рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Влияние поперечных электрических полей на свойства сверхрешеток

Влияние поперечных электрических полей на свойства сверхрешеток - Лекция, раздел Философия, ЛЕКЦИЯ №1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ Ранее Уже Указывалось, Что Электронные Состояния В Сверх­решетках Образуют Эл...

Ранее уже указывалось, что электронные состояния в сверх­решетках образуют электронные зоны или подзоны, которые гораздо уже, чем соответствующие зоны в обычных кристаллах. Малая ширина зон и энергетических щелей является следствием того, что период сверхрешетки d обычно много больше постоянной а решетки кристалла.

Ниже будет показано, что при воздействии электрических полей электроны в таких узких зонах проявляют необычные свойства, демонстрируя существование некоторых физических эффектов (типа осцилляции Блоха), которые были, кстати, те­оретически предсказаны еще десятки лет назад. Кроме того, выяснилось, что под воздействием поля энергетические уров­ни ямы (шириной а) в сверхрешетке образуют так называемую штарковскую лестницу из «ступеней» высотой еFа, где F — при­ложенное электрическое поле.

Рис. 6.7. (а) Схема преодоления электроном с энергией E двойного ре­зонансного барьера. Квантовая яма имеет три энергетических уровня (Е1, Е2 и Е3); (б) зависимость коэффициента пропуска­ния от энергии падающего электрона.

 

Рассмотрим электронную зону в k-пространстве, по­казанную на рис. 6.8, которая похожа на первую подзону в сверхрешетке. Поле F прилагается в задан­ном направлении (мы обозначим его осью z, считая его на­правленным перпендикулярно к плоскости расположения квантовых ям), так что рассматриваемая задача сводится к одномерной. Движение электрона в такой зоне под влия­нием электрического поля описывается введенным в главе 2 уравнением (2.57)

, (6.4)

решением которого в случае постоянного поля является значе­ние волнового числа в виде

. (6.5)

В соответствии с решением (6.5) волновой вектор должен возрастать линейно по времени. Будем считать, что электрон первоначально покоился в точке О начала координатной оси, как показано на рис. 6.8, а направление электрического поля противоположно направлению вектора k. При этом электрон начинает двигаться из точки О по направлению к точке А, и это движение продолжается до тех пор, пока он не достигнет точки В, соответствующей границе зоны Бриллюэна (k = p/d). В точке В его скорость уменьшается до нуля, в соответствии с нулевым углом наклона кривой, как следует из уравнения (2.52). После этого электрон переносится в точку С (по вектору обратной ре­шетки G), которой соответствует значение волнового вектора k = -p/d, что просто означает результат брэгговского отраже­ния. Из точки С электрон в k-пространстве под воздействием поля смещается через точку В в точку О, за­вершая тем самым цикл движения. Скорость электрона при та­ком периодическом движении определяется уравнением

(6.6)

и также меняется периодически, если энергия зоны имеет вид, представленный на рис. 6.8. Иными словами, движение элек­трона является периодическим одновременно и в реальном, и в k-пространстве.

Период таких колебаний в k-пространстве ТB определяется временем, необходимым для «прохождения» зоны Бриллюэна (= 2p/d) и равен

. (6.7)

 

Рис. 6.8. Движение электрона внутри энергетической зоны в k-пространстве под воздействием приложенного электрического поля (процессы рассеяния не учитываются)

 

Следует отметить, что величины TВ и wB зависят лишь от пе­риодичности сверхрешетки и напряженности приложенного поля, однако совершенно не зависят от ширины энергетической подзоны. Представляется очевидным, что для экспериментального наблю­дения блоховских осцилляции необходимо, чтобы период ТВ был меньше времени релаксации, связанного с процессами рассеяния. Ранее блоховские осцилляции экспериментально не могли быть зарегистрированы в объемных кристаллах в силу того, что харак­терные значения ТB (~10-11 с) значительно превышали соответству­ющие значения в сверхрешетках, поскольку величина d обычно на два порядка превосходит стандартные значения постоянной решет­ки в привычных полупроводниковых кристаллах. Эти ограничения приводили к тому, что электроны, расположенные близко к точ­ке О на диаграмме рис. 6.8, просто не могли получить достаточ­но энергии для достижения точки В на границе зоны Бриллюэна (k = p/d), так как волновой вектор, определяемый уравнением (6.5), не мог возрастать до требуемого значения из-за процессов рассеяния, «отбрасывающих» электроны назад к точке О. С другой сто­роны, следует заметить, что в практических экспериментах значе­ние ТB нельзя уменьшить просто за счет усиления напряженности прилагаемого поля F, поскольку при таком усилении возникает так называемое зеннеровское туннелирование (при котором электроны из наклонной подзоны, как показано на рис. 6.9, б, могут туннелировать через запрещенную зону в соседнюю подзону), в результате чего блоховские осцилляции вообще не возникают. Таким образом, для регистрации блоховских осцилляции необходимо иметь очень узкие подзоны и, наоборот, широкие мини-щели.

На рис. 6.9, а схематически приведена энергетическая струк­тура всего лишь двух подзон в сверхрешетке. При наложенном постоянном по величине электрическом поле F (направленном по оси z) зоны «наклоняются» под углом — еF, в результате чего выражение для потенциальной энергии приобретает вид

E(z) = E0eFz, (6.8)

где Е0энергия исходного состояния.

Рис. 6.9. (а) Подзоны в сверхрешетке; (б) наклон подзон в сверхрешетке под воздействием приложенного электрического поля

 

Вследствие показанного на рис. 6.9, б наклона зон электрон с полной энергией ЕТ может колебаться в пространстве между положениями с координатами z1 и z2. При возрастании значе­ния F наклон зон увеличивается, вследствие чего электрон про­странственно локализируется в меньшем объеме. Очевидно, что при очень высоких напряжениях приложенного поля электрон может быть локализирован в пределах одной квантовой ямы, для чего требуется, чтобы разность энергетических уровней DЕ в двух соседних ямах превышала ширину подзон D, т. е. должно выполняться условие DЕ = еFD >D. При этом квантовые ямы могут считаться несвязанными (рис. 6.10, а). Таким образом, при значениях электрического поля больше D/еd электроны ло­кализуются в квантовых ямах, чьи собственные энергетические состояния существенно различаются, в результате чего поня­тие подзон становится неприменимым. Вместо этого в систе­мах возникают новые структуры квантовых энергетических состояний, получившие название штарковских лестниц.

Рис. 6.10. (а) При наложении сильных электрических полей спектр подзон сверхрешетки разрушается, и на его месте возникает система, которую можно рассматривать в качестве множест­венных квантовых ям (MQW) с разностью энергий = eFd (б) вольт-амперная характеристика (I – V) сверхрешетки.

 

Такая штарковская локализация в сверхрешетках типа АlGaAs/GаАs была впервые зарегистрирована в эксперименте Мендесом, а затем нашла широкое применение в разнообразных электро­оптических приборах.

Подобно диодам с резонансным туннелированием, сверхре­шетки также имеют участки с отрицательным дифференциаль­ным сопротивлением (NDR) на вольт-амперных характеристи­ках, что может быть использовано в целом ряде электронных приборов. Такие участки возникают в наноструктурах при на­ложении настолько сильных электрических полей, что энергия соседних квантовых ям начинает различаться на величину, сравнимую с произведением eFd. В разделе 6.3.1 было показано, что резонансное туннелирование происходит при условии

Е2 – Е1,= еFd, (6.9)

где Е1 и Е2 означают энергии уровней при наложенном поле F, которые не должны обязательно совпадать с значениями при отсутствии поля (F=0). Как показано на рис. 6.10, б, область проявления эффекта отрицательного дифференциального со­противления (NDR) располагается на вольт-амперной харак­теристике сверхрешетки сразу после резонансного пика, что позволяет использовать такие структуры, подобно диодам с ре­зонансным туннелированием, в качестве высокочастотных ос­цилляторов и усилителей.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

ЛЕКЦИЯ №1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ... План лекции... Фундаментальные явления...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Влияние поперечных электрических полей на свойства сверхрешеток

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Фундаментальные явления.
Поведение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) в наноразмерных структурах определяют три группы фундаментальных явлений: квантовое ограничение, баллистический транспорт и квантовая интер

Гетеропереходы первого и второго типов.
Рассмотрим одиночный гетеропереход между двумя полупроводни­ками A и B, имеющими в общем случае различную ширину запре­щенной зоны

Энергетическая диаграмма одномерной сверхрешётки
Полупроводниковые квантово-размерные структуры на основе гетеропереходов принято различать по числу направлений, вдоль которых происходит ограничение движения носителей заряда (электронов или дырок

Рассеяние частиц на потенциальной ступеньке.
Проведем анализ системы, в которой частицы, испускаемые ис­точником, удаленным на большое расстояние, рассеиваются на той или иной преграде, уходя после этого в бесконечность. Простейшей м

Потенциальный барьер конечной ширины.
В реальной физической ситуации мы всегда имеем дело с барь­ером конечной ширины. Найдем коэффициенты отражения и про­хождения при движении частицы через прямоугольный потенци­альный барьер ширины

Интерференционные эффекты при надбарьерном пролете частиц.
Рассмотрим особенности прохождения частицы над прямо­угольным потенциальным барьером (рис. 1.2, а), когда E>U1, и E>U2. Сразу отметим, что надба

Частица в прямоугольной потенциальной яме.
При выращивании пленки узкозонного полупроводника между двумя слоями широкозонного материала может быть реализован потенциальный рельеф, показанный на рис. 1.4.

Особенности движения частиц над потенциальной ямой.
Мы рассмотрели случай, когда полная энергия частицы Е меньше высоты стенок потенциальной ямы (финитное движение). Здесь размерный эффект проявляется в квантовании энергии и волнового вектора

Движение частицы в сферически симметричной прямоугольной потенциальной яме.
Развитие нанотехнологии инициировало широкое исследование новых классов нанообъектов, в частности квантовых точек, в кото­рых осуществляется пространственное ограничение носителей за­ряда в трех из

Энергетические состояния в прямоугольной квантовой яме с бесконечными стенками и дополнительным провалом.
Возможность получения слоев с произвольным профилем из­менения состава позволила для улучшения характеристик прибо­ров использовать структуры с КЯ сложной формы. Так, для созда­ния нового поколения

Энергетическая диаграмма квантовой ямы с конечными стенками и дополнительным провалом.
В реальности мы имеем дело с потенциальными ямами, стенки которых имеют конечную высоту (см. рис. 1.9, а). Рассмотрим влияние конечной высоты стенок на разрешенные значения энер­гии основног

Структура со сдвоенной квантовой ямой. Энергетический спектр частицы в системе с δ-образным барьером.
Выше мы рассмотрели поведение частиц в системах, содержа­щих изолированные КЯ и потенциальные барьеры. Как уже отме­чалось, накопленный к настоящему времени опыт и достижения техники для выращивани

Прохождение частицы через многобарьерные квантовые структуры.
При исследовании поведения частицы (электрона) в системах, содержащих изолированные КЯ и потенциальные барьеры, уста­новлено, что при туннелировании через одиночный потенциаль­ный барьер коэффициен

Электрон-фононное рассеяние.
Расчеты механизмов электрон-фононного рассеяния в низ­коразмерных полупроводниковых структурах показывают, что они во многом схожи с процессами в объемных полупроводни­ках, например, такое рассеяни

Межподзонное рассеяние.
Рассмотрим двумерную электронную систему, локализован­ную в потенциальной яме, входящей в состав модулированно-легированной гетероструктуры или полевого МОП-транзистора. Очевидно, что при достаточн

Экспериментальные данные по продольному переносу
На рис. 6.2 представлены данные, иллюстрирующие прогресс, достигнутый в области повышения подвижности электронов при продольном переносе за последние двенадцать лет в наноструктурах на основе GаАs,

Продольный перенос горячих электронов
В некоторых типах полевых транзисторов и нано­структур кинетическая энергия электронов, ускоряемых элек­трическим полем, может становиться очень высокой и значительно превышать равновесную тепловую

Поперечный перенос в наноструктурах в электрическом поле.
В этом разделе мы рассмотрим движение носителей в направле­нии, перпендикулярном плоскостям потенциальных барьеров, разделяющих квантовые гетероструктуры. Такой вид перено­са часто ассоциируется с

Резонансное туннелирование
Резонансное туннелирование (РТ) сквозь двойной потенци­альный барьер является одним из явлений вертикального квантового переноса, уже нашедший широкое практическое применение в создании диодов и тр

Квантовый перенос в наноструктурах
Рассмотрим далее процессы квантового переноса, происходя­щие при протекании через наноструктуры тока от присоеди­ненных к ним внешних источников. Такие процессы можно также назвать мезоскопическим

Квантовая проводимость. Формула Ландауэра.
Для самого простого описания эффектов квантовой проводи­мости удобно рассмотреть одномерную мезоскопическую по­лупроводниковую структуру, типа квантовой проволоки. Если такая проволока является дос

Формула Ландауэра — Бюттикера для квантового переноса в многозондовых структурах
Полученное в предыдущем разделе выражение (6.15), описыва­ющее квантовый перенос в наноструктуре с двумя контактами, может быть обобщено на случай систем с большим числом кон­тактов. Рассмотрим, на

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги