Нелинейные процессы и самоорганизация диссипативных структур в системах полупроводник - газоразрядный промежуток тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Астров, Юрий Александрович

• Астров, Юрий Александрович
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Астров, Юрий Александрович

Список основных обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. Системы полупроводник - газоразрядный промежуток; история развития и задачи настоящего исследования.

1.1. Структуры ПП-ГРП - новые электронные устройства (вводные замечания).

1.2. Потребности техники в развитии быстродействующих средств регистрации

ИК изображений и некоторые методы, предложенные для решения проблемы.

1.2.1. Ограниченность традиционных средств в проблеме продвижения чувствительности в ИК область спектра.

1.2.2. Нетрадиционные методы фотографии и их применение для скоростной регистрации изображений в ИК области спектра.

1.3. Этапы разработки устройств ПП - ГРП.

1.4. Основные процессы в системе ПП - ГРП в условиях стационарного тока.

1.4.1. Элементарные сведения из физики горения самостоятельных разрядов в тонких промежутках.

1.4.2. Процессы на границе полупроводник - газоразрядная плазма.

1.4.3. Фотоэлектрическое управление стационарной плотностью тока.

1.5. Проблема устойчивости однородных состояний структуры.

1.6. Перспеюгивность систем ПП - ГРП для решения задач преобразования

ИК изображений в широкой спектральной области.

1.7. Структуры ПП - ГРП как самоорганизующиеся системы.

1.8. Основные задачи исследования систем ПП - ГРП.

Глава 2. Динамика систем. Быстродействие в задачах преобразования изображений.

2.1. Вводные замечания.

2.2. Основные экспериментальные факты.

2.2.1. Динамика структур при малых плотностях тока.

2.2.2. Особенности переходных режимов.

2.3. Модель динамических процессов.

2.3.1. Двухкомпонентная нелинейная система уравнений.

Л 2.3.2. Аналитическое исследование модели.

2.3.2.1. Свойства решений.

2.3.2.2. Структура ПП - ГРП как резонансный контур.

2.3.3. Резонансные свойства системы: эксперимент и сравнение с теорией.

2.3.4. Результаты численного моделирования.

2.3.4.1. Генерация колебаний за счет собственного шума системы.

2.3.4.2. Нелинейный характер переходных процессов.

2.4. Некоторые следствия полученных результатов применительно к решению задач скоростной регистрации ИК излучений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные процессы и самоорганизация диссипативных структур в системах полупроводник - газоразрядный промежуток»

5.2. Самоорганизация нестационарных пространственно - временных структур в полуизолирующем GaAs.152

5.2.1. Условия экспериментов.153

5.2.2. Вольтамперные характеристики системы ПП-ГРП и отдельно полупроводникового электрода.153

5.2.3. Многообразие образующихся диссипативных структур.155

5.2.4. О механизме неустойчивости и формирования структур.161

5.3. Неустойчивость однородного состояния и образование ансамбля идентичных нитей тока в системе с Si:Zn фотоприемником.164

5.3.1. Вводные замечания.164

5.3.2. Основные характеристики неустойчивости.164

5.4. Выводы.170

Глава 6. Самоорганизация токовых структур вследствие пространственнораспределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов - эксперимент.171

6.1. Введение.171

6.2. Постановка экспериментов, методы измерений.173

6.3. Неустойчивости однородного состояния с образованием пространственно периодических структур в распределениях тока.175

6.4. Неустойчивости периодических структур: образование дефектов.176

6.5. Вторичные неустойчивости: наблюдения на страйпах, спиралях и мишенях.182

6.5.1. Зигзаг-дестабилизация страйпов и спиралей большой амплитуды.184

6.5.2. Наблюдение неустойчивости типа перетяжки.193

6.6. Паттерны, состоящие из нитей тока.196

6.6.1. Внутренняя структура нити тока и эффект самодостройки диссипативной структуры с образованием диссипативного кристалла. 198

6.6.2. Умножение числа нитей тока путем их деления.201

6.6.3. Оптическая "инжекция" диссипативных солитонов.204

6.6.4. Динамика диссипативных солитонов - рассеяние при столкновениях. 207

6.6.5. Экспериментальные свидетельства существования фазового перехода в ансамбле диссипативных солитонов.210

6.7. Выводы.211

Глава 7. Самоорганизация токовых структур благодаря нелинейному взаимодействию газоразрядного и полупроводникового элементов -модель явления.214

7.1. Вводные замечания.214

7.2. Модель пространственно - распределенного нелинейного взаимодействия газоразрядного и полупроводникового элементов.215

7.3. Аналитическое исследование модели. Тьюринговская неустойчивость.218

7.4. Численные исследования модели на двумерной области.225

7.4.1. Переход от однородного к структурированному состоянию при изменении управляющего напряжения.229

7.4.2. Самодостройка гексагональной структуры.234

7.4.3. Увеличение числа диссипативных солитонов через их деление.237

7.4.4. Фазовый переход в ансамбле диссипативных солитонов.238

7.5. Выводы.244

Заключение.246

Список публикаций по теме диссертации.250

Цитированная литература.256 А

Список основных обозначений и сокращений

Я - длина волны (излучения; пространственной структуры) Л - длина волны диссипативной структуры е -энергия; относительная диэлектрическая проницаемость 3)-диэлектрическая проницаемость вакуума а - первый коэффициент ионизации Таунсенда; коэффицент поглощения света; показатель степени р - показатель степени у - второй коэффициент ионизации Таунсенда; отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме; показатель степени /и - подвижность; химический потенциал электронов а- проводимость; сечение фото ионизации, сечение захвата свободных носителей центром р - удельное сопротивление т- постоянная времени процесса; время пролета со - круговая частота р - удельное сопротивление, плотность й - толщина е - заряд электрона

Е - напряженность электрического поля; энергия ионизации (примесного центра полупроводника, молекулы газа) 7 - плотность тока

- электрический ток, поток квантов света

Я - сопротивление; универсальная газовая постоянная; пространственная разрешающая способность Р - давление газа и, {/-напряжение

- энергия ионизации примесного состояния С - емкость (электрическая) с - теплоемкость; скорость звука Ь - индуктивность

Н- плотность (газа, примесей в кристалле) п - плотность электронов р - плотность дырок - коэффициент диффузии

Ь - диффузионная длина

V-скорость к- волновой вектор; постоянная Больцмана длина экранирования потенциала \ught- длина поглощения света /- линейная частота Т- температура; период колебаний

2 - заряд, добротность осциллятора; удельное тепловыделение К- превышение напряжения питания системы над пробивным напряжением промежутка; степень компенсации полупроводника 5 - площадь

ВАХ - вольтамперная характеристика

ОДС - отрицательное дифференциальное сопротивление

ПП - ГРП - полупроводник - газоразрядный промежуток

Введение

Современное общество нельзя представить без средств приема и обработки оптической информации. Технические решения соответствующих проблем основаны главным образом на использовании полупроводниковых приборов. К ним относятся, в частности, и приемники изображений в современных телевизионных устройствах. Для большого числа природных явлений и искусственных (в том числе, технологических) процессов инфракрасная область длин волн является весьма информативной. Вместе с тем, этот диапазон характеризуется относительно малыми энергиями фотонов, что создает трудности в решении проблем фотографической регистрации в ИК области спектра. Перспективный путь ее решения найден в середине 70-х годов прошлого века в Лаборатории неравновесных электронных процессов в полупроводниках ФТИ им. А. Ф. Иоффе, где было предложено регистрировать ИК изображения с помощью новых полупроводниковых приборов. В этих устройствах за счет фотоэлектрического эффекта в системе свободных носителей полупроводникового планарного фотоприемника создается электронный образ ИК изображения. Формирование преобразованного изображения в видимой области спектра осуществляется с помощью тонкого газоразрядного промежутка, который обеспечивает, кроме того, функцию подвода тока к полупроводниковому фотоприемнику.

Одна из основных задач, стоявших перед автором диссертации, состояла в исследовании способности преобразователей ИК изображений обеспечить высокоскоростной режим. Естественно, что высокое быстродействие должно сочетаться с высокой чувствительностью, т. к. именно чувствительностью определяется, насколько широкой может быть область практического применения приборов. Оказалось, что для обеспечения высоких быстродействия и чувствительности рассматриваемых полупроводниковых приборов они должны работать в условиях возможно высоких значений напряжения питания преобразователя. Другими словами, для достижения предельного уровня основных технических характеристик желательно использовать условия работы устройства, которые находятся вблизи границы потери устойчивости номинального режима. Отсюда естественным образом возникает проблема изучения механизмов нелинейностей, которые могут приводить к неустойчивостям, нарушающим функцию преобразования.

К моменту начала исследований автора по тематике диссертационной работы, нелинейные свойства устройств и факторы, которые определяют возможности приборов в задачах высокоскоростного преобразования ИК изображений, изучены не были. Основной мотивацией наших исследований являлся практический интерес. Актуальность задачи построения высокоскоростных средств фотографии в ИК области спектра обусловлена, в первую очередь, расширяющимся освоением мощной импульсной лазерной техникой ИК диапазона длин волн. Как известно, мощные лазеры во многих технологических применениях являются исключительно эффективным инструментом. В связи с этим необходимо иметь средства изучения качества излучений таких лазеров. Среди актуальных проблем находится, например, диагностика излучений импульсных СОг лазеров (ДА, = 9-11 мкм). Важная задача в этой области - измерение пространственно-временной динамики излучаемых лазерами световых полей, что можно осуществить, скажем, с помощью скоростной покадровой съемки в соответствующем диапазоне ИК спектра.

До появления фотоэлектрических систем фотографической регистрации быстропротекающих процессов в ИК области спектра эти проблемы решались главным образом с использованием так называемых "тепловых" методов регистрации изображений. Несмотря на значительные усилия, предпринятые исследователями разных стран по созданию соответствующих систем, этот подход не позволил построить системы с необходимой для практики совокупностью технических характеристик. Причина состоит в низкой энергетической чувствительности и относительно малом динамическом диапазоне регистрируемых плотностей энергии таких методов и сложности построения на их основе систем высокоскоростной покадровой съемки.

Одной из задач настоящей диссертационной работы явилось изучение нелинейных свойств структур ПП-ГРП с целью создания на основе этих систем методов фотографической регистрации ИК полей в спектральной области 1 - 11 мкм; быстродействием, обеспечивающим эффективную скорость съемки 106 кадров/с и более; и минимальной регистрируемой плотностью энергии в указанном спектральном диапазоне, не превышающей 10"5 Дж/см2. До постановки настоящих исследований методы регистрации изображений с указанной совокупностью характеристик отсутствовали.

В результате исследований по указанной теме задача высокоскоростной фотографической регистрации ИК импульсных лазерных излучений к настоящему времени в значительной степени решена. Это потребовало, в частности, разработки планарных фотоприемников с высокой чувствительностью в соответствующих спектральных диапазонах - приемников, которые способны обеспечить устойчивую работу в условиях контакта с газоразрядной плазмой преобразователя. Прикладная часть исследований ориентировалась, в частности, на практические потребности Российского Федерального Ядерного Центра (РФЯЦ, г. Саров).

В последнее время все более важной в практическом отношении становится также задача создания технических средств фотографической регистрации быстропеременных во времени полей, излучаемых относительно слабонагретыми телами. Ряд таких задач может быть также решен с помощью скоростных преобразователей изображений ПП - ГРП.

Системы ПП - ГРП функционируют вдали от термодинамически равновесного состояния. Это следует уже из того обстоятельства, что возникновение активного тока в разрядной области возможно лишь в случае, когда энергия свободных носителей заряда в газоразрядном промежутке существенно превышает энергию теплового движения. Как известно, сильно неравновесные системы могут проявлять существенно нелинейные транспортные свойства и обнаруживать возникновение неустойчивых состояний. В результате развития неустойчивости пространственно-однородного состояния протяженной системы в ней может спонтанно возникнуть некоторая структура (которая не задается, например, непосредственно условиями на границах системы). Существование структуры, в конечном итоге, обеспечивается процессами, за счет действия которых поддерживается неравновесное состояние. Такие структуры получили название диссипативных.

Возникновение в изучаемой системе электрических неустойчивостей может быть обусловлено нелинейностями как полупроводниковой компоненты, так и разрядной области. С точки зрения функционирования системы в качестве преобразователя оптических изображений возникновение диссипативных структур в распределениях тока, как уже выше отмечалось, неприемлемо, поскольку они переводят устройство в нерабочий режим. Вместе с тем, такое поведение исследуемой системы представляет значительный интерес с точки зрения исследования явлений самоорганизации пространственно протяженных нелинейных электронных сред.

Отметим в связи с этим, что в настоящее время в мире наблюдается возрастающий интерес в области исследований нелинейных свойств неравновесных систем, а также процессов самоорганизации в них пространственных и пространственно-временных структур. Хотя они выполняются пока на академическом уровне, полагают, что в будущем, на базе искусственных самоорганизующихся сред, удастся создать устройства обработки информации, основанные на новых принципах - т.е., принципах, которые реализуются в неравновесных системах в результате их сложного кооперативного поведения. В этой связи представляется особенно актуальным разработка и исследование электронных самоорганизующихся систем.

Следует подчеркнуть, что до настоящего времени исследования явлений самоорганизации неравновесных систем выполнялись главным образом на гидродинамических и химических средах. Причина известного отставания в исследованиях электронных систем состоит, на наш взгляд, в проблеме изготовления подходящих экспериментальных объектов, которые обладали бы необходимой совокупностью свойств. Сюда относится, главным образом, требование высокой пространственной однородности элементов системы. Дело в том, что явления самоорганизации неразрывно связаны с бифуркациями (ветвлениями) состояний - здесь имеется определенная аналогия с равновесными фазовыми переходами. Характеристические явления самоорганизации пространственно-протяженной среды могут, в общем, наблюдаться лишь в том случае, когда соответствующие критические состояния достигаются при изменении управляющих параметров в пределах исследуемой системы одновременно.

Такие состояния относительно легко достигаются, скажем, в химических системах, где соответствующая среда может, например, перемешиваться в процессе опыта. Для электронных систем, содержащих твердотельную активную часть, получение сильно неравновесных состояний, которые однородны в пространстве, является гораздо более сложной задачей - вследствие присутствия технологических ("вмороженных") неоднородностей. Такого рода неоднородности могут быть в некоторых случаях малосущественны для работы обычных электронных устройств, но оказывать определяющее влияние на сценарии самоорганизации нелинейной системы.

В процессе разработки преобразователей были созданы планарные фотоприемники с высокого качества. Использование таких приемников позволило создать на основе систем ПП - ГРП распределенные самоорганизующиеся среды с высокой пространственной однородностью характеристик. Это дало возможность наблюдать на таких системах каскады бифуркаций, в результате которых происходит перестройка самоорганизующейся среды по мере изменения управляющих параметров.

Цель работы заключается во всестороннем изучении планарных систем ПП - ГРП. Практическая задача исследований состоит в создании на основе данных нелинейных систем технических средств скоростной фотографической съемки процессов в ИК области спектра -преобразователей изображений для широкой спектральной области 1-11 мкм. Другая проблема, которой посвящена работа и которая, будучи тесно связанной с задачей обеспечения устойчивой работы преобразователей, имеет самостоятельное значение -исследование самоорганизации нелинейной пространственно распределенной электронной среды. Вытекающие отсюда конкретные цели работы следующие:

• установить механизмы, приводящие к неустойчивым режимам работы систем; выработать рекомендации относительно параметров структур и условий их питания для работы в двух режимах - устойчивом и неустойчивом. Первый используется для преобразования ИК изображений, второй - для исследования явлений самоорганизации.

• установить условия функционирования преобразователей, которые позволяют регистрировать изображения в спектральной области 1-11 мкм при скорости съемки до 106 кадров/с и минимальных регистрируемых плотностях энергии излучения е 'у порядка 10" Дж/см .

• на основе монокристаллических полупроводников, легированных глубокими примесями, разработать фоточувствительные электроды, которые обеспечивают устойчивую работу преобразователей изображений.

• экспериментально и теоретически исследовать нелинейные свойств систем ПП - ГРП и самоорганизацию в них пространственных и временных диссипативных токовых структур.

Научная новизна.

При изучении систем ПП - ГРП установлено, что при соответствующих параметрах и надлежащих условиях питания системы могут осуществлять устойчивое высокоскоростное преобразование ИК изображений в видимую область спектра. Путем целенаправленного изменения параметров системы могут быть переведены в режимы, которые обнаруживают многообразие сценариев самоорганизации диссипативных структур в распределениях тока.

Основные новые результаты следующие:

• Установлено, что при малых величинах межэлектродного расстояния в газонаполненной области системы ПП - ГРП (с1г « 0,1 мм) существует устойчивый режим пространственно-однородного горения разряда в широком диапазоне плотностей

П "У тока j ~ 10 - 10 А/см . Эффект стабилизации разряда обусловлен распределенным сопротивлением полупроводникового электрода, осуществляющего токоподвод к области разряда. Это свойство систем позволяет осуществлять устойчивое преобразование ИК изображений в видимые в широком динамическом диапазоне изменения входных интенсивностей излучения (значение динамического диапазона составляет два - три порядка величины).

• Разработана модель фотопроводимости примесного полупроводника в длинноволновой области спектра - в условиях "дефицита" энергии фотонов. В основе модели лежит явление фотоионизации состояний хвоста классически уширенной примесной зоны компенсированного полупроводника.

• Исследованы спектральные, температурные, и компенсационные зависимости фотопроводимости кремния, легированного индием, в области "дефицита" энергии фотонов. Результаты количественно согласуются с расчетами в рамках предложенной модели.

• Разработана модель ионизационно - перегревной неустойчивости однородного состояния структур ПП - ГРП. На ее основе выработаны рекомендации относительно оптимальных режимов работы преобразователей с целью обеспечения высокого быстродействия.

• Обнаружен и исследован эффект прерывистого протекания электрического тока в преобразователях ПП - ГРП при малых плотностях тока 10"6 А/см2 и менее). Явление находит объяснение в рамках предложенной нелинейной модели динамических процессов в преобразователях.

• На основе разработки целого класса кремниевых и арсенидгаллиевых фотоприемников, легированных глубокими примесями, созданы преобразователи ИК изображений, в разной степени перекрывающие спектральную область 1 - 11 мкм. Скорость преобразования излучений позволяет обеспечивать эффективный темп съемки в ИК области спектра свыше 106 кадров/с при минимальных плотностях энергии входного излучения порядка 10'5 - 10"6 Дж/см2. При этом фотоприемники устройств не требуют охлаждения ниже температуры жидкого азота. Данные устройства не имеют аналогов.

• Обнаружен и исследован ряд неустойчивостей, которые сопровождаются образованием диссипативных структур в системах ПП - ГРП. Установлено, что пороговая плотность тока появления структур может быть очень низкой, и лежать в диапазоне 1-10 мкА/см2. К оригинальным результатам в этой области относятся:

1) наблюдение сложных поперечных пространственно-временных диссипативных структур в системах ПП - ГРП, которые содержат электроды из полуизолирующего арсенида галлия. Эффект обусловлен отрицательным дифференциальным сопротивлением полупроводника (ОДС) ТУ-типа. обнаружение множественных стационарных нитей тока при потере устойчивости кремниевых электродов, легированных цинком.

11) наблюдение многообразия сценариев самоорганизации за счет пространственно - распределенного нелинейного взаимодействия полупроводника и разрядной области в условиях, когда область разряда проявляет ¿"-образное ОДС. Среди обнаруженных структур -гексагональные и полосовые паттерны, взаимодействующие нити, а также более сложные формы пространственного распределения тока.

• Предложена двухкомпонентная нелинейная система уравнений типа "реакция -диффузия", которая описывает неустойчивость и образование диссипативных структур в системе ПП-ГРП за счет ОДС области разряда в условиях нелинейного взаимодействия полупроводникового и газоразрядного элементов. Модель обнаруживает Тьюринговский механизм дестабилизации однородного состояния, хорошо описывает ряд экспериментально наблюдаемых структур и предсказывает новое явление - фазовый переход между разреженным и конденсированным состояниями ансамбля нитей тока.

Научные положения, выносимые на защиту:

ПОЛОЖЕНИЕ 1. При малых величинах межэлектродного расстояния в газонаполненной области системы полупроводник - газоразрядный промежуток (<4 « 0,1 мм) в широком диапазоне остаточного давления газа и плотности тока существует устойчивый режим пространственно-однородного распределения тока. Устойчивость однородного токового состояния может нарушаться как полупроводниковой компонентой, так и газоразрядной частью за счет возникновения в них положительной обратной связи в процессе переноса заряда.

ПОЛОЖЕНИЕ 2. Применение полупроводниковых элементов, изготовленных на основе арсенида галлия и кремния, легированных рядом глубоких примесей (Сг, Си для ваЛв; Аи, П:, Тп, 1п для обеспечивает устойчивый пространственно-однородный токоподвод к планарной разрядной области в системах полупроводник - газоразрядный промежуток. Этим создается основа для работы двух типов нелинейных систем с распределенными параметрами: преобразователей инфракрасных оптических изображений и электронных самоорганизующихся сред, возникновение диссипативных структур тока в которых обусловлено активной ролью разрядной области.

ПОЛОЖЕНИЕ 3. Использование структур полупроводник - газоразрядный промежуток, устойчиво работающих при температуре, близкой к температуре жидкого азота, обеспечивает решение ряда актуальных проблем высокоскоростного преобразования инфракрасных изображений из спектрального диапазона 1-11 мкм в видимую область. Достижение высокой чувствительности устройств может быть обеспечено оптимальным легированием полупроводника (БЫп), при котором его фотопроводимость в длинноволновой области осуществляется при возбуждении носителей фотонами, энергия которых меньше чем энергия ионизации дискретного уровня индия в кремнии. При оптимальных параметрах и режимах питания динамика рассматриваемых нелинейных систем позволяет осуществлять эффективную скорость съемки в ИК области спектра свыше 10б кадров/с.

ПОЛОЖЕНИЕ 4. В планарных системах полупроводник - газоразрядный промежуток, которые содержат полуизолирующую полупроводниковую компоненту, за счет нелинейных транспортных процессов в полупроводнике в сильном электрическом поле возможна самоорганизация пространственных и пространственно-временных диссипативных структур в распределении тока. Диссипативные структуры могут представлять собой множественные стационарные нити тока, волны плотности тока, распространяющиеся в поперечном направлении и более сложные образования, в частности, цепочечные структуры, составленные из нитей тока. Данные диссипативные структуры могут быть исследованы с применением метода визуализации пространственного распределения тока благодаря свечению газа в тонком 0.1 мм) разрядном промежутке.

ПОЛОЖЕНИЕ 5. Режимы переноса тока в планарных системах полупроводник -газоразрядный промежуток в условиях ОДС разрядного промежутка характеризуются многообразием самоорганизующихся диссипативных структур в распределении тока. Критическая для образования структур плотность тока может быть малой, порядка 10"6 А/см2. Многообразие возникающих структур включает полосовые и гексагональные распределения, спирали, множественные нити и более сложные пространственные формы. Существует определенное подобие некоторых из этих структур со структурами, существующими в ряде других сред (гидродинамических и химических).

ПОЛОЖЕНИЕ 6. Диссипативные структуры, состоящие из нитей тока, могут обнаруживать дальнейшее развитие и сложную динамику. Среди возможных процессов -увеличение числа нитей тока вследствие их деления, а также за счет самодостройки структуры. При взаимодействии движущихся нитей наблюдаются следующие процессы: {) квазиупругие столкновения, когда в акте взаимодействия изменяются траектории частиц; и) образование короткоживущего связанного состояния двух нитей; Ш) генерирация дополнительных нитей при столкновении двух или более частиц.

ПОЛОЖЕНИЕ 7. Двухкомпонентная нелинейная модель типа "реакция-диффузия" описывает природу неустойчивости и образование структур в условиях ОДС Б-типа разрядной области и пространственно-распределенного нелинейного взаимодействия полупроводникового и газоразрядного элементов. Она обнаруживает Тьюринговскую неустойчивость пространственно однородного состояния и позволяет интерпретировать наблюдающиеся на опыте явления: образование периодических структур в распределениях тока; явление самодостройки диссипативной структуры, эффект деления уединенных нитей тока; а также предсказывает существование фазового перехода типа "кристалл - разреженная фаза" в ансамбле нитей тока. Редуцированная версия модели объясняет возникновение колебаний в преобразователе при малых токах.

Практическое и научное значение диссертации.

Выполненные в работе исследования нелинейных систем ПП - ГРП позволили сделать существенный шаг в решении важной научно-технической проблемы - фотографической регистрации быстропротекающих процессов в инфракрасной области спектра, в области длин волн 1-11 мкм. Исследования также продемонстрировали исключительно богатые возможности систем в задачах изучения проблем самоорганизации диссипативных структур в распределенных электронных нелинейных средах. В этой области также получен ряд фундаментальных результатов, которые признаны мировым сообществом.

Идеи автора нашли воплощение в ряде национальных и международных программ по исследованиям и разработкам. Представленный в результате комплекс исследований может рассматриваться как базис нового научно-технического направления "Распределенные электронные среды на основе гибридных систем полупроводник - газоразрядный промежуток". За вклад по данной проблематике автору, в составе группы исследователей, присуждена Государственная Премия СССР по физике в 1986 г. По материалам работы имеются 2 авторских свидетельства.

Содержание диссертации отражено в 56 публикациях, в том числе в ведущих отечественных и зарубежных журналах: Физика и Техника Полупроводников, Журнал Технической Физики, Письма в Журнал Технической Физики, Квантовая Электроника, Physical Review Letters, Physical Review E, Journal of Applied Physics, Physics Letters A, Journal of Physics D: Applied Physics, Infrared Physics & Technology, Journal of Signal AM, Journal of Computational Physics, European Journal of Physics В, а также в материалах конференций, в том числе опубликованными обществами SPIE и IEEE.

Результаты работы докладывались на ряде внутренних конференций и на международных совещаниях и конференциях, в том числе на XIY Международном Конгрессе по Высокоскоростной фотографии и Фотонике в Москве (1980 г.), на II и III Всесоюзных конференциях по бессеребряным и необычным фотографическим процессам (Кишинев 1975 г. и Вильнюс 1980 г., соответственно), на YIII Международном Симпозиуме по детекторам фотонов (Прага, 1978 г.), на III и IY Всесоюзных научно-технических конференциях „Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979 и 1982 г.г.), на II Международном Симпозиуме по модельным исследованиям фотографических процессов и новым фоторегистрирующих системам (Варна, 1980 г.), на Международной конференции по применениям фотонных технологий (Торонто, 1994), на XII Международной конференции по газовым разрядам и их применениям (Грайфсвальд, Германия, 1997 г.), на Y Международной конференции по экспериментальному изучению хаоса (Флорида, США, 1999 г.), на XXY Международном Конгрессе по Высокоскоростной фотографии и фотонике (Бьен, Франция, 2002 г.), и на Международной конференции "Physics and Control 2003" в С. Петербурге (2003 г.). По результатам работы делались сообщения на семинарах ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Института Проблем Машиноведения РАН (С. Петербург), Центра нелинейных исследований

Лос-Аламосской Национальной Лаборатории (1999 г.), университетов Регенсбурга (1992 г.), Осло (1993 г.), Мюнстера (1992 г., 1994 - 2000 г.г.). Результаты работы докладывались также на ряде ежегодных съездов немецкого физического общества, и в лекции на Международной Зимней Школе ФТИ по физике полупроводников (2003 г).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы из 193 наименований. Объем диссертации составляет 270 страниц, в том числе 88 рисунков и 15 страниц цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Астров, Юрий Александрович

Заключение.

В диссертационной работе исследованы физические процессы в полупроводниковых приборах нового типа, важным компонентом которых является тонкий газоразрядный промежуток. В результате выполненных в работе исследований впервые в мире созданы высокоскоростные преобразователи изображений для спектрального диапазона 1-11 мкм. Устройства способны обеспечивать запись изображений при плотностях энергии ~ 10'5 - 10"6 Дж/см2 в кадре и скоростью преобразования в микросекундной и субмикросекундной областях. Решение данной задачи потребовало, в частности, разработки планарных полупроводниковых примесных фотоприемников, обладающих специальными свойствами.

Исследуемые структуры существенно нелинейны. Нелинейности систем определяют такие важные свойства преобразователей как быстродействие, динамический диапазон, пространственную разрешающую способность и область устойчивой работы. Достижение высокой чувствительности и быстродействия преобразователя требуют функционирования структуры в довольно жестких режимах, зачастую в непосредственной близости от условий, при которых устройство обнаруживает неустойчивый режим работы. В то время как появление неустойчивых режимов неприемлемо при использовании системы в качестве преобразователя изображений, изучение таких режимов и возникающих диссипативных структур в пространственных распределениях тока имеет самостоятельное значение - в связи с нарастающим в последнее время интересом исследователей в области явлений самоорганизации неравновесных протяженных электронных сред.

В работе показано, что системы ПП - ГРП являют собой гибкий, можно сказать, уникальный объект, который демонстрирует удивительное разнообразие явлений самоорганизации диссипативных структур в распределении тока. Некоторые из структур подобны тем, которые наблюдаются в системах другой природы - в частности, в гидродинамических средах (жидкостях и газах). Ряд диссипативных структур наблюдался впервые.