УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ОМИЧЕСКИМ ЭМИТТЕРОМ
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 3, 1,3.
1Саратовский государственный университет имени
2Саратовский государственный технический университет
имени
3Университет города Лафборо
E-mail: *****@***com
В последнее время большое внимание уделяется научным исследованиям, связанным с использованием полупроводниковых наноструктур с периодическим потенциалом (полупроводниковых сверхрешеток) для генерации [1] и усиления [2] сигналов суб-ТГц и ТГц диапазона частот. В данном контексте особый интерес представляют сильносвязанные полупроводниковые сверхрешетки, транспорт заряда в которых осуществляется, в основном, за счет туннелирования электронов через потенциальные барьеры в пределах одной энергетической минизоны. Известно, что в подобных системах при приложении электрического поля электроны могут совершать Блоховские колебания с частотой до нескольких терагерц [3]. Необходимым условием реализации такого излучения является наличие пространственно однородного распределения электрического поля. Однако, на практике реализация такого распределения проблематична в силу того, что приложенное электрическое поле приводит к развитию пространственно-временной неустойчивости и образованию областей повышенной концентрации носителей заряда (доменов), дрейфующих вдоль полупроводниковой структуры [4]. Данный эффект не позволяет получить когерентное Блоховское излучение, однако, частота следования доменов заряда может достигать нескольких сотен гигагерц [5], и это явление можно также использовать для создания приборов СВЧ электроники. Очевидно, что анализ устойчивости стационарного распределения электрического поля в сверхрешетке наряду с фундаментальным интересом имеет большое значение для практических задач, связанных как с реализацией Блоховского осциллятора, так и с созданием суб-ТГц и ТГц генераторов на основе доменного транспорта.
На сегодняшний день наиболее распространенным методом анализа устойчивости стационарного состояния сильносвязанных полупроводниковых структур является приближенный nL-критерий, предложенный в работах [6,7] для исследования устойчивости в диодах Ганна. Основным недостатком данного инструмента является требование однородности пространственного распределения электрического поля в полупроводниковой структуре. Использование подобного допущения существенно снижает точность и эффективность критерия для полупроводниковых структур в случае сильно неоднородного распределения электрического поля [8]. Кроме того, nL-критерий в общем виде не учитывает особенностей, связанных с граничным условием на контакте полупроводникового образца, что приводит к необходимости его модификации при анализе влияния различных типов эмиттера [6,9].
В настоящей работе предложен метод анализа устойчивости сильносвязанных полупроводниковых структур на основе рассмотрения поведения малых возмущений стационарного состояния. Разработанный метод применен для полупроводниковой сверхрешетки GaAs-AlGaAs с периодом d’=8.3 нм, длиной L’=115.2 нм, и омическим эмиттером с проводимостью s’ = 3788 См-1 описанной в экспериментальной работе [10]. Показано, что потеря устойчивости и образование доменов связано с появлением в системе возмущения, характеризующегося положительным значением коэффициента нарастания, при этом, обнаружена связь между частотой возникающих колебаний тока, текущего через сверхрешетку, и частотой колебаний данного возмущения. Найденное при помощи предложенного подхода пороговое значение приложенного напряжения хорошо согласуется с экспериментальными данными. В работе также проведен анализ устойчивости стационарного состояния для различных значений проводимости омического эмиттера, и определено критическое значение проводимости, при котором в системе возможна доменная генерация.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 12-02-33071), Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-345.2013.2) и Фонда «Династия».
Библиографический список
1. Greenaway M. T. et. al. Controlling and enhancing terahertz collective electron dynamics in superlattices by chaos-assisted miniband transport // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 80. P. 205318.
2. Timo Hyart et. al. Model of the Influence of an External Magnetic Field on the Gain of Terahertz Radiation from Semiconductor Superlattices // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 103. P. 117401.
3. Esaki L. and Tsu R. Superlattice and negative differential conductivity in semiconductors // IBM J. Res. Develop. 1970. Vol. 14. No. 1. P. 61.
4. Büuttiker M. and Thomas H. Current Instability and Domain Propagation Due to Bragg Scattering // Phys. Rev. Lett. 1977. Vol. 38. No. 2. P. 78-80.
5. Schomburg E. et. al. Self-sustained current oscillations above 100 GHz in a GaAs/AlGaAs superlattice // Appl. Phys. Lett. 1999. Vol. 74. No. 15. P. 2179-2181.
6. McCumber D. E. and Chynoweth A. G. Theory of Negative-Conductance Amplification and of Gunn Instabilities in “Two-Valley” Semiconductors // IEEE Transactions on Electron Devices. 1966. Vol. ED-13. No. 1. P. 4-21.
7. Kroemer H. Nonlinear space - charge domain dynamics in a semiconductor with negative differential mobility // IEEE Transactions on Electron Devices. 1966. Vol. ED-13. No. 1. P. 27-40.
8. Koronovskii A. A. et. al. Lyapunov stability of charge transport in miniband semiconductor superlattices // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 165304.
9. Kroemer H. The Gunn Effect Under Imperfect Cathode. Boundary Conditions // IEEE Transactions on Electron Devices. 1968. Vol. ED-15. No. 11. P. 819-837.
10. Fromhold T. M. et. al. Chaotic electron diffusion through stochastic webs enhances current flow in superlattices // Nature. 2004. Vol. 428. P. 726.
Сведения об авторах
Докладчик: – аспирант, г, email: *****@***com, cell: +79053248118;
– д. ф.-м. н., профессор;
– д. ф.-м. н., профессор;
– к. ф.-м. н., доцент;
– к. ф.-м. н., лектор физического факультета Университета Лафборо;
– к. ф.-м. н., лектор физического факультета Университета Лафборо;
– аспирант.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
