кристалу раніше, ніж досягається рівень нелінійного насичення. На лінійній ділянці Ге(UДр) зростає з частотою як f2, що дає змогу визначати к2 для даного кристалографічного напрямку. Нелінійність характеристики Ге(UДр) зростає з частотою унаслідок збільшення концентраційної нелінійності плазми. В Те підсилення поздовжньої пружної хвилі частотою 400 МГц при рівні вхідного сигналу 10-1 Вт/см не перевищує 25 дБ/см у напрямку бінарної вісі, що зумовлено спонтанним наростанням позавісьових поперечних теплових фононів. В області змішаної провідності (при Т>200 K), якщо знехтувати впливом рекомбінації електронно-діркових пар ( і = 10-6 с ) на частотах сотні МГц, величина підсилення Гnp = Гnp ( 'n + 'p) де 'n = (1-n/) / (1-n/) + n Dn 'p = p/n (1 -p/) / ( 1-p/) + р Dp (тут - n і p - дрейфова швидкість, Dn , Dp - коефіцієнт дифузії електронів і дірок, n, р - частота релаксації носіїв). Залежно від співвідношення параметрів 'n і 'p підсилення спостерігається при Е > 0 і E < 0. При Е > 0 і Т = 300 К на частотах f = 100 МГц, підсилення дорівнює 16 дБ/см, що зумовлено впливом дифузії, яка досягає 4,8108 с-1, що порівнюється з періодом пружних хвиль. Електронно-хвильова взаємодія в n-InSb при концентрації носіїв n = 1014 см-3 та рухливості = 5 105 см2/Вс при f=180 МГц дає змогу досягти умов ql = 1 і в результаті малого розсіювання, уже в полі Е = 0,5 В/см спостерігати підсилення пружної хвилі. Унаслідок малості k2=710-4, плазмовий коефіцієнт підсилення InSb незначний і обмежується величиною 26 дБ/см (77 К). Основним механізмом насичення підсилення в InSb є розігрів електронного газу і гратки кристалу дрейфовим електричним полем. У магнітному полі Н q ~ (о) / (с) і величина м і Ге зростають y (с) раз, оскільки в даній області для і Н виконується співвідношення м 1. На частоті 800 МГц і в полях ~ 2 кE, Ге досягає 50 дБ/см при = 4. Максимуму коефіцієнт підсилення Гmax = Ге / 2 (1 + L) досягає на частоті ~1/L = 1,5 ГГц. Поздовжнє магнітне поле H || q також знижує Ге хвилі через зменшення радіуса локалізації електронного стану та зменшення перекриття стану на сусідніх домішкових центрах, стимулюючи перехід напівпровідника в діелектрик (магнітне вимерзання). Збільшення інтенсивності електромагнітних хвиль розігріває електронний газ, змінюючи концентрацію носіїв в зоні провідності й рухливість - у результаті чого вимерзання зменшується. За більшої

17

амплітуди хвилі диференційна концентрація носіїв n' в об'ємному заряді є функцією напруги внутрішнього електричного поля Е й рівноважної концентрації no : n'= f ( E, no) й у випадку D струм через кристал залежить від числа носіїв ns, які беруть участь в електронно-хвильовій взаємодії; ІАЕ = е ns h /m*ф ( h - постійна Планка). При зростанні інтенсивності хвилі (ns no) струм обмежується наявним числом носіїв, і лінійний зв'язок між ІАЕ та ЕАЕ порушується. Струм не перевищує Іmax= e ns, а ЕАЕ зростає лінійно до значень W = 150 Вт/см2.

У четвертому розділі наводяться результати досліджень електроно-хвильових магніторезонансних явищ у провідних кристалах. Показано, що взаємодія електричної хвилі з плазмовим середовищем визначається властивостями функції розподілу носіїв в

області швидкостей, близьких до швидкості хвилі . У магнітному полі поглинати квант енергії здатні лише електрони, проекція імпульсу яких на напрямок магнітного поля Н ( H || q || Z ) дорівнює: pz = m* / q (-hq2 / 2m) і при збіганні його з дискретним значенням поздовжнього імпульсу рz,n - коефіцієнт поглинання хвилі резонансно залежить від Н, оскільки енергія електронів квантується за рівнями Ландау. У беззіткнувальному випадку ql << 1 довжина вільного пробігу носіїв l значно перевищує пружної хвилі, і обмін енергією відбувається як квантовий акт взаємодії фононів з імпульсом q і електронів із імпульсом р, що приводить до виникнення поздовжнього струму: ІЗЕ= Іе -Ір = W/ (Гее + Грр), де Гр, р - діркове поглинання й рухливість. Унаслідок різних мас і рухливостей сумарний струм відрізняється від 0 навіть у скомпенсованих провідниках, у яких nе = nр і в магнітному полі спостерігатиметься резонансна залежність його від Н. У сильному полі Н, коли >> kT і виконані умови існування гігантських квантових осцилляцій (ГКО) поглинання пружної хвилі (ql)2 >> / кT, можуть спостерігатися ГКО струму ІАЕ, напрям яких визначається знаком носіїв ( - циклотронна частота, - хімічний потенціал). Bi і Sb унаслідок малої концентрації носіїв та їх відносно малої маси потребують невеликих Н для досягнення умов сильного поля: kT << << r (r - Ларморів радіус електронної орбіти), а відносно проста поверхня Фермі, яка складається з 3-х електронних та одного діркового еліпсоїда, дозволяє знайти аналітичні співвідношення для ІАЕ у головних кристалографічних напрямках і співставити їх з експериментальними

18

результатами, одержаними для монокристалів Bi та Sb із співвідношенням опорів відповідно R293 / R4,2 = 3102 і 3103, орієнтованих відносно головних кристалографічних вісей. Геометрія експерименту відповідала умовам Н || q || X, а магнітне поле змінювалося від 0 до 60 кЕ. Eкспериментальні залежності ІАЕ(Н) для кожного напрямку відповідають знайденим аналітичним співвідношенням і вказують на приналежність ефекту до ГКО ІЗЕ, де знак осциляцій відповідає знаку носіїв заряду. Період осциляцій ІЗЕ у зворотному магнітному полі Н-1 в усіх кристалографічних напрямках постійний і збігається з періодом осциляцій магнітної сприятливості де Гааз-ван Альфена. Знайдені параметри ефективних розмірів ізоенергетичних поверхонь Фермі Semin = 1,35 10-42 г2см2с-2; Sдmin = 6,4510-42 г2см2с-2 відповідають результатам, визначеним методом геометричного резонансу. У слабких магнітних полях амплітуда осциляцій ІЗЕ лінійна відносно Н: Гmax= Геі е t H / B m*c kТ ( де Геі- плазмовий парціальний коефіцієнт поглинання електричної хвилі). У сильніших полях Н лінійність порушується через спінове розщеплення резонансних ліній АЕ струму. У разі Нq спостерігається різке зростання ІЗЕ, зумовлене зростанням магнітоопору кристалу, яке переходить за Н>1кЕ в осциляції де Гааз-ван Альфенівського типу, що суттєво відрізняються від кривих коефіцієнту поглинання хвилі, що свідчить про невиконання співвідношення Вайнрайха у даному разі. Через більшу ефективну масу носіїв у Sb магнітні поля до 60 кЕ є недостатніми для одержання повної картини осциляцій. У нормальних металах (Zn) з R293 / R4,2 = 3,3 104 у разі H q у полях до 2 кЕ також спостерігається різке зростання амплітуди струму ІЗЕ, яке переходить в область насичення, але осциляції при цьому