Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski 13-12-2013



Podobne dokumenty
Wykład IV. Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Elektryczne własności ciał stałych

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Wykład IV. Dioda elektroluminescencyjna Laser półprzewodnikowy

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Rozszczepienie poziomów atomowych

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Półprzewodniki samoistne. Struktura krystaliczna

METALE. Cu Ag Au

Wprowadzenie do ekscytonów

Wprowadzenie do struktur niskowymiarowych

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

Nanostruktury i nanotechnologie

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Krawędź absorpcji podstawowej

Model elektronów swobodnych w metalu

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Teoria pasmowa ciał stałych

Elektryczne własności ciał stałych

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Przyrządy półprzewodnikowe

Struktura pasmowa ciał stałych

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Półprzewodniki. Półprzewodniki

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

W1. Właściwości elektryczne ciał stałych

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Absorpcja związana z defektami kryształu

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Modele kp Studnia kwantowa

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

2. Półprzewodniki. Istnieje duża jakościowa różnica między właściwościami elektrofizycznymi półprzewodników, przewodników i dielektryków.

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Przejścia optyczne w strukturach niskowymiarowych

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Ćwiczenie Badanie zależności temperaturowej oporu elektrycznego metalu i półprzewodnika

Przerwa energetyczna w germanie

Złącze p-n: dioda. Przewodnictwo półprzewodników. Dioda: element nieliniowy

Przejścia promieniste

Elektryczne własności ciał stałych

3.4 Badanie charakterystyk tranzystora(e17)

Badanie charakterystyki diody

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Przyrządy i układy półprzewodnikowe

Repeta z wykładu nr 4. Detekcja światła. Dygresja. Plan na dzisiaj

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II dla EiT oraz E, lato

Piotr Targowski i Bernard Ziętek LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Klasyczny efekt Halla

VI. POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORNOŚCI METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

E3. Badanie temperaturowej zależności oporu elektrycznego ciał stałych 1/5

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Modele kp wprowadzenie

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

F = e(v B) (2) F = evb (3)

W5. Rozkład Boltzmanna

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

POMIAR ZALEŻNOŚCI OPORU METALI I PÓŁPRZEWODNIKÓW OD TEMPERATURY

Ćwiczenie 5 BADANIE ZALEŻNOŚCI PRZEWODNICTWA ELEKTRYCZNEGO PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY 1.WIADOMOŚCI OGÓLNE

Badanie emiterów promieniowania optycznego

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Fizyka II, lato

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Wykład V Złącze P-N 1

Ryszard J. Barczyński, 2012 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Kwantowa natura promieniowania

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

ZADANIE Co się dzieje z elektronami w atomie, a co w krysztale?

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

P R A C O W N I A

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO 57 METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

Elementy elektroniczne Wykłady 3: Półprzewodniki. Teoria złącza PN

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

V. Fotodioda i diody LED

2. Elektrony i dziury w półprzewodnikach

ZALEŻNOŚĆ OPORU ELEKTRYCZNEGO METALU I PÓŁPRZEWODNIKA OD TEMPERATURY

Termodynamiczny opis układu

Transkrypt:

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 Projekt polega na wyznaczeniu charakterystyk gęstości stanów nośników ładunku elektrycznego w obszarze aktywnym lasera półprzewodnikowego GaAs. Wyprowadzenie wzoru na gęstość stanów W celu wyznaczenia wzoru na gęstości stanów ograniczmy rozważania do sześcianu o boku L. Warunki na powstanie fali stojącej w sześcianie narzucają skwantowane wartości wektora falowego k : = k x n x Lx gdzie n x to dowolna dodatnia liczba naturalna. W przestrzeni wektora falowego wszystkie możliwe stany zajmują objętość sfery o promieniu równym długości wektora falowego, czyli V całkowita = 4. Skoro wektor π falowy k ma skwantowane wartości, a każdy kwant ma wymiar to najmniejsza L możliwa objętość - przypadająca na jeden stan - to objętość sześcianu o boku V stanu V całkowita π, czyli L. Aby uzyskać całkowitą liczbę stanów należałoby podzielić przez V stanu, przy czym w V całkowita uwzględniamy tylko tą sfery w której wszystkie składowe 8 wektora k przymują dodatnie wartości oraz przez pomnożenie przez uwzględniamy spin elektronu: k 8 4 N k L k Człon w powyższym równaniu ma sens gęstości stanów, a L to objętość π półprzewodnika. Aby policzyć gęstość stanów w przestrzeni energii należy wykorzystać fakt, że gęstość stanów to różniczka liczby stanów i wyliczyć ją według następującego przepisu: ρ (E) = dn = dn. Najpierw obliczamy pierwszy człon przepisu de dk dk de dn = d k = k, podstawiamy k=, które wzięło się z zależnosci m e E dk dk π dyspersyjnej E(k) = k aby otrzymać w rezultacie m ef Page of 6

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 dn m e E = E m e. Potem obliczamy drugi człon przepisu dk dk = =. Wymnażając obydwa człony ze sobą de d de m e E m e E m e otrzymujemy wzór na gęstość stanów w półprzewodniku objętościowym: ρ (E) = m e E =. m e E m e m e E π Page of 6

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 Obliczenia charakterystyk gęstości stanów dla wykresów Niniejszy projekt w całości został napisany w programie Mathcad. Program ten umożliwia wykonywanie obliczeń numerycznych i symbolicznych na wzorach matematycznych zapisanych językiem naturalnym oraz rysowanie wykresów na podstawie tychże wzorów. Napiszę, więc wzory na gęstości stanów, a program Mathcad sam wyliczy charakterystyki gęstości stanów dla określonych parametrów materiału półprzewodnika objętościowego. Jednostki i stałe, które w programie Mathcad trzeba zadeklarować: k B.60 0 9 <- elektronowolt 9.095 0 <- masa elektronu.8 0 <- stała Boltzmana Właściwości materiału półprzewodnikowego (GaAs): 0.067 <- masa efektywna elektronów 0.55 <- masa efektywna dziur E g.4 <- szerokość przerwy zabronionej Obliczenia energetycznego modelu pasmowego półprzewodnika: 0 E v E g <- dolna krawędź pasma przewodnictwa <- górna krawędź pasma walencyjnego Dodatkowe założenia: E fn E fp E v T 00 <- energia Fermiego dla elektronów na krawedzi pasma przewodnictwa <- energia Fermiego dla dziur na krawedzi pasma walencyjnego <- temperatura pokojowa Obliczenia gęstości stanów elektronowych w paśmie przewodzenia: ρ c (E) E Page of 6

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 Obliczenia gęstości stanów dziurowych w paśmie walencyjnym: ρ v (E) E v E Obliczenia rozkładu prawdopodobieństwa Fermiego dla elektronów i dziur: f c (E) exp E E fn + T k B f v (E) exp E E fp + T k B Obliczenia ważonej gęstości stanów elektronowych w paśmie przewodzenia: ρ cw (E) ρ c (E) f c (E) Obliczenia ważonej gęstości stanów dziurowych w paśmie walencyjnym: ρ vw (E) ρ v (E) f v (E) Zakresy energii dla wykresów: E 0, 0.0 0. E.8,.79. Wykresy charakterystyk gęstości stanów Na poniższym wykresie wykreślamy gęstość stanów (niebieska linia), funkcję Fermiego- Diraca (linia czarna przerywana) i ważoną gęstość stanów (linia czerwona) dla elektronów w funkcji energii: 0.65 0.585 0.5 0.455 0.9 0.5 0.6 0.95 0. 0.065 0 0 0.0 0.06 0.09 0. 0.5 0.8 0. 0.4 0.7 0. 0 0 ρ c E f c E 0 ρ cw E 0 E ( ) Page 4 of 6

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 Na poniższym wykresie wykreślamy gęstość stanów (niebieska linia), funkcję Fermiego- Diraca (linia czarna przerywana) i ważoną gęstość stanów (linia czerwona) dla dziur w funkcji energii:.8 0.65 0.5 0.5 0. 0.05 0 9 7.5 6 4.5.5 0 ρ v E 0 f v E 0 ρ vw E 0 -.8 -.75 -.7 -.65 -.6 -.55 -.5 -.45 -.4 -.5 -. 0 E ( ) Przydatność charakterystyk gęstości nośników i stanów Pole pod ważoną gęstością stanów nośników (pole pod czerwoną krzywą na wykresach) odpowiada obsadzeniu stanów przez te nośniki w poszczególnych pasmach. Można obliczyć to pole dla elektronów w pasmie przewodzenia oraz dla dziur w pasmie walencyjnym jak pokazano poniżej. Koncentracja elektronów w pasmie przewodzenia: n + 0. E d exp E E E fn + k B T n =.8 0 0 Koncentracja dziur w pasmie walencyjnym: p.8 E v E v E d exp E E fp + k B T E p = 7.88 0 Page 5 of 6

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski --0 Jeśli znamy gęstość elektronów i dziur w pasmach, to możemy wyznaczyć różnicę liczby (na jednostkę czasu i objętości) przejść wymuszonych elektronów z pasma przewodnictwa i absorbcyjnych elektronów z pasma walencyjnego, jeśli tylko znamy prawdopodobieństwa tych procesów. Jeśli ta różnica będzie dodatnia, wtedy ośrodek będzie wzmacniał, jeśli nie będzie absorbował. Gęstości stanów mogą posłużyć do wyznaczenia współczynnika wzmocnienia ośrodka aktywnego. Bibliografia: Bernard Ziętek Lasery Wydanie II Wydawnictwo Naukowe UMK Toruń 009 http://users.ece.gatech.edu/~alan/ece645/lectures/studentlectures/ King_Notes_Density_of_States_DD0D.pdf (dostęp 06--0) Page 6 of 6