Введение …………………………………………………………...………....…. 4
Глава 1 Особенности примесных резонансных D–-состояний
в квантовой молекуле во внешнем электрическом поле
1.1 Введение …………………………………………………….……..…..… 34
1.2 Диссипативное туннелирование в квантовой молекуле
при наличии внешнего электрического поля …………….…………… 36
1.3 Дисперсионное уравнение для определения средней энергии
связи и уширения примесного резонансного уровня в
квантовой молекуле ……………………………………………...……… 46
1.4. Зависимость средней энергии связи и уширения примесного
резонансного уровня от величины внешнего электрического поля
и параметров диссипативного туннелирования ……………….…....... 55
Выводы к главе 1 ……………………………………………...………….…. 59
Глава 2 Электрооптика квантовых молекул с примесными резонансными D–-состояниями
2.1 Введение ……………………………………………………...…….……. 61
2.2 Расчёт вероятности фотоионизации D–-центра в квантовой
молекуле при наличии внешнего электрического поля …...……….… 62
2.3 Зависимость фотоионизационных спектров от величины
внешнего электрического поля и параметров
диссипативного туннелирования …………………………….……….... 70
Выводы к главе 2 ……………………………………………………..…..…. 75
Глава 3 Электрооптические свойства квантовой проволоки
с примесной зоной
3.1 Введение……………………………………………………………..…… 77
3.2 Расчет примесной зоны, образованной регулярной цепочкой D0-центров в квантовой проволоке во внешнем электрическом поле ..…. 78
3.3 Зависимость ширины примесной зоны от периода регулярной
цепочки D0-центров и величины внешнего электрического поля ...… 92
3.4 Расчет спектров поглощения, связанных с переходами электрона
из примесной зоны в размерно-квантованные состояния
квантовой проволоки .............................................................................. 100
3.5 Зависимость спектров поглощения от величины внешнего
электрического поля и параметров квантовой проволоки ……..….... 104
Выводы к главе 3 ………………………………………………..……….… 107
Заключение ……………………………………………………………...…… 109
Библиографический список использованной литературы ………….… 112
Примеси в полупроводниках могут являться причиной образования не только локализованных состояний, энергия которых лежит в запрещенной зоне, но и резонансных (или квазистационарных) состояний, энергии которых находятся в разрешенных зонах [1] . От обычных состояний непрерывного спектра резонансные состояния отличаются прежде всего большей амплитудой волновой функции около примесного центра. Резонансные состояния примесей в полупроводниках исследуются уже достаточно давно, и известно довольно большое число их разновидностей. Например, в присутствии квантующего магнитного поля состояния мелкой примеси, сформированные из волновых функций подзон Ландау с большими циклотронными энергиями, попадают в непрерывный спектр более низких подзон и являются резонансными [2]. Другими широко известными примерами резонансных состояний являются примесные состояния в бесщелевых или узкощелевых полупроводниках [3] и состояния глубоких примесей в полупроводниках AIVBVI [4]. Обычно для появления резонансных примесных состояний необходимо присутствие нескольких близких по энергии подзон, будь то подзоны Ландау, состояния зоны проводимости и валентной зоны в узкощелевых полупроводниках или состояния подзон размерного квантования в квантовых ямах (КЯ). В валентной зоне кремния хорошо известны резонансные состояния мелких акцепторов, обусловленные присутствием спин-отщепленной зоны [5]. Наконец, в германии под воздействием одноосной деформации, которая расщепляет зоны легких и тяжелых дырок, так¬же появляются резонансные состояния акцепторов [6]. Специфическими резонансными состояниями являются резонансные состояния примеси, появляющиеся в результате взаимодействия электронов с оптическими фононами ("резонансы Фано").
В объемных полупроводниках довольно сложно изменять свойства примесных состояний, включая и резонансные. Чаще всего это делают с помощью магнитного и электрического поля или деформации. В гетероструктурах с КЯ значительно проще управлять свойствами как локализованных, так и резонансных состояний, поскольку в этом случае свойства примесных состояний зависят от положения примеси относительно гетерограниц. Таким образом, гетероструктуры представляют возможность управления не только зонным, но и примесным спектрами [1].
Примесные состояния под возбужденными зонами могут попадать в непрерывный спектр нижележащих под¬зон. В этом случае из-за взаимодействия локализованных состояний и состояний непрерывного спектра вол¬новые функции таких примесных состояний представляют собой суперпозицию волновых функций тех и других (см. рис. 1).
Или, иначе говоря, локализованное состояние становится квазистационарным, поскольку у него появляется конечное время жизни. Взаимодействие локализованных состояний и состояний непрерывного спектра обусловлено кулоновским потенциалом донора, если это не запрещено симметрией. Например, если донор располагается точно в центре КЯ, то локализованные состояния, принадлежащие второй подзоне размерного квантования, не взаимодействуют с состояниями непрерывного спектра, принадлежащими первой подзоне раз¬мерного квантования, поскольку состояния этих подзон имеют разную четность относительно отражения в плоскости, проходящей через середину КЯ. Если донор несколько смещен от середины КЯ, то взаимодействие возникает, и примесные уровни, принадлежащие второй подзоне, становятся резонансными.
Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследованы резонансные D–-состояния в КТ во внешнем электрическом поле с учетом туннельного распада РПС. Теоретический подход основан на рассмотрении квантового туннелирования с диссипацией в КМ, моделируемой двухъямным осцилляторным потенциалом, при наличии взаимодействия с локальной фононной модой среды. В одноинстантонном приближении рассчитана вероятность туннелирования, определяющая время жизни РПС и параметр уширения. Получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на D–-центре с резонансным примесным уровнем, численный анализ которого позволил исследовать влияние внешнего электрического поля и туннельного распада на среднюю энергию связи РПС и ширину резонансного уровня в КМ. Показано, что электрическое поле стимулирует распад РПС в условиях диссипативного туннелирования за счет электронной поляризации и штарковского сдвига энергии. Найдено, что увеличение константы взаимодействия электрона с контактной средой приводит к блокировке туннельного распада, что обусловлено ростом «вязкости» контактной среды. Показано, что наименьшее время жизни имеют резонансные D–-состояния соответствующие D–-центрам, расположенным вблизи границ КТ, поскольку из-за размерного квантования при приближении D–-центра к границе, резонансный уровень «всплывает», приближаясь к уровню энергии основного состояния КТ. Найдено, что с ростом температуры и частоты фононной моды ширина резонансного уровня увеличивается за счет роста вероятности диссипативного туннелирования.
2. Теоретически исследовано влияние внешнего электрического поля на спектры фотоионизации D–-центра с резонансным примесным уровнем в КМ в условиях диссипативного туннелирования. В дипольном приближении проведен расчет вероятности фотоионизации D–-центра с резонансным уровнем для случая продольной и поперечной по отношению к направлению внешнего электрического поля поляризации света. При этом правила отбора таковы, что в первом случае оптические переходы с резонансного примесного уровня возможны только в размерно-квантованные состояния КТ с четными значениями осцилляторных квантовых чисел n2 и n3 в y- и z- направлении КТ соответственно, а во втором случае – нечетными значениями осцилляторных квантовых чисел n2 и n3. Показано, что квантово-размерный эффект Штарка проявляется в красном смещении порога фотоионизации, а также в увеличении силы осциллятора дипольного оптического перехода. Найдено, что в КМ с РПС имеет место дихроизм примесного электрооптического поглощения, связанный с изменением правил отбора для осцилляторных квантовых чисел в y- и z- направлении КТ. Выявлена высокая чувствительность фотоионизационных спектров к параметрам диссипативного туннелирования: с ростом температуры и частоты фононной моды имеет место красное смещение порога фотоионизации, что обусловлено уменьшением средней энергии связи РПС, связанное с ростом вероятности туннельного распада. Исследована зависимость вероятности фотоионизации D–-центра с резонансным уровнем от напряженности внешнего электрического поля при фиксированной энергии фотона. Найдено, что на кривой искомой зависимости имеются два пика. Установлено, что первый пик появляется при напряженности поля при которой исходно асимметричный двухъямный осцилляторный потенциал КМ становится симметричным. Природа второго пика связана с трансформацией огибающих волновых функций вызванной электрическим полем.
3. Теоретически исследованы эффекты влияния внешнего продольного электрического поля на оптические свойства КП с одномерной сверхрешеткой из потенциалов нулевого радиуса, которая моделирует регулярную цепочку D0-центров, расположенных вдоль оси КП. В рамках обобщенного варианта модели Кронига – Пенни получены дисперсионные уравнения, определяющие границы примесной зоны. Показано, что с ростом величины внешнего электрического поля ширина примесной зоны увеличивается за счет увеличения степени перекрытия одноцентровых волновых функций. Подобная ситуация имеет место и с уменьшением периода регулярной цепочки D0-центров. В дипольном приближении получена аналитическая формула для вероятности оптических переходов из состояний нижней границы примесной зоны в размерно-квантованные состояния КП с регулярной цепочкой D0-центров в продольном электрическом поле. Найдено, что фотоионизационный спектр для КП с примесной зоной представляет собой отдельные полосы, промежутки между которыми заполнены осцилляциями, обусловленными интерференцией амплитуд вероятностей оптических переходов. Показано, что с ростом величины внешнего электрического поля край полосы примесного поглощения сдвигается в коротковолновую область спектра из-за увеличения ширины примесной зоны. При этом растет амплитуда и период осцилляций, что связано с увеличением степени перекрытия одноцентровых волновых функций, а увеличение длины КП приводит к подавлению осцилляций за счет уменьшения числа D0-центров в регулярной цепочке.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
