Розділ 2. ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЧНОГО І МАГНІТНОГО ПОЛІВ
ТА ТЕМПЕРАТУРИ НА ФЛУКТУАЦІЇ СТРУМУ
В ДІРКОВОМУ ТЕЛУРІ
2.1. Вступ
Отримані вирази для спектральної щільності флуктуацій струму дозволяють вивчити поведінку шумів у напівпровідниках при зміні температури, а також під дією зовнішніх електричного і магнітного полів. Це важливо для практичних цілей, оскільки в більшості високочастотних напівпровідникових приладах, що працюють в сильних електричних і магнітних полях, необхідно враховувати шумові характеристики як для підвищення стабільності роботи цих приладів так і з метою визначення їх параметрів. Зрозуміло, що знання флуктуаційних характеристик напівпровідникових приладів досить важливо для прогнозування поведінки шумів у різних умовах, можливого зменшення їх рівня, а також при вирішенні завдань по генерації шумових сигналів.
Як зазначалось у Вступі, спектральна щільність флуктуацій струму залежить від зонної структури напівпровідника, виду механізмів розсіювання носіїв, зміни форми функції розподілу в умовах розігріву носіїв заряду. Ці фактори можуть викликати появу додаткових або зміну теплових флуктуацій у напівпровідниках під впливом електричного та магнітного полів. Тому дослідження шумів у нерівноважному стані з точки зору теорії та експерименту представляє значний інтерес.
Слід звернути увагу на цілий ряд експериментальних досліджень поведінки спектральної щільності флуктуацій струму в напівпровідниках у сильному електричному і класичному магнітному полях [105-111]. Одержані в цих роботах результати по вимірюванню шумів дали змогу отримати інформацію про механізми розсіювання носіїв, степінь їх розігріву електричним полем, дані про час релаксації енергії і міждолинних переходів.
Однак, у переважній більшості, дослідження шумів в електричному і магнітному полях проводилися на зразках, які виготовлялися з класичних напівпровідникових матеріалів (Si, Ge або GaAs), що обумовлено накопиченням значного теоретичного матеріалу для згаданих напівпровідників. Між тим, експериментальні дослідження флуктуаційних явищ в анізотропних напівпровідниках, яким притаманні специфічні фізичні властивості, майже не проводилися. Одержані в даній роботі теоретичні результати дають змогу кількісно співставляти експериментальні дані з розрахунковими і таким чином встановлювати фізичні механізми виникнення шумів в електронних підсистемах анізотропних напівпровідників.
Коротко зупинимося на фізиці впливу електричного та магнітного полів на спектральну щільність флуктуацій у напівпровідниках.
Коли до зразка прикладене електричне поле, то в напрямку поля може спостерігатися конвективний шум [25,28,57,62], обумовлений флуктуаціями середньої енергії носіїв. Цей шум виникає за рахунок того, що флуктуації енергії носіїв викликають флуктуації їх рухливості, що в кінцевому рахунку приводить до флуктуацій струму, що протікає по зразку. Відмітимо, що конвективний шум може як збільшувати так і зменшувати сумарний шум у напівпровіднику. Якщо флуктуації середньої енергії обумовлені статистичним характером взаємодії носіїв з граткою кристалу, то такі флуктуації не корельовані з тепловими флуктуаціями і збільшують спектральну щільність флуктуацій струму. Якщо ж флуктуації середньої енергії носіїв викликано зміною потужності, що поглинається від зовнішнього джерела при наявності теплових флуктуацій струму, то вклад у сумарну спектральну щільність флуктуацій залежить від знаку диференціальної рухливості.
Вплив магнітного поля на спектральну щільність флуктуацій струму в напівпровідниках проявляється у двох аспектах. По-перше, магнітне поле змінює електропровідність і час релаксації процесів, які приводять до появи шумів. Характер залежності цих параметрів напівпровідника від величини магнітного поля визначає зміну спектральної щільності флуктуацій струму. В напівпровідниках з простою зонною структурою для більшості механізмів розсіювання носіїв дефектами кристалічної гратки, електропровідність і середня енергія при наявності магнітного поля менші, ніж при , тому слід очікувати, що магнітне поле буде зменшувати спектральну щільність флуктуацій струму. По-друге, прикладене до зразка магнітне поле у напрямку, перпендикулярному до напрямку зовнішнього електричного поля, створює у зразку виділений напрямок. Це приводить до того, що шуми в напрямку магнітного поля і перпендикулярно до нього можуть відрізнятися як за величиною так і спектральними характеристиками. Тому навіть в ізотропному напівпровіднику в електричному і магнітному полях спектральна щільність флуктуацій може бути анізотропною.
У даному розділі на основі розвинутої вище теорії повздовжніх флуктуацій струму в анізотропних напівпровідниках проводяться чисельні розрахунки залежностей спектральної щільності флуктуації струму в дірковому телурі від величин напруженості електричного та індукції неквантуючого магнітного полів і температури.
Головна увага приділена дослідженню впливу температури, електричного та магнітного полів (як кожного зокрема, так і сукупної дії) на величину та характер частотної залежності спектральної щільності флуктуацій струму.
2.2. Температурна залежність спектральної
щільності флуктуацій струму
Наведемо результати чисельних розрахунків частотної та температурної залежностей спектральної щільності флуктуацій струму в дірковому телурі (програма розрахунку наведена в додатку А), отриманих з використанням виразу (1.115).
Температурні залежності концентрацій дірок і електронів у телурі вираховувалися з урахуванням їх реального енергетичного спектра за формулами (1.38) та (1.39). При розрахунках матричних елементів оператора розсіювання дірок на полярних оптичних фононах закон дисперсії енергії носіїв для спрощення приймався анізотропним параболічним. Таке наближення часто використовується при розгляді кінетичних явищ (див., наприклад, [34,44]). Схема розрахунку матричних елементів оператора розсіювання дірок на полярних оптичних фононах трьох поляризацій наведена в [54], де показано, що ві
- Київ+380960830922