В книге рассматривается коллективная реакция плазмы носителей заряда в полупроводниках на различные электрические и магнитные возмущения. Основной акцент делается на тех видах коллективного отклика плазмы, которые приводят к токовым неустойчивостям в плазме — физическим факторам, лежащим в основе новых методов усиления и генерации электромагнитных сигналов с помощью полупроводников. Излагаются основные понятия физики плазмы носителей заряда в полупроводниках и рассматриваются основные типы волн в такой плазме. Определяются критерии неустойчивости волн в полупроводниках. Рассматриваются основные физические аспекты, приводящие к токовым неустойчивостям в полупроводниках: раскачка волн дрейфовыми токами частиц плазмы, различные механизмы образования отрицательной дифференциальной проводимости при разогреве частиц плазмы электрическим полем, пинч-эффект и винтовая неустойчивость. Излагаются физические основы работы приборов, использующих токовые неустойчивости в полупроводниковой плазме: диодов Ганна, лавинно-пролётных диодов и др.

Табл. 8, иллюстр. 141, библиогр. 334

Плазмой называют ионизованный газ. Это самое распространённое состояние вещества в природе. Почти все звёзды состоят из плазмы. В земных условиях плазма образуется в ионосфере, в разрядах молнии. Искусственным путём плазма создаётся, например, в газовом разряде, в пламени, в соплах реактивных двигателей. Плазма является актуальнейшей проблемой современной физики. Её интересные свойства находят всё большее применение в разработках по решению многих технических задач, в том числе такой, как осуществление управляемой термоядерной реакции.

Основной характерной особенностью плазмы, которой она отличается от других состояний вещества, является наличие коллективной реакции её частиц на электрические и магнитные возмущения. «Аномальные» колебания облака электронов в целом относительно облака ионов, которые наблюдали в газовом разряде американские физики Тонкс и Ленгмюр, ассоциировались у них с колебаниями желе, которое физиологи называют плазмой. Состояние вещества с таким «аномальным» коллективным поведением заряженных частиц они предложили называть плазмой. Так термин плазма перекочевал из физиологии в физику. Исследования, проведённые многочисленными коллективами физиков во всём мире за последующие пять десятков лет, выявили определяющую роль коллективных взаимодействий и связанных с ними волн в поведении плазмоподобных сред. Физика плазмы — это наука о коллективной реакции заряженных частиц на возмущение. Она помогла понять многие процессы во Вселенной. Плазменные волны, по-видимому, существуют в солнечных пятнах и вспышках. Волны в замагниченной плазме определяют неустойчивости плазмы в установках термоядерного синтеза.

В физике твёрдого тела понятие «плазма» стало употребляться также в связи с изучением коллективной реакции совокупности свободных и связанных носителей заряда на различные возмущения. Оно употребляется применительно к обычному состоянию полупроводников и металлов — системе, состоящей из свободных носителей заряда (электронов и дырок) и ионизованных атомов, связанных с решёткой кристалла.

У большинства людей слово «плазма» ассоциируется с газовой средой и понятие «твердотельная плазма» вызывает недоумение. Это недоумение, однако, рассеивается, как только речь заходит о коллективной реакции свободных носителей заряда в твёрдых телах на электрические и магнитные возмущения — объекте исследований, относящемся к физике плазмы. По-видимому, к физике плазмы в твёрдых телах следует относить все электродинамические, магнитогидродинамические и магнитооптические явления, связанные со «сплошной» средой носителей заряда в металлах и полупроводниках.

В последние десять-пятнадцать лет исследования плазменных явлений в твёрдых телах велись особенно интенсивно, и сейчас они занимают одно из центральных мест в физике твёрдого тела. К сегодняшнему дню выявились четыре в некоторой степени самостоятельных направления исследований: плазма в металлах, магнитооптика, акустоэлектрические явления, плазма в полупроводниках.

Предлагаемая читателю книга посвящена плазме в полупроводниках. Первыми исследованиями плазменных явлений в полупроводниках, давшими существенный вклад в физику твёрдого тела, были эксперименты с использованием циклотронного резонанса для анализа закона дисперсии электронов. Второе своё рождение физика плазмы в полупроводниках испытала после открытия так называемых токовых неустойчивостей. Оказалось, что при приложении к полупроводнику постоянного напряжения в определённых условиях он генерирует переменный сигнал. Поскольку токовые неустойчивости наблюдались и в сверхвысокочастотном диапазоне, где транзисторная электроника не работает, то они привлекли к себе внимание не только физиков, но и инженеров — разработчиков полупроводниковых приборов. В результате этот раздел физики, находящийся на стыке физики плазмы и физики полупроводников, бурно развивался, и достигнутые за последнее десятилетие результаты указывают на образование нового направления в физике полупроводников и открытие новых перспектив для прогресса в полупроводниковой электронике.

Токовые неустойчивости в полупроводниках обусловлены раскачкой одних видов колебаний в плазме за счёт других (в большинстве случаев за счёт дрейфа частиц плазмы в постоянном электрическом поле). Подобные неустойчивости развиваются и в газообразной плазме, которая образуется в установках по исследованию проблемы управляемого термоядерного синтеза. Однако там они являются основными препятствиями на пути решения проблемы. По образному выражению академика Л. А. Арцимовича: «…многие из волновых мелодий плазмы звучат траурным маршем для наших попыток создать идеальную термоизоляцию». В полупроводниках же, наоборот, как раз те из волновых мелодий плазмы, которые ведут к её неустойчивости, звучат победным маршем на пути создания новых более эффективных твердотельных генераторов, усилителей и других устройств.

Токовыми неустойчивостями нельзя ограничить круг вопросов, которые следует относить к физике плазмы в полупроводниках. Её фундаментальную основу составляют исследования распространения волн (возбуждений) в полупроводниках. Эти исследования получили существенное развитие после открытия проникающих в проводящую среду магнитоплазменных волн. Проникающие волны всё шире используются для исследования дисперсии свободных электронов и дырок в сложных зонных структурах, а также для определения основных параметров, характеризующих электропроводность полупроводников с такими структурами зон. Нельзя сбрасывать со счетов также исследования по моделированию с помощью полупроводников процессов, происходящих в газовой плазме. Плазма в полупроводниках осуществляется при более низких температурах в сравнении с газовой плазмой, она более устойчива. Параметры плазмы в полупроводниках могут меняться и, главное, точно задаваться и измеряться. В экспериментах с газовой плазмой подобная точность пока недостижима. Поэтому, несмотря на большое различие условий в газовой и полупроводниковой плазмах, некоторые аспекты теории плазмы могут быть лучше проверены в полупроводниках, нежели в газах. Заметим, что в полупроводниках экспериментально наблюдаются такие аналоги явлений в газовой плазме, как пинч-эффект и спиральная неустойчивость.

Настоящая книга преследует цель дать изложение основных идей в физике плазмы и токовых неустойчивостей в полупроводниках и не претендует на полный охват вопросов, относящихся к этой области физики и техники полупроводников. В частности, в книге не рассматриваются эффекты, связанные с квантованием электронных состояний магнитным полем, нелокальные явления. Эти вопросы удобнее рассматривать при изложении физики плазмы в металлах. Опущено также рассмотрение нелинейной теории распространения электромагнитных волн в плазме твёрдого тела, которое потребовало бы дополнительного введения в изложение сложного математического аппарата. По этому вопросу имеется монография [Басс Ф. Г., Гуревич Ю. Г., Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда, 1975]. Акустоэлектрические явления рассмотрены очень кратко в плане иллюстрации акустических волн в решётке как партнёров волн в плазме свободных носителей. Определённый акцент в книге сделан на тех явлениях в полупроводниковой плазме, которые связаны с токовыми неустойчивостями в полупроводниках.

Нужно сказать, что бурное развитие физики плазмы в полупроводниках привело к неоднородному развитию её отдельных разделов и довольно большому числу ошибочных (к счастью, недолговечных) выводов в теоретических и экспериментальных работах. Многие наблюдаемые явления не нашли ещё теоретического объяснения, в то же время немалый теоретический багаж не подтверждён экспериментально. В своё время даже предлагалось классифицировать токовые неустойчивости в плазме полупроводников следующим образом: 1) наблюдаемые, но непонятные; 2) понятные, но не наблюдаемые; 3) понятные и наблюдаемые. Всё это заставляло при выборе материала проявлять осторожность, останавливаясь главным образом на достоверно экспериментально наблюдаемых фактах. На сегодняшний день в литературе отсутствует более или менее полная монография по физике плазмы в полупроводниках, однако имеется несколько монографий, а также целый ряд обзорных статей, рассматривающих различные аспекты плазменных явлений и токовых неустойчивостей в полупроводниках. С целью избежать перегрузки списка литературы автор позволил себе во многих случаях не цитировать непосредственно работы, в которых изучалось то или иное явление, а давать ссылки на обзорную статью или монографию.

Книга рассчитана на широкий круг лиц — физиков, инженеров и студентов, специализирующихся в области физики полупроводников и разработки новых электронных приборов, в частности, для СВЧ-техники. Плазменные явления в полупроводниках представляют определённый интерес и для лиц, занимающихся газовой плазмой. Для вышеупомянутого круга лиц плохо известными могут оказаться разные аспекты физики плазмы в полупроводниках. Для физиков и инженеров, специализирующихся в области полупроводников, менее известными являются эффекты в газовой плазме. Наоборот, специалисты в области газовой плазмы и вакуумной электроники хуже знают физику полупроводников. Это заставило привести в книге изложение основных понятий, которые могут быть элементарными для специалистов, занимающихся полупроводниками (зонная структура и механизмы рассеяния), или для физиков, занимающихся газовой плазмой (магнитоплазменные волны).

Построение книги таково. Сначала даются элементарные понятия о плазме в полупроводниках (глава I). Затем рассматриваются в линейном приближении основные типы волн в полупроводниковой плазме (глава II), а также формальные и физические критерии неустойчивости этих волн (глава III). В последующих главах рассматриваются физические аспекты, приводящие к токовым неустойчивостям в полупроводниках. Рассмотрены различные виды раскачки волн в плазме дрейфовым потоком частиц плазмы (глава IV). В главах V, VI, VII, VIII излагается физика различных видов токовых неустойчивостей, возникающих вследствие разогрева электронного газа электрическим полем. Наконец, в главе IX рассмотрены явления, связанные с перемещением плазмы как целого, в том числе некоторые аналоги явлений в газовой плазме…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Вопросы теории плазмы. Выпуск 6, Леонтович М. А., ред., 1972
2. Самоорганизация в полупроводниках. Неравновесные фазовые переходы в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными процессами, Шёлль Э., 1991
3. Волны и взаимодействия в плазме твёрдого тела, Платцман Ф., Вольф П., 1975
4. Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда, Басс Ф. Г., Гуревич Ю. Г., 1975
5. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках, Басс Ф. Г., Бочков В. С, Гуревич Ю. Г., 1984
6. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками, Басс Ф. Г., Булгаков А. А., Тетервов А. П., 1989
7. Метод Монте-Карло в физике полупроводников, Реклайтис А. С., Мицкявичюс Р. В., 1988
8. Новые методы полупроводниковой СВЧ-электроники. Эффект Ганна и его применение, 1968
9. Вопросы теории плазмы. Выпуск 4, Леонтович М. А., ред., 1964
10. Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции, Волькенштейн Ф. Ф., 1987
11. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение, Кесаманлы Ф. П., Наследов Д. Н., ред., 1973
12. Неравновесные приповерхностные процессы в полупроводниках и полупроводниковых приборах, Зуев В. А., Саченко А. В., Толпыго К. Б., 1977
13. Поверхностные свойства германия и кремния, Боонстра А., 1970
14. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп, Маделунг О., 1967
15. Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках, Зырянов П. С., Клингер М. И., 1976
16. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, Мазнин А. Н., Нетушил А. В., Парини Е. П., 1950
17. Флуктуационные явления в полупроводниках, Ван-дер-Зил А., 1961
18. Оптические свойства полупроводников в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, Тауц Я., 1967
19. Излучательная рекомбинация в полупроводниках: Сборник статей, Покровский Я. Е., ред., 1972
20. Оптические процессы в полупроводниках, Панков Ж., 1973
21. Субмиллиметровая спектроскопия коллективных и связанных состояний носителей тока в полупроводниках, Мурзин В. Н., 1985
22. Рассеяние электромагнитного излучения в плазме, Шеффилд Д., 1978