Плазма в полупроводниках и геликоны
Плазмой называют ионизированный газ. Это самое распространенное состояние вещества в природе. Из плазмы состоят звезды, Солнце, каналы электрических разрядов.
Кристаллы полупроводников и геликонные волны
Например, молния — это тоже электрический разряд, и, по существу, наблюдая за молнией, мы видим образование плазмы. Искусственно плазма создается в различных газоразрядных трубках, в соплах реактивных двигателей, в установках типа «Токамак», предназначенных для исследования управляемой термоядерной реакции. Благодаря тому, что число положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинаково, она не разлетается в разные стороны под действием кулоновских сил отталкивания, как это случилось бы с газом одноименно заряженных частиц. Такую плазму, в которой положительный заряд всех частиц примерно компенсирует отрицательный, часто называют квазинейтральной.
В отражательном оптроне, созданном в Институте физики полупроводников АН Литовской ССР, свет попадает из кристалла-излучателя в кристалл-приемник, лишь отразившись от какого-либо внешнего предмета. Прибор может найти много разнообразных применений, например, в качестве датчика скорости вращения диска электросчетчика в автоматике ряда энергосистем (фото С. Петрухина). Ниже: электрические схемы традиционных оптронов с фоторезистором (а), фотодиодом (б) и фототиристором (в).Число заряженных частиц в квазинейтральной плазме может быть очень велико, и, несмотря на это, она остается устойчивой. Но только пока ее не трогают.
Что же отличает плазму от других состояний вещества? Самая характерная ее особенность — это коллективный отклик на действие внешних полей и токов. Благодаря заряженности частиц плазмы электрические и магнитные поля могут ее деформировать, перемещать, нагревать и возбуждать в ней волны.
Эти свойства плазмы при достаточно сильных полях и токах приводят к тому, что она теряет устойчивость: она внезапно стягивается в шнур, скручивается в спираль, сжимается в отдельные сгустки, приобретает волнообразное движение. Именно неустойчивость плазмы и представляет собой главное препятствие для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС). В свое время один из крупнейших мировых специалистов по проблеме УТС, академик Л. А. Арцимович, писал, что многие из волновых мелодий плазмы звучат траурным маршем на пути к термоядерной реакции.
У большинства людей слово «плазма» ассоциируется с газовой средой. Но в шестидесятые годы нынешнего столетия в научной литературе появились такие понятия, как «плазма в полупроводниках» и «плазма в твердых телах». Последний термин охватывает как полупроводники, так и металлы. Появлению этих понятий способствовало открытие в твердых телах таких явлений, которые прежде наблюдались только в газовой плазме. Это привело к мысли о том, что свойства «твердотельной» плазмы и газовой во многом похожи. Действительно, «газ» свободных электронов и дырок в полупроводниках вместе с заряженными примесными атомами представляет собой нейтральное образование, которое обладает основным свойством плазмы — коллективным откликом на внешние электромагнитные воздействия. Кроме того, в полупроводниках были обнаружены различные неустойчивости, которые сопровождались колебаниями протекающего через полупроводник электрического тока. Эти колебания наблюдались в основном в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), что способствовало созданию весьма эффективных полупроводниковых генераторов и усилителей СВЧ. Так появились СВЧ-приборы нового поколения, например, диоды Ганна и лавиннопролетные диоды. Неустойчивости в полупроводниковой плазме, в отличие от газовой, оказались очень полезными. Перефразируя слова Л. А. Арцимовича, можно сказать, что как раз волновые мелодии полупроводниковой плазмы, которые делают ее неустойчивой, звучат победным маршем на пути к созданию генераторов и усилителей СВЧ-диапазона.
Конечно, плазма в полупроводниках специфическая, поскольку она находится среди атомов, образующих решетку кристалла.
В кристалле полупроводника энергия ионизации атомов или, другими словами, та энергия, которая необходима для образования подвижных зарядов, в десятки раз меньше, чем в газовом состоянии. Так получается потому, что электроны в полупроводнике «обобществлены» между всеми атомами — коллективизованы, а дискретные энергетические уровни отдельных атомов размыты в непрерывные зоны. Переход электрона из одной зоны в другую совершается гораздо легче, чем его срыв с устойчивой орбиты изолированного атома. Поэтому, если газовая плазма образуется при температурах в сотни и тысячи градусов Цельсия, то в полупроводнике плазма может образоваться даже при температуре, близкой к абсолютному нулю. Плотность плазмы в полупроводнике на много порядков превышает плотность газовой плазмы. При комнатной температуре во всех полупроводниках имеется устойчивая плазма с концентрацией зарядов от 1012 до 1022 частиц в 1 см3. Внешними воздействиями, например, теплом или светом, концентрацию зарядов в полупроводнике можно изменить на много порядков. Более того, в полупроводниковой плазме можно независимо «играть» числом отрицательных и числом положительно заряженных подвижных частиц.
1. Газовая плазма. Заряды, образующие плазму, связаны друг с другом дальнодействующими кулоновскими силами, и поэтому во взаимодействие вовлекается одновременно целый коллектив частиц. Вследствие этого физические свойства плазмы сильно отличаются от свойств обычных нейтральных газов, где взаимодействие почти всегда не коллективное, а парное. В плазме частицы и создаваемые ими электромагнитные поля неразрывно связаны, и говоря о плазме, часто имеют в виду не столько вещество, сколько сложный комплекс из вещества и электромагнитного поля. Это отличие плазмы от нейтральных газов позволяет считать плазму новым, четвертым состоянием вещества. (С точки зрения термодинамики это не вполне справедливо, тан как плазма не может находиться в равновесии с другими состояниями того же вещества).
2. Плазма в металлах. В современной физике под плазмой понимают любую статистическую систему, содержащую подвижные заряженные частицы. Плазма может существовать не только в газах, но и в твердых толах. Однако при всех разновидностях плазмы наиболее подвижная ее компонента — это электроны, поэтому плазменные эффекты в первую очередь определяются коллективным поведением электронов. Плазму металлов можно представить в виде остова из положительных ионов, погруженного в «море» электронов. Электронная «жидкость» компенсирует расталкивание положительных ионов и тем самым связывает их в решетку твердого тела.
3. Плазма в полупроводниках. Свободные носители заряда, которые создают электрический ток в полупроводниках под действием внешнего электрического поля, тоже можно считать плазмой. Чтобы в кристалле возникли такие свободные носители, необходимо либо внедрить в него примеси, либо разорвать химические связи между атомами полупроводника. Оторванный от «своего» атома электрон начинает блуждать по кристаллу, оказываясь всюду лишним — ведь почти все химические связи насыщены и кристаллические ячейки заполнены. Переходя из ячейки в ячейку, электрон переносит с собой избыточный электрический заряд. Такая частица называется электроном проводимости. Нехватка же электрона в какой-нибудь из химических связей означает, что у пары сцепленных атомов или у одного из них имеется положительный заряд — дырка. Поскольку соседние атомы полупроводника интенсивно обмениваются электронами, дырка в данной химической связи быстро «залечивается», зато возникает в другой. Так разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, которая переносит единичный положительный заряд. Электроны проводимости и дырки вместе с заряженными примусными атомами представляют собой нейтральную среду внутри полупроводника, обладающую основным свойством плазмы — коллективным откликом на внешние электромагнитные воздействия.
Малая энергия ионизации атомов в кристалле позволяет с помощью внешнего электрического поля резко увеличивать количество свободных электронов и дырок. Приобретая в электрическом поле энергию всего в 1—2 эВ — примерно в десять раз меньше, чем нужно для ионизации изолированного атома,— свободный электрон тем не менее выбивает с верхней оболочки атома, находящегося в кристаллической решетке, новый электрон. Теперь уже два электрона разгоняются полем и выбивают еще два новых электрона. Процесс образования новых электронов нарастает по мере их движения по кристаллу лавинообразно, благодаря чему плотность плазмы в полупроводнике может резко возрасти.
Энергия электрона, разгоняемого в плазме полупроводника электрическим полем, тоже увеличивается не так, как в вакууме. При столкновениях свободных электронов с решеткой, а такие удары происходят довольно часто, 1013—1014 раз в секунду, электроны почти не теряют энергии. В этих случаях говорят, что столкновения носят упругий характер. Упругие соударения электронов с решеткой хаотизируют направленную скорость частиц — скорость дрейфа,— приобретаемую в электрическом поле. Поэтому в кристалле в электрическом поле вместе с дрейфовыми растут и хаотические скорости электронов, которые определяют их температуру. Другими словами, электронный газ не только разгоняется, но и разогревается. Такие электроны называются горячими. Из-за того, что энергия, передаваемая от электронов решетке, мала, их температура может значительно превышать температуру кристалла.
Особенно примечательное свойство плазмы в полупроводниках — это зависимость массы подвижной частицы от ее энергии и направления движения. Такую массу частицы называют эффективной. Понятие эффективной массы вводится для того, чтобы сложное движение подвижного носителя заряда в условиях сильного взаимодействия с полями атомов, образующих кристаллическую решетку, можно было рассматривать как движение классической свободной частицы.
Эффективная масса подвижной заряженной частицы в полупроводнике, как правило, много меньше массы свободного электрона. С ростом энергии частицы ее эффективная масса обычно растет, причем часто очень значительно. Так, разогревание электронов в очень важном сейчас полупроводнике — арсениде галлия — всего до нескольких десятых электрон-вольта приводит к росту эффективной массы в десятки раз!
Распространение геликонной волны в твердотельной плазме. Говорят, что потребовать от физика, чтобы он изменил свои представления, все равно, что просить полицейского улучшить закон. До 1960 года держалось в физике представление о том, что электромагнитная волна проникает в проводник лишь на малую глубину, называемую скин-слоем, и если бы не этот предрассудок, то геликонные волны могли бы быть открыты еще в прошлом веке. Впервые на экспериментальную возможность введения электромагнитных волн в проводник указали в 1960 году ленинградские физики О. В. Константинов и В. И. Перель, а также французский исследователь П. Эгрен. Оказалось, что при наложении магнитного поля твердотельная плазма становится прозрачной для электромагнитных волн.
Заканчивая разбор специфических свойств плазмы в полупроводниках, отметим еще одно немаловажное обстоятельство. Известно, что плазма высокой плотности, как и любое другое высокопроводящее тело (например, металл), не пропускает электромагнитных волн. Последние отражаются от поверхности тела, а неотраженная часть поглощается на малой глубине, называемой скин-слоем (skin — по-английски «кожа»). Глубина скин-слоя уменьшается с ростом частоты электромагнитной волны и проводимости плазмы. Если в газовой плазме глубина скин-слоя не так уж мала, то в плотной полупроводниковой плазме и в металлах она составляет на сверхвысоких частотах величину порядка 10-1—10-4 см. Казалось бы, высокопроводящая плазма в полупроводниках непроницаема для СВЧ-волн, нечего и говорить об ее использовании для генерации и усиления таких волн. Замечательно, что это не так. В 1960 году ленинградские ученые О. В. Константинов и В. И. Перель показали, что, будучи помещенной в магнитное поле, проводящая плазма становится прозрачной для электромагнитных волн. Открытие было весьма неожиданным, так как до тех пор считали, что проводящая среда всегда экранирует электромагнитные волны. Оказывается, магнитное поле сильно снижает экранирующую способность и в проводящей среде вдоль направления поля могут распространяться слабозатухающие электромагнитные волны.
Необычные, проникающие в плотную плазму волны были названы геликонами. «Геликс» по-гречески означает «спираль», так что геликоны — это такие волны, в которых электрический и магнитный векторы вращаются по спирали вдоль направления распространения. Шаг спирали равен длине геликонной волны, а направление вращения совпадает с направлением вращения свободных зарядов в магнитном поле. Закручивание зарядов вокруг силовых линий магнитного поля и становится той причиной, из-за которой теряется экранирующая способность плазмы. Электроны настолько сильно «привязываются» к силовым линиям, что почти не реагируют на внешнее электромагнитное возбуждение. Чем больше магнитное поле, тем привязка сильнее, и в очень сильных магнитных полях электромагнитная волна распространяется в проводящей среде, как в диэлектрике.
Геликон — это плоская волна с круговой поляризацией, распространяющаяся вдоль постоянного магнитного поля. Во всех других направлениях электромагнитные волны в плотной плазме быстро затухают. Поэтому направлением, в котором распространяется геликонная волна, можно управлять, изменяя ориентацию магнитного поля. Таким способом можно прозондировать в полупроводниках свойства носителей заряда.
Одно из наиболее интересных свойств геликонов состоит в том, что вдоль направления внешнего магнитного поля они распространяются, почти не затухая. Во всех других направлениях эти волны сильно затухают, и металл или полупроводник, в общем, как физики привыкли говорить, плазма твердого тела, для них непрозрачны. Образно говоря, магнитное поле в твердотельной плазме создает своеобразный канал, по которому распространяется электромагнитная волна-геликон. Меняя ориентацию магнитного поля, можно изменить направление распространения геликонной волны. Следовательно, с помощью внешнего магнитного поля можно управлять направлением распространения электромагнитной волны!
Скорость распространения, а также затухания геликона зависит как от концентрации и подвижности свободных носителей заряда в твердотельной плазме, так и от напряженности магнитного поля. Чем больше концентрация зарядов, тем меньше скорость распространения. Например, в металлах, где концентрация электронов очень большая (1023 см-3), скорость распространения геликонов может достигать всего десятков сантиметров в секунду. Это невероятно малая скорость по сравнению со скоростью распространения электромагнитных волн в вакууме (300 000 км/сек). В полупроводниках из-за меньшей концентрации свободных зарядов в этих материалах скорость распространения геликонов больше. Однако и здесь их скорость намного меньше скорости электромагнитных волн в вакууме. Малая скорость распространения — еще одно уникальное свойство геликонов.
Сканирование полупроводниковой пластины геликонным лучом позволяет определить подвижность и концентрацию свободных носителей заряда в разных участках образца. Благодаря тому, что длина геликонной волны достаточно мала, такие измерения можно сделать очень локальными, то есть исследовать пластину шаг за шагом маленькими участками. В таких случаях говорят, что метод обладает высоким пространственным размещением. Сегодня геликонная диагностика с успехом применяется для неразрушающего контроля качества полупроводниковых материалов.
Примечательно, что геликоны были обнаружены лишь недавно, хотя их существование вытекает из классических уравнений движений и уравнений Максвелла — основных соотношений электромагнитной теории, — и они могли быть обнаружены еще в прошлом веке. Со дня открытия геликоны очень интенсивно изучались во многих лабораториях мира. Широкие исследования геликонных волн в полупроводниках были выполнены в Институте физики полупроводников Академии наук Литовской ССР. В настоящее время работы по геликонным волнам все больше переходят от фундаментальных исследований в прикладную область.
Возможности применения геликонов определяются следующими их свойствами.
Во-первых, скорость распространения этих волн зависит от напряженности приложенного магнитного поля и электрических параметров среды. Кроме того, направлением их распространения можно управлять с помощью внешнего магнитного поля. Все это открывает перспективы создания новых устройств для управления электромагнитным излучением. Некоторые из таких устройств, так называемые гели конные вентили, уже работают.
Во вторых, геликон, прошедший через твердотельную плазму, «выносит» из нее информацию о свойствах и параметрах этой среды. Например, измеряя скорость распространения геликонной волны, ее фазу или длину в полупроводнике, можно определить концентрацию в ней свободных зарядов. Затухание геликона предоставляет информацию о подвижности этих зарядов. Следовательно, измеряя параметры геликонной волны, можно определить основные электрические свойства полупроводникового материала, например, концентрацию носителей тока и их подвижность. Такие измерения очень важны, и обычно они осуществляются с помощью особых контактов — датчиков Холла. А вот при измерении характеристик полупроводника с помощью геликонов не нужны никакие контакты. Последнее обстоятельство позволяет проводить измерения, не портя полупроводникового материала. В связи с этим геликонный способ измерения стал серьезным конкурентом холловской методике. Более того, если изучить особенности распространения геликонов в полупроводниках со сложной зонной структурой, то можно получить исчерпывающую информацию об энергетических состояниях свободных зарядов — определить их энергетический спектр и анизотропию — зависимость от направления движения — их подвижности. В настоящее время уже создано много методов для нахождения электрических параметров полупроводников при помощи геликонных волн. Геликонная спектроскопия и геликонная диагностика полупроводников — новые направления в науке. Одной из возможностей геликонной диагностики, нашедшей наиболее широкое практическое применение, посвящен следующий раздел.
Траектория электрона в магнитном поле. Плазма состоит из заряженных частиц, которые движутся под действием электромагнитных полей. Эти поля создаются как самими частицами плазмы, тан и внешними источниками. В постоянном магнитном поле на частицы плазмы действует сила Лоренца, которая перпендикулярна направлениям поля и скорости частицы и пропорциональна величине их произведения. Сила Лоренца заставляет частицы вращаться с частотой, пропорциональной магнитному полю (циклотронной) по так называемым ларморовским кружкам или спиралям (это название произошло от имени ирландского физика Джозефа Лармора). Закручивание электронов в магнитном поле приводит к большому числу интересных эффектов в физике плазмы и физике твердого тела. В частности, аномальное проникновение геликонных волн в полупроводники и металлы связано именно с вращением зарядов вокруг направления магнитного поля.
Для геликонной диагностики могут быть применены электромагнитные волны как радиодиапазона, так и сверхвысоких частот. Однако из-за короткой длины волны (от 30 см до 1 мм) для геликонной диагностики полупроводников более перспективными оказались волны СВЧ. В полупроводнике длина геликонных волн, возбужденных в этом диапазоне, еще короче и составляет от нескольких миллиметров до десятков микрон. Имея в виду особенности распространения геликонной волны вдоль направления внешнего магнитного поля, в СВЧ-диапазоне легко сформировать узкий геликонный луч, которым можно просвечивать полупроводниковый образец подобно тому, как это делается в ультразвуковой дефектоскопии. Разница только в том, что ультразвуковая дефектоскопия позволяет находить механические неоднородности, а геликонная дефектоскопия — электрические неоднородности в механически однородном полупроводниковом материале. Например, если свободные носители заряда в полупроводниковой пластине распределены неравномерно (как это обычно бывает в реальном кристалле), то, просвечивая пластину геликонным лучом в различных точках, можно судить о степени ее электрической однородности, а тем самым и о качестве полупроводникового материала в целом. Это особенно важно в современной полупроводниковой электронике, где качество исходного материала сильно сказывается на выходе готовой продукции.
Первый геликонный дефектоскоп создан в Институте физики полупроводников Академии наук Литовской ССР.
Геликонными дефектоскопами уже заинтересовались промышленность полупроводниковых материалов и приборостроители. Такие дефектоскопы используются на предприятиях Министерства цветной металлургии СССР, а также в различных организациях полупроводниковой промышленности для контроля качества полупроводниковых материалов.
Упрощенная схема первого геликонного дефектоскопа, созданного в Институте физики полупроводников Академии наук Литовской ССР, показана на рисунке. По существу, это СВЧ-интерферометр, состоящий из двух волноводных каналов (I, II) (интерферометр Рэлея). Принцип действия его следующий. СВЧ волны, генерируемые генератором 1, при помощи ответвления 2 направляются как в первый, так и во второй каналы. По первому каналу они прямо поступают на детектор 3, а во втором канале на пути электромагнитной волны установлен исследуемый полупроводниковый образец 4 в форме пластины. Внешним магнитным полем Н в образце при помощи волноводного зонда 5 возбуждается геликонный луч, который с другой стороны образца принимается таким же зондом 6 и через ответвитель 7 тоже подается на детектор 3. При изменении напряженности внешнего магнитного поля меняются амплитуда и фаза электромагнитной волны, поступающей на детектор из второго канала. В то же время в первом канале эти параметры волны от магнитного поля не зависят. В результате в детекторе происходит интерференция двух волн. При совпадении фаз этих волн на детекторе будем иметь интерференционный максимум, а в противофазе — интерференционный минимум. Следовательно, зависимость сигнала на детекторе от магнитного поля будет осциллирующей функцией. Период осцилляций дает информацию о концентрации свободных зарядов, находящихся на пути геликонного луча, а их амплитуда — о подвижности этих зарядов. Путем сканирования полупроводниковой пластины геликонным лучом можно получить распределение упомянутых параметров во всем ее объеме. Абсолютные значения параметров в каждой точке пластины выводятся на цифропечать, а их распределение по координате изображается на экране монитора в виде цветной нарты (нижнее фото).
ЛИТЕРАТУРА
Пожела Ю. К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М., «Наука», 1977.
Константинов О. В., Перель В. И. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1960, т. 38, с. 161.
Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М., «Наука», 1967.
Лауринавнчус А. К., Малакаускас П. 3., Пожела Ю. К. Геликонный пучок в полупроводниковой плазме,— «Физика и техника полупроводников», 1984, т. 18, № 6, с. 1056.
Академик Ю.К. ПОЖЕЛА,
кандидат физико-математических наук А. ЛАУРИНАВИЧЮС,
кандидат физико математических наук Е. РАШЕВСКАЯ
(г. Вильнюс).
Наука и Жизнь №11 1986 год
Admin-uzzer September 07 2023 215 прочтений
2 комментария
Печать
2 комментария
Koldun- September 12 2023 06:56:23
AHTOH- September 13 2023 15:32:30
