ИСТИНА

Знание о динамике носителей заряда в полупроводнике позволяет существенно повысить эффективность электронных приборов. При этом исследование динамики фотовозбужденного заряда в полупроводниках важно как для понимания фундаментальных свойств полупроводника (времен жизни свободных зарядов, механизмов рекомбинации, междолиных переходов и т.д.), так и для создания новых оптических и электронных устройств для электроники и оптоэлектроники. Разработка методов анализа динамики изменения заряда с фемтосекундным временем разрешения представляет собой актуальную и нерешенную в настоящее время проблему. Другая проблема современных исследований в сверхбыстрых процессов в оптоэлектронике является разработка как источников и детекторов терагерцового излучения. Заметим, что терагерцовое излучение имеет обширное применение в других актуальных задачах, включая задачи обнаружение и идентификации веществ. Применение фемтосекундных импульсов позволяет получить требуемую информацию о сверхбыстрых неравновесных процессах в различных материалах, в частности в полупроводниках в сочетании с Optical-pump THz probe (OPTP)спектроскопией - новой сверхбыстрой техники, которая позволяет бесконтактно проанализировать качественно и количественно проводимость полупроводника с субпикосекундном временем разрешения. Никаких других методов, позволяющих получить информацию с таким временем разрешения не существуют. Именно эти проблемы исследуются в настоящем проекте как экспериментально, так и на основе теоретического анализа, базирующемся на компьютерном моделировании. Компьютерное моделирование будет базироваться на консервативных разностных схемах, построенных для разрабатываемых математических моделей для динамики фотовозбужденных носителей заряда и генерации терагерцового излучения с учетом нелинейной зависимости подвижности свободных носителей заряда от внешнего электрического поля, междолиных переходов электронов. Как было показано ранее нами для ряда задач воздействия фемтосекундного импульса с полупроводником, они обладают преимуществами перед широко используемыми методами расщепления и позволяют проводить расчеты режимов, которые недоступны для методов расщепления. Для получения информации о временах жизни свободных носителей заряда и междолиных переходов будет развит оригинальный метод динамического анализа спектрального отклика среды применительно к задачам терагерцового воздействия на полупроводник. Результатом проекта станут фундаментальные знания о сверхбыстрых процессов в фемтосекундной временной шкалой разрешения, которые позволят повысить быстродействие электронных и электронно-оптических устройств.

За отчетный период построена консервативная нелинейная разностная схема и создана программа расчета динамики заряда полупроводника при воздействии на него терагерцового лазерного излучения в двумерной постановке с учетом нелинейного поглощения и нелинейной подвижности. Для ее реализации предложен оригинальный двухстадийный итерационный процесс. Для вычисления пространственных производных первого порядка использовалось быстрое преобразование Фурье. Как известно, оно широко применяется в литературе для обращения оператора Лапласа. Для вычисления первых производных в уравнениях, описывающих электронно-дырочную плазму, оно в литературе не использовалось. При этом обычно соответствующие производные аппроксимировались разностными соотношениями. В рассматриваемых нами задачах разностная аппроксимация первых производных без использования быстрого преобразования Фурье приводила к потери симметрии решения, которой оно обладает. На ее основе проведены тестовые расчеты по моделированию бистабильного отклика полупроводника под действием лазерного излучения, а также выполнены расчеты по динамике электрон-дырочной плазмы в случае внешнего воздействия на полупроводник электрическим полем. Проведенные расчеты продемонстрировали высокую эффективность построенной схемы. Для анализа временной эволюции фотовозбужденного тока при зондировании полупроводника тера-герцовым излучением разработан метод динамического спектрального анализа. Данный метод основан на оконном преобразовании Фурье в сочетании с методом SVD для восстановления регистрируемого сигнала с нужной точностью. Он реализован в виде программ, которые применялись для обработки экспериментальных данных по воздействию малопериодного терагерцового лазерного излучения на различные твердые вещества и их смеси, когда их спектры подобны друг другу. Именно данная ситуации реализуется при анализе спектров отклика полупроводника на терагерцовое воздействие при изменении концентрации либо доноров либо акцепторов в нем. Проведенные исследования показали его высокую эффективность и способность определять различные вещества даже в смеси с веществами, имеющими подобные спектры в терагерцовом и гигагерцовом частотном диапазонах. Физические эксперименты проводились в зарубежных лабораториях. Результаты, полученные при выполнении проекта, докладывались на 4 ведущих международных конференциях, проходивших за рубежом.