Данная работа представляет собой вторую часть общего обзора авторов. В первой части (см. «Успехи прикладной физики», 2016. Т. 4. № 1. С. 52) проведена общая постановка задачи по аналитическому вычислению межзонных туннельных токов в p–n-структурах, прежде всего, на основе прямозонных полупроводников в условиях лавинного размножения носителей, их коэффициентов размножения и лавинных факторов шума. Выполнена программа по вычислению коэффициентов размножения. В наиболее характерных ситуациях они представлены в аналитическом виде. Показано, что полученные аналитические результаты находятся в хорошем количественном согласии с проведенными ранее численными расчетами и экспериментальными данными.
В данной части обзора проведен теоретический анализ зависимости межзонного туннельного тока гетероструктуры с p+–n-переходом в ″широкозонном″ слое от параметров используемых полупроводниковых материалов, уровней легирования ″высокоомных″ слоев и их толщин при напряжениях лавинного пробоя гетероструктуры. Показано, что туннельный ток, как правило, немонотонно зависит от концентрации легирующей примеси в ″высокоомной″ части ″широкозонного″ слоя. В наиболее практически интересном случае существует оптимальная концентрация этой примеси, при которой для заданных толщин слоев и уровня легирования ″узкозонного″ слоя туннельный ток достигает абсолютного минимума. Выведена простая формула для определения величины этой концентрации. Получено также аналитическое выражение для определения минимального значения туннельного тока. В реальных случаях перепад токов может составлять несколько порядков. Выяснено, что увеличение уровня легирования ″узкозонного″ слоя во многих случаях приводит к уменьшению туннельного тока. Показано, что при понижении уровня легирования ″высокомных″ слоев гетероструктуры туннельный ток не обращается в нуль, а начиная с некоторой концентрации перестает зависеть от уровня легирования. Аналогичный эффект имеет место и для гомогенного p+–n-перехода. Обсуждаются физические причины такого поведения туннельного тока при напряжениях лавинного пробоя. Разработана методика оптимизации параметров гетероструктуры порогового лавинного фотодиода с разделенными областями поглощения и умножения. Проведены конкретные расчеты, например, для широко используемой системы InP-In0,53Ga0,47As-InP.
Рассмотрена возможность описания переходных процессов в p–n–n-лавинных фотодиодах (ЛФД) элементарными функциями, прежде всего, при начальном напряжении V0, большем напряжения лавинного пробоя VBD. Постановка задачи вызвана потребностью знать явные условия возникновения гейгеровской моды работы ЛФД. Выведено несложное выражение, описывающее динамику лавинного гейгеровского процесса. Получена формула для полного времени его протекания. Представлено явное аналитическое соотношение реализации моды Гейгера. Определены условия применимости полученных результатов.
В заключение на основе аналитических вычислений обсуждены и продемонстрированы преимущества лавинных гетерофотодиодов (ЛГФД) с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ) типа ‘‘low-high-low’’ перед классическими образцами. Нумерация формул, рисунков и литературы продолжает нумерацию части I.
Численно исследован процесс формирования сильного электрического поля на металле, частично покрытом диэлектрической пленкой, в потоке плазмы с учетом автоэлектронной эмиссии с поверхности металла и вторичной электронной эмиссии с поверхности диэлектрика. Показано, что при отрицательном потенциале на металле порядка нескольких сотен вольт, плотности плазмы ~1012 см3, температуре электронов плазмы ~10 эВ и толщине пленки d 1 мкм напряженность электрического поля вблизи края пленки достигает нескольких МВ/см, что на два порядка превышает напряженность поля на открытой металлической поверхности в плазме. При умеренном дополнительном усилении поля на микронеровностях поверхности металла на уровне ~10 такая напряженность является достаточной для генерации автоэмиссионного тока с вершин выступов металла с плотностью порядка 108 МА/см2, необходимой для развития взрывной электронной эмиссии с последующим формированием микроплазменного (микродугового) разряда на краю пленки. Исследовано влияние генерируемого пучка автоэмиссионных электронов на формирование электрического поля вблизи края диэлектрической пленки при различных углах наклона среза пленки. При углах наклона < 85 эмитированные электроны не попадают на пленку и практически не влияют на величину формируемого поля. При 90 пучок эмитированных электронов попадает на торец пленки, вызывая вторичную электронную эмиссию с поверхности диэлектрика. В этом случае напряженность электрического поля оказывается недостаточной для развития взрывной электронной эмиссии с поверхности металла, однако под действием пучка ускоренных автоэмиссионных электронов с энергией ~50 эВ и плотностью тока ~105 А/см2 торец пленки нагревается до температуры ~1000 C, что может приводить к интенсивному газовыделению с поверхности диэлектрика. Развитие микроплазменного разряда в этом случае может быть связано с формированием плотного сгустка плазмы вблизи торца пленки в результате ионизации выделившегося газа автоэмиссионным электронным пучком.
Индукционный разряд возбуждался на частотах f = 0,5—12,0 МГц и мощности P = 25—160 Вт в смеси паров ртути (0,01 Торр) и аргона (0,1—0,6 Торр) в цилиндрических разрядных трубках длиной 300 мм и диаметром D = 40, 50, 60 и 70 мм с помощью индуктивной катушки, охватывающей трубку по ее продольному периметру. Установлено, что зависимости тока катушки Icoil и мощности потерь в проводе катушки Рcoil от мощности лампы P имеют минимум, сдвигающийся в сторону меньших мощностей с увеличением диаметра трубки D, частоты разрядного тока f и числа витков катушки n. Зависимость Рcoil от частоты f имеет минимум, сдвигаюшийся с увеличением мощности лампы Р в сторону меньших частот. КПД индуктивной катушки ηcoil возрастает с увеличением мощности лампы, диаметра разрядной трубки, частоты разрядного тока, давления аргона и числа витков катушки. Результаты расчета электрических параметров индуктивной катушки находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
В рамках обзора исследовалась природа избыточного низкочастотного шума. Проанализированы результаты экспериментальных и теоретических исследований. Показана связь избыточного шума с дефектами структуры твердых тел. Приведены следующие экспериментально установленные факты, указывающие на такую связь. Корреляция спектральных свойств избыточного шума с характеристиками дефектов. Влияние на шум внешних воздействий на твердые материалы, приводящих к нарушениям структуры материалов. Корреляция шума с надежностью твердотельных электронных приборов. Зависимость шума от технологии изготовления материалов. Проанализированы многочисленные теоретические модели избыточного низкочастотного шума, связывающие его происхождение с дефектами. Отмечена принципиальная возможность объяснения подобным образом избыточного шума в различных типах твердых тел. Представлены аргументы в пользу того, что происхождение избыточного шума в твердых телах связано с дефектами структуры.
Представлена вторая часть обзора, который посвящен динамическому методу визуализации и измерения пространственного распределения интенсивности миллиметрового (ММ) излучения при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом разряда постоянного тока в смеси паров цезия с ксеноном (метод ОКИР). Принцип действия и физические основы метода ОКИР были рассмотрены в первой части обзора [Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3. № 6. С. 515]. В данной статье описаны эксперименты, которые демонстрируют возможность использования этого метода визуализации для измерения параметров излучения на выходе источников ММ-излучения средней мощности. В частности, с его помощью была идентифицирована рабочая мода гиротрона трехмиллиметрового диапазона с импульсным магнитным полем, а также оценены величины примесей паразитных мод на выходе этого гиротрона и импульсного оротрона двухмиллиметрового диапазона. В статье также рассмотрены возможности применения метода ОКИР для радиовидения и неразрушающего контроля в диапазоне ММ-волн в реальном масштабе времени (с частотой более десяти кадров в секунду). Были получены теневые радиоизображения поглощающих и отражающих ММ-излучение объектов, а также радиопрозрачных объектов. Показано, что такой метод радиовидения в ММ-диапазоне может применяться для оперативного обнаружения и распознавания скрытых предметов, а также для регистрации динамических процессов.
На фоне современных способов проведения масс-анализа статические масс-анализаторы иногда считаются безнадёжно устаревшими и пригодными для решения лишь узкоспецифичных задач. Однако новые технологические решения (в частности, использование сильных постоянных магнитов со сложными профилями наконечников, использование параллельных детекторов высокого пространственного разрешения типа микроканальных пластин и фотодиодных матриц, и т. п.) вполне способны придать новое дыхание этому направлению. В данной статье рассматриваются теоретические способы, как на основе неоднородных статических магнитных полей, однородных по Эйлеру, можно разрабатывать схемы статических масс-спектрографов нового типа. Важно, что указанные массспектрографы характеризуются большим диапазоном масс в спектре, обладают строго линейной линией фокусов и демонстрируют одинаково высокое качество фокусировки (а именно, двойную фокусировку второго порядка по углу, энергии и дополнительно по вертикальному смещению) в любой точке линии фокусов.
Проведено комплексное теоретическое исследование, позволившее оценить степень влияния взаимосвязи сигналов многорядного крупноформатного фотоприемного устройства (ФПУ) на его характеристики. Предложено классифицировать виды взаимосвязи следующим образом, а именно, выделить два вида фотоэлектрической связи: “внутриканальную фотоэлектрическую связь” и “межканальную фотоэлектрическую связь”, а также два вида электрической связи: “взаимосвязь в схеме ВЗН-суммирования” (ВЗН — временная задержка и накопление) и “взаимосвязь внутри блока сопряжения”. Представлены формы выходных сигналов ФПУ, характерные для каждого вида взаимосвязи сигналов. Вычисления проведены для двух различных топологий матриц фоточувствительных элементов. Результаты, полученные в работе, применимы для широкого класса инфракрасных (ИК) ФПУ с режимом ВЗН.
Представлены аналитические выражения для коэффициентов лавинного размножения носителей в p–n-структурах. Рассмотрены наиболее характерные ситуации: ступенчатый (резкий) и плавный (линейный) p–n-переходы и тонкая p+–n(p)–n+-структура (типа p–i–n). Выведены формулы для напряжения лавинного пробоя VBD и показателя степени в соотношении Миллера для зависимости коэффициента размножения носителей от приложенного напряжения V. На примере полупроводников Ge, Si, GAP и InSb показано, что полученные аналитические результаты находятся в хорошем количественном согласии с проведенными ранее численными расчетами и экспериментальными данными. Эти результаты позволяют быстро и с хорошей точностью оценивать коэффициенты размножения электронов и дырок при заданном приложенном напряжении V.
Проведен теоретический анализ зависимости межзонного туннельного тока гетероструктуры с p+–n-переходом в ″широкозонном″ слое от параметров используемых полупроводниковых материалов, уровней легирования ″высокоомных″ слоев и их толщин при напряжениях лавинного пробоя гетероструктуры. Показано, что туннельный ток, как правило, немонотонно зависит от концентрации легирующей примеси в ″высокоомной″ части ″широкозонного″ слоя. В наиболее практически интересном случае существует оптимальная концентрация этой примеси, при которой для заданных толщин слоев и уровня легирования ″узкозонного″ слоя туннельный ток достигает абсолютного минимума. Выведена простая формула для определения величины этой концентрации. Получено также аналитическое выражение для определения минимального значения туннельного тока. В реальных случаях перепад токов может составлять несколько порядков. Выяснено, что увеличение уровня легирования ″узкозонного″ слоя во многих случаях приводит к уменьшению туннельного тока. Показано, что при понижении уровня легирования ″высокомных″ слоев гетероструктуры туннельный ток не обращается в нуль, а начиная с некоторой концентрации перестает зависеть от уровня легирования. Аналогичный эффект имеет место и для гомогенного p+–n-перехода. Обсуждаются физические причины такого поведения туннельного тока при напряжениях лавинного пробоя. Разработана методика оптимизации параметров гетероструктуры порогового лавинного фотодиода с разделенными областями поглощения и умножения. Проведены конкретные расчеты, например, для широко используемой системы InP-In0,53Ga0,47As-InP.
Рассмотрена возможность описания переходных процессов в p–i–n лавинных фотодиодах (ЛФД) элементарными функциями, прежде всего, при начальном напряжении V0, большем напряжения лавинного пробоя VBD. Постановка задачи вызвана потребностью знать явные условия возникновения гейгеровской моды работы ЛФД. Выведено несложное выражение, описывающее динамику лавинного гейгеровского процесса. Получена формула для полного времени его протекания. Представлено явное аналитическое соотношение реализации моды Гейгера. Определены условия применимости полученных результатов.
В заключение на основе аналитических вычислений обсуждены и продемонстрированы преимущества лавинных гетерофотодиодов (ЛГФД) с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ) типа ‘‘low-high-low’’ перед классическими образцами.
Проведено исследование пространственной структуры и динамики плазмы в разряде сильноточной вакуумной искры методом импульсной тенеграфии. Зарегистрировано формирование полоидальных структур в плазме перетяжки на стадии завершения процесса пинчевания.
Предполагается использовать импульс мягкого рентгеновского излучения для воздействия на мишень, содержащую термоядерное топливо, для ее сжигания и нагрева. Подобные устройства оказываются пригодными для инновационного решения ряда прикладных задач.
В работе представлена модель расчёта геометрии ракурсных контуров на земной поверхности, характеризующих рассеяние коротких радиоволн передатчика мелкомасштабными магнитно-ориентированными неоднородностями электронной концентрации, искусственно созданных в верхней ионосфере в результате работы нагревного стенда. Модель основана на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих лучевую траекторию распространения радиоволны в трёхмерно-неоднородной ионосфере. Проведено сравнение результатов, полученных расчётным путём при использовании разработанной модели, с данными, полученными в результате экспериментальных исследований по ракурсному рассеянию декаметровых радиоволн с линейной частотной модуляцией, проведённых на отечественном стационарном среднеширотном нагревном стенде Сура в период 09-14 сентября 2013 г.