Екситони в напівпровідниках і наноструктурах

Міністерство освіти і науки України

Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника

Фізико-технічний факультет

Реферат

Екситони в напівпровідниках і наноструктурах

Виконав студент групи РФ-41

Гнатів Роман

м.Івано-Франківськ

2009

Екситон ( від лат. excito — збуджую), квазічастинка, яка представляє собою електронне порушення в діелектрику або напівпровіднику, що мігрує й не пов'язане з переносом електричного заряду й маси. Представлення про Екситон було введено в 1931 Я. І. Френкелем. Він пояснював відсутність фотопровідності в діелектриків при поглинанні світла тим, що поглинена енергія витрачається не на створення носіїв струму, а на утворення Екситонів У молекулярних кристалах екситон являє собою елементарне порушення електронної системи окремої молекули, яке завдяки міжмолекулярним взаємодіям поширюється у вигляді хвилі (екситон Френкеля).

Екситони — це реально існуючі квазічастинки. Так, у спектрах поглинання й люмінесценції багатьох кристалів з'являються єдині власні, не пов'язані з домішками й дефектами вузькі смуги, обумовлені поглинанням і випромінюванням екситонів. Экситонні рівні енергії перебувають усередині забороненої зони поблизу дна зони провідності (мал. 1). Спектри поглинання містять водневоподібну серію ліній поглинання. Однак зареєструвати такі спектри, як правило, можна лише в напівпровідниках, що містять мало дефектів і домішок, за певних умов — при глибокім охолодженні кристалів аж до гелієвих температур.

Аналізують поведінку екситонів, застосовуючи методи квантової механіки — вирішуючи рівняння Шредінгера для електрона й дірки, що рухаються в періодичнім полі кристала й взаємодіючих один з одним за законом Кулона. При цьому можна показати, що екситон рухається як вільна частка з масою М = т_е + т_h , де т_{е, h} — ефективна маса електрона (дірки). У той же час відносний рух електрона й дірки можна уявити собі як рух електрона з масою µ (µ = т_е т_h /(т_e + m_h ) — наведена ефективна маса електронно-діркової пари) навколо нерухливої дірки.

Енергія зв'язку екситону, тобто енергія, необхідна для того, щоб розірвати екситон на електрон і

ефективний радіус екситону (борівский радіус екситона)

де е — заряд електрона, h— постійна Планка, індекс 3D указує на можливість для екситону рухатися у всіх трьох напрямках (на його тривимірність). Так само як і для атома водню, енергетичний спектр екситону має вигляд

де п — ціле число, а енергія відлічується від дна зони провідності.

Тому що в більшості напівпровідників ε > 10, а ефективна маса електрона в десять (десятки) раз менше маси вільного електрона, то з (1) і (2) випливає, що екситони в напівпровідниках — досить пухкі квазичастинки. Для них енергія зв'язку в тисячі раз менше, чим енергія зв'язку електрона в атомі водню, для якого Е = е⁴ m/(2h² ) = 13,5 еВ (m — маса вільного електрона). Ефективний радіус екситонів у напівпровідниках у сотні раз перевершує боровский радіус водню. Для напівпровідникового кристала GаAsЕ_ех = 4,2 мэВ, а _ех = 15 нм.

Саме малі значення енергії зв'язку екситонів у напівпровідниках перешкоджають спостереженню екситонних переходів при кімнатній температурі зразків, тому що середня теплова енергія кТ — 26 меВ при кімнатній температурі Т = 300 K (k — постійна Больцмана).

Мал.1.Рівні енергії екситону.Е_g - ширина забороненої зони напівпровідника(відстань між верхньою межею валентноїзониVі дном зони провідностіС)

Крім того, слід зазначити, що ефективність поглинання й заломлення світла на частоті екситонного переходу (сила осциллятора екситонного переходу) мала через більші значення ефективного радіуса екситону, оскільки вона пропорційна відношенню V₀ /, де V₀ — обсяг одиничної комірки кристала (a _ех > V₀ ).

Отже, дві обставини перешкоджають створенню напівпровідникових приладів, що працюють на эксиотонних переходах: 1) мала енергія зв'язку екситонів і розпад екситонів при кімнатній температурі для більшості напівпровідників, 2) малий внесок эксиотонних станів в оптичні константи напівпровідників (малі сили осцилляторів екситонних переходів) через більші значення екситонного радіуса.

Які шляхи дозволяють подолати ці обмеження?

Екситони в напівпровідникових наноструктурах

Частково розв'язати проблему, збільшити енергію зв'язку й силу осциллятора екситону можна в низькорозмірних структурах, тобто в структурах, лінійні розміри яких малі в порівнянні з a _ех . У випадку, коли обмеження руху відбувається в одному напрямку (у шарі з поперечним розміром d < a _ех ), екситон стає двовимірним і його енергетичний спектр

Таким чином, енергія зв'язку 2D- Екситону (значення Е² ° в (4) при п = 1) збільшується в 4 рази, а його ефективний радіус зменшується вдвічі в порівнянні із тривимірним випадком (з параметрами екситону в об'ємному напівпровіднику).

Збільшення енергії зв'язки й сили осциллятора екситона у двовимірній структурі дозволяє створювати прилади, дію яких засновано на фізичних процесах, обумовлених екситонними станами. Зокрема, розроблений ефективний електрооптичний перемикач на екситонному

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать