Sự hình thành thế chắn trong chất bán dẫn ba chiều (3D) và hai chiều (2D)

Bài báo này sử dụng phương pháp hàm Green để dẫn ra các phương trình động học lượng tử mô tả chất bán dẫn bị kích thích với xung laser cực ngắn. Trong đó, mối quan tâm ở đây là sự hình thành thế chắn trong quang bán dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sự hình thành thế chắn trong chất bán dẫn ba chiều (3D) và hai chiều (2D)Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 6 – 10An Giang UniversitySỰ HÌNH THÀNH THẾ CHẮN TRONG CHẤT BÁN DẪN BA CHIỀU (3D) VÀ HAI CHIỀU(2D)Đinh Nguyễn Trọng Nghĩa11ThS. Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí MinhThông tin chung:Ngày nhận bài: 21/04/14Ngày nhận kết quả bình duyệt:27/08/14Ngày chấp nhận đăng:22/10/14Title:The formation of screenedpotential in three-dimensional(3D) and two-dimentional (2D)GaAS semiconductorTừ khóa:Nonequilibrium greenfunction, quantum kinetics,semiconductors, screenedCoulomb potentialKeywords:Hàm Green không cân bằng,động học lượng tử, chất bándẫn, thế Coulomb chắnABSTRACTWe studied the quantum kinetics of the processes of an electron – hole gas in asemiconductor excited by a femtosecond laser pulse. The nonequilibrium greenfunction method was used with the two-time-dependent RPA screened Coulombpotential. The calculation was performed for GaAs which is a commonsemiconductor. The dependence on wave number and energy of the dielectricfunction was calculated. We found that the screening of Coulomb potential wasformed gradually not instantaneously as in some classical theories.TÓM TẮTChúng tôi nghiên cứu động học lượng tử của các quá trình xảy ra của hệ điện tử- lỗ trống trong chất bán dẫn bị kích thích bởi xung laser cực ngắn cỡ femto giây.Phương pháp được sử dụng ở đây là phương pháp hàm Green không cân bằngvới thế Coulomb chắn phụ thuộc hai thời gian trong gần đúng pha ngẫu nhiên(RPA). Các tính toán được thực hiện cho một chất bán dẫn thông dụng là GaAs.Qua đó tính toán được sự phụ thuộc số sóng và năng lượng của hàm điện môi.Chúng tôi phát hiện ra một hiện tượng thú vị, đó là sự chắn của thế Coulombđược hình thành một cách từ từ chứ không phải tức thời như các quan niệm cổđiển trước đây.1. GIỚI THIỆUvới xung laser cực ngắn ở thang femto giây hay“dưới femto giây”, hệ sẽ trong trạng thái mất cânbằng và sẽ bắt đầu phục hồi về trạng thái cânbằng. Quá trình hệ phục hồi về trạng thái cân bằngcó thể chia thành 3 giai đoạn như sau:Công nghệ laser ngày càng phát triển và việc tạođược các laser có xung cực ngắn (cỡ femto giây)tạo nên thách thức lớn cho các nhà vật lý lý thuyếttrong việc tính toán, mô tả các quá trình, các hiệntượng xảy ra trong thực nghiệm. Trong đó, bàitoán chất bán dẫn bị kích thích bởi xung laser cựcngắn được khá nhiều sự quan tâm. Khi một chấtbán dẫn được kích thích bởi ánh sáng có nănglượng photon có thể so sánh được với độ rộng dảicấm của chất bán dẫn, các electron trong dải hóatrị sẽ nhảy lên các mức năng lượng trên dải dẫn đểlại những lỗ trống trong dải hóa trị. Quá trình hấpthụ ánh sáng tương ứng với sự hình thành các cặpđiện tử - lỗ trống và sự bắt cặp này tạo thànhexciton. Sau khi bị kích thích bằng laser, nhất làTrước hết, tại những thời điểm rất sớm khi mà cáctán xạ chưa xảy ra, trường ánh sáng tạo liên kết“coherent” (hàm sóng của electron và lỗ trống(được kích thích một cách quang học) có pha xácđịnh và vì thế sự chồng chập các hàm sóng này cóthể dẫn đến hiện tượng giao thoa) chặt chẽ giữacác trạng thái ở dải dẫn và dải hóa trị và qua đótạo ra những sự phân cực dao động trong chất bándẫn. Người ta gọi giai đoạn đầu là giai đoạnkhông va chạm hay giai đoạn “coherent”. Những6Journal of Science – 2014, Vol. 4 (3), 6 – 10An Giang Universityhiệu ứng dựa trên tính chất “coherent” lượng tửcủa các hạt mang điện là dao động Bloch, “photonecho”, trộn bốn sóng … (Haug & Koch, 1993).học lượng tử (Quantum kinetics – QK). Có mộtvài phương pháp để mô tả động học lượng tử.Thường gặp nhất là phương pháp sử dụng ma trậnmật độ (Bonitz, Scott, Binder & Koch, 1994) vàphương pháp hàm Green không cân bằng(Gartner, Banyai & Haug, 1999; Haug & Jauho,2007).Trong giai đoạn hai, các quá trình chủ đạo là tánxạ của các hạt mang điện qua thế Coulomb và tánxạ giữa hạt tải và phonon. Các quá trình tán xạnày nhanh chóng phá vỡ tính “coherent” lượng tửcủa các hạt mang điện, đưa các electron và lỗtrống về đáy của dải dẫn hay dải hóa trị. Hệ trở vềtrạng thái giả cân bằng. Xác suất chiếm đóng củacác trạng thái hạt mang điện trong mỗi dải nănglượng được mô tả bởi phân bố Fermi-Dirac. Cáchiệu ứng nhiều hạt đáng quan tâm trong giai đoạnnày là tương tác Coulomb chắn, tương tác hạt tải– phonon và trộn hai tương tác này, … Cũng cầnnhấn mạnh rằng nếu kích thích là trung bình vàyếu tức là nồng độ hạt không cao thì tương tácphonon giữ vai trò chủ đạo. Ngược lại, ở nồng độhạt cao (kích thích mạnh) tương tác giữa các hạtmang điện thông qua thế Coulomb là tương tácchủ yếu.Bài báo này sử dụng phương pháp hàm Green đểdẫn ra các phương trình động học lượng tử mô tảchất bán dẫn bị kích thích với xung laser cựcngắn. Trong đó, mối quan tâm ở đây là sự hìnhthành thế chắn trong quang bán dẫn. Theo các lýthuyết trước đó, thế chắn được hình thành ngay từkhi có thế n ...