Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.4 MB, 63 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<small>ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NỘI</small>
<small>TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN</small>
<small>Hà Nội- 2011</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><small>MỤC LỤC</small>
<small>Chương I: Siêu mang pha tạp va phương trình động lượng tử cho phonon</small>
<small>âm (sóng âm) giam câm trong bán dẫn</small>
<small>1.1. Siêu mang pha tap... ¬—. cee cee cee eee eee cesaae see cee cee eee cen eee ees eensL1.1. Bán dẫn siêu mạng... ... cee ces ce se see cue ses s ses cesses se tes sec .4</small>
<small>tap... ¬- be dee cee cee cee cee cee cee cee cee cae acne eee eee es ¬— ....4</small>
<small>trong bán dẫn khối... ce ces coe ces vou sve ves cue ses SE Kế KHE 6</small>
L2.1 Xây dựng phương trình động lượng tử cho phonon trong ban ddan
<small>KN OD coe cee cee coe ves cee coe ./đl1 cee can eee sesso eee aee ca ees ane saneeraee sevens eee sense</small>
L2.2.Lý thuyết gia tăng sóng âm (phonon âm) trong bán dẫn khối (trường hợphấp thụ một phOHOH)... ... vse cà ve cà ves tee ces se kê se se se se se sec ees8
L2.3.Ảnh hưởng của quá trình hấp thụ nhiều photon lên hệ số gia tang sóngâm và điêu kiện gia tăng sóng âm trong bản AGN khối... 12
Chương II: Phương trình động lượng tứ và hệ số gia tăng phonon âm
<small>(sóng âm) giam cam trong siêu mạng pha tap và biêu thức giải</small>
<small>siêu mạng pha fẠP... cee cee cà cee tue cv nae gees No</small>
<small>bán dẫn siêu MONG oe ee ces coe ces ves cs coe ves ees cee sue es ta tue kê ee ene NO</small>
<small>siêu mạng pha ÍqJ... -... -.- cò cà cà cà cee tà nh nh he ve 27</small>
<small>trong siêu mạng phá lập... ... cee cee cee cee cà. cà cà ki hseeseesseersserss 34</small>
1L2.1. Trường hợp khí electron khơng suy biẾn...34
<small>p-PC ... 41</small>
<small>HL2. Tính tốn số trường hợp khi electron suy biến... "———. eee 48</small>
<small>Ket luận...- --- ---- c2 SE SH SH 1k v 83E3sEs1s2sesee 53</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">trường laser Q ung với nhiệt độ 450 K (đường gạch), 480 K (đường lién),
<small>500K(đường chấm)... -...- es see ses es sects ses se se sex sec... 42</small>
Hình 3.2: hệ số gia tăng phonon âm trong siêu mạng pha tạp phụ thuộc biênđộ trường laser ứng với nhiệt độ 450 K (đường gạch), 480 K (đường lién), 500
<small>K (đường</small>
<small>CNGM) RERERERRRRREEREReaa há...</small>
<small>q=8.1x10w ' (đường liỄN)... ... cee cee cee ces eee sọ see tes se xe seeserec....44</small>
<small>K (dườngViGN) ove cece ces cen cee ces cee ces cee seuss cusses . . . .L</small>
Hình 3.5: hệ số gia tang phonon âm trong siêu mạng pha tap phụ thuộc vàochu kì siêu mạng d ứng với số sóng q=8xI0m'(đường liển),
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">Hình 3.9: hệ số gia tang phonon âm giam cam trong siêu mạng pha tạp phụ
<small>(đường gạch), 3.5x10°m ' (đường chấm)... ...-. cee ses tev vee eee ee eee SI</small>
(đường lién), 3.5x10m ' (đường chắm)... ... cee see veces se sec các c...92
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5"><small>dẫn bị giới hạn nghiêm ngặt dọc theo một hướng tọa độ với một vùng có kích</small>
liệu khối xuất hiện gọi là hiệu ứng kích thước. Khi đó, các quy luật lượng tửbắt đầu có hiệu lực mà đặc trưng cơ bản nhất của hệ điện tử là phổ năng lượngbị biến đôi. Phố năng lượng của electron trở thành gián đoạn dọc theo hướng
như khí electron thấp chiều.
chùm phân tử (MBE) và kết tủa hơi kim loại hữu cơ (MOCV), cho phép tạo ra
(superlattice), day lượng tử(quantum wire), chấm lượng tử (quantum dot).Trong số các vật liệu mới đó, vài thập niên gần đây các nhà vật lý đặc biệt chúý tới bán dẫn siêu mạng. Bán dẫn siêu mạng có nhiều điểm ưu việt là do có thédé dàng điều chỉnh các tham số, nên có thé tạo ra các bán dẫn siêu mạng có đặc
kiện Oz 1, z: thời gian hồi phục xung lượng) tương tác với vật liệu thì địnhluật bảo tồn xung lượng bị thay đổi do sự tham gia của photon vào quá trìnhhap thụ và phát xa phonon (trong đối số của ham Delta - Dirac mô tả định luật
<small>bảo tồn khi Oz 1, ngồi năng lượng electron, phonon cịn có cả đại lượng</small>
liên quan tới năng lượng photon +/Q, ¡ là số nguyên). Kết quả là hàng loạt các
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">hiệu ứng mới xuất hiện - hiệu ứng cao tần. Khi đó electron có thé tương tác với
Công nghệ laser giúp ta nghiên cứu một số hiệu ứng mới trong hệ cấu trúcthấp chiều trong đó có hiệu ứng về gia tăng sóng âm (phonon âm). Trong bándẫn khối hiệu ứng này đã được nghiên cứu cả trường hợp khí electron suy biếnvà khơng suy biến, cả quá trình hấp thụ một photon cũng như nhiều photon.
<small>Trong siêu mạng pha tạp, hiệu ứng giảm kích thước lên sự gia tăng sóng âm</small>
(phonon âm) khơng giam cầm cũng đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, bài toán
<small>hưởng của hiệu ứng giảm kích thước lên sự gia tăng sóng âm (phonon âm)</small>
giam cầm trong siêu mạng pha tạp”.
<small>Khóa luận này, chúng tơi sử dụng phương trình động lượng tử cho phonon</small>
âm (sóng âm) giam cầm để xây dựng cơng thức tính hệ số gia tăng sóng âm(phonon âm) giam cầm trong siêu mạng pha tạp. Từ đó, chúng tơi đã khảo sát
<small>- GaAs/p - GaAs.</small>
<small>2. Phương pháp nghiên cứu:</small>
Trong nghiên cứu lý thuyết, dé nghiên cứu hiệu ứng giảm kích thước lên sựgia tăng sóng âm, theo quan điểm cổ điền ta có thé sử dụng cách giải phươngtrình động cô điển Boltzmann. Trong lĩnh vực lượng tử, bài tốn này có thể
tốn tử. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng nên tùy từng
<small>Trong khóa luận này chúng tơi sử dụng phương pháp phương trình động</small>
<small>lượng tử cho phonon. Tu Hamiltonian của hệ điện tử phonon ta xây dựng</small>
phương trình động lượng tử đối với hàm phân bồ số phonon hoặc hàm phân bốlượng tử tổng quát của phonon dé nghiên cứu tốc độ thay đổi phonon âm (sóng
<small>âm) trong siêu mạng pha tạp.</small>
Từ biểu thức giải tích của tốc độ gia tăng phonon âm (sóng âm) trong siêumạng pha tạp, chúng tơi đã tiến hành tính toán số, và thảo luận kết quả thu
âm) giam cầm.
<small>chia làm 3 chương:</small>
<small>Chương I: Siêu mạng pha tạp và phương trình động lượng tử.</small>
Chương II: Phương trình động lượng tử và biểu thức giải tích của hệ số giatăng phonon âm (sóng âm) giam cẩm trong siêu mạng pha tạp.
Chương III: Tính số cho siêu mạng pha tap và vẽ do thị.
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">được tạo ra do sự khác biệt của các đáy vùng dẫn của hai loại bán dẫn tạo
Dựa vào cấu trúc của hai lớp bán dẫn A và B, người ta chia bán dẫn siêu
<small>mạng ra thành hai loại là: bán dẫn siêu mạng pha tạp và bán dẫn siêu mạng</small>
thành phần.
Siêu mạng pha tạp là siêu mạng được tạo thành từ hai bán dẫn cùng loại
Giả sử thế của siêu mạng được tạo ra theo chiều z. Khi bỏ qua sự phụthuộc của năng lượng vào thành phần vecto k,, ham sóng và phổ năng lượng
<small>của electron trong siêu mạng pha tạp có dạng:</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">Xo: hăng số điện.
e, m là điện tích và khối lượng hiệu dụng của electron.
Vậy hàm sóng của electron trong mini vùng n là tổ hợp của hàm sóngtheo mat phang (x, y) có dang sóng phang, va theo phương của trục z (trục của
<small>siêu mang) có dang ham Block:</small>
Và phổ năng lượng:
-\ hk; |
<small>1.2. Phương trình động lượng tử va bai tốn gia tang phonon âm (sóng</small>
Hamiltonian của hệ điện tử phonon trong bán dẫn khối là:
<small>= 444 fed 4 pt P</small>
<small>q Pd2</small>
<small>Trong đó a; và a. (b- va b-) tương ứng là toán tử sinh va toán tử huỷ cua</small>
<small>điện tử (phonon); p và (p+q) là trạng thái của điện tử trước và sau khi tán xa;</small>
<small>9744 “ 4 P14 P</small>
Thực hiện phép biến đơi và dựa vào các hệ thức tốn tử, ta có:
<small>me) +</small>
Thực hiện biến đổi đại số toán tử biểu thức (1.8), ta thu
Thay (1.14) vào (1.13) đồng thời sử dung biéu thức biến đổi:
J,(z) là các hàm Bessel đối số thực ta sẽ có :
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12"><small>Phương trình (1.15) chính là phương trình động lượng tử cua phonon trong</small>
<small>00</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13"><small>Trong đó: 6(x) là ham Delta-Dirac.</small>
Dung cơng thức chun phơ Fourier ta lại có:
<small>| B, (aye "da — | B. [w+ (s —)Q]e "do</small>
Nhận xét rang trong phương trình (1.21) các số hang với /#5 bên về phảisẽ cho đóng góp hằng số tương tác điện tử - phonon bậc cao hơn số hạng với
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">I=s, Vậy có thé đặt l=s trong công thức (1.21) và thu được phương trình tán
<small>Py là xung lượng Fermi của điện tử; 9Œ) là hàm có bước nhảy:</small>
<small>0,z <0</small>
Đối với trường hợp bán dẫn không suy biến và hấp thụ một phonon: coi đối
<small>Biéu thức đôi với ham phan bô cua điện tử:</small>
<small>—p? 2z 3/2</small>
<small>.=Ae ; A= —</small>
Hang số tương tác điện tử - phonon âm:
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">Đặt (1.24), (1.25) vào công thức chung (1.23). Chun từ tơng sang tích phân
Từ cơng thức (1.26), trong trường hợp bat dang thức ; >> €2 được thực hiện,
<small>tường minh sau:</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">sóng âm bởi trường bức xạ Laser trong bán dẫn không suy biến trong trườnghợp hap thụ một photon.
<small>0 qi» 2m2m 4</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">chuyên thành hệ số gia tăng sóng âm #(Z)<0, Nghĩa là một lần nữa ta thu
<small>bởi trường bức xạ Laser.</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20"><small>giải tích</small>
<small>trong siêu mạng pha tạp.</small>
ban dan siêu mạng:
Hamiltonian của hệ điện tử phonon âm giam cầm trong bán dẫn siêu mạng
<small>khi có mặt trường bức xa laser E = E, sin(O) có dạng:</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21"><small>b„„ (b,,q,) là tốn tử sinh (hủy) cua phonon âm giam camở trạng thái lin.4,)</small>
k,(G,) là xung lượng của điện tử (phonon) trong mặt phăng vng góc với trục
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23"><small>— Om 05, a, Ge ecg Ger, Gy, 6% (2.11)</small><sub>mm “Gu ny ky ty Pi my kyy }:P2</sub>
<small>Thay (2.9), (2.10), (2.11) vào (2.8) ta được:</small>
Giải (2.12): giải phương trình vi phân khơng thuần nhất với điều kiện F (-=)=
Lay tích phân 2 về của (2.13) từ cor:
Giải phương trình vi phân khơng thuần nhất:
<small>Thay F": oe (m,g,,t) va Fee ¡ ứm,đ,„0)` vào (2.7) ta có:</small>
<small>my ym + + _ yt _ + +</small>
ỒN... (t) 1 m m f m m +
Lay tông trong (2.17) với các lưu ý:
= (by, Pinan), = [1+ Nina. <sub>mg, ? mG mim Gs Gu</sub>(0) |S 5;
Khi xét hệ phonon không cân bằng, ta giả thiết hệ điện tử ở trạng thái cânbăng nghĩa là hàm phân bố Fermi- Dirac của electron không phụ thuộc vào thời
<small>+ + + +</small>
<small>aa~a ~Qa =(a a aa </small>
(2.20) là phương trình động lượng tử cho phonon âm giam cầm trong bán
dẫn siêu mạng.
tạp trong trường hợp khí electron suy biến và khơng suy biến. Từ đó tính hệ sốgia tăng phonon âm cho các trường hợp cụ thể.
<small>siêu mạng pha tạp:</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">Xét siêu mạng pha tạp, phổ năng lượng của electron có dang:
<small>Thay vào (2.20) ta được phương trình động lượng tử cho phonon âm</small>
<small>Wns © ( 1 ) » | lịa {[ Me. (,)7;(E =8.)|1=#,(E.)|-(I*M„¿ (4)m</small>
<small>Ty</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">