Mô phỏng Monte carlo bộ phát Terahertz dựa trên hiệu ứng Dember quang

Bài viết mô phỏng Monte carlo bộ phát Terahertz dựa trên hiệu ứng Dember quang trình bày: Mô phỏng bộ phát TeraHertz dựa trên hiệu ứng Dember quang được kích thích bởi nguồn laser quang sợi bằng phương pháp mô phỏng Monter Carlo tập hợp tự hợp. Các kết quả chỉ ra rằng, điện tử chủ yếu chuyển động theo phương X,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng Monte carlo bộ phát Terahertz dựa trên hiệu ứng Dember quangMÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZDỰA TRÊN HIỆU ỨNG DEMBER QUANGNGUYỄN VĂN NINH - ĐINH NHƯ THẢOTrường Đại học Sư phạm - Đại học HuếTóm tắt: Bài báo trình bày mô phỏng bộ phát TeraHertz dựa trên hiệu ứngDember quang được kích thích bởi nguồn laser quang sợi bằng phương phápmô phỏng Monter Carlo tập hợp tự hợp. Các kết quả chỉ ra rằng, điện tử chủyếu chuyển động theo phương x. Ngoài ra, bán dẫn InGaAs pha tạp loại pbức xạ Terahertz hiệu quả hơn bán dẫn loại n ở cùng năng lượng laser kíchthích.1. GIỚI THIỆUCùng với sự phát triển của máy tính thì chương trình mô phỏng vận chuyển bức xạ ngàycàng được sử dụng rộng rãi. Năm 2006, K. Liu mô đã phỏng bức xạ TeraHertz phát ratừ các loại bán dẫn InAs khác nhau sử dụng mô hình trôi dạt khuếch tán [1]. Tuy vậy,mô hình này vẫn chưa đủ mạnh để mô phỏng bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bándẫn. Năm 2011, G. Klatt cùng các cộng sự công bố công trình nghiên cứu thực nghiệmbức xạ TeraHertz phát ra từ một lớp mỏng InGaAs loại n và p dưới ảnh hưởng của hiệuứng Dember quang được kích thích bởi nguồn laser quang sợi [2]. Kết quả cho thấyrằng bộ phát TeraHertz dựa trên hiệu ứng Dember quang [3] không cần phải có điện thếbên ngoài. Các kết quả thực nghiệm có thể kiểm chứng thông qua phương pháp có tínhchính xác và tính ổn định như phương pháp Monte Carlo tập hợp tự hợp. Đây là phươngpháp bán cổ điển với tốc độ tán xạ được tính toán dựa trên qui tắc vàng Fermi [3], việckhảo sát động lực học của hạt tải dựa trên các phương trình động học của Newton. Bởivậy, phương pháp Monte Carlo đã được nhóm các tác giả [4], [5] áp dụng vào môphỏng bài toán động học hạt tải trong các linh kiện nano bán dẫn, kết quả thu được đãgiải thích tường minh bức tranh vật lý bên cạnh các kết quả thực nghiệm. Tuy vậy, cáccông trình trên chỉ mô phỏng linh kiện bán dẫn một chiều. Trong bài báo này tôi thựchiện mô phỏng ba chiều Monter Carlo bộ phát TeraHertz dựa trên hiệu ứng Demberquang bởi nguồn laser quang sợi.2. MÔ HÌNH LINH KIỆNQuá trình mô phỏng được thực hiện trên bán dẫn InGaAs, các điện tử và lỗ trống đượckích thích bởi nguồn laser quang sợi pha trộn Erbium. Nguồn laser phát ra bước sóngdài 1,55 µm và 0,78 µm ứng với mức năng lượng lần lượt là 0,8 eV và 1.57 eV và chiềudài xung là 20 fs. Nguồn bức xạ tương ứng với mật độ kích thích quang là 1,25×1017cm-3. Khi phát bộ TeraHertz dựa trên hiệu ứng Dember quang không cần phải có điệnthế bên ngoài. Các tham số vật liệu của InGaAs sử dụng trong quá trình mô phỏng đượccho ở Bảng 1.Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm HuếISSN 1859-1612, Số 04(24)/2012: tr. 35-3936NGUYỄN VĂN NINH – ĐINH NHƯ THẢOBảng 1. Các tham số vật liệu bán dẫn InGaAs ở 300 KĐại lượngMật độ khối lượngHằng số điện môi tĩnhHằng số điện môi với tần sốcaoVận tốc truyền sóng âmKhối lượng hiệu dụng củađiện tử trong các thung lungGiá trị5500 kg/m313.9ε0 F/m11.6ε0 F/m3240 m/sm*eL=0.041m0m*eX = 0.290m0m*eΓ = 0.680m0Đại lượngNăng lượng phononquang dọcNăng lượng phononquang ngangKhối lượng hiệu dụngcủa lỗ trống nặngThế biến dạng phonon âmThế biến dạng phononquangĐộ rộng khe năng lượngGiá trị0.03681 eV0.0332 eVm*h=0.450m05.3 eV1×1011 eV0.74 eVTa khảo sát bộ phát TeraHertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InGaAs loại n và loại p bằngcách pha tạp nồng độ hạt tải tương ứng là 5×1017 cm-3 và 1×1017 cm-3. Với mô hìnhlinh kiện InGaAs thì chúng ta chọn kích thước ô lưới ∆x = ∆y = ∆z = 50×10-10 m. Bướcthời gian cho quá trình mô phỏng ∆t = 0.5 fs.3. KẾT QUẢ THẢO LUẬNHình 1. Đồ thị vận tốc điện tử trong bán dẫnInGaAs loại n với xung laser kích thích tại 1.57 eV Hình 2. Đồ thị vận tốc điện tử trong bán dẫnInGaAs loại p với xung laser kích thích tại 1.57 eV Hình 1 và Hình 2 mô tả vận tốc trôi dạt của điện tử theo thời gian theo phương x, y, z vàvận tốc toàn phần lần lượt của bán dẫn loại n và loại p (chiều x là chiều chiếu tia laserkích thích, chiều y, z vuông góc với chiều laser kích thích sao cho x, y, z tạo thành mộttam diện thuận). Nhìn trên đồ thị ta thấy, các điện tử trôi dạt theo phương x có độ biếnthiên nhanh và có đóng góp chủ yếu vào chuyển động trôi dạt toàn phần. Các điện tửchuyển động theo phương y và z biến thiên chậm hơn rất nhiều so với phương x. Bởikhi chiếu laser theo phương x và vuông góc với bề mặt bán dẫn thì các hạt tải nhận đượcnăng lượng kích thích từ xung laser và chuyển động chủ yếu theo phương x. Các hạt tảinhận được năng lượng kích thích của laser nên vận tốc của điện tử tăng nhanh đến mộtgiá trị nào đó thì không tăng nữa và giảm dần. Điều này có thể hiểu là do xung laser MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ…37 kích thích trong một thời gian ngắn và các điện tử bị tán xạ bởi các cơ chế khác nhaunên có sự mất mát năng lượng trong quá trình chuyển động nên vận tốc đến một giá trịnào đó thì không tăng nữa. Tuy nhiên kết quả mô phỏn ...