- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 4
ГЛАВА I. АКУСТОЭЛЕКТРОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ПЬЕЗОПОЛУПРОВОД-НИКАХ И СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛЕНКА............................................... Ю
§ 1.1. Распространение акустических волн в пьезоэлектрических полупроводниках ................................... 10
§ 1.2. Распространение акустических волн в слоистых
структурах........................................... 13
§ 1,3. Электронная концентрационная нелинейность .......... 18
§ 1.4. Акустоэлектрический эффект ......................... 19
§ 1.5. Усиление акустических шумов и генерация акустических волн в пьезополупроводниках ......................... 23
ГЛАВА П. МЕТОДИКА ЭКСШЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТО-ЭЛЖТРОННЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКАХ И СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛЕНКА............................•„!..•...................... 31
■ъ-..
§ 2.1. Методика приготовления изучаемых структур .......... 31
§ 2.2. Описание экспериментальных установок ............... 35
§ 2.3. Оценка погрешности измерений ...................... 44
ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТОЭЛЕКТРОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В
ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ .................. 47
§ 3.1. Усиление АВ в слоистой структуре пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка с периодической
системой омических контактов ....................... 48
§ 3.2. Акустоэлектрический эффект в слоистой структуре
пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов .... 53
§ 3.3. Усиление и генерация АВ в пьезополупроводниках
в переменном несинусоидальном электрическом поле 60
- 3 -
§ 3.4. Исследование параметров электронно-дырочной
плазмы в пьезополупроводнике акустоэлектронны-
ми методами........................................... 69
ГЛАВА 1У. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ............... 83
§ 4.1. Теория нестационарного акустоэлектрического эффекта ....................................................... 83
§ 4.2. Детектирование радиосигналов за счет нестационарного акустоэлектрического эффекта ........................ 87
§ 4.3. Экспериментальное исследование акустоэлектрического детектирования радиосигналов ......................... 98
§ 4.4. Оптимизация параметров акустоэлектрического демодулятора на основе слоистой структуры пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка ...................... III
ГЛАВА У. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЕ ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛЕНКА - ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТАКТОВ В ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ 118
ПОЛЕ
§ 5.1. Детектирование вынужденных электронных волн ... 119
§ 5.2. Прямое наблюдение вынужденных электронных волн, возбуждаемых АВ в полупроводнике в переменном
электрическом поле .................................. 125
§ 5.3. Детектирование АВ в слоистой структуре пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов в переменном электрическом поле ..................................... 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................
ЛИТЕРАТУРА ....................................................
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Одним из современных научных направлений в физике твердого тела является акустоэлектроника, изучающая процессы возбуждения, распространения акустических волн (АВ) в твердых телах, взаимодействие этих волн с электромагнитными полями и электронами проводимости, а также возможности создания новых твердотельных приборов на основе возникающих при этом явлений. Влияние электронов проводимости на распространение АВ в пьезоэлектриках было рассмотрено Шапошниковым в 1941 году [т]. Однако вопросы взаимодействия АВ со свободными носителями заряда в полупроводниках стали интенсивно исследовать после наблюдения в 1961 году Хатсоном,
Мак Фи и Уайтом усиления ультразвука в монокристаллах Сй5 при сверхзвуковом дрейфе носителей заряда через кристалл [2]. Эта работа собственно и положила начало акустоэлектронике.
Акустоэлектронное взаимодействие в полупроводниках обусловлено существованием в них двух взаимодействующих систем: решетки кристалла и электронно-дырочной плазмы носителей заряда [3-^ . Механизмы акустоэлектронного взаимодействия различны и зависят от типа кристалла. Для наиболее часто используемого и хорошо изученного диапазона частот АВ (десятки - сотни мегагерц) максимальное взаимодействие дает пьезоэффект. В пьезоэлектрических полупроводниках под действием электрического поля, сопровождающего АВ, происходит группировка свободных носителей заряда, поле которых, в свою очередь, за счет обратного пьезоэффекта влияет на исходную АВ. Пьезоэлектрическое взаимодействие характерно для определенных направлений распространения и поляризации АВ в кристаллах группы АшВу((5аДг , 0а5& , 1пМ и др.) и группы
АПВ1У ( Сс1^ tCd.Se , ^/1^, ЪпО и др.).
Акустоэлектронные устройства позволяют осуществить большое число операций над сигналами [6-8] : временную задержку и фильтра-
- 5 -
цию сигналов, преобразование частот, параметрическое усиление и др. Создаются миниатюрные функциональные элементы для считывания, кодирования, декодирования, хранения и корреляционной обработки информации, акустоэлектронные генераторы и усилители сигналов, эффективные устройства управления лазерным излучением и другие устройства.
Из всех типов АЗ с точки зрения практических применений наибольший интерес представляют поверхностные акустические волны (ПАВ) - акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком приповерхностном слое. Этот интерес обусловлен: во-первых, возможностью создания малогабаритных термо- и вибростойких приборов; во-вторых, он вызван тем обстоятельством, что на ПАВ можно легко воздействовать на всем пути их распространения и, следовательно, можно создать целый ряд функциональных устройств; в-третьих, интерес к ПАВ связан с тем, что технология изготовления приборов на ПАВ, в принципе, совместит со стандартной плинарной технологией интегральных схем.
Наиболее перспективными являются приборы на основе монолитных слоистых структур пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка, либо полупроводник - пленка пьезодиэлектрика. В слоистых структурах АВ, возбуждаемые в пьезодиэлектрике, взаимодействуют с электронами проводимости в полупроводнике [9] .
В настоящее время физические исследования акустоэлектронных явлений, возникающих в пьезополупроводниках и слоистых структурах пьезодиэлектрик-полупроводник, а также исследования нацеленные на выявление новых принципов, которые могут быть использованы при создании приборов, являются по-прежнему актуальными.
Несмотря на то, что к настоящему времени акустоэлектрояное взаимодействие в полупроводниках изучено довольно подробно, ряд
- 6 -
важных как с научной, так и с практической точки зрения вопросов оставался неисследованным или исследованным в недостаточной степени. Не было проведено систематическое исследование акустоэлек-тронного взаимодействия в слоистых структурах пьезодиэлектрик-полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов, создающей в полупроводнике знакопеременное электрическое поле. Особый интерес к изучению таких структур, в частности, связан с тем, что межэлектродные промежутки могут быть сделаны довольно малыми, порядка длины волны АВ, и, поэтому, даже с помощью небольшого (20-30 В), приложенного к ним напряжения можно эффективно влиять на акустоэлектронное взаимодействие, что важно при создании акустоэлектронных усилителей, детекторов, устройств корреляционной обработки информации. Не был изучен нестационарный акустоэлектрический эффект, возникающий при распространении в полупроводнике АВ, имеющих спектр амплитудно- и частотно-моду-лироваяных сигналов. Не проводились экспериментальные исследования двунаправленного усиления АВ в несинусоидальных знакопеременных электрических полях, которое может быть использовано для изучения нелинейного взаимодействия акустических флуктуаций.
Целью настоящей работы являлось: исследование акустоэлектронных эффектов в слоистой структуре пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка - периодическая система омических контактов с периодом порядка длины волны, создающей распределенное в пространстве знакопеременное электрическое поле; изучение нелинейного взаимодействия АВ, имеющих спектр амплитудно- или частотно-модулированных сигналов в слоистой структуре пьезодиэлектрик -полупроводниковая пленка; исследование основных закономерностей акустоэлектронного взаимодействия в пьезополупроводниках в знакопеременном электрическом поле и изучение возможности использования этого явления для создания активных сред, способных усили-
- 7 -
вать и генерировать АВ.
Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав. В заключительном разделе работы сформулированы основные результаты и выводы, а также приведен список литературы.
В первой главе дается обзор литературы и отражено современное состояние теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации. Основное внимание уделено электронной концентрационной нелинейности и связанному с ней акустоэлектрическому эффекту. Рассмотрен вопрос усиления акустических шумов и генерации АВ в пьезополупроводниках.
Во второй главе описана процедура изготовления исследуемых образцов и методика проведения экспериментов. Приведено описание экспериментальных установок и рассмотрены методические вопросы, касающиеся оценки ошибок измерений.
В третьей главе исследуются акустоэлектронное поглощение и акустоэлектрический эффект в слоистых структурах пьезодиэлект-
ческой системой омических контактов в виде решетки встречно-штыревого типа. Основное внимание уделяется изучению возможности получения непрерывного режима усиления сигналов в исследуемых структурах и наблюдению акусто ЭДС на второй гармонике частоты ПАВ. В главе также подробно исследуется явление двунаправленного усиления и генерации акустических сигналов в пьезополупроводниковых кристаллах из п - In.SH , помещенных в несинусоидальное знакопеременное периодическое электрическое поле.
Теоретическому и экспериментальному исследованию нестационарного акустоэлектрического эффекта, возникающего при распространении модулированных АВ в пьезополупроводниках или в слоистых структурах пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка, посвящена четвертая глава. Показана возможность создания акустоэлектри-
рик ( и М03 ) - полупроводниковая пленка
- 8 -
ческого демодулятора для детектирования радиосигналов. Получены выражения для напряжения на выходе такого демодулятора при детектировании амплитудно- и частотно-модулированных радиосигналов. Приведены результаты экспериментального исследования акустоэлект-рических демодуляторов, созданных на основе слоистых структур пьезодиэлектрик и т3 - полупроводниковая пленка iCd.Se
ИЛИ
В пятой главе изучена возможность детектирования сигналов за счет вынужденных электронных волн, возбуждаемых АВ в полупроводнике в переменном электрическом поле. Теоретически и экспериментально рассматривается вопрос о детектировании вынужденных электронных волн в слоистой структуре пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов в виде решетки встречно-штыревого типа.
В конце диссертации приведены основные выводы, которые вытекают из результатов проведенных экспериментальных и теоретических исследований.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [108,117,123-127] . В работе получены следующие новые научные результаты:
I. В результате исследований акустоэлектрического эффекта в слоистой структуре пьезодиэлектрик - полупроводниковая пленка с периодической системой омических контактов, расстояние между которыми порядка длины АВ, показана возможность эффективной регистрации переменной составляющей акустоэлектрического тока на второй гармонике АВ. Изучение электронного усиления АВ в такой структуре показало, что если полупроводниковая пленка расположена только в тех межэлектродных промежутках, в которых электрическое поле создает дрейф электронов в направлении распространения АВ, то возможно получение непрерывного решила усиления.
- 9 -
2. Развита и экспериментально проверена теория нестационарного акустоэлектрического эффекта, возникающего при распространении в пьезополупроводниках или в слоистых структурах пьезодиэлектрик-полупроводник АВ, имеющих спектр амплитудно- или частот-но-модулированных сигналов. Показана возможность использования этого эффекта для демодуляции радиосигналов и для определения частоты слабых яемодулированных сигналов.
3. Получен ряд новых результатов, свидетельствующих о существовании вынужденных электронных волн, возбуждаемых АВ в полупроводнике в переменном электрическом поле. Изучение спектра электронных волн и влияния на него поля дрейфа подтвердило выводы развитой в работе теории детектирования электронных волн, которая описывает перераспределение электронов между различными электронными волнами и учитывает фазы, с которыми с помощью периодической системы контактов возбуждаются и регистрируются электронные волны. Показана возможность использования эффекта возбуждения вынужденных электронных волн для синхронного детектирования акустических сигналов.
4. Исследован эффект двунаправленного усиления АВ в пьезополупроводнике в несинусоидальном знакопеременном электрическом поле, знак которого меняется каждый полупериод, форма положительного и отрицательного полупериодов одинакова и смена знака происходит много раз за время распространения АВ по кристаллу. Показано, что кристалл, ограниченный зеркально отражающими АВ торцами, представляет собой активный резонатор. Данные опытов по генерации сигналов в таком кристалле подтвердили выводы теории нелинейного взаимодействия усиливающихся флуктуаций.
Эти положения и выносятся на защиту.
- 10 -
Глава I
АКУСТ0Э1ЕКТР0НН0Е ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКАХ
И СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИК - ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ПЛЕНКА
В главе дается краткий обзор литературы, посвященной акусто-электронному взаимодействию в пьезополупроводниках и слоистых структурах пьезодиэлектрик-полупроводник. Особое внимание уделяется вопросам распространения и взаимодействия с основными носителями заряда АВ - волн Рэлея и явлениям, связанным с концентрационной нелинейностью (акустоэлектрический эффект, нелинейное усиление акустических шумов). Приводятся основные выражения, определения и обозначения, которые используются в последующих главах.
§ 1.1. Распространение акустических волн в пьезоэлектрических полупроводниках
Вопрос о распространении в пьезоэлектрических полупроводниках АВ и их взаимодействии с носителями заряда в настоящее время изучен достаточно хорошо и подробно изложен в целом ряде монографий и статей [3-5,10-14] . Наиболее ясно физика такого взаимодействия раскрывается при рассмотрении линейной одномерной задачи [15,1б] . При этом предполагается, что пространственно-временная зависимость всех переменных - деформации Ч()(,Ь) , переменной концентрации И (х,{.) , переменного поля волны Е(хМ -соответствует плоской волне, т.е.
где ^ - волновое число, х - координата, вдоль которой распространяется АВ, б08 - циклическая частота АВ.
- II -
Для описания взаимодействия АВ со свободными носителями заряда в пьезополупроводниках используются следующие уравнения. Первое - это уравнение движения среды:
р ML- - сШ- = fiM- (1.2)
“ дх2 дхг ' дх
где - J3 плотность вещества, С - модуль упругости кристалла,
J) - (эффективный) пьезомодуль кристалла.
Второе уравнение - уравнение Пуассона с учетом пьезоэффекта:
kSip = —ШелпО() (1.3)
где 6 - диэлектрическая проницаемость полупроводника, Atl(x) отклонение концентрации от равновесного значения, & - заряд
электрона.
Третье уравнение - уравнение непрерывности
-f1 + « -ff -
где ifx) - плотность тока.
Для большинства имеющихся полупроводников характерна ситуация, когда даже на весьма высоких частотах (до нескольких гигагерц) из-за крайне малой длины свободного пробега свободных носителей заряда выполняется условие (J, £ J / , где I - длина
свободного пробега ((j = 25t/As , Jig - длина акустической волны). Тот факт, что на длине АВ электрон испытывает большое количество соударений, позволяет считать, что значение плотности тока проводимости и диффузионного тока в каждой точке кристалла в любой момент времени пропорционально значению электрического поля и, соответственно, градиенту электронной концентрации в той же точке и в тот же момент времени [з] . Тогда выражение для плотности тока имеет вид
- 12 -
І їх) -впр [Е0 -Е(х)]-е£ ^
(1.5)
Здесь Ео - постоянное электрическое поле, приложенное к кристал-
сителей заряда в полупроводнике, - электрическая индукция.
Взаимодействие между электронами проводимости и АВ обычно считается слабым, так что на пути, равном длине АВ, амплитуда волны меняется слабо и волновой вектор можно записать в виде
где оС - коэффициент электронного поглощения АБ, причем
/оС/«
Если отбросить в выражении для тока единственный для всей системы нелинейный член АИ(Х)Е (х) (это можно делать лишь в случае, когда АП«По , По - равновесная концентрация носителей, т.е. при достаточно малых амплитудах деформаций), то
лу для создания дрейфа электронов, /Ч - подвижность основных но-
(1.6)
п-іаиЬіШЬШІМ
ь ° ыркТ
(1.7)
и для коэффициента электронного поглощения получаем
где К ь с - ллллш/хсдпхса ололаСВЯЗИ, Фр — Врв—
г- £
мя релаксации импульса,
лаксации
ский радиус экранирования,
скорость элект-
- 13 -
ронов, 14 -их тепловая скорость, 14 - скорость акустической волны. Как видно из (1.7), в отсутствие дрейфа (!с1 = 0) , когда
о£> 0 и АВ поглощается, имеет место, связанное с конечным значением времени релаксации импульса %р , некоторое отставание максимума электронной концентрации от минимума поля. Свободные носители заряда, таким образом, являются посредниками в передаче энергии АВ тепловым колебаниям решетки.
Наличие дрейфа изменяет фазовые сдвиги. Из (1.7) видно, что при за счет энергии внешнего источника, идущей на соз-
дание дрейфа электронов, фазовый сдвиг между электрическим полем ЕМ и амплитудой электронной концентрации &П(х) оказывается равным нулю. В этом случае и при ¥р ф О электронное затухание отсутствует. При создании сверхзвукового дрейфа электронов (Ус1 >14') электронные сгустки опережают минимумы ПОЛЯ Е(х) по фазе и свою кинетическую энергию при торможении передают волне, что приводит к ее нарастанию. В результате происходит усиление АВ сверхзвуковым дрейфом электронов.
§ 1.2. Распространение акустических волн в слоистых
структурах
Толчком к дальнейшему развитию акустоэлектроники послужила работа Ю.В.Гуляева и В.И.Пустовойта [э] , в которой впервые была высказана идея усиления поверхностных акустических волн (ПАВ) дрейфовым потоком электронов в слоистых структурах пьезодиэлектрик-полупроводник. В такой структуре для достижения усиления можно подбирать пьезодиэлектрик с сильно выраженным пьезоэффектом и полупроводник с оптимальными параметрами и размерами для получения большой величины усиления при относительно малом выделении тепла. Последнее обстоятельство связано с использованием полупроводниковых пленок малой толщины, что снижает общее коли-
- Київ+380960830922