Введение. Квантово-размерные структуры

Задание

- принципы и условия наблюдения квантово-размерного квантования;

- квантово-размерные структуры в приборах микро- и наноэлектронике.

 

Введение. Квантово-размерные структуры

Последние три десятилетия развития физики твердого тела характеризуются тем, что основными объектами исследования все в большей степени становятся не массивные кристаллы, а тонкие пленки, многослойные тонкопленочные системы, проводящие нити и кристаллиты малого размера.

То обстоятельство, что квантово-размерные структуры находятся в центре внимания именно сейчас, вызвано интенсивным развитием в последние годы технологии изготовления полупроводниковых структур – молекулярно-лучевой эпитаксии (представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума), нанолитографии (метод получения одно- и нуль-мерных структур, позволяющий вырезать области, ограниченные по одному или двум направлениям, используя в качестве исходного объекта структуру с двумерным электронным газом), открытием явления самоорганизации наноструктур (методы получения с использованием эффектов спонтанного образования наноструктур). Это дает возможность создания такого рода структур любого профиля с точностью до одного атомного слоя. Весь комплекс явлений, обычно понимаемый под словами «электронные свойства низкоразмерных электронных систем», и многочисленные новые типы электронных приборов, использующих эти свойства, - все это имеет в основе один фундаментальный физический факт: изменение энергетического спектра электронов и дырок в структурах с очень малыми размерами. В таких системах существенно меняется большинство электронных свойств - возникает большое число новых, так называемых размерных эффектов.

Наиболее кардинальной перестройкой свойств отличаются квантовые размерные структуры, в которых свободные носители заряда локализованы в одном, двух или во всех трех координатных направлениях в области с размерами порядка дебройлевской длины волны носителей. При этом вступают в силу законы квантовой механики, и происходит изменение наиболее фундаментальной характеристики электронной системы – ее энергетического спектра. Спектр становится дискретным вдоль координаты, по которой ограничено движение. Если движение ограничено вдоль одного или двух направлений, то под влиянием внешних полей и взаимодействий с центрами рассеяния (фононы, примеси) могут меняться уже не три, а лишь две или только одна из компонент импульса электронов и дырок, в результате чего носители ведут себя как двумерный или одномерный газ.

Квантовые структуры, в которых движение носителей ограничено во всех трех направлениях, напоминают искусственные атомы. Здесь энергетический спектр является чисто дискретным. Квантово-размерные структуры обладают целой совокупностью уникальных свойств, весьма далеких от тех, какие можно наблюдать в системе обычных, трехмерных электронов и дырок.

Такие структуры могут служить основой для создания новых типов полупроводниковых приборов, в первую очередь для опто- и наноэлектроники.

 

 

Применение квантово-размерных структур в приборах микро- и наноэлектроники

 

Лавинные фотодиоды

 

Лавинные фотодиоды представляют собой фоточувствительные приборы с внутренним усилением, позволяющие получить высокую чувствительность. Основным их недостатком является то, что с лавинным умножением связан дополнительный шум, ограничивающий возможность детектирования слабых сигналов. Давно установлено, что для получения низкого уровня шума при большом внутреннем усилении необходимо, чтобы коэффициенты ударной ионизации электронов α и дырок β резко различались между собой.

В большинстве соединений А^IIIВ^V α / β 1, что приводит к возрастанию шума при умножении. Поэтому большое практическое значение имеют методы, позволяющие в указанных материалах увеличить α / β. Одним из способов сделать это является создание структур типа сверхрешеток, использующих явление ударной ионизации на разрыве энергетических зон. Рассмотрим зонную диаграмму сверхрешеточной структуры в сильном электрическом поле обратно-смещенного р-i-n –диода (рисунок 5).

 

Рисунок 5 - Схема лавинного фотодиода с системой квантовых ям

 

Пусть имеем горячий электрон, ускоряющийся в барьерном слое широкозонного полупроводника. Влетая в узкозонный слой, он резко увеличивает энергию на величину разрыва зоны проводимости Δ E_c. Это эквивалентно тому, что он «видит» энергию ионизации, уменьшенной на Δ E_c по сравнению с пороговой энергией в массивном узкозонном полупроводнике. Так как коэффициент ударной ионизации α с уменьшением пороговой энергии экспоненциально растет, следует ожидать резкого увеличения эффективного значения α. В следующем барьерном слое пороговая энергия увеличивается на Δ E_c, уменьшая тем самым α в этом слое. Но так как α ₁<< α ₂ (1 и 2 относятся соответственно к широкозонному и узкозонному материалам), то экспоненциальный рост α ₂ приводит к тому, что и среднее значение значительно увеличивается.

Если разрывы в валентной зоне Δ E_v значительно меньше разрывов в зоне проводимости, то подобный эффект для дырочного коэффициента β будет значительно меньше. Окончательным результатом будет сильное увеличение отношения α / β, что и приводит к уменьшению шума прибора без уменьшения чувствительности.

 

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены квантово-размерные структуры, принципы и условия их наблюдения, структуры с одномерным и двумерным электронным газом.

Было рассмотрено применение квантово-размерных структур в приборах микро- и наноэлектроники, а именно в:

- лазерах с квантовыми ямами и точками;

- лавинных фотодиодах;

- резонансных туннельных диодах;

- фотоприёмниках на квантовых ямах.

 

 

Список используемой литературы:

 

1. Ч.Пулл – мл., Ф.Оуэнс Мир материалов и технологий, Москва.: Техносфера, 2006. – 336 с.

2. Парфенов В.В., Закиров Р.Х., Болтакова Н.В. Физика полупроводниковых приборов: Методич. пособие к практикуму по физике твердого тела. Казань: Изд-во КГУ, 2004. – 54с.

3. Щука А.А. Наноэлектроника, М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. – 342с.

 

Задание

- принципы и условия наблюдения квантово-размерного квантования;

- квантово-размерные структуры в приборах микро- и наноэлектронике.

 

Введение. Квантово-размерные структуры

Последние три десятилетия развития физики твердого тела характеризуются тем, что основными объектами исследования все в большей степени становятся не массивные кристаллы, а тонкие пленки, многослойные тонкопленочные системы, проводящие нити и кристаллиты малого размера.

То обстоятельство, что квантово-размерные структуры находятся в центре внимания именно сейчас, вызвано интенсивным развитием в последние годы технологии изготовления полупроводниковых структур – молекулярно-лучевой эпитаксии (представляет собой усовершенствованную разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума), нанолитографии (метод получения одно- и нуль-мерных структур, позволяющий вырезать области, ограниченные по одному или двум направлениям, используя в качестве исходного объекта структуру с двумерным электронным газом), открытием явления самоорганизации наноструктур (методы получения с использованием эффектов спонтанного образования наноструктур). Это дает возможность создания такого рода структур любого профиля с точностью до одного атомного слоя. Весь комплекс явлений, обычно понимаемый под словами «электронные свойства низкоразмерных электронных систем», и многочисленные новые типы электронных приборов, использующих эти свойства, - все это имеет в основе один фундаментальный физический факт: изменение энергетического спектра электронов и дырок в структурах с очень малыми размерами. В таких системах существенно меняется большинство электронных свойств - возникает большое число новых, так называемых размерных эффектов.

Наиболее кардинальной перестройкой свойств отличаются квантовые размерные структуры, в которых свободные носители заряда локализованы в одном, двух или во всех трех координатных направлениях в области с размерами порядка дебройлевской длины волны носителей. При этом вступают в силу законы квантовой механики, и происходит изменение наиболее фундаментальной характеристики электронной системы – ее энергетического спектра. Спектр становится дискретным вдоль координаты, по которой ограничено движение. Если движение ограничено вдоль одного или двух направлений, то под влиянием внешних полей и взаимодействий с центрами рассеяния (фононы, примеси) могут меняться уже не три, а лишь две или только одна из компонент импульса электронов и дырок, в результате чего носители ведут себя как двумерный или одномерный газ.

Квантовые структуры, в которых движение носителей ограничено во всех трех направлениях, напоминают искусственные атомы. Здесь энергетический спектр является чисто дискретным. Квантово-размерные структуры обладают целой совокупностью уникальных свойств, весьма далеких от тех, какие можно наблюдать в системе обычных, трехмерных электронов и дырок.

Такие структуры могут служить основой для создания новых типов полупроводниковых приборов, в первую очередь для опто- и наноэлектроники.