等离子体是电离的气体。这是自然界中最广泛存在的一种物质状态。等离子体组成了星球、太阳、放电通道。例如，闪电就是放电。其实，对闪电进行观察之后，我们就可看到等离子体的形成过程。在各种气体放电管中，在喷气发动机的喷口中，在用于研究可控热核反应的“托卡马克”装置中，可以人工地造成等离子体。因为等离子体中正电荷和负电荷的数目大致相同，等离子体就不会像同极性带电微粒气体那样在库仑斥力的作用下向各个方向飞散。人们常把所有微粒的正电荷大致与负电荷平衡的等离子体称为准中性的。在准中性的等离子体中，带电微粒的数目可以是很大的，尽管如此，等离子体还是稳定的。当然，这不过是因为暂时还没有触动它。

等离子体同其他物质状态的区别是什么呢？等离子体的最大特点是对外加电场和电流的集体反应。依靠等离子体微粒的带电状态，电场和磁场能使等离子体变形、移动、加热或在等离子体中激起波。

在电场和电流足够强时，等离子体的这些性质导致等离子体失去稳定性：等离子体会突然集结成柱，卷成螺旋，收缩成单独的束，进行波状运动。正是等离子体的不稳定性成了解决可控热核合成的主要障碍。世界闻名的可控热核合成问题的专家Л · A · 阿尔齐莫维奇院士说过，在通向热核反应的道路上，等离子体的波旋律组成了送殡曲。

大多数人会由“等离子体”一词联想到气体介质。然而，本世纪六十年代的文献中出现了“半导体中的等离子体”和“固体中的等离子体”这样的概念。后一个术语不仅扩大到半导体，还扩大到了金属。在固体中发现了以前只在气体等离子体中观察到的现象，从而促进了这些概念的出现。这就使人想到，“固体”等离子体和气体等离子体的性质在许多方面是相似的。实际上，半导体中电子和空穴的“气体”同带电杂质原子一起显示出中性组成，具有等离子体的基本性质——对外部电磁作用的集体反应。除此之外，在半导体中还发现了各种不稳定性，这些不稳定性伴有流过半导体的电流波动。这些波动主要在超高频波段被观察到，有助于制造十分有效的半导体超高频发生器和放大器。这样也就出现了新一代的超高频器具，例如耿氏二极管和崩越二极管。半导体等离子中的不稳定性与气体等离子体不同，是很有用的。套用Л · A · 阿尔奇莫维奇的话，可以这样说：在通向制造超高频发生器和放大器的道路上，正好是造成不稳定的半导体等离子体的波旋律组成了送殡曲。

当然，半导体中的等离子体是特殊的，因为它处于形成晶格的原子之间。

在半导体结晶中，原子电离的能量，或者换句话说，是形成活动电荷所必需的能量，是气体状态中的几十分之一。这是因为半导体中的电子是所有原子“共有的”——集体的，各个原子的离散能级充满了连续区间。电子从一个区域跃迁到另一个区域，要比有稳定轨道的孤立原子所形成的断续区中更容易实现。因此，如果气态等离子体要在温度为几百上千摄氏度的条件下形成，那么，半导体中的等离子体甚至能在接近绝对零度的温度下形成。半导体中等离子体的密度要比气体等离子体的密度高好几个数量级。在室温下，所有半导体中都有电荷密度为每立方厘米10¹² ~ 10²²个微粒的稳定等离子体。在外力作用下，例如在热或光的作用下，半导体中的电荷密度会发生变化，变化幅度达许多个数量级，不但如此，在半导体等离子体中，可以独立地用带负电荷的运动微粒数和带正电荷的运动微粒数来“做游戏”。

在外加电场的帮助下，结晶中较低的原子电离能量，使自由电子和空穴的数量迅速增加。在电场中获得总共为1 ~ 2 eV的能量后（大约是孤立原子电离所需能量的十分之一），自由电子就从位于晶格表面的原子外层打出一个新的电子。现在，已经是两个电子被电场加速，又打出两个新的电子。新电子的形成过程在结晶中电子的运动范围内雪崩般地增长，半导体中等离子体的密度也因此而急速增大。

在半导体等离子体中被电场加速的电子，其能量同样不像在真空中那样增加。自由电子同晶格相撞时（这样的碰撞发生得相当频繁，每分钟10¹³ ~ 10¹⁴次），电子几乎不损失能量。在这样的情况下，人们说相撞具有弹性的特征。电子同晶格的弹性互撞使微粒在电场中获得的定向速度——漂移速度变得无序。因此，处于电场中的结晶里，由温度决定的电子无序速度同漂移速度一起增大。换句话说，电子气体不仅被加速，也会被加热。这样的电子被称为热电子。由于电子在晶格中传递的能量是很低的，电子的温度可能大大超过结晶的温度。

半导体等离子体尤其值得注意的性质是运动微粒质量与微粒能量、运动方向的依赖关系。这样的微粒质量被称为有效质量。引进有效质量的概念，是为了能把运动电荷载体在与原子场强烈作用形成晶格的条件下的复杂运动看作是典型自由微粒的运动。

半导体中带电运动微粒的有效质量一般要比自由电子的质量小得多。随着微粒能量的增加，有效质量通常也增大，并且，往往增加得很大。如，在目前很重要的半导体砷化镓中，只要把电子加热到几十电子伏，就会使有效质量增加几十倍。

对半导体等离子体的特征进行分析之后，我们还要指出一种不那么重要的情况。已经知道，高密度的等离子体像其他任何高导电率物体（例如金属）一样不让电磁波通过e电磁波在物体表面反射，不反射的部分被不深的集肤层所吸收。集肤层的深度随着电磁波频率和等离子体导电率的增大而减小。如果气体等离子体中集肤层的深度还不算浅；那么，在半导体等离子体中和在金属中，超高频时的集肤层深度就是10^-1 ~ 10^-4cm数量级。半导体中高电导的等离子体对于超高频波似乎是不可穿透的，也就不必谈论把它用于发生和放大超高频波了。值得注意的是，事实并非如此。I960年，列宁格勒的科学家O · В · 康斯坦丁诺夫和B · И · 佩雷尔证明，如果把等离子体放在磁场中，导电的等离子体对于电磁波来说就是透明的。这一发现是十分意外的，因为人们始终认为导电介质对电磁波总是屏蔽的。原来磁场有明显降低屏蔽的能力，导电介质中顺着磁场方向传播着弱衰减的电磁波。

能穿入致密等离子体的这种不寻常波被称为螺旋波。螺旋波中的电矢量和磁矢量螺旋形地顺传播方向旋转。螺旋线的螺距等于螺旋波的波长，旋转方向则同磁场中自由电荷旋转的方向一致。电荷围绕磁力线扭转，也是因为电荷失去了等离子体的屏蔽能力。电子被如此有力地“系在”磁力线上，对外部的电磁激励几乎没有反应。磁场越强，系得越紧。在很强的磁场中，电磁波像在绝缘材料中一样在导电介质中传播。

螺旋波最有趣的一个性质，是螺旋波顺着外磁场的方向传播，几乎没有衰减。在其他任何方向上，螺旋波都明显衰减。无论是金属，还是半导体，总之一句话，正像物理学家所习惯说的，固体的等离子体对于螺旋波是不透明的。形象地说，磁场在固体等离子体中建立起独特的通道，电磁螺旋波在通道中传播。改变磁场的方向，就能改变螺旋波的传播方向。因此，依靠外部磁场就能控制电磁波的传播方向！

螺旋波的传播速度及衰减，不但取决于固体等离子体中自由电荷载体的密度和活动性，还取决于磁场的强度。电荷密度越大，传播的速度就越慢。例如，在电子密度很大的金属中（10²³ cm^-3），螺旋波的传播速度只能达到每秒几十厘米。同真空中的电磁波传播速度（300，000 km/s）相比，这是极小的速度。在半导体中，由于自由电荷的密度较小，螺旋波在这些材料中的传播速度就更大些。不过，螺旋波在这里的速度比电磁波在真空中的速度小得多。较小的传播速度是螺旋波的又一个独特性质。

值得注意的是，螺旋波只是在不久前才被发现的，尽管螺旋波的存在可以从典型的运动方程和麦克斯韦方程（电磁理论的基本关系式）中得出，也可能在上一世纪就已被发现过。从发现螺旋波的日子起，世界上的许多实验室进行了紧张的研究。现在，螺旋波的研究工作越来越多地从基础研究转向应用领域。

螺旋波的应用可能是由螺旋波的下列性质决定的。首先，螺旋波的传播速度取决于所采用的磁场的强度和介质的电参数。同时，螺旋波的传播方向可依靠外磁场进行控制。所有这一切都为制造新的电磁辐射控制装置开辟了前景。这些被称为螺旋波整流器的装置，有些已开始工作。

其次，通过固体等离子体的螺旋波“带出”有关这种介质的性质和参数的信息。例如，改变螺旋波的传播速度、螺旋波在半导体中的相位和长度，就能测定半导体中自由电荷的密度。螺旋波的衰减可以提供这些电荷的迁移率信息。因而，改变螺旋波的参数，就能确定半导体材料的基本电性质，例如电流载体的密度及其迁移率。这样的测量是很重要的，通常要用特殊的接触器——霍尔传感器进行。依靠螺旋波测定半导体特性就不需要任何接触器。这样就能在不损耗半导体材料的情况下进行测量。螺旋波测量方法也就成为霍尔法的重要竞争对手。不但如此，在有复杂区域结构的半导体中，研究螺旋波的传播特点，就能得到有关自由电荷能量状态的详尽信息，确定自由电荷迁移的能谱和非均质性（取决于运动的方向）。现在，已创造了许多方法用螺旋波求出半导体的电参数。半导体的螺旋波光谱测量和螺旋波诊断是科学中的新分支。

可以采用无线电波段或超高频的电磁波进行螺旋波诊断。不过，由于波长较短（从30 cm ~ 1 mm），螺旋波半导体诊断中最有前途的是超高频。在半导体中，这一波段被激发的螺旋波波长还比较短，从几毫米到几十微米。考虑到螺旋波顺着外磁场方向传播的特点，在超高频波段中就很容易形成狭窄的螺旋波射线。螺旋波射线能像超声波探伤仪那样透视半导体样品。区别只在于超声波探伤仪能找出机械的不均匀性，而螺旋波探伤仪却能找出机械上均匀的半导体材料中的电不均匀性。例如，如果半导体薄片中自由电荷载体的分布不均匀（在实际结晶中是经常遇到的），用螺旋波射线透视薄片的不同点，就能判断这一薄片的电均匀性程度，因而也能判断整个半导体材料的质量。在现代半导体电子技术中，这是极其重要的。原材料的质量会严重影响到成品的合格率。

螺旋波探伤仪已引起半导体材料工业和仪器制造工业的兴趣。苏联有色冶金工业部的一些企业正在使用这样的探伤仪，还被各种半导体工业和各种机构用于检测半导体材料的质量。

[Наука и Жизнь 1986年No. 11]