Анотація до роботи:

Порошин В.М. "Оптичні властивості електронного газу в напівпровідниках зі складною структурою зон ". – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут фізики Національної Академії наук України, Київ, 2006.

В дисертації наведені результати експериментальних досліджень ефектів зонної структури в процесcах розсіяння, нелінійної рефракції і поглинання світла, пов’язаних із вільними носіями заряду в напівпровідниках з виродженим і багатодолинним спектром.

Для напівпровідників з виродженою валентною зоною вперше виявлений новий, передбачений раніше теоретично, механізм неекранованого одночастинкового розсіяння світла дірками та незвична (некоренева) залежність плазмової частоти дірок від їх концентрації і асиметричність лінії плазмового розсіяння світла, природа яких пояснена вкладом в діелектричну проникність кристалу переходів між підзонами легких і важких дірок. Виявлено ряд нових ефектів в розсіюванні світла при пружній одноосній деформації напівпровідників: комбінаційне розсіяння ІЧ світла, що пов’язане з переходами дірок між розщепленими деформацією екстремумами валентних підзон, збільшення плазмової частоти й зменшення асиметрії плазмової лінії.

Вперше вивчено вплив виродження і багатодолинності енергетичного спектру на процеси поглинання та заломлення світла в умовах сильного розігріву носіїв у полі світлової хвилі. Виявлені нелінійність поглинання світла при прямих міжпідзонних оптичних переходах в напівпровідниках з виродженою валентною зоною, нелінійні оптичні явища в багатодолинних напівпровідниках (анізотропія і нелінійність поглинання інтенсивного ІЧ випромінювання СО₂-лазера, наведені світлом явища подвійного променезаломлення та чотирихвильової взаємодії), які пояснені перерозподілом „гарячих” електронів між еквівалентними долинами. Для довжини хвилі світла =10,6 мкм та температур 300 К і 80 К визначена константа нелінійності третього порядку.

Розраховані для n-Ge залежності константи нелінійності від концентрації вільних електронів, температури кристалу, довжини хвилі ІЧ світла.

Наведені в дисертації результати досліджень дозволяють виділити ряд особливостей оптичних властивостей напівпровідників, зумовлених виродженням і багатодолинністю енергетичного спектру вільних носіїв заряду, серед яких найважливіші наступні:

1. Виродження валентної зони зумовлює існування в кубічних напівпровідниках додаткового механізму неекранованого одночастинкового розсіяння світла вільними дірками, пов'язаного з флуктуаціями густини квадрупольного моменту при їх внутрішньопідзонних переходах.

2. Завдяки внеску в діелектричну проникність напівпровідників з виродженою валентною зоною міжпідзонних переходів (додатково до внутрішньопідзонних переходів, що існують при будь-якій структурі енергетичних зон) залежність плазмової частоти носіїв від їхньої концентрації відрізняється від кореневої залежності і лінія плазмового розсіяння світла має асиметричну форму.

3. Зміни структури валентної зони, зумовлені пружною одноосьовою деформацією (ОД), призводять до появи нового механізму одночастинкового розсіяння світла дірками, пов'язаного з переходами носіїв між екстремумами розщеплених деформацією підзон важких і легких дірок, змін плазмової частоти носіїв і форми лінії плазмового розсіяння світла.

4. Резонансні стани акцепторів, що виникають у деформованих кристалах внаслідок зняття виродження валентної зони і відповідно енергетичних домішкових рівнів, можуть призводити до розширення плазмової лінії завдяки появі додаткового механізму домішкового розсіяння носіїв (резонансного розсіяння).

5. Непрямі оптичні переходи носіїв між підзонами важких і легких дірок з малою зміною їх квазіімпульсу, що відбуваються при розсіянні носіїв на іонізованих домішках, зумовлюють сильне поглинання світла.

6. Для напівпровідників з виродженою валентною зоною розігрів вільних носіїв заряду в полі світлової хвилі призводить до нелінійності поглинання світла внаслідок зміни заселеності початкових станів прямих міжпідзонних оптичних переходів.

7. У багатодолинних напівпровідниках існує оптична анізотропна нелінійність (поглинання та рефракції), пов'язана з “гарячими” електронами. Нелінійність виникає внаслідок перерозподілу носіїв між еквівалентними долинами, основною причиною якого є неоднаковий розігрів електронів світлом у різних долинах. Величина нелінійної рефракції, зумовленої багатодолинністю зонної структури, істотно більша, ніж її величина для усіх відомих раніше механізмів нелінійності нерезонансного типу в напівпровідниках (непараболічність зон, залежність часу релаксації імпульсу електронів від енергії і т.п.).

Публікації автора:

1. Васецкий В.М., Порошин В.Н., Сарбей О.Г., Саркисян Э.С. Нелинейное поглощение ИК излучения в дырочном германии при низких температурах. Физика и техника полупроводников .-1988-, т.22, в.9, стр. 1610-1613.

2. Васецкий В.М., Гайдар А.В., Порошин В.Н., Саркисян Э.С. Фотопроводимость p-Ge при низких температурах, возбуждаемая излучением импульсного СО₂-лазера. Физика и техника полупроводников .-1989-,т.23, в.8, стр. 1508-1509.

3. Саркисян Э.С., Порошин В.Н., Хачатрян А.М., Багдасарян Д.А. Температурная зависимость поглощения лазерного излучения 10.6 мкм в дырочном германии. Ученые записки Ереванского Государственного университета, серия Естественные науки.-1990-№ 3, стр.147-149.

4. Danko D.B., Fedorovich R. D., Gaydar A.V., Poroshin V.N. Electron and phonon emission from discontinious carbon films. Int.J.Electronics.-1992-,v.73, № 5, p.1005-1008

5. Vasetskii V.M., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Asche M. Self-induced birefringence of infrared light in n-Ge // Phys. Rev. Lett. -1993.-v.77,№ 18, p. 3027-3030.

6. Гайдар О.В., Васько Ф.Т., Порошин В.М., Сарбей О.Г., Солдатенко Ю.М.. Розсіяння ІЧ-світла на флуктуаціях густини квадрупольного моменту дірок в германіі. Укр. фіз.журн.-1994-, т.39, № 2, с.165-166.

7. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. Infrared light scattering by free holes in p-Ge. Semicond. Sci.Technol.-1994-, v.9, №10, p.1791-1794.

8. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. IR- scattering by single-particles and collective excitations of holes in uniaxially compressed p-Ge. Lithuanian Journal of Physics.-1992-, v.32, № 5, p. 165-168.

9. Порошин В.М., Сарбей О.Г., Васецький В.М. Нелінійні оптичні явища, пов’ язанннні з “гарячими” електронами в багатодолинних напівпровідниках. Укр. фіз.журн.-1999.-т.44, №1-2, с.60-65.

10. Гайдар О.В., Порошин В.М. Розсіяння ІЧ-світла вільними дірками в направлено деформованому p-Ge. Укр. фіз.журн.-1999-, т.44, № 7, с.879-882.

11. Poroshin V.N., Vasetskii V.M. Infrared phase-conjugate reflection by hot electron-induced optical nonlinearity in n-Ge. Applied Physics B. –2001.- v.72, №3, p.323-325.

12. Vasetskii V.M., Poroshin V.N., Ignatenko V.M. Degenerate four-wave mixing in n-Ge due to intervalley redistribution of hot electrons. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2001. V. 4, N 4. P. 260-263.

13. Гайдар О.В., Порошин В.М. Розсіяння ІЧ-світла плазмонами у p-Ge.Укр. фіз.журн.-2002-, т.47, № 9, с.862-866.

14. Абрамов А.А., Порошин В.М., Тулупенко В.М. Резонансне домішкове розсіяння у p-Ge під одноосьовим стиском. Укр. фіз.журн.-2002-, т.47, № 10, с.964-966.

15. Порошин В.М., Гайдар О.В. Комбінаційне розсіяння ІЧ-світла вільними дірками в кристалах германію, що перебувають під одноосьовим стиском. Укр. фіз.журн.-2003-, т.48, № 5 , с.411 – 416.

16. Poroshin V.N., Gaydar A.V. Band structure effects in light scattering by plasmons in p-type germanium. Ukr.J.Phys.2004-,v.49, № 1,p.94 –99.

17. Poroshin V.N., Gaydar A.V., Abramov A.A., Tulupenko V.N. Stress-induced effects in light scattering by plasmons in p-type germanium. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2003. v. 6, № 4. p. 425-430.

18. Сарбей О.Г., Порошин В.М. Плазмоны в напівпровідниках з виродженими зонами. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченко. Радіофізика та електроніка. 2004,-випуск 6, с. 26-30.

19. Poroshin V.N., Sarbey O.G. The role of optical phonons in electrons heating by IR radiation in Ge. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2005. v.8, № 2. p. 1-3.

20. Vasetskii V.M., Ignatenko V.A., Poroshin V.N. Anisotropy and non-linearity of absorption of an intensive IR light by free electrons in germanium. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2005. v.8, № 3, p.12-15.

21. Abramov A.A., Akimov V.A., Bondar V.M., Poroshin V.N., Tulupenko V.N. Influence of uniaxial stress on the polarization of spontaneous emission from p-Ge. Materials Science Forum –2001-v. 384-385, p.221-226.

22. Abramov A.A., Akimov V.A., Tulupenko V.N., Firsov D.A., Gavrilenko V.I., Poroshin V.N. Screened Coulomb potential approach for the study of resonant impurity states in uniaxially deformed p-Ge". Proceedings of SPIE, Vilnius, 2001, V.4415, p. 220-225.

23. Васецкий В.М., Гайдар А.В., Порошин В.Н., Саркисян Э.С. Нелинейное поглощение ИК излучения в дырочном германии, обусловленное разогревом носителей заряда светом. – в сб. ”Оптическая спектроскопия”, Киев, Наукова думка, 1993, ч.2, с. 167-170.

24. Svizhenko A., Vasetskii V., Poroshin V., Sarbey O., Gumenjuk-Sychevskaya Zh., Sizov F. Anisotropy of optical characteristics of low-dimensional and bulk many-valley semiconductors. – 1996.- High Technology (Devices Based on low-dimensional semiconductor structures), v.14, № 3, p.179-181.

25. Гайдар А.В., Порошин В.Н., Сарбей О.Г. Комбинационное рассеяние ИК-света на флуктуациях плотности квадрупольного момента дырок в германии// Труды международной конференции “Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах”, (Самарканд, Узбекистан, 28-30 мая, 1992), ч.1, С.123.

26. Sarbey O.G., Poroshin V.N., Vasetskii V.M., Asche M. Self-induced birefringence of infrared light in-Ge. // Proc. 22nd International Conference on the Physics of semiconductors: Vancouver,1994, ed. David J. Lockwod, World Scientific, Singapore,1995.

27. Asche M., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasetskii V.M.. Nonlinear optical effects due to free carriers heating in semiconductors at 10.6 m . Program and Abstracts of the X International conference on nonequilibrium carrier dynamics in semiconductors. HCIS-10 (Berlin, Germany, 28 July,1997), TuB1.

28. Poroshin V.N., Gaydar A.V. Infrared light scattering by free holes in uniaxially compressed p-type Ge. Proceeding of the XIV International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, June 7-12,1999 (Odessa, Ukraine), р. 117.

29. Vasetskii V.M., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Asche M., Self-induced birefringence of infrared light in n-Ge. Proceedings of the International conference “CLEO/Europe-EQEC 94” (Amsterdam, The Netherlands), 28 August,1994, р. 153-154.

30. Poroshin V.N., Gaydar A.V. Band structure effects in light scattering by plasmons in p-type germanium. Proceeding of the XVI International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, 25.05-1.06 .2003 (Sevastopol, Ukraine), р. 179.

31. Васецкий В.М., Порошин В.Н., Сарбей О.Г. Самоиндуцированное двойное лучепреломление ИК света в многодолинных полупроводниках. Тези доповідей XI Української школи-семінару “Спектроскопія молекул та кристалів” (Харків,10-16 травня 1993 р.) с.21.

32. Gaydar A.V., Poroshin V.N., Sarbey O.G., Vasko F.T. IR- scattering by single-particles and collective excitations of holes in uniaxially compressed p-Ge. Abstracts of 8the Vilnius symposium on Ultrafast phenomena in semiconductors (11UFPS), Vilnius, Lithhuania, 22 –24 September, 1992, р.45.

33. Poroshin V.N., Gaydar A.V. Effects of valance band structure in light scattering by collective excitations of free hole in germanium. Тези доповідей Міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Дрогобич, Україна, 24-27 червня 2003 року), с.175.

34. Порошин В.Н., Гайдар А.В., Абрамов А.А. Плазмоны и рассеяние света в полупроводниках с вырожденной валентной зоной. Тези доповідей II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (Чернівці-Вижниця, Україна, 2004), т.1, с. 207.

35. Ігнатенко В.А., Васецький В.М., Порошин В.М. Анізотропія та нелінійність поглинання інтенсивного ІЧ-світла вільними електронами в германії. Тези доповідей Всеукраїнський з’їзд “Фізика в Україні” (Одеса, Україна, 2005), c. 153.