Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 6 Автосолитоны в InSb в магнитном поле й И.К. Камилов, А.А. Степуренко, А.С. Ковалев Институт физики им. Х.И. Амирханова, 367003 Махачкала, Россия (Получена 26 мая 1997 г. Принята к печати 23 декабря 1997 г.) Экспериментально показано, что продольное магнитное поле сравнительно небольшой величины вызывает существенное изменение скорости движения автосолитонов в образцах антимонида индия и приводит к заметному перераспределению электрического поля этих автосолитонов. При этом частота и амплитуда колебаний тока во внешней цепи образца увеличиваются или уменьшаются в зависимости от направления продольного магнитного поля.

Теоретические исследования Кернера и Осипова [1Ц4] туры [17,18], влияние магнитного поля на них будет показали, что в разогретой электронно-дырочной плазме обусловлено скорее всего термомагнитными эффектами (ЭДП) можно внешним дополнительным возмущением Эттингсгаузена и Нернста [19].

возбудить термодиффузионные автосолитоны (АС). В Мы исследовали поведение АС в образцах InSb в плотной ЭДП при наличии внешнего электрического продольном магнитном поле. Магнитное поле напряполя АС проявляются в виде слоев тока, направленных женностью до 104 А/м создавалось в соленоиде, внувдоль приложенного электрического поля [5Ц6], а в ЭДП три которого размещался образец. Для исследования не слишком высокой плотности образуются АС в виде использовался ряд образцов InSb различных размеров, слоев сильного электрического поля, перпендикулярных которые при температуре T = 77 K имели концентрацию линиям тока [7Ц9]. носителей p = (2 4) 1012 см-3 с подвижностью В работах [10Ц14] показано, что неравновесная ЭДП в 4000 см2/В с. Мы использовали методику электриn-GaAs, образующаяся в результате ударной ионизации ческих измерений такую же, как и в [18]. Исследовалось или инжекции, в электрическом поле расслаивается на влияние продольного магнитного поля на движущиеся многочисленные шнуры тока и домены электрическо- АС. При этом магнитное поле включалось только тогда, го поля. В [15Ц16] приводятся результаты обнаружения когда во внешней цепи образца появлялись колебания и экспериментального исследования бегущего горяче- тока.

го АС в разогретой электическим полем однородно- На рис. 1 представлены осциллограммы колебаний фотогенерируемой ЭДП в n-Ge. тока моды типа I (a, b) и зависимости частоты (c) и амВ [17Ц18] показано, что в неравновесной ЭДП, полу- плитуды (d) этих колебаний с изменением приложенного ченной в образце InSb джоулевым разогревом, в сильном магнитного поля в интервале от 0 до 1500 А/м.

электрическом поле появляются АС в виде как слоев При направлении магнитного поля, совпадающем с тока, так и областей сильного электрического поля. направлением электрического поля, H E, наблюдается Это в какой-то срепени аналогично экспериментальным уменьшение частоты колебаний тока с ростом напряженрезультатам, полученным в [10Ц12]. Поскольку в InSb ности магнитного поля (кривые 1Ц3 соответствуют разЭДП несимметрична (для эффектривных масс дырок ным амплитудам импульсов электрического напряжения m и электронов m выполняется m > m), области U1 < U2 < U3, при которых появляются колебания, отлиp e p e сильного электрического поля движутся в электрическом чающиеся величинами частот и амплитуд; с этих величин поле вдоль слоев тока в сторону движения горячих и прослеживается зависимость частоты и амплитуды от электронов, т. е. от катода к аноду, вызывая колеба- магнитного поля).

ния тока во внешней цепи образца. Форма и скорость При антипараллельном (взаимно противоположном) движения АС близки к полученным в [15Ц16]. В ра- направлении магнитного и электрического полей, боте [18] показано, что из сложных колебаний можно H E, частота этих же колебаний тока в образце выделить два основных типа. Для каждой из этих мод изменяется иначе (рис. 1, c, кривые 1 Ц3 ). При наихарактерен свой интервал прикладываемого напряжения. меньшем значении исходного напряжения U1 (кривая 1 ) Было найдено, что у одной из них (I тип) частота частота колебаний сначала плавно уменьшается с ростом колебаний уменьшается, а амплитуда растет с увеличе- напряженности магнитного поля, а затем проходит через нием прикладываемого к образцу напряжения, у другой три экстремума, приобретая тенденцию к возрастанию.

(II тип) частота колебаний плавно растет, а амплитуда При большем исходном напряжении U2 (кривая 2 ) знаколебаний изменяется так, что ее увеличение сменяется чение частоты колебаний растет плавно с увеличением уменьшением. напряженности магнитного поля, а затем проходит через АС в образцах InSb должны быть достаточно чув- два экстремума, сохраняя тенденцию к возрастанию. При ствительны к магнитному полю [19]. Поскольку рас- наибольшем исходном напряжении U3 (кривая 3 ) часматриваемые АС представляют собой локализованные стота колебаний растет при увеличении напряженности области градиента концентрации носителей и темпера- магнитного поля во всем интервале его изменения.

698 И.К. Камилов, А.А. Степуренко, А.С. Ковалев Рис. 1. Колебания тока моды типа I во внешней цепи образца антимонида индия. a, b Ч осциллограммы колебаний тока при H E и H E соответственно. U2 = 30.3В; H увеличивается для осциллограмм снизу вверх. c, d Ч зависимости частоты ( f ) и амплитуды колебаний тока (I) от величины напряженности магнитного поля при постоянном значении электрического поля U1 = 29.5В (1, 1 ), U2 = 30.3 (2, 2 ), U3 = 30.8В (3, 3 ). 1, 2, 3 Ч H E; 1, 2, 3 Ч H E. e, f Ч зависимости частоты и амплитуды колебаний от прикладываемого электрического напряжения при постоянном значении магнитного поля H, А/м: 0 Ч0, 1 Ч 136 (H E), 2 Ч 544 (H E), 3 Ч 1088 (H E).

На рис. 1, d показаны изменения амплитуды коле- появляются и существуют удвоение и утроение периода, баний тока I, возникающие при тех же постоянных а линии, окаймляющие эти области, показывают значенапряжениях U1 < U2 < U3, с ростом напряженности ния амплитуд колебаний тока этих периодов. Осцилломагнитного поля. Величина амплитуды плавно нарастает, граммы на рис. 2, a и b иллюстрируют динамику измекогда H E (кривые 1Ц3), а при H E так же плавно нения частоты и амплитуды колебаний тока с ростом убывает (кривые 1 Ц3 ). напряженности магнитного поля в интервале значений Изменение частоты и амплитуды колебаний тока с ро- H от 0 до 4800 А/м при H E (рис. 2, a) и при H E (рис. 2, b). Соответствующие графики показывают, что стом напряженности магнитного поля для случая H E частота в среднем уменьшается при H E с ростом качественно аналогично изменению этих же параметров напряженности магнитного поля (рис. 2, c, кривые 1, 2 Ч с ростом электрического поля (рис. 1, e, f, кривые 0, 0).

приведены для двух значений исходного напряжения на На рис. 1 представлены также зависимости частоты f образце U1 < U2). При этом колебания тока при U(рис. 1, e, кривые 1, 2, 3) иамплитудыI колебаний тока наблюдаются в интервале напряженности магнитного (рис. 1, f, кривые 1, 2, 3) при увеличении электрического напряжения U1, прикладываемого к образцу, находя- поля от 0 до 2150 А/м. При обратном направлении магнитного поля, H E, частота колебаний растет, щемуся в постоянном магнитном поле. При H E хотя в конце интервала, где еще существуют колебания уменьшение частоты колебаний тока происходит при тока при повышении напряженности магнитного поля, более низких значениях U по сравнению со случаем появляется тенденция к уменьшению частоты.

H = 0, т. е. fH(U) < f (U) (рис. 1, e, кривые 0, 2, 3). При H E наблюдается обратная ситуация fH(U) > f (U) На рис. 2, d показаны изменения амплитуды колебаний (рис. 1, f, кривые 0, 1 ). Кривые электрополевой за- тока в образце с изменением напряженности магнитного висимости амплитуды колебаний тока при постоянном поля. При U1 в магнитном поле H E амплитуда магнитном поле расположены в обратном порядке, т. е.

колебаний тока плавно растет во всем интервале напряIH(U) > I(U) при H E (рис. 1, f, кривые 0, 2, 3) и женности магнитного поля, где колебания существуют IH(U) < I(U) при H E (рис. 1, f, кривые 0, 1 ).

(рис. 2, d, кривая 1). При U2 > U1 с увеличениНа рис. 2 представлены результаты исследования влия- ем напряженности магнитного поля (H E) амплиния магнитного поля на частоту и амплитуду колебаний туда колебаний заметно растет (рис. 2, d, кривая 2);

тока моды типа II [17,18]. Поведение этой моды с из- при H = 1900 2200 А/м данная мода претерпевает менением электрического поля представлено на рис. 2, e бифуркацию удвоения периода. С дальнейшем ростом и f. В данном случае эта мода претерпевает не только поля происходит переход к регулярным колебаниям, бифуркацию через удвоение периода, но и утроение пе- амплитуда этих колебаний сублинейно растет, и далее риода с ростом приложенного к образцу электрического начиная с H = 3300 А/м мода претерпевает следующую поля. Штриховкой выделены области напряжений, где бифуркацию удвоения периода.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Автосолитоны в InSb в магнитном поле Рис. 2. Колебания тока моды типа II во внешней цепи образца антимонида индия. a, b Ч осциллограммы колебаний тока при H E и H E соответственно; U2 = 25.1В; H увеличивается для осциллограмм снизу вверх. c, d Ч зависимости частоты ( f ) и амплитуды колебаний тока (I) от величины напряженности магнитного поля при постоянном значении электрического поля:

U1 = 22.7В (1, 1 ), U2 = 25.1В (2, 2 ). 1, 2 Ч H E; 1, 2 Ч H E. e, f Ч зависимости частоты и амплитуды колебаний от электрического напряжения при H = 0.

При U1 и U2 в магнитном поле H E амплиту- втором Ч в области меньших плотности и температуры да колебаний тока исследуемой моды почти линейно ЭДП. В обоих случаях изменятся соотношения величин уменьшается с ростом напряженности магнитного поля подвижностей (e, p) и температур (Te, Tp) электронов в интервале существования этих колебаний. и дырок, что приведет к изменению фазовой скорости Наблюдаемые явления, т. е. изменение частоты и ам- (АС) vph [7]. Были проведены численные расчеты скорости движения АС, представленной выражением плитуды колебаний тока во внешней цепи образца с изменением внешнего магнитного поля, можно объ- работы [7]. Оказалось, что с перемещением АС в более горячую область ЭДП скорость движения АС понизится.

яснить решающим вкладом термомагнитных эффектов.

Соответственно частота колебаний тока во внешней цепи Автосолитоны как в виде продольных шнуров тока, так и в виде поперечных линиям тока слоев понижен- образца в первом случае будет увеличиваться, а во ной концентрации носителей заряда представляют со- втором уменьшаться.

В горячей, более плотной области ЭДП, дефицит бой локализованные области повышенной температуры концентрации носителей в АС понизится, т. е. уменьшитс резким градиентом порядка T = (TAS - T )/L/2, где TAS Ч температура в центральной области АС, ся сопротивление АС, а следовательно, уменьшится и электрическое поле в центре АС. Все это приведет к T Ч температура на периферии АС; TAS 2T [20], l < L < (Ll)1/2/2 Ч ширина АС [6], L Ч диффу- тому, что величина скачка тока во внешней цепи образца зионная длина носителей, l Ч длина остывания носи- уменьшится при разрушении движущегося по образцу горячего АС.

телей, T = 2T /L = 2T /l 4T /(Ll)1/2. Для InSb T 150 K [18], L 3 10-3 см, l 9 10-4 см [21,22], В более холодной и менее плотной области ЭДП деT = (3.3 4) 105 град/см. В продольном магнит- фицит концентрации носителей в АС повысится, а следоном поле наличие поперечного градиента температуры вательно, увеличится сопротивление и, соответственно, T шнура тока (АС) приведет вследствие эффекта электрическое поле в центре АС. В результате величина НернстаЦЭттингсгаузена к появлению поперечной раз- скачка тока во внешней цепи образца возрастает при ности потенциалов. Поле поперечного эффекта Нернста - разрушении АС. Это объясняет, почему амплитуда Эттингсгаузена является нечетной функцией, т. е. знак колебаний тока во внешней цепи образца понижается при поперечной разности потенциалов зависит от направле- смещении АС в более горячую и плотную область ЭДП и ния магнитного поля E(H) = -E(-H) [23]. Под возрастает при смещении АС в более холодную и менее действием этой разности потенциалов движущийся во плотную область ЭДП.

внешнем электрическом поле АС сместится по напра- Итак, мы экспериментально показали, что продольвлению к шнуру тока, или от него. В первом случае АС ное магнитное поле сравнительно небольшой величины окажется в области более плотной и горячей ЭДП, во (до величины порядка 104 А/м) вызывает существенФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 700 И.К. Камилов, А.А. Степуренко, А.С. Ковалев ное изменение скорости движения АС, образующихся Effect of magnetic field on autosolitons in в сильных греющих полях в образцах InSb. При этом InSb частота колебаний тока во внешней цепи образца уменьI.K. Kamilov, A.A. Stepurenko, A.S. Kovalev шается, а амплитуда этих колебаний растет с увеличением продольного магнитного поля, имеющего то же Kh.I. Amirkhanov Institute of Physics, направление, что и приложенное к образу электрическое 367003 Makhachkala, Russia поле (H E). При антипараллельном направлении магнитного и электрического полей (H E) наблюда

Abstract

It is shown experimentally that the longitudinal magется увеличение частоты колебаний тока, а амплитуда netic field of a relatively small magnitude causes noticeable changes этих колебаний уменьшается с ростом напряженности in velocity of autosoliton traveling in InSb samples and a visible reмагнитного поля.

distribution of these autosolitons in electric field. As a result, the current oscillation frequency and amplitude in the external circuit of Авторы признательны и благодарны В.В. Осипову за a sample either increases or decreases depending on the direction внимание к работе и сделанные им замечания и дополof longitudinal magnetic field.

нения, способствовавшие улучшению качества работы.

Авторы выражают благодарность РФФИ за поддержку работы (грант 97-02-17623).

Список литературы [1] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ЖЭТФ, 71, 1542 (1976).

[2] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Письма ЖЭТФ, 41, 381 (1985).

[3] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. УФН, 157, 201 (1989).

[4] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. УФН, 160, 1 (1990).

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

[6] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТП, 18, 891 (1979).

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

[8] Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТП, 13, 721 (1979).

[9] А.Л. Дубицкий, Б.С. Кернер, В.В. Осипов. ФТТ, 28, (1986).

[10] Б.С. Кернер, В.Ф. Синкевич. Письма ЖЭТФ, 36, (1982).

[11] Б.С. Кернер, В.В. Осипов, М.Т. Романенко, В.Ф. Синкевич.

Письма ЖЭТФ, 44, 77 (1986).

[12] В.Н. Ващенко, Б.С. Кернер, В.В. Осипов, В.Ф. Синкевич.

ФТП, 23, 1378 (1989).

[13] В.Н. Ващенко, Б.С. Кернер, В.В. Осипов, В.Ф. Синкевич.

ФТП, 24, 1705 (1990).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам