Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Михайлов А. И., Митин А. В. Неустойчивости пространственного заряда и тока в структурах на основе полуизолирующего арсенида галлия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2026. Т. 26, вып. 2. С. 185-209. DOI: 10.18500/1817-3020-2026-26-2-185-209, EDN: THDIXH

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2026
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 7)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.382.2/.3:004.942
DOI: 
10.18500/1817-3020-2026-26-2-185-209
EDN: 
THDIXH

Неустойчивости пространственного заряда и тока в структурах на основе полуизолирующего арсенида галлия

Авторы: 
Михайлов Александр Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Митин Антон Васильевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

В работе представлены результаты исследования особенностей колебательных и волновых процессов, протекающих в полупроводниковой структуре на основе полуизолирующего арсенида галлия в условиях локализованного оптического воздействия и с учетом зависимости времени жизни носителей заряда от их избыточной концентрации. Анализируются два вида неустойчивости тока – ганновская и рекомбинационная. Исследования проведены путем численного решения системы уравнений разработанного варианта локально-полевой математической модели, позволяющей адекватно описывать протекающие в изучаемой полупроводниковой структуре электронные процессы. Выявлены, установлены и проанализированы новые данные, касающиеся изучаемых явлений и их функциональных возможностей для практического применения. Делается вывод о перспективности исследованных физических явлений в изучаемых полупроводниковых структурах на основе полуизолирующего арсенида галлия для создания приборов и устройств функциональной микроэлектроники.

Ключевые слова: 
дрейфовая нелинейность
концентрационная нелинейность
локально-полевая модель
высокоомный арсенид галлия
Список источников: 
  1. Бонч-Бруевич В. Л., Звягин И. П., Миронов А. Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М. : Наука, 1972. 416 с.
  2. Коцаренко Н. Я., Федорченко А. М. Критерий абсолютной и конвективной неустойчивости для параметрически связанных волн // ЖТФ. 1969. Т. 39, вып. 5. С. 951–953.
  3. Ахиезер А. И., Половин Р. В. Критерии нарастания волн // УФН. 1971. Т. 104, № 2. С. 185–200. https://doi.org/10.3367/UFNr.0104.197106a.0185
  4. Скотт Э. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике. М. : Советское радио, 1977. 368 с.
  5. Пожела Ю. К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М. : Наука, 1977. 368 с.
  6. Владимиров В. В., Волков А. Ф., Мейлихов Е. З. Плазма полупроводников. М. : Атомиздат, 1979. 256 с.
  7. Федорченко А. М., Коцаренко Н. Я. Абсолютная и конвективная неустойчивость в плазме и твердых телах. М. : Наука, 1981. 176 с.
  8. Щука А. А. Электроника : учебное пособие / под ред. проф. А. С. Сигова. СПб. : БХВ-Петербург, 2006. 800 с.
  9. Щука А. А., Сигов А. С. Электроника : в 4 ч. Ч. 4. Функциональная электроника : учебник. М. : Юрайт, 2025. 184 с.
  10. Смирнов Ю. А., Соколов С. В., Титов Е. В. Основы нано- и функциональной электроники : учебное пособие. СПб. : Лань, 2022. 320 с.
  11. Балодис Ю. Н., Лутовинов С. И. Устройства функциональной электроники : в 2 ч. Ч. 1. Акустоэлектронные устройства. Л. : Издательство ЛИЭС, 1988. 63 с.
  12. Гуляев Ю. В., Балышева О. Л., Григорьевский В. И., Дмитриев В. Ф., Мансфельд Г. Д. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / под ред. Ю. В. Гуляева. М. : Радиотехника, 2012. 571 с.
  13. Chumak A. V., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Physics. 2015. Vol. 11, № 6. P. 453–461. https://doi.org/10.1038/nphys3347
  14. Krawczyk M., Grundler D. Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure // J. Phys.: Condens. Matter. 2014. Vol. 26, № 12. Art. 123202. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/12/123202
  15. Никитов С. А., Сафин А. Р., Калябин Д. В., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Логунов М. В., Морозова М. А., Одинцов С. А., Осокин С. А., Шараевская А. Ю., Шараевский Ю. П., Кирилюк А. И. Диэлектрическая магноника – от гигагерцев к терагерцам // УФН. 2020. Т. 190, № 10. С. 1009–1040. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038609
  16. Дин Р., Матарезе Р. Новый тип СВЧ-транзистора – усилитель бегущей волны на n-GaAs // ТИИЭР. 1972. Т. 60, № 12. С. 23–43.
  17. Kumabe K., Kanbe H. GaAs travelling-wave amplifier // Int. J. Electronics. 1985. Vol. 58, № 4. P. 587–611. https://doi.org/10.1080/00207218508939056
  18. Михайлов А. И., Сергеев С. А., Горячев А. А. Интегральный преобразователь частоты миллиметрового диапазона на волнах пространственного заряда в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2000. Т. 43, № 2. С. 16–24.
  19. Garcia-Barrientos A., Palankovski V. Numerical simulation of amplification of space charge waves in n-InP films // Materials Science and Engineering: B. 2011. Vol. 176, iss. 17. P. 1368–1372. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.02.014
  20. Garcia-Barrientos A., Palankovski V. Numerical simulation of space charge waves in n-InP films and microwave frequency conversion under negative differential conductivity // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, iss. 7. Art. 072110. https://doi.org/10.1063/1.3555467
  21. Garcia-Barrientos A., Nikolova N., Filipovic L., Gutierrez-D E. A., Serrano V., Macias-Velasquez S., Zarate-Galvez S. Numerical simulations of space charge waves amplification using negative differential conductance in strained Si/SiGe at 4.2 K // Crystals. 2023. Vol. 13, № 9. Art. 1398. https://doi.org/10.3390/cryst13091398
  22. Абрамов А. С., Золотовский И. О., Кадочкин А. С., Моисеев С. Г., Паняев И. С., Санников Д. Г., Явтушенко М. С., Светухин В. В., Фотиади А. А. Генерация частотно-модулированных оптических импульсов ИК диапазона в полупроводниковой волноводной структуре с реализуемой волной пространственного заряда // Квантовая электроника. 2022. Т. 52, № 11. С. 1044–1049. https://doi.org/10.3103/S1068335623150022
  23. Елисов М. В. Самоорганизационная динамика концентрации носителей зарядов в полупроводниках при их инжекции // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2023. Т. 31, № 5. С. 622–627. https://doi.org/10.18500/0869-6632-003064
  24. Зикриллаев Н. Ф., Шоабдурахимова М. М., Курбанова У. Х., Наркулов Н., Шакаров Ф. К. Влияние магнитного поля, электрического поля и интенсивности освещения на параметры рекомбинационных волн в кремнии // Электронная обработка материалов. 2024. Т. 60, № 1. С. 106–113. https://doi.org/10.52577/eom.2024.60.1.106
  25. Чередов А. И., Щелканов А. В. Преобразователь напряжение – частота на основе электрического домена // Омский научный вестник. 2017. № 1 (151). С. 90–92.
  26. García-Sánchez S., Daher M. Abou„ Lesecq M., Huo L., Lingaparthi R., Nethaji D., Radhakrishnan K., Íniguezde-la-Torre I., Vasallo B. G., Pérez S., González T., Mateos J. On the practical limitations for the generation of Gunn oscillations in highly doped GaN diodes // IEEE Trans. Electron Devices. 2023. Vol. ED-70, iss. 7. P. 3447–3453. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3271610
  27. García-Sánchez S., Íñiguez-de-la-Torre I., Pérez S., González T., Mateos J. Monte Carlo study of Gunn oscillations in geometrically shaped planar Gunn diodes based on doped GaN: Influence of geometry, intervalley energy, and temperature // IEEE Trans. Electron Devices. 2024. Vol. ED-71,iss. 10. P. 5901–5907. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3438114
  28. Lee W. Z., Ong D. S., Choo K. Y., Yilmazoglu O., Hartnagel H. L. Monte Carlo evaluation of GaN THz Gunn diodes // Semiconductor Science and Technology. 2021. Vol. 36, № 12. Art. 125009. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ac2b4d
  29. Semyonov E. V., Malakhovskij O. Y. Short-pulse properties of the Gunn diode // IEEE Trans. Electron Devices. 2020. Vol. ED-67, iss. 5. P. 2100–2105. https://doi.org/10.1109/TED.2020.2982295
  30. Кэррол Дж. СВЧ-генераторы на горячих электронах. М. : Мир, 1972. 382 с.
  31. Левинштейн М. Е., Пожела Ю. К., Шур М. С. Эффект Ганна. М. : Советское радио, 1975. 288 с.
  32. Левинштейн М. Е. Новые результаты в исследовании междолинного перехода горячих электронов (Обзор) // ФТП. 1979. Т. 13, вып. 7. С. 1249–1268.
  33. Шур М. С. Современные приборы на основе арсенида галлия. М. : Мир, 1991. 632 с.
  34. Барыбин А. А. Волны в тонкопленочных полупроводниковых структурах с горячими электронами. М. : Наука, 1986. 288 с.
  35. Иванченко В. А., Климов Б. Н., Михайлов А. И. Параметрическое взаимодействие высокочастотных волн в n-GaAs // ФТП. 1979. Т. 13, вып. 6. С. 1172–1174. EDN: XWJIGH
  36. Игнатьев Ю. М., Михайлов А. И. Параметрическое усиление волн пространственного заряда в полупроводнике с отрицательной дифференциальной проводимостью // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1990. Т. 33, № 10. С. 76–78. EDN: YNBQHC
  37. Барыбин А. А., Михайлов А. И. Параметрическое взаимодействие волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах // ЖТФ. 2000. Т. 70, вып. 2. С. 48–52. EDN: RYOQNP
  38. Барыбин А. А., Михайлов А. И. Анализ параметрического взаимодействия волн пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах асимметричного типа на основе арсенида галлия // ЖТФ. 2003. Т. 73, вып. 6. С. 103–109. EDN: RYOQNP
  39. Михайлов А. И., Митин А. В., Терентьева А. И. Особенности проявления ганновской и рекомбинационной неустойчивостей тока в высокоомных полупроводниках в условиях оптического воздействия // Полупроводниковая электроника и молекулярные нанотехнологии : сборник статей / под общей редакцией проф. А. И. Михайлова. Саратов : ИЦ «Наука», 2013. С. 130–153. EDN: ZMIAMH
  40. Михайлов А. И., Митин А. В., Кожевников И. О. Неустойчивости тока в полуизолирующем арсениде галлия: математическое моделирование, эксперимент, функциональные возможности // Физика полупроводников и твердотельная электроника : сборник статей / под общей редакцией проф. А. И. Михайлова. Саратов : Амирит, 2022. С. 42–76. EDN: HTXMQH
  41. Михайлов А. И., Сергеев С. А. Волны пространственного заряда в тонкопленочных полупроводниковых структурах с отрицательной дифференциальной проводимостью // Полупроводниковая электроника и молекулярные нанотехнологии : сборник статей / под общ. ред. проф. А. И. Михайлова. Саратов : ИЦ «Наука», 2013. С. 59–104. EDN: ZMHZXR
  42. Neumann A. Slow domains in semi-insulating GaAs // J. Appl. Phys. 2001. Vol. 90, iss. 1. P. 1–26. https://doi.org/10.1063/1.1377023
  43. Царапкин Д. П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М. : Радио и связь, 1982. 112 с.
  44. Давыдова Н. С., Данюшевский Ю. З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М. : Радио и связь, 1986. 184 с.
  45. Segev M., Collings B., Abraham D. Photorefractive Gunn effect // Physical Review Letters. 1996. Vol. 76, № 20. P. 3798–3801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.3798
  46. Bonilla L. L., Kindelan M., Hernando P. J. Photorefractive Gunn effect // Physical Review B. 1998. Vol. 58, № 11. Art. 7046. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7046
  47. Qi Y., Yu Z. G., Flatté M. E. Spin Gunn effect // Physical Review Letters. 2006. Vol. 96. Art. 026602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.026602
  48. Hsu H. W. Time-dependent Nuclear Spin Polarization, Effects of Device Non-uniformity on the Gunn Effect, and Electron Spin Dynamics at High Electric Fields in GaAs: A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (Applied Physics) in The University of Michigan. 2022. https://doi.org/10.7302/6107
  49. Прохоров Э. Д., Белецкий Н. И. Полупроводниковые материалы для приборов с междолинным переходом электронов. Харьков : Издательство Харьковского университета, 1982. 135 с.
  50. Бородовский П. А., Осадчий В. М. Междолинный перенос электронов в полупроводниках A3B5 . Новосибирск : Издательство СО АН СССР, 1987. 171 с.
  51. Пореш С. Б., Тагер А. С., Кальфа А. А. Математическое моделирование и анализ на ЭВМ высокочастотных характеристик диодов Ганна // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1976. Вып. 10. С. 19–31.
  52. Коуплэнд Дж. А. Генератор с большим КПД, работающий в режиме ОНОЗ // ТИИЭР. 1969. Т. 57, № 10. С. 91–93.
  53. Голант Е. И., Кальфа А. А., Пореш С. Б., Тагер А. С. Моделирование на ЭВМ диодов Ганна миллиметрового диапазона длин волн // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1981. Вып. 7. С. 23–28.
  54. Кальфа А. А., Пореш С. Б., Тагер А. С. Эффект Ганна на высоких частотах // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. М. : ЦНИИ «Электроника», 1984. Вып. 4. 34 с.
  55. Михайлов А. И., Митин А. В. Анализ нелинейной динамики тока в длинных высокоомных образцах n-GaAs в условиях локальной засветки. Ч. 1. Формулировка модели // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2007. Т. 10, № 2. С. 49–56. EDN: LBDLCB
  56. McCumber D. E., Chynoweth A. G. Theory of negative-conductance amplification and of Gunn instabilities in “two-valley” semiconductors // IEEE Trans. Electron Devices. 1966. Vol. ED-13, iss. 1. P. 4–21. https://doi.org/10.1109/T-ED.1966.15629
  57. Чайка В. Е. О сравнении двухтемпературной и однотемпературной моделей диода Ганна // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1979. Вып. 1. С. 99–100.
  58. Михайлов А. И. Усовершенствованный вариант однотемпературной модели эффекта Ганна в арсениде галлия // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1999. Т. 42, № 10. С. 46–50. EDN: YNBQWI
  59. Blotekaer K. Transport equations for electrons in two-valley semiconductors // IEEE Trans. Electron Devices. 1970. Vol. ED-17, iss. 1. P. 38–47. https://doi.org/10.1109/T-ED.1970.16921
  60. Михайлов А. И., Разумихин К. А. Исследование динамики электронов в полупроводниковых структурах диодов Ганна на основе двухтемпературной модели // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2006. Т. 9, № 2. С. 74–78. EDN: MTHHVX
  61. Hsu H. W., Sih V. Illumination-induced modulation of conductivity and Gunn oscillation properties in epitaxial GaAs // J. Appl. Phys. 2021. Vol. 129, iss. 9. Art. 095701. https://doi.org/10.1063/5.0041508
  62. Hsu H. W., Dominguez M. J., Sih V. Gunn threshold voltage characterization in GaAs devices with wedge-shaped tapering // J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128, iss. 7. Art. 074502. https://doi.org/10.1063/5.0016101
  63. Бобрешов А. М., Нестеренко Ю. Н., Разуваев Ю. Ю. Распределение поля и зарядов в переходе между n-GaAs и полуизолирующей подложкой, легированной хромом // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2013. Т. 16, № 3. С. 50–55. EDN: RRSMEL
  64. Martin G. M., Farges J. P., Jacob G., Hallais J. P., Poiblaud G. Compensation mechanisms in GaAs // J. Appl. Phys. 1980. Vol. 51, iss. 5. P. 2840–2852. https://doi.org/10.1063/1.327952 0.1063/1.327952
  65. Полуизолирующие соединения AIII BV / под ред. Дж. У. Риса. М. : Металлургия, 1984. 257 с.
  66. Михайлов А. И., Митин А. В. Анализ нелинейной динамики тока в длинных высокоомных образцах n-GaAs в условиях локальной засветки. Ч. 2. Результаты моделирования // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13, № 1. С. 73–81. EDN: KXHWMF
  67. Аут И., Генцов Д., Герман К. Фотоэлектрические явления. М. : Мир, 1980. 208 с.
  68. Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М. : Физматгиз, 1963. 494 с.
  69. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. М. : Мир, 1966. 192 с.
  70. Роках А. Г. Фoтoэлектрические явления в пoлупрoвoдниках и диэлектриках : учебное пособие. Саратов : Издательство Саратовского университета, 1984. 158 с.
  71. Фистуль В. И. Введение в физику полупроводников : учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высшая школа, 1984. 352 с.
  72. Зи С. Физика полупроводниковых приборов : в 2 кн. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Мир, 1984. Кн. 1. 456 с.
  73. Thim H. W. Computer study of bulk GaAs devices with random one-dimensional doping fluctuations // J. Appl. Phys. 1968. Vol. 39, iss. 8. P. 3897–3904. https://doi.org/10.1063/1.1656872
  74. Dalal V. L., Dreeben A. B., Triano A. Temperature dependence of hole velocity in p-GaAs // J. Appl. Phys. 1971. Vol. 42, iss. 7. P. 2864–2867. https://doi.org/10.1063/1.1660641
  75. Blakemore J. S. Semiconducting and other major properties of gallium arsenide // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53, iss. 10. P. R123–R181. https://doi.org/10.1063/1.331665
  76. Levinshtein M. E., Rumyantsev S. L. Shur M. S. Handbook Series on Semiconductor Parameters : in 5 vols. Singapore : World Scientific, 1996. Vol. 1. 237 p.
  77. Dargys A., Kundrotas J. Handbook on physical properties of Ge, Si, GaAs and InP. Vilnius : Science and Encyclopedia Publishers, 1994. 264 p.
  78. Пореш С. Б., Тагер А. С. Теоретическое исследование генераторов на диодах с междолинным электронным переносом // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23, № 4. С. 834–840.
  79. Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М. : Мир, 1977. 562 с.
  80. Das B., Aguilera I., Rau U., Kirchartz T. What is a deep defect? Combining Shockley-Read-Hall statistics with multiphonon recombination theory // Phys. Rev. Materials. 2020. Vol. 4, № 2. Art. 024602. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.024602
  81. Kolesnikova I. A., Kobtsev D. A., Redkin R. A., Voevodin V. I., Tyazhev A. V., Tolbanov O. P., Sarkisov Y. S., Sarkisov S. Y., Atuchin V. V. Optical pump–terahertz probe study of HR GaAs : Cr and SI GaAs : El2 structures with long charge carrier lifetimes // Photonics. 2021. Vol. 8, № 12. Art. 575 https://doi.org/10.3390/photonics8120575
  82. Хлудков С. С., Толбанов О. П., Вилисова М. Д., Прудаев И. А. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия с глубокими примесными центрами. Томск : Издательский Дом Томского государственного университета, 2016. 256 c.
  83. Ringel S. A., Rohatgi A. The effects of trap-induced lifetime variations on the design and performance of high-efficiency GaAs solar cells // IEEE Trans. Electron Devices. 2002. Vol. ED-38, iss. 11. P. 2402–2409. https://doi.org/10.1109/16.97400
  84. Михайлов А. И., Митин А. В. Влияние времени жизни носителей заряда на особенности динамики поля и тока в структурах на основе арсенида галлия в условиях локализованной засветки // III НАУЧНЫЙ ФОРУМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ: ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ТТТ-2019. Физика и технические приложения волновых процессов ФиТПВП-2019 : материалы XVII Международной научно-технической конференции (Казань, Россия, 18–22 ноября 2019 г.). Казань : Издательство Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева, 2019. С. 22, 23. EDN: EUPDDC
  85. Михайлов А. И., Митин А. В. Экспериментальное исследование спектра колебаний тока в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах арсенида галлия в условиях засветки // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2011. Т. 14, № 4. С. 87–91. EDN: ONZHCX
  86. Михайлов А. И., Митин А. В., Кожевников И. О. Функциональный однокристальный преобразователь свет-частота на основе высокоомного n-GaAs // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2014. Т. 17, № 4. С. 64–69. EDN: TJHXWT
  87. Михайлов А. И., Митин А. В., Кожевников И. О. Особенности возникновения устойчивых колебаний тока большой амплитуды в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах на основе арсенида галлия // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2015. Т. 58, № 4. С. 59–64. EDN: UCHEYH
  88. Михайлов А. И., Кожевников И. О., Митин А. В. Исследование возможности реализации среднечастотного широкополосного генератора качающейся частоты на структуре полуизолирующего арсенида галлия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2024. Т. 24, вып. 4. С. 412–417. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-4-412-417
  89. Кожевников И. О., Михайлов А. И., Браташов Д. Н. Исследование влияния топологии контактных площадок на воспроизводимость параметров колебаний тока в мезапланарных структурах на основе полуизолирующего арсенида галлия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2015. Т. 15, вып. 1. С. 51–56. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2015-15-1-51-56
Поступила в редакцию: 
05.12.2025
Принята к публикации: 
15.04.2026
Опубликована: 
30.06.2026
  • 15 просмотров