Математическое моделирование неустойчивых режимов распространения электрогидродинамических волн в полупроводниковых структурах с дрейфовым током

• Автор: Мефтахутдинов, Руслан Максутович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 121 с.

Введение

Глава 1. Конвективные и излучательные неустойчивости в потоковых системах.

1.1. Неустойчивость КельвинаГельмгольца.

Абсолютная и конвективная неустойчивости . Переход абсолютной неустойчивости в конвективную и обратно . Неустойчивость Кельвина Гельмгольца в гидродинамических течениях . Конвективная неустойчивость в плазме .

1.2. Излучательная неустойчивость

Излучательная неустойчивость в гидродинамике . Излучательная неустойчивость в плазме . Аномальный эффект Доплера . Аналогия между аномальным эффектом Доплера и конвективной неустойчивостью .

1.3. Неустойчивость в течении Куэтга. Вихри Тейлора

Глава 2. Электрогидродинамические волны

в полупроводниках

2.1. Гидродинамическое описание возмущений концентрации свободных носителей заряда в баллистически тонких полупроводниковых слоях.

Модельные представления . Уравнение движения .

2.2. Контактные электрогидро динамические волны в п п
ир р переходах
Реализация баллистического режима в полупроводниковых переходах . Возможность распространения КЭГДВ и их параметры .
2.3. Внутренние электрогидродинамические волны в гетеропереходах .
Постановка задачи . Дисперсионное соотношение .
2.4. Волноводное распространение внутренних электрогидродинамических волн
Постановка задачи . Волновод с резкими границами . Волновод с размытыми границами .
Глава 3. Математическое моделирование электрогадродинамических неустойчивостей
в полупроводниках
3.1. Неустойчивость Кельвина Гельмгольца в п гС
и р р переходах с продольным током дрейфа
Постановка задачи . Продольный ток в высокоомном слое . Анализ неустойчивостей . Влияние вязкости на неустойчивость . Продольный ток в низкоомном слое .
3.2. Неустойчивость КельвинаГельмгольца в гетеропереходах с дрейфовым током.
Глава 4. Энергетические характеристики
электрогидродинамических волн.
4.1. Метод исследования.
4.2. Контактные электрогидродинамические волны в п ппереходе с током дрейфа в высокоомном слое.
Фазовая и групповая скорости . Плотность энергии и потока энергии КЭГДВ .
4.3. Контактные электрогидродинамические волны в п п переходе с током дрейфа в низкоомном слое
Фазовая и групповая скорости . Плотность энергии и потока энергии КЭГДВ .
Глава 5. Усиление и генерация
электрогидродинамических волн дрейфовым током.
5.1. Взаимодействие прямой контактной волны с дрейфовым током.
Постановка задачи . Дисперсионное уравнение . Анализ дисперсионного уравнения .
5.2. Режим крестатронного усиления КЭГДВ
5.3. Взаимодействие обратной контактной волны с током.
5.4. Г енерация электрогидро динамических волн
Заключение
Литература


В настоящей диссертационной работе исследуется новый тип волновых явлений контактные электрогидродинамические волны. Название для них было позаимствовано из теории плазмы, в которой уже давно известно о магнитогидродинамических волнах. Электрогидродинамические волны ЭГДВ, в отличие от последних, существуют в полупроводниковой плазме с градиентом концентрации свободных носителей заряда. На сегодняшний день построена теория поверхностных и внутренних электрогидродинамических волн. Здесь можно заметить аналогию этих волн гравитационным волнам в жидкости, известным в гидродинамике, только роль гравитационного поля играет электрическое поле, обусловленное наличием градиента свободных зарядов. Электрогидро динамические волны, как новое волновое явление представляет значительный интерес не только с точки зрения теории колебаний и волн, но и для практического применения. Поскольку ЭГДВ возбуждаются в терагерцевом диапазоне частот и распространяются со скоростью 5 мс, то они весьма перспективны для использования в устройствах обработки и передачи информации как с точки зрения освоения верхней части СВЧ диапазона электромагнитных волн, вплоть до субоптических частот, так и с точки зрения практического использования нелинейных свойств электрогидродинамических волн в терагерцевой электронике. На сегодняшний день генераторами сигналов такого диапазона частот являются лазеры на свободных электронах , близко подходят генераторы обратной волны , занимающие гигогерцевый диапазон, однако, для первых необходимы ускорители электронов, занимающие огромные площади, а другие хоть и имеют небольшие размеры, по сравнению с лазерами, но все же это десятки сантиметров. Естественно, такие устройства не применяются в современной электронике, использующей микро и нанотехнологии. Другое дело электрогидродинамические волны, которые могут существовать в полупроводниках толщиной порядка 0, ч 0, мкм. На основе таких волн можно создать все известные сейчас приборы обработки информации микропроцессоры, фильтры, линии задержки, модуляторы, корреляторы и т. Для успешного использования электрогидродинамических волн в электронике необходимо выявить способы их генерации, усиления и подавления. Как известно, эти режимы можно реализовать в условии неустойчивого распространения волн. Из теории плазмы известно много механизмов неустойчивости, это и желобковая, винтовая, дрейфовая, гравитационная и т. Однако, в данном случае, по всей видимости, наиболее приемлемо использовать пучковоплазменные неустойчивости, или, если привлекать гидродинамические аналоги, неустойчивость типа КельвинаГельмгольца. Последняя принадлежит к классу конвективных неустойчивостей и может служить для усиления электрогидродинамической волны. Для генерации необходима абсолютная неустойчивость, которая может развиваться при взаимодействии обратной электрогидродинамической волны с медленной волной пространственного заряда, модулируемой в продольном токе дрейфа, что скорее напоминает о генераторе обратной волны, известном из СВЧэлектроники . Целью диссертационной работы является математическое моделирование электрогидродинамических неустойчивостей в гетерогенных полупроводниковых системах с продольным током дрейфа и исследование возможностей их использования для возбуждения, усиления и подавления электрогидродинамических волн. Показано, что если толщина полупроводника меньше длины баллистичности, но больше дебаевского радиуса экранирования, а концентрация свободных носителей заряда мала настолько, что можно пренебречь максвелловским распределением по скоростям, то для полупроводника выполняется гидродинамическое приближение и кинетическое уравнение Больцмана переходит в уравнение движения в форме Эйлера. Теоретическими расчетами обоснована возможность существования КЭГДВ в п п и р р переходах. Проведен анализ некоторых полупроводников и их соединений с целью выбора оптимального материала для возбуждения КЭГДВ. Теоретически рассчитаны параметры КЭГДВ. В этом случае область перехода образует так называемый электрогидродинамический волновод, возбуждаемый на частотах меньших, чем частота БрентаВяйсяля.