1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Podobné dokumenty
Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Příklad 1: Komutační relace [d/dx, x] Příklad 2: Operátor B = i d/dx

Od kvantové mechaniky k chemii

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

Obr Teplotní závislost intrinzické koncentrace nosičů n i [cm -3 ] pro GaAs, Si, Ge Fermiho hladina Výpočet polohy Fermiho hladiny

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

6 Potenciály s δ funkcemi II

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Anihilace pozitronů v polovodičích

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

Lehký úvod do kvantové teorie II

2. Elektrotechnické materiály

VY_32_INOVACE_ELT-1.EI-18-VODIVOST POLOVODICU. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

Fyzika IV. g( ) Vibrace jader atomů v krystalové mříži

8. Úvod do fyziky pevných látek

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Atom vodíku. Nejjednodušší soustava: p + e Řešitelná exaktně. Kulová symetrie. Potenciální energie mezi p + e. e =

5 Potenciály s δ funkcemi I

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

Řešit atom vodíku znamená nalézt řešení Schrödingerovy rovnice s příslušným hamiltoniánem. 1 4πǫ 0. 2m e

Transportní vlastnosti polovodičů

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Transportní vlastnosti polovodičů 1

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Fyzika pro chemiky II

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

Daniel Franta. jaro Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita

Příklad 6: Bariéra a tunelový jev

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

PLANCK EINSTEIN BOHR de BROGLIE

Elektronový obal atomu

6.2.8 Vlnová funkce. ψ nemá (zatím?) žádný fyzikální smysl, fyzikální smysl má funkce. Předpoklady:

Zobrazování vlnové funkce pro vybrané 1D potenciály

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

2.4.4 Periodický potenciál a pásové spektrum

Kovy - model volných elektronů

SIMULACE ŠÍŘENÍ NAPĚŤOVÝCH VLN V KRYSTALECH MĚDI A NIKLU

Tepelná vodivost pevných látek

15 Experimentální základy kvantové hypotézy

Fotonické nanostruktury (nanofotonika)

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

Metodický návod: 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy.

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Elektronový obal atomu

7. Elektrický proud v polovodičích

Ab initio výpočty v chemii a biochemii

Spektroskopie subvalenčních elektronů Elektronová mikroanalýza, rentgenfluorescenční spektroskopie

Praktikum III - Optika

Úvod do nano a mikrotechnologií

Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Mikro a nano vrstvy. Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé sensory - N444028

Úvod do laserové techniky

Balmerova série vodíku

Skalární a vektorový popis silového pole

Sada 1 - Elektrotechnika

Balmerova série vodíku

Diskutujte, jak široký bude pás spojený s fosforescencí versus fluorescencí. Udělejte odhad v cm -1.

(1 + v ) (5 bodů) Pozor! Je nutné si uvědomit, že v a f mají opačný směr! Síla působí proti pohybu.

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Transportní vlastnosti polovodičů 2

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Polovodiče TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

2.3 Elektrický proud v polovodičích

Úvod do moderní fyziky. lekce 9 fyzika pevných látek (vedení elektřiny v pevných látkách)

17 Vlastnosti molekul

Charakteristiky optoelektronických součástek

V mnoha běžných případech v optickém oboru je zanedbáváno silové působení magnetické složky elektromagnetického pole na náboje v látce str. 3 6.

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

2. Difrakce elektronů na krystalu

Daniel Franta Ústav fyzikální elektroniky, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Atomové a molekulové orbitaly Ion molekuly vodíku. Molekula vodíku Heitler-Londonovou metodou. Metoda LCAO. Báze atomových orbitalů.

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Spektroskopie Augerových elektron (AES), elektronová mikrosonda, spektroskopie prahových potenciál

Fyzika atomového jádra

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

Fotonické nanostruktury (alias nanofotonika)

Elektrický proud v polovodičích

Základní zákony a terminologie v elektrotechnice

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Balmerova série, určení mřížkové a Rydbergovy konstanty

Transkript:

. Kvantové jámy Pokročilé metody růstu krystalů po jednotlivých vrstvách (jako MBE) dovolují vytvořit si v krystalu libovolný potenciál. Jeden z hojně používaných materiálů je: GaAs, AlAs a jejich ternární kombinace Ga x Al x As, kde je poměrné zastoupení Al vyjádřeno parametrem x. Výhodou těchto krystalů je nepatrný rozdíl mřížkové konstanty: a(gaas) = 5.6533 Å, a(alas) = 5.660 Å. Obrázek : Pásové schéma kvantové jámy šířky 0 nm. Zakázaný pás GaAs je užší než u AlAs. Pokud vrstvu GaAs obložíme z obou stran vrstvami Ga x Al x As, budou se volné elektrony i díry hromadit ve vrstvě GaAs, která působí jako jáma (má nižší energetické stavy). Změna velikosti zakázaného pásu na rozhraní GaAs-Ga x Al x As je daná výrazem E g = 247.x mev. Tento skok pásů se rozdělí mezi vodivostní a valenční pás v poměru 60/40. Např. pro x = 0.3 dostaneme skok ve vodivostním pásu V e = 225 mev, a ve valenčním pásu V h = 50 mev. Samotný zakázaný pás GaAs je při pokojové teplotě 300 K: E g =.42 ev. Pokud vytvoříme v polovodiči potenciál, který vede k prostorovému omezení pohybu nosičů, vytvoří se nám diskrétní spektrum povolených energetických hladin rozměrové kvantování. Zopakujeme vlastnosti řešení Schrödingerovy rovnice pro jednoduché potenciály. Pro výpočty je třeba znát hmotnost elektronů a děr v daném materiálu. Obvykle tuto efektivní hmotnost m vyjadřujeme v poměru ke hmotnosti volného elektronu m o. Jak to vypadá v praxi pro GaAs, AlAs: Tabulka : Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o. GaAs AlAs Ga x Al x As elektrony m e 0.0665 0.5 0.0665+0.0835x těžké díry m h 0.34 0.76 0.34+0.42x lehké díry m l 0.2 0.7 0.2+0.05x

.. Schrödingerova rovnice Za nepřítomnosti časově proměnných interakcí stačí řešit časově nezávislou Schrödingerovu rovnici. h2 ψ(r) + V (r)ψ(r) = Eψ(r). () 2m Pokud se navíc potenciál mění pouze v jednom směru (z), řešíme pouze D problém. Ve směru x, y jde o řešení pohybu volné částice. T.j. vlnová funkce podél vrstev bude ve tvaru rovinné vlny Podélná část energetického spektra je spojitá ψ(r) = e ik.r ψ(z). E = E xy + E z = h2 k 2 2m + E z. (2).2. Jednoduchá kvantová jáma Potenciál jednoduché pravoúhlé kvantové jámy je např: 0 v jámě (GaAs) V (z) = v bariéře (Ga x Al x As) V 0 (3) Pro nekonečnou jámu jsou okrajové podmínky ψ(0) = 0 a ψ(l) = 0, kde L je šířka jámy. Odpovídající vlnové funkce jsou sin(kz) a z okrajové podmínky kl = nπ dostaneme energetické spektrum: E n = h2 k 2 2m = h2 π 2 2m L 2 n2, n =, 2,..., (4) ψ(z) sin(nπz/l) Pro reálnou kvantovou jámu popsanou potenciálem (3) je třeba hledat vlnovou funkci navazováním šeření ŠR v jednotlivých oblastech konstantního potenciálu (viz Obr. ). V jámě lze řešení nalézt jako lineární kombinaci funkcí sin(ξ), cos(ξ). V bariéře je řešení lineární kombinací funkcí exp(ξ), exp( ξ)..3. Trojúhelníková kvantová jáma Pokud je ve studovaném krystalu elektrické pole F ve směru osy z, je třeba k potenciální energii nosičů přičíst člen E F = qf z, kde q je elektrický náboj částice (pro elektrony e, pro díry +e). V tomto lineárním potenciálu jsou výsledkem řešení ŠR Airyho funkce Ai(ξ) a Bi(ξ) (viz. Obr. 2). V případě nekonečné trojúhelníkové jámy pro elektrony lze nalézt analytický výraz pro energetické spektrum. Potenciál se zapíše: pro z < 0 V (z) = (5) ef z z > 0 Použitím okrajových podmínek získáme energetické spektrum: E n [ ( F n 2/3, n =, 2,..., (6) 4)] Pro reálnou jednoduchou kvantovou jámu s elektrickým polem dostaneme řešením ŠR vlnové funkce a energie, které jsou zakresleny na Obr 3. 2

f(z) Ai Bi V(z) Obrázek 2: Airyho funkce jako řešení ŠR v lineárním potenciálu. z F F F Obrázek 3: Pásové schéma kvantové jámy šířky 0 nm s elektrickým polem. 3

.4. Harmonický oscilátor Použijeme všude, kde lze provést harmonické přiblížení potenciální energie. V (z) = 2 κz2. Energetické hladiny harmonickému oscilátoru jsou ekvidistantní. E n = (n + κ 2 ) hω, n = 0,,..., ω = m ω m α = h. (7) Vlnové funkce pro harmonický oscilátor vyjdou Hermitovy-Gaussovy funkce φ n (ξ) = 2 n n! π H n(ξ) e ξ 2 /2, ξ = αz,. h 0 Obrázek 4: Energetické hladiny v parabolické kvantové jámě. Obrázek 4 ukazuje řešení v relativních jednotkách vzdáleností αz a energií hω. Budeme uvažovat kvantovou jámu šířky 0 nm stejně jako v Obr. 3, ale průběh potenciálu nebude schodovitý ale parabolický. Tzn. koncentrace hliníku mimo jámu bude x = 0.3 a v jámě se bude měnit parabolicky. Bezrozměrný parametr ξ na kraji jámy lze spočítat ze vztahů a energie základního stavu bude ξ(l/2) = z 2m V o h 2 hω = 2Vo h m L, Pro efektivní hmotnosti m specifikované v Tab. a pro známé potenciálové rozdíly V o pro materiály GaAs-Ga x Al x As nám vyjdou hodnoty podle následující tabulky: L 2 (8) 4

Tabulka 2: Parametry parabolické kvantové jámy šířky L = 0 nm. Energie jsou uvedeny v mev. elektrony těžké díry lehké díry V o 225 50 50 ξ(l/2).77 2.4.85 2 hω 72 26 44 počet hladin 2 3 2.5. Energetické hladiny v Coulombově potenciálu Pokud je v krystalu GaAs atom Si na místě Ga vzniká donorová hladina s potenciálem podobným analogickým s atomem vodíku V (r) = e 2 4πɛ r Řešeni ŠR vede k diskrétnímu spektru vázaných hladin E n = m e 4 2(4πɛ h) 2, n =, 2,..., (9) n2 Dosazením parametrů GaAs, kde je relativní dielektrická konstanta 2.85, vyjde energie základního stavu této příměsi E = 5.5 mev..6. Shrnutí Energetické hladiny pro různé tvary potenciálů lze shrnou takto. Tabulka 3: Závislost energetického spektra na tvaru potenciálu. Tvar jámy V (r) E n n parabolická z 2 (n + 2 ) 0,,... obdélníková n 2,2,... trojúhelníková / (n 4 )2/3,2,... Coulombovská /r n 2,2,... 5

2. Hustota stavů Při přechodech mezi hladinami (absorbce, emise) je třeba kromě energetického spektra znát také hustotu stavů v daném pásu. T.j. kolik existuje dovolených kvantových stavů v okolí dané energie. Pro prostorový krystal (3D) dostaneme odmocninovou závislost hustoty stavů nad hranou pásu: 2(m ) ρ 3D (E) = 3 E π 2 h 3 (0) Pokud bude ale v krystalu potenciál, který povede k rozměrovému kvantování, vyjde dvoudimenzionální hustota stavů (2D) konstantní se schodovitým vzestupem na každé energetické hladině v tomto potenciálu: kde p n je počet stavů pod energií E. ρ 2D (E) = m π h 2 p n, () Obrázek 5: a) energetickéhladiny a vlnové funkce v potenciálu jednoduché kvantové jámy, b) disperzní relace podél vrstev, c) hustota stavů. E a) b) c) E E 2 E 2 V e E 0 z k -L/2 0 +L/2 0 0 E 0 ρ(e) Porovnání hustoty stavů pro 3D případ a 2D kvantovou jámu ukazuje Obr. 6. Obrázek 6: Porovnání 2D a 3D hustoty stavů. 3 ρ 3D 2D 2 0 E 0 E E 2 E 3 kontinuum 2.. Obsazení hladin Je třeba ještě připomenout, že pro optické vlastnosti studovaných kvantových jam je důležité znát také obsazení hladin nosiči. Pravděpodobnost, že energetická hladina E je obsazena, je daná Fermiho- Diracovým rozdělením f F D (E) = e (E E F )/k BT +, (2) kde E F je Fermiho energie, k B je Boltzmanova konstanta a T je teplota. 6