Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
544
ГОРЯЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ
[ГЛ. XVI
пространственно неоднородным: образец разобьется на области сильного и слабого поля, расположенные так, как показано на рис. 16.13. Область повышенной напряженности электрического поля называют доменом сильного поля или просто электрическим доменом. Распределение напряженности поля внутри самого домена может быть различным в зависимости от природы образца. С другой стороны, в областях слабого поля напряженность его практически постоянна и электронный газ почти не нагрет.
Могло бы возникнуть и несколько доменов сильного поля. Исследование показывает, однако, что такое распределение поля неустойчиво: флуктуации приводят к «слипанию» доменов в один.
Jc/ia5.
$/гс=$&(У>2) Jc/iaS Jcuльн
Рис. 16.14. Флуктуации электронной температуры и плотности1 тока в образце с характеристикой S-типа приводят к образованию токовых шнуров. Справа на рисунке заштрихован шнур сильного тока.
Пусть теперь электронная температура испытывает однородную вдоль оси X флуктуацию бТе (у, г), сопровождаемую флуктуацией %-компоненты плотности тока б\х{у, г). Флуктуацию 6 8Х будем считать равной нулю (рис. 16.14). Выражение (9.1) удобно переписать в виде
Г = 0§1-Р. (9.1")
Флуктуация величины Г равна
6Г = — уфТе, (9.4)
где
Как и в предыдущем примере, рассматриваемая флуктуация безопасна при уа > 0 и опасна при < 0. Сравнивая выражения
(9.5) и (7.5), видим, что у2 меняет знак вместе с дифференциальной проводимостью и последняя в этом случае проходит через бесконечность. Таким образом, при характеристике S-типа опасны флуктуации электронной температуры и х-компоненты плотности-тока в направлении, перпендикулярном направлению тока. В результате развития этих флуктуаций образец разбивается на области слабого и сильного тока, расположенные так, как показано на рис. 16.14. Область сильного тока могла бы представлять собой как плоский слой, ориентированный параллельно оси X, так и токовый шнур
§ 10]
ДВИЖУЩИЕСЯ и СТАТИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ
545
цилиндрической формы. Исследование показывает, однако, что устойчивой может быть только последняя конфигурация. Облгсть, заштрихованная на рис. 16.14, изображает сечение шнура плоскостью чертежа.
§ 10. Движущиеся и статические домены
В технологически однородном образце тепловые флуктуации могут привести к образованию домена в любой точке. В силу однородности образца следует ожидать, что, раз возникнув, домен сможет перемещаться по образцу, пока не исчезнет на одном из электродов.
Движение доменов наблюдалось в ряде материалов: в «-GaAs, в п-Ge, легированном золотом или медью, в полуизолирующем арсениде галлия, в сульфиде кадмия п-типа, в р-GaSb и др. Это явление можно обнаружить, измеряя распределение потенциала в образце: напряжение между двумя точками, между которыми находится домен, должно быть повышено по сравнению с тем, что наблюдается в остальной части образца.
Скорость домена оказывается различной — в зависимости от механизма, ответственного за возникновение отрицательной дифференциальной проводимости однородного образца.
Здесь выделяются два предельных случая, о которых говорят, соответственно, как о дрейфовой и рекомбинационной нелинейности. В первом основную роль играет зависимость подвижности от поля — например, в силу механизма Ридли—Уоткинса—Хилсума. При этом захват и генерация носителей заряда не играют существенной роли; при достаточно большой скорости движения домена они вообще не успевают происходить. Скорость домена в этом случае есть дрейфовая скорость основных носителей заряда в слабом поле (соответствующем незаштрихованным областям на рис. 16.13). Она действительно оказывается большой в указанном только что смысле.
При рекомбинационной нелинейности основную роль играют процессы захвата и генерации носителей заряда. В зависимости от напряженности поля соотношение между концентрациями свободных и связанных носителей оказывается различным, и перемещение домена связано с перераспределением электронов между зоной и уровнями захвата. Этот процесс ограничивает скорость домена, которая оказывается значительно меньше дрейфовой. Так, в п-Ge, легированном золотом, скорость домена при водородных температурах может составлять от 10~5 см/с до 10~2 см/с.
Движение доменов сопровождается колебаниями тока в цепи нагрузки. Действительно, пока домен движется вдоль технологически однородного образца, сила тока не изменяется; но, дойдя до соответствующего электрода, домен исчезает, что ведет к временному повышению силы тока. При последующем возникновении домена на другом электроде сила тока в цепи вновь падает (рис. 16.15).
546
ГОРЯЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ
[ГЛ. XVI
Время пролета домена по образцу равно t0 = L/v0, где L и v0 — длина образца в направлении тока и скорость домена. При не слишком малой длине образца это время значительно превышает времена исчезновения и образования домена. При этом период колебаний тока в цепи нагрузки будет с хорошим приближением равен t0, Соответственно для частоты этих колебаний «и мы получаем
