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《复旦大学》 2007年
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低维半导体体系导纳谱的研究

李汐  
【摘要】: 导纳谱作为一种强有力的电学测试手段,在研究限制体系的能级结构,激活能,以及不同材料间的带阶等方面起着重要的作用。但是,对于导纳谱总是缺少系统的理论阐述和详细的研究。本论文主要针对半导体中量子阱以及量子点结构的导纳谱进行理论模型的构建和相关实验的研究,以及对磁场存在的情况进行理论探讨。 所谓导纳谱主要指测量样品的导纳随温度变化的谱图。对于材料的电导来说,都可以归结于多种散射机制对载流子输运性质的影响的结果。根据稳态情况下量子限制层中发射和俘获载流子的平衡关系,可以在弱场近似下推导出体系的交流电导电容的表达形式。据此表达式,可以建立样品导纳和量子限制体系中载流子中的发射率和俘获率的关系。 对于发射率和俘获率的计算,主要考虑在粒子数守恒下,采用半经典的玻尔兹曼输运方程描述粒子输运的过程。在粒子从束缚态,跃迁到限制外的连续态过程中,有各种各样的影响因素。把这些影响因素作为微扰,利用费米黄金定则,计算出跃迁率中的矩阵元,进而考虑粒子的所有初末状态,积分得到发射率和俘获率,从而可以计算出样品的电导。计算中,对于载流子和声子考虑其统计分布,其中分布函数里包含温度项,从而可以得到电导随温度的变化,即可模拟出导纳谱来。 对于纳米结构的材料来说,往往存在由尺寸引起的量子限制作用。无论是量子阱,量子线,量子环或是量子点不同形状或维度的限制,或者是由于材料不同引起的限制势的差异,或者考虑电场或磁场等外场的存在,这些因素最终都会反映在描述载流子所处的状态的能级以及波函数上面。因此,对于不同的纳米材料和不同量子体系,该模型需要调整的只是采用不同的载流子限制势,以及考虑不同的散射机制。因此,该模型具有非常广泛的适用性。 在本论文中主要讨论的是锗硅等Ⅳ族材料。由于该体系属于非极性半导体,没有极性电荷的影响,晶格振动模式中声学支对载流子输运起到主要作用,因此在模拟中我们主要考虑声学声子的影响。对于量子阱体系,主要采用有限深势阱模型,结合一定的材料参数,给出不同强度的限制势,然后进行讨论计算。对于量子点体系,本文采用谐振子模型进行能级波函数计算,进而得到不同大小尺量子点的导纳谱,并与实验结果作了详细的分析对照。 最后根据该理论模型,本文提出一种新的分析量子点内限制势强度的方法。根据导纳谱得到量子点内激发态上的由库仑荷电引起的能级偏移,可以间接测得量子点垂直于生长方向的束缚强度。其结果很好地从实验和理论上得到了验证。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O471

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