półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Transkrypt

1 Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Sebastian Maćkowski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Adres poczty elektronicznej: Biuro: 365, telefon: półprzewodniki Struktura krystaliczna Dygresja proste komórki elementarne sieci proste cubic (Po) cubic (Po) bcc (Na, W) fcc (Al, Au) polon to jedyny pierwiastek, którego struktura krystaliczna jest prostym sześcianem wynika to prawdopodobnie ze współzawodnictwa między efektem relatywistycznego zwiększenia masy elektronu a oddziaływaniem spin-orbita (więcej: Physics Today z sierpnia 2007 i w Physical Review Letters 99 (2007)

2 Struktura krystaliczna Pasma energetyczne struktura diamentu Si, Ge, C struktura blendy cynkowej GaAs, CdTe,... struktura wurcytu GaN, CdS,... Si dwie sieci kubiczne powierzchniowo centrowane przesunięte wobec siebie o ¼ długości przekątnej sześcianu minimum całkowitej energii elektronów Pasma energetyczne Pasma energetyczne izolator półprzewodnik przewodnik/metal równanie Schrödingera dla elektronu w potencjale V=V(r) dla potencjału V=V(r) periodycznego z okresem sieci exp (jkr) fala płaska, wolnozmienna w skali całej sieci ψ (r,k) i U b (r,k) funkcje periodyczne z okresem sieci

3 Struktura pasmowa Struktura pasmowa E=E(k) w pobliżu centrum strefy Brillouina (punkt Γ, k=0) pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne zależność paraboliczna m* - masa efektywna, w ogólności wielkość tensorowa Układ okresowy Własności półprzewodników

4 Własności półprzewodników Wzbudzenia w kryształach zaburzenie równowagi termodynamicznej kryształu (np n i2 ) generacja termiczna bezpośrednia gdy E G ~kt, np. Ge generacja termiczna pośrednia gdy E G >kt, np. GaAs, Si stany w przerwie energetycznej skutek występowania defektów i domieszek w krysztale Wzbudzenia w kryształach Absorpcja absorpcja promieniowania przerwa skośna przerwa prosta część energii promieniowania ulega odbiciu, typowo ~30% redukcja tego efektu pokrycie antyrefleksyjne (anti-reflective coating) zmniejszenie o ponad rząd wielkości konieczność dostarczenia dodatkowego pędu związanego z różnicą wektorów falowych moc pochłaniana w półprzewodniku P i - moc padająca na powierzchnię kryształu α - współczynnik absorpcji 1/α - głębokość wnikania promieniowania r współczynnik odbicia

5 Absorpcja Absorpcja liczba absorbowanych fotonów: P/E=hν wydajność kwantowa η liczba generowanych nośników przypadająca na liczbę padających fotonów Zależność przerwy od T Ekscyton w 3D funkcja falowa elektronu i dziury obejmuje wiele stałych sieci kryształu w języku środka masy wzrost temperatury skutkuje zmniejszeniem przerwy energetycznej

6 Ekscyton w 3D Ekscyton w 3D hamiltonian: równanie Schrödingera takie samo jak dla atomu wodoru: równanie Schrödingera: energie własne funkcja falowa stanu podstawowego energia ruchu środka masy Ekscyton w 3D Studnia kwantowa

7 Heterozłącze Studnia kwantowa typ I typ II typ III Ekscyton w 2D Eksperyment optyczny dla nieskończonych barier dla skończonych barier -) roztwór czy ciało stałe, temperatura -) pomiar dynamiczny lub stacjonarny -) zakres widmowy pobudzenia i emisji -) szybkość zachodzących procesów (czy ps czy s) -)... (rozdzielczość, natężenie światła, liczba obiektów)

8 Absorpcja Fotoluminescencja energia emisji maleje z rosnącą szerokością studni kwantowej Ekscyton w 2D Ekscyton w 2D

9 Wielostudnia kwantowa Sueprsieć (wielo)studnia kwantowa (multiple) quantum well supersieć superlattice Co to jest kropka kwantowa Materiał objętościowy materiał objętościowy spektrum ciągłe

10 Studnia kwantowa Drut kwantowy studnia kwantowa kwantowanie energii w kierunku prostopadłym do płaszczyzny studni drut kwantowy kwantowanie energii w dwóch kierunkach przestrzennych Kropka kwantowa kropka kwantowa kwantowanie energii we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych: dyskretne poziomy energetyczne