Самоорганизация в природе

      История изучения структур в системе носителей  заряда полупроводников начинается, по-видимому, с открытия, сделанного Ганном [21]. При исследовании транспортных процессов в электронном GaAs он обнаружил формирование доменов сильного электрического поля, распространяющихся вдоль тока. Типичная скорость таких доменов порядка 10⁷см/c. Эффект обусловлен возникновением ОДС N-типа, где ток однородного состояния падает с ростом приложенного напряжения. Физическая природа явления состоит в том, что электрическое поле приводит к разогреву электронного газа, а подвижность электронов с увеличенной энергией уменьшается благодаря их переходу в долину зоны проводимости с большей эффективной массой. Впоследствии были обнаружены другие механизмы формирования ОДС N-типа в полупроводниках. Один из них — уменьшение концентрации свободных носителей заряда с ростом приложенного потенциала. Это явление, наблюдается, в частности, в образцах полуизолирующего GaAs. Считается, что эффект обусловлен ростом сечения захвата носителей глубокими центрами при увеличении энергии носителей (см. недавний обзор [22]). С определяющим влиянием глубоких уровней связывают и относительно низкие скорости доменов в таких образцах (1–100 см/c). В данной лекции представлены некоторые первые результаты изучения такой неустойчивости с использованием системы "полупроводник-разрядный промежуток". Применялся Таунсендовский режим разряда. Обнаружено, что в области падающей ВАХ полупроводникового электрода в системе появляюся волны плотности тока, распространяющиеся в поперечном направлении [23]. Волны могут также проявляться в виде вращающихся структур, сходных со спиралями [24]. На последовательности снимков рис.4 показан пример наблюдающейся структуры [23]. Заметим, что пространственно-временная динамика тока, представленная здесь, имеет некоторое сходство со структурами типа «ведущий центр», которые интенсивно изучались в химических реакторах с колебательными режимами течения реакций [25].

      Рис.4. 

      Полученные  результаты позволяют предположить, что, в случае протяженных в поперечном направлении образцов полуизолирующего GaAs, состояние с плоским фронтом электрического домена может стать неустойчивым относительно возникновения поперечных структур. Такая неустойчивость порождает сложную картину переноса заряда в образцах большого поперечного сечения.

       Литература 

1. П. Гленсдорф, И. Пригожин. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций (Москва, Мир) (1973).
2. Б.С. Кернер, В.В. Осипов. Микроэлектроника 14 389 (1985).
3. B.S. Кerner and V.V. Osipov, Autosolitons: A New Approach to Problems of Self-Organization and Turbulence (Kluwer, Dordrecht) (1994).
4. А.В. Горбатюк (лекция на этой школе).
5. Ю.А. Астров. ФТП 27 1971 (1993).
6. A. Adamatzky. Computing in Nonlinear Media and Automata (Bristol: IoP Publishing) (2001).
7. Ш.С. Касымов, Л.Г. Парицкий, С.М. Рывкин. Деп. ВИНИТИ N2693 (1974).
8. Ю.А. Астров, В.В. Егоров, Ш.С. Касымов, В.М. Муругов, Л.Г. Парицкий, С.М. Рывкин, Ю.Н. Шереметьев. Квантовая электроника 4 1681 (1977).
9. L.M. Portsel, Yu.A. Astrov, I. Reimann, E. Ammelt, and H.-G. Purwins. J. Appl. Phys. 85 3960 (1999).
10. Ю.П. Райзер. Основы современной физики газоразрядных процессов (Москва, Наука) (1980).
11. V.M. Marchenko, S. Matern, Yu.A. Astrov, L.M. Portsel, and H.-G. Purwins. Proc. SPIE 4669 1 (2002).
12. Б.Н. Клярфельд, Л.Г. Гусева, А.С. Покровская–Соболева. ЖТФ 36 705 (1966).
13. Ю.А. Астров. Динамические свойства горения разряда в системе с резистивным электродом Препринт ФТИ N⁰ 1255 (1988).
14. C. Radehaus, T. Dirksmeyer, H. Willebrand, H.-G. Purwins. Phys. Lett. A 125 92 (1987).
15. M.C. Cross and P.C. Hohenberg. Rev. Mod. Phys. 65 851 (1993).
16. Yu. Astrov, E. Ammelt, S. Teperick, and H.-G. Purwins, Phys. Lett. A 211, 184, 1996; E. Ammelt, Yu.A. Astrov, and H.-G. Purwins. Phys. Rev. E 55 6731 (1997).
17. Yu.A. Astrov and Yu.A. Logvin. Phys. Rev. Lett. 79 2893 (1997).
18. Yu.A. Astrov and H.-G. Purwins. Phys. Lett. A 283 349 (2001).
19. M. Bode and H.-G. Purwins. Physica (Amsterdam) 86D 53 (1995).
20. C.P. Schenk, P. Schutz, M. Bode, and H.-G. Purwins. Phys. Rev. E 57 6480 (1998).
21. J.B. Gunn. Solid State Commun. 1 88 (1963).
22. A. Neumann. J. Appl. Phys. 90 1 (2001).
23. Ю.А. Астров, Х.-Г. Пурвинс. Письма в ЖТФ 28 62 (2002).
24. E.L. Gurevich, A.S. Moskalenko, A.L. Zanin, Yu.A. Astrov, H.-G. Purwins. Phys. Lett. A 307 299 (2003).
25. Oscillations and Traveling Waves in Chemical Systems ed by R.J. Field and M. Burger (New York, Wiley) (1985).