Взаємодія електромагнітних хвиль з активними хвилями в періодичних напівпровідникових структурах - Автореферат

Актуальність теми визначається тим, що одною з важливих проблем електроніки напівпровідників є пошук нових умов для ефективної взаємодії електромагнітних хвиль з активними хвилями, наприклад, дрейфовими у напівпровідниках та пучковими в електронних потоках. Дотепер при дослідженні напівпровідникових шарувато-періодичних структур приділялось недостатньо уваги впливу дисипативних процесів на мінімальне значення фазової швидкості у шаруватому середовищі, і дисипативним процесам, які призводять до змін характеру дисперсійною залежності та нелінійної взаємодії в шарувато-періодичних структурах із частотною дисперсією. Особливість таких структур полягає в тому, що є безпосередня аналогія між хвильовими процесами в шарувато-періодичних структурах і властивостями хвильових функцій електрону, що рухається в періодичному потенціалі квантової надрешітки. В шарувато-періодичних структурах у спектрах електромагнітних, звукових, плазмових та інших хвиль утворюються зони проникнення і непроникнення, в областях порушення періодичності виникають специфічні поверхневі хвилі, аналогічні тамовським рівням або примісним рівням в напівпровідниках. Огляд робіт, в яких аналізуються властивості періодичних середовищ за станом на середину 70-х років, був зроблений Ш.Структура, що досліджується у роботі складається з однорідного плазмоподібного напівобмеженого простору та шарувато-періодичного середовища, яка утворена періодично повтореними у просторі шарами напівпровідника та діелектрика. Для опису електродинаміки шарувато-періодичного середовища була отримана матриця, що повязує компоненти Ex, Ez, Hy хвиль на періоді шарувато-періодичної структури. IMG_d44f3d45-9d5a-4aa6-be83-fa265c759ffd - блохівське хвильове число, що відображає періодичність структури; його можна розглядати, як усереднене значення компоненти хвильового вектору упоперек шарів шарувато-періодичного середовища, IMG_a81309bb-d7fd-425c-863f-c7eb96e851cd і IMG_6295e22c-d9ee-4cd9-95f8-0e2e35aad110 - діелектричні проникності та товщини шарів 1 і 2, IMG_e019ab3e-f5b0-41d4-b9ae-fb6861425f28 - період структури, IMG_247f0d91-2e79-47f4-8bfa-b8bbce82ac6a - хвильові числа у шарах 1 та 2, відповідно. Поверхневий характер власних хвиль має інтегральний характер: власні хвилі у шарувато-періодичному середовищі складаються з коливань у кожному шарі, коливання у шарах можуть мати як поверхневий, так і обємний характер, а саме хвилеводний характер, однак обвідна амплітуд хвиль у шарах шарувато-періодичного середовища зменшується при віддаленні від границі розподілу середовищ: шарувато-періодичного та однорідного напівпростору. IMG_32fc86ae-093f-48dc-b13e-91cfb9e9d380 ) також існують області непрозорості в структурі і в цих областях лежать дисперсійні криві хвиль, що розповсюджуються на границі шарувато-періодичного середовища і однорідного напівпростіру.Надалі при розвязанні рівнянь припустимо, що внесок нелінійних механізмів малий, а саме, енергія взаємодії хвиль значно менша енергії самих хвиль. енергія хвиль у напівпросторі та шарах шарувато-періодичного середовища, IMG_07a75460-214f-4744-8a1a-34c524025adf - енергія k-ої хвилі, тобто хвилі На відміну від необмеженого простору [10] на хвилі не накладається умова синхронізму на поперечні складові хвильових чисел Аналіз комбінацій власних хвиль структури на виконання законів синхронізму дає такі чотири можливі комбінації хвиль, що взаємодіють, та умови їх трихвильової взаємодії: два поверхневих плазмона та дрейфова хвиля взаємодіють, коли поздовжнє хвильове число плазмону з найбільшими параметрами більше за 1) дві дрейфові хвилі з поверхневим плазмоном або дрейфовою хвилею взаємодіють коли величина поздовжнього хвильового числа хвилі, що розпадається, менша заУ дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове розвязання задачі взаємодії (лінійної та трихвильової нелінійної) власних електромагнітних хвиль структури та активних хвиль, які повязані з рухом заряджених частинок у однорідному на півпросторі. Врахування згасання в структурі призводить до обмеження максимального хвильового числа і, отже, до обмеження мінімальної фазової швидкості. Зясовано, що із-за малого згасання хвиль в шарах діелектрика величина мінімальної фазової швидкості може мати порядок швидкості дрейфу носіїв заряду у однорідному напівпросторі. Особливістю матричного елементу у випадку, що досліджується, є відсутність законів синхронізму за поперечними хвильовими числами шарів шарувато-періодичного середовища і однорідного напівпростору. Виявлено, що при взаємодії плазмону з двома дрейфовими хвилями в залежності від їхніх параметрів відбувається зміна напряму руху енергії міх хвилями.

Основний зміст дисертації

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове розвязання задачі взаємодії (лінійної та трихвильової нелінійної) власних електромагнітних хвиль структури та активних хвиль, які повязані з рухом заряджених частинок у однорідному на півпросторі.

Врахування згасання в структурі призводить до обмеження максимального хвильового числа і, отже, до обмеження мінімальної фазової швидкості. Зясовано, що із-за малого згасання хвиль в шарах діелектрика величина мінімальної фазової швидкості може мати порядок швидкості дрейфу носіїв заряду у однорідному напівпросторі. В роботі отримані інкременти зростання хвиль при лінійній взаємодії плазмонів із носіями заряду.

В роботі проаналізована трихвильова взаємодія на нелінійностях струму. Особливістю матричного елементу у випадку, що досліджується, є відсутність законів синхронізму за поперечними хвильовими числами шарів шарувато-періодичного середовища і однорідного напівпростору.

Графічно отримані комбінації власних хвиль, для яких виконувалися закони синхронізму, а в окремих випадках і параметри взаємодіючих хвиль. Особливістю матричних елементів взаємодіючих хвиль, що досліджуються, є відмінність їхніх модулів на декілька порядків. Виявлено, що при взаємодії плазмону з двома дрейфовими хвилями в залежності від їхніх параметрів відбувається зміна напряму руху енергії міх хвилями.

Отримана необхідна умова стійкості стаціонарного стану: домінування процесів дисипації над процесами зростання. Розраховані і проаналізовані типи сценаріїв становлення стаціонарних станів.

У результаті виконаних в роботі досліджень: · встановлено, що додаткова симетрія шарувато-періодичного середовища створює умови для зменшення фазової швидкості поверхневих хвиль;

· отримані інкременти (декременти) зростання (затухання) хвиль при взаємодії кінетичних хвиль з власними хвилями структури, яка утворена напівобмеженим напівпровідниковим шаруватоперіодичним середовищем і плазмоподібним напівпростором. Таким чином, доведена можливість ефективної взаємодії надповільних поверхневих хвиль з носіями заряду;

· вперше отримані матричні елементи нелінійної трихвильової взаємодії хвиль в напівпровідниковій структурі, яка утворена шарами діелектрика та напівпровідника, а також визначено існування стаціонарного стану та необхідну умову його існування;

· визначено умови стійкості стаціонарного стану за нелінійної трихвильової взаємодії в шарувато-періодичному середовищі: амплітуда тільки однієї з хвиль зростає і це зростання менше за сумарні втрати двох інших хвиль.

1. Булгаков А.А., Москаленко В.В. Дисперсия поверхностных волн в сверхрешетке и взаимодействие их с активными волнами // Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. - Харьков: ИРЭ НАН Украины - 1994, С. 124-131.

2. Булгаков А.А., Москаленко В.В. Неустойчивости поверхностных поляритонов в классической полупроводниковой сверхрешетке // ФТП. - 1996. - Т. 30, № 1. - С. 31-40.

3. Булгаков О.О., Москаленко В.В. Дисперсійні властивості та локалізація енергії у активних напівпровідникових надґратках // УФЖ. - 1997. - Т. 42, № 4 - С. 487-492.

4. Булгаков О.О., Москаленко В.В. Нелінійні взаємодії кінетичних хвиль із поверхневими поляритонами в напівпровідниковій надґратці // УФЖ. - 2000. - Т. 45, № 10. - С. 1233-1239.

5. Москаленко В.В. Нелинейное взаимодействие волн в ограниченной периодической полупроводниковой структуре // Вісник Харківського національного університету № 646, Радіофізика та електроніка. - 2004, Вип. 2. - С. 55-60.

6. Bulgakov A.A., Moskalenko V.V. Instabilities of superslow electromagnetic waves in semiconductor classic superlattice. // International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Application. - San-Diego (USA). - 1994.

7. Bulgakov A.A., Bulgakova A.A., Moskalenko V.V. Instabilities of superslow electromagnetic waves in semiconductor classic superlattice. // Міжнародна школа-семінар SSMFA. - Ужгород (Україна). - 1994 p.

8. Bulgakov A.A., Bulgakova A.A., Moskalenko V.V. Propagation of surface polaritons along the interface metal-superconductor superlattice. // Міжнародна школа-семінар SSMFA. - Ужгород (Україна). - 1994 p.

9. Москаленко В.В. Нелинейное взаимодействие собственных и активных волн в ограниченной периодической полупроводниковой структуре // IV Харьковская конференция молодых ученых "Радиофизика и СВЧ электроника". - Харьков (Україна). - 2004 p.

Список використаних джерел

1. Бриллюэн А., Пароди М. Распространение волн в периодических структурах: Пер. с франц. / Под. ред. П.А. Рязина. - М.: ИЛ, 1959. - 448 с.

2. Рытов С.М. Электромагнитные свойства мелкослоистой среды // ЖЭТФ. - 1955. - Т. 29, № 5(11) . - С. 605-616.

3. Файнберг Я.Б., Хижняк Н.А. Искусственно анизотропные среды // ЖТФ. - 1955. - Т. 25, № 4. - С. 711-719.

4. Элаши Ш. Волны в активных и пассивных слоисто-периодических структурах // ТИИЭР. - 1976. - Т. 64, № 12. - 200 с.

5. Cho A.Y., Yariv A., Yeh P. Observation of Confined propagation in Bragg waveguides // Appl. Phys. Lett. - 1977. - Vol.30, №9. - P. 471-475.

6. Yeh P. Yariv A., Chi-Shain Hong. Electromagnetic propagation in periodic stratified media // J. Opt.Soc.Am. - 1977. - Vol. 67, № 4. - Р. 423-427.

7. Савин В.Г., Шульга Н.А. Фазовые и групповые скорости поверхностной волны Лявы в слоистой среде // Акуст. журн. - 1975. - Т. 21, № 2. - С. 260-263.

8. Djafari-Rouhani B., Dobrzynski L., Duparc O.H., Camley R.E., Maradudin A.A. Sagittal elastic waves in infinite and semi-infinite superlattice // Phys. Rev. B. - 1983. - Vol. 28, № 4. - P. 1711-1720.

9. Романов Ю.А. Параметрическое преобразование частоты вверх в сверхрешетках // Изв. вузов (Радиофизика). - 1980. - Т. 23, № 5. - С. 617-625

10. Галеев А.А., Карпман В.И. Турбулентная теория слабонеравновесной разреженной плазмы и структура ударных волн // ЖЭТФ. - 1963. - T. 44, Вып.2. - С.592-602.

Размещено на .ru