Реферат: Екситони в напівпровідниках і наноструктурах

Електрооптичний модулятор, у якім використано оба ефекти ( Штарка Ефект екситонів і фотопровідність на частоті екситонного переходу), працює в такий спосіб (мал. 2, а). Методом молекулярнопроменевої епітаксії виготовляється p-i-n діод, у якім у власному i -шарі вирощена система квантових ям. На діод через навантажувальний опір R подається замикаюча напруга. Якщо структура не освітлюється світлом, то опір квантових ям великий в порівнянні з послідовно включеним навантажувальним опором і велика напруга прикладена до i -шару перпендикулярно квантовим ямам. За рахунок Штарка Ефекту поглинання в області екситонного резонансу мало (мал. 2, а). При висвітленні світлом на частоті екситонного переходу створюються екоситони, які, як сказано вище, практично миттєво розпадаються на вільні електрони й дірки. Через виникнення фотоструму збільшується спадання напруги на навантажувальному опорі й зменшується напруга, прикладене до діода. Тому збільшується поглинання світла діодом на частоті екситонного переходу (зменшується штарківскі зрушення екситоннової лінії, мал. 2, б), що, у свою чергу, приводить до збільшення концентрації порушуваних екситонів і фотоструму при їхньому розпаді. У такий спосіб виникає позитивний зворотний зв'язок. За рахунок нелінійної зміни поглинання в системі зі зворотним зв'язком можна одержати різні режими роботи: перемикання з більшим контрастом, бистабильний режим , коли при тому самому значенні вхідної інтенсивності світла є два стабільні значення інтенсивності на виході обладнання (у літературі воно називається SEED — Self-Electrooptic Effect Device).

Структура, у якої два розміри малі в порівнянні з борівским радіусом екситону в об'ємному напівпровіднику, називається квантовою ниткою. У довгій напівпровідниковій нитці з діаметром d < a_ex енергіязв'язку екситону росте зізменшенням діаметра( [ ln (d/a_ex ]² ), а ефективна довжина екситону при цьому зменшується(l_ex ~ |ln(d/a_ex )\^_1 )

Істотне збільшення енергії зв'язку й сили осциллятора екситонів у напівпровідникових квантових нитках дозволило використовувати їх як активне середовище для одержання лазерного випромінювання на частоті екситонного переходу з низьким порогом порушення .

У дво- і одномірних напівпровідникових наноструктурах квантові обмеження (конфайнмент) приводять до збільшення енергії зв'язки й сили осциллятора екситонів, однак усього лише в кілька раз. Суттєво більшого збільшення цих параметрів можна досягти в наноструктурах напівпровідникндіелектрик за рахунок значного посилення кулонівскої взаємодії електронно-дірочної пари усередині напівпровідникового тонкого шару або напівпровідникової нитки.

Екситони в наноструктурах і напівровідниках

Мала енергія зв'язку й великий ефективний розмір екситонів в об'ємних напівпровідниках і напівпровідникових наноструктурах типу напівпровідник-напівпровідник з більшою шириною забороненої зони, що виконує роль бар'єра, обумовлені насамперед більшими значеннями діелектричної проникності(е₈ > 10)напівпровідника (див. формули (1)—(4)).У наноструктурах, які сладаються із напівпровідника й діелектрика, можна одержати значне посилення кулонівскої взаємодії між електроном і діркою усередині напівпровідникового шару або нитки — здійснити інженерію кулонівської взаємодії. Цю обставину можна пояснити за допомогою силових ліній електричного поля (мал. 3). Для тонкого напівпровідникового шару або нитки, оточених діелектриком, більшість силових ліній проходить через діелектрик, діелектрична проникність якого ε_d < ε₈ .У граничному випадку дуже тонких квантових ниток сила кулонівскої взаємодії між електроном і діркою, що перебувають навідстаніz > (ε_s /ε_d )d_s , де d_s — поперечний розмір напівпровідникової нитки, F= е² /(ε_d z² ). Тобто для цього випадку ефективна діелектрична проникність системи напівпровідник діелектрик дорівнює діелектричної проникності діелектрика (!), хоча як електрон, так і дірка перебувають у напівпровідниковому шарі або напівпровідниковій нитці.

Мал. 3 На відміну від об'ємного напівпровідника більшість силових ліній електричного поля для екситону в квантовій нитці яка знаходиться в діелектрику , проходить через діелектрик ,діелектрична проникність якого

Для циліндричних квантових ниток помірного розміру з діаметром у кілька десятків нанометрів,оточених діелектриком(> d_s > (ε_d /ε_s )^3/2 ),енергія екситонів зростає до > 100 меВпропорційно , а ефективний об'єм екситону зменшується як(При цьому, природно, збільшується ймовірність поглинання й випромінювання на частоті eкситонного переходу (збільшується сила осциллятора переходу). Результати перших вимірів енергії екситонних переходів у напівпровідникових квантових нитках GaAs, CdSe діаметром 4—6 нм, кристалізованих у прозорих щільно впакованих діелектричних нанотрубках природного з'єднання хризотил азбесту , перебувають у кількісній згоді з розрахованими в рамках моделі, у якій крім збільшення енергії зв'язки екситонів за рахунок розмірного квантування враховане діелектричне посилення екситонів, що виникає за рахунок великої відмінності у величинах діелектричної проникності напівпровідника й діелектрика

Література

1. Kelly M.J. Low-Dimensional Semiconductors: Materials, Physics, Technology, Devices. Oxford: Clarendon Press, 1995.

2. Keldysh L.V. Excitons in Semiconductor—Dielectric Nanostructures // Phys. status solidi. 1997. Vol. 164, № 3.

3. Днепровский В.С., Жуков Е.А., Муляров Е.А., Тиходеев С.Г. Линейное и нелинейное поглощение экситонов в полупроводниковых квантовых нитях, кристаллизованных в диэлектрической матрице // ЖЭТФ. 1998. Т. 113. Авг.

4. Белявский В.И. Экситоны в низкоразмерных системах // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 5. С. 93—99.