Диссертация (Обменное взаимодействие и коллективные свойства экситонов в наносистемах EuO-SrO), страница 16

Тогда из формулы (5.42) поучимE1  14 ,62 мэВ и E14  15,38 мэВ. Таким образом, максимальное уширениеэкситонного спектра из-за косвенного обмена в ферромагнитном слое EuO составляет E  30 мэВ [39].В нашем случае отличительной особенностью стационарной кинетической модели будет дополнительный член, который отражает туннелированиеэкситонных электронов в соседнюю магнитную яму в молекулярном поле108H эф  1Тл за время t. Выбор его даст качественное описание этого процесса, ауравнение для кинетической модели следует записать так:dn n nn E  n NГ exp ,dtt p tc p tc p KT  t(5.43)где E  g ex  B H эф , g ex  2 ; n и n - населенности состояний на нижнем (  ,I  3 ) и верхнем (   , I  1 ) уровнях; N Г - скорость генерации экситонныхэлектронов на нижнем уровне, E - зеемановское расщепление состояний экситона, t c  p - время спиновой релаксации, t p  100 пс . Вероятность туннелирования экситонного электрона «через» локализованные состояния барьера SrOопределяется формулой Брейта-ВигнераГ2T рез (   0 ) ,(   0 ) 2  Г 2где(5.44) 0 - энергия локализованных состояний, Г – ширина уровня в барьере (еготолщина d).

Г зависит от d и радиуса примесного состояния а 0Г  exp( d).a0(5.45)Если выбрать t с минимумом для H эф  1Тл , то получим кривую Лоренца1Г2,t (   0 ) 2  Г 2где Г  0,075(5.46)В силу феноменологического характера кинетической модели, используемые при анализе параметры, например, t, носят иллюстративный характер.Определение t требует экспериментальной проверки [45].Анализ коллективных свойств ортоэкситонов продолжается и при теоретическом изучении их возможности туннелирования в наносистемах EuO – SrO– EuO при различном стехиометрическом составе.

Показано, что туннелирование могут совершать только экситонные электроны, а экситонные дырки h из-за109узости 4 f 7 - зон, а значит большой массе h, не могут преодолеть соответствующие барьеры.Подробный анализ туннелирования экситонных электронов e дан в кинетической модели, где отражено влияние на туннелирование e состава интерфейса, энергетической и спиновой релаксации и дано примерное время туннелирования e и рекомбинации e – h [124].110ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕВ современной науке значимость исследований в физике твердого телаи физике полупроводников, связанное с переносом спина электрона, основывается, с разработки и создания квантовой одноэлектронной логическойструктуры и спин-информационных систем, в которой информационнойячейкой памяти служит спин электрона (1 бит информации это один спинэлектрона).

В этом случае могут быть достигнуты предельные возможностимагнитной записи информации [128].Новые возможности в твердотельной электронике открывает спиновыйтокоперенос. Например, наблюдение спин-поляризованной люминесценциии создание высокочастотного диода, выходные характеристики которогоспособны регулировать внешним магнитным полем. С этим же связываетсясоздание основ нового поколения узкополосных устройств твердотельнойспиновой электроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов— генераторов, усилителей, приемников, фильтров и других, модулируемых и перестраиваемых по частоте магнитным полем и управляемых током.На этом пути возможно освоение и создание указанных диапазонов спектроскопии твердого тела, а также создание лазера в данном диапазоне длинволн, что также пока недоступно для существующих гетероструктур [128]. Полевой транзистрВ спиновой электронике при обработке информации используют не только заряд электрона, но и его спин.

Физическим явлением, на котором базируется спинтроника, является спин-зависимый транспорт электронов. Примеромэтого могут служить эффект гигантского магнитосопротивления и магнитосопротивление туннельных переходов. Спинтронные приборы, основанные наэффекте спиновой инжекции, позволяют перерабатывать информацию в спиновые степени свободы. К таким приборам следует отнести и спиновые транзисторы [123].111Обычный полевой транзистор на полупроводниках обладает очень большим входным сопротивлением и быстродействием, которое определяется шириной затвора и скоростью электронов в канале. Такие транзисторы используются в схемах в качестве элементов усилителей, генераторов и переключателейустройств.

Коэффициент усиления транзистора определяется крутизной S и сопротивлением нагрузки. При изменении напряжения на затворе U g выходнойток транзистора в цепи исток-сток меняется на I  SU g . При S  102 сим коэффициент усиления по напряжению на полевом транзисторе составляет 10-103.Усиление возникает за счет того, что напряжение между затвором и пластинкойполупроводника изменяет концентрацию электронов.Рассмотрим основные характеристики полевого транзистора (ПТ), nканалом которого является сверхрешетка SrO-EuO на толстой подложке из SrO.Пусть эта сверхрешетка получена методом молекулярно-лучевой эпитаксии.Тогда при подаче на затвор положительного напряжения U g в n-канале существенно возрастет концентрация электронов путем туннелирования через тонкиеслои SrO.

При этом в слоях EuO ток I от источника U 0 будет существенно увеличиваться, т.е. ток I, текущий вдоль полупроводниковой пластины (сверхрешетки SrO-EuO), управляется перпендикулярным току электрическим полем(Рис.1).Так как одним из важных достоинств полевого транзистора является еговысокое входное сопротивление, то сразу под затвором находится барьерныйслой SrO сверхрешетки SrO-EuO, где роль квантовых ям выполняют слои EuO.Они же инжектируют в n-канал при знаке «плюс» на затворе электроны, концентрация которых, благодаря 4f-уровням в запрещенной зоне, достигает 1026м3[3].

При температуре ниже точки Кюри (  70 K) в этих слоях действует обменное взаимодействие, которое ориентирует спины туннелирующих электроновoчерез тонкие барьеры SrO (  10 A ) в одном направлении. В таком случае всеслои EuO в сверхрешетке будут намагничены обменным взаимодействием сонаправленно и ток I увеличивается во много раз [123].112Рис.1.Конструкция полевого транзистора с n-каналом из сверхрешетки SrOEuO.

Толстая подложка изготовлена из SrOВ ПТ изменение выходного тока I достигается изменением напряженияна затворе U g . Их отношение является крутизнойSI.U g(1)Чем больше S, тем большим оказывается коэффициент усиления ПТ. В нашемслучае вольтамперная характеристика ПТ выглядит следующим образом (Рис.2)Рис.2.113Вольтамперная характеристика ПТКрутизна транзистора SU g  U g1при переходе из режима U g  0 к режимуравняется:SeNBd0I,U g3L(2)где е - заряд электрона,  - подвижность, N – число электронов в n-канале, В –длина затвора, d 0 - ширина n-канала (суммарная толщина проводящих слоевEuO сверхрешетки SrO-EuO) и L – ширина затвора.

Из формулы (2) видно, чтоS тем больше, чем меньше ширина затвора L u чем выше подвижность электронов  в n – канале ПТ [125].Максимальные скорости движения электронов под действием сильногополя Е, приложенного параллельно плоскости гетерограницы SrO-EuO, приT<70 K составляют 3  107 см/с. С помощью современной фотолитографии можно изготавливать ПТ с длиной и шириной затвора в десятые доли микрометра,подвижность электронов в которых составляет   10 6 см2/в  с.

Таким образом,максимальное значение крутизны в рассматриваемом полевомтранзистореможет достигать  8  102 мсм/мм. В таком транзисторе минимально возможноевремя установления  определяется временем движения электронов от истокадо стока   L / v . При соответствующих значениях L и v, указанных выше, этовремя составляет   5 пс. Значит такие ПТ обладают наибольшим быстродействием [125]. Спиновый светодиодВ принципе прямосмещённый p-n переход является светодиодом.

Светможет рождаться при протекании прямого тока через p-n переход. Например,электроны, попавшие из эмиттера в базу излучательно рекомбинируют, т. е. срождением фотонов.Однако для созданияпрактически пригодного светодиода требуютсяспециальные полупроводники. Первое требование к ним состоит в том, чтобы114большая часть электронов рекомбинировала излучательно. Например, Si и Geэтому требованию не удовлетворяет, т. к. большая часть электронов рекомбинирует в них безизлучательно, а в арсениде галлия вероятность излучательнойрекомбинации стремится к единице.

Длина волны излучаемого света (цвет) определяется энергией фотонов Еф. Обычно эта энергия близка к ширине запрещённой зоне полупроводника Еg, которая у светодиода из арсенида галлия, равна Еg = 1,4 Эв [127]. В этом случае длина волны излучения будет равнас 1,24 / 1,4  0,89Egмкм (инфракрасный спектр).(3)Примесь фосфора в арсенид галлия увеличивает ширину запрещенной зоны дозначения Еg = 2,26 эВ.

Такой светодиод излучает уже красный свет Еф = 1,9 эВ.Но изготовление светодиодов таким методом не позволяет получить зеленый ижелтый свет, т.к. энергия квантов для них меньше, чем значение ширины запрещенной зоны. Это связанно с резким уменьшением вероятности излученнойрекомбинации и светодиоды становятся малоэффективными.В настоящее время при создании светодиодов разного «цвета» используют большой набор полупроводников: GaP, GaAsP и т. д. Светодиоды всех основных цветов (красного, синего, зеленого) можно получить на основе карбоната кремния SiC [126].В данной работе предлагается использование при создании светодиодаферромагнитных полупроводников EuS и EuO.