Диссертация (1097781), страница 43
Текст из файла (страница 43)
 òàêèõ ñèñòåìàõ ïðè èññëåäîâàíèè îñíîâ-235íûõ çàêîíîìåðíîñòåé ðåëàêñàöèè çàðÿäà ìîæíî íå ó÷èòûâàòü êóëîíîâñêîåâçàèìîäåéñòâèå ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ.1. Ïîêàçàíî, ÷òî ðåëàêñàöèÿ çàðÿäà â êâàíòîâîé òî÷êå, ñâÿçàííîé ñðåçåðâóàðîì, ïðîèñõîäèò ïî çàêîíó, îòëè÷àþùåìóñÿ îò ýêñïîíåíöèàëüíîãî, ïðè ó÷åòå ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ñîñòîÿíèÿõíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà. Ñèñòåìû êâàíòîâûõ òî÷åê ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â êà÷åñòâå ìîäóëåé ïðè ñîçäàíèè îäíîýëåêòðîííûõ êâàíòîâûõíàñîñîâ è òóðíèêåòîâ, à òàêæå âûñîêî÷àñòîòíûõ óñèëèòåëåé. Ïîýòîìó â ïðîöåññå èíòåãðèðîâàíèÿ òî÷åê â ïîëóïðîâîäíèêîâóþ ìàòðèöó,íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ðîëü ñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà â ïðîöåññå ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà.2.
 ñèñòåìå äâóõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê îáíàðóæåíî ñóùåñòâîâàíèå òðåõ êàíàëîâ ðåëàêñàöèè çàðÿäà ñ ðàçëè÷íûìè õàðàêòåðíûìè âåëè÷èíàìè ñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òî âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ çàðÿäîâîé ïëîòíîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèÿìèìåæäó ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû (ïîëîæåíèåì óðîâíåé ýíåðãèè, àìïëèòóäàìè òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ, ñêîðîñòÿìè ðåëàêñàöèè â ñîñòîÿíèÿíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà). Òàêèì îáðàçîì, ïàðàìåòðàìè ýëåêòðîííîãîòðàíñïîðòà â êâàíòîâûõ òî÷êàõ ìîæíî óïðàâëÿòü íà ýòàïå èõ ðîñòà,çàäàâàÿ íóæíóþ ôîðìó è ðàçìåð.3. Âïåðâûå ïîêàçàíî, ÷òî ñèñòåìà èç òðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê,âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, ìîæåòáûòü ïðèìåíåíà äëÿ ñîçäàíèÿ íîâîãî òèïà ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ: íåàäèàáàòè÷åñêîãî ýëåêòðîííîãî íàñîñà.
Îáíàðóæåíî, ÷òî ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèè âñðåäíåé êâàíòîâîé òî÷êå ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ íåíóëåâîãî ñðåäíåãî òóííåëüíîãî òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ñèñòåìó ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà òóííåëüíîì êîíòàêòå. Âûÿâëåíî, ÷òî ôèçè÷åñêèì ìåõàíèçìîì, îòâåòñòâåííûì çà ïîëó÷åííûé ýôôåêò, ÿâëÿåòñÿ ðàçëè÷èåñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè ïðè ðåçîíàíñíîì è íåðåçîíàíñíîì òóííåëèðîâàíèè ìåæäó êâàíòîâûìè òî÷êàìè.4.
Îáíàðóæåíî, ÷òî íåñòàöèîíàðíûé òóííåëüíûé òîê â ñèñòåìå èçòðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè236íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, ìîæíî íàáëþäàòü ïðè êîìíàòíûõ òåìïåðàòóðàõ äëÿ êâàíòîâûõ òî÷åê íàíîìåòðîâîãî ðàçìåðà. Óñòðîéñòâà òàêîãîòèïà ìîãóò ðàáîòàòü íà ãèãàãåðöîâûõ è ñóáãèãàãåðöîâûõ ÷àñòîòàõω ≃ 1010 ÷ 1011 1/sec è äîñòèãàòü çíà÷åíèé òîêîâ ïîðÿäêà íàíîàìïåðè ñóáíàíîàìïåð (1nA ≃ 6 · 109 e/sec).5. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ íîâîãî êëàññà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, ïðèíöèï ðàáîòû êîòîðûõ îñíîâàí íà ïðîòåêàíèè íåñòàöèîíàðíîãî òóííåëüíîãî òîêà.
 êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðåäëîæåíà ìîäåëü íàíîìåòðîâîãî êâàíòîâîãî ýìèòòåðà. Òàêèå óñòðîéñòâàìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ñîçäàíèÿ êâàíòîâîãî ãåíåðàòîðà íàíîìåòðîâûõ ðàçìåðîâ.237Ãëàâà 6Ðîëü ìåæ÷àñòè÷íîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðè ðåëàêñàöèèçàðÿäà â ñèñòåìå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åêÐàññìîòðèì îñîáåííîñòè ðåëàêñàöèè çàðÿäà, ëîêàëèçîâàííîãî â ñèñòåìå êâàíòîâûõ òî÷åê, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãîñïåêòðà, ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ëîêàëèçîâàííûìè ýëåêòðîíàìè è ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Ìåæ÷àñòè÷íîåâçàèìîäåéñòâèå â ñèñòåìàõ ñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ çíà÷èòåëüíûì îáðàçîìâëèÿåò íà ñâîéñòâà ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà è íà ïðîöåññû ðåëàêñàöèèçàðÿäà.  äàííîé ãëàâå èññëåäîâàíèå ðîëè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿâ ïðîöåññàõ âðåìåííîé ýâîëþöèè çàðÿäà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõïðîâåäåíî ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòîäà ñðåäíåãî ïîëÿ [130], à àíàëèç âëèÿíèÿ ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ âûïîëíåí ñ ïîìîùüþ äèàãðàììíîé òåõíèêè Êåëäûøà äëÿ íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ [67].
Ïîêàçàíî, ÷òîìåæ÷àñòè÷íûå êîððåëÿöèè êîðåííûì îáðàçîì ìîäèôèöèðóþò ïðîöåññ ðåëàêñàöèè çàðÿäà, ïðèâîäÿ ê âîçíèêíîâåíèþ ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ ýôôåêòîâ, íå íàáëþäàâøèõñÿ â îòñóòñòâèè â ñèñòåìå êóëîíîâñêîãî è ýëåêòðîíôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ [285,289291]. Îáñóæäàåìûå â äàííîé ãëàâå ýôôåêòû ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âûñîêîñêîðîñòíîãî âûñîêîòî÷íîãî îäíîýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â íàíîñòðóêòóðàõ è ñîçäàíèÿ íà èõîñíîâå íîâûõ òèïîâ ïðèáîðîâ íàíîýëåêòðîíèêè: ñâåðõáûñòðûõ çàðÿäîâûõïåðåêëþ÷àòåëåé, óñòðîéñòâ äèíàìè÷åñêîé ïàìÿòè è çàðÿäîâûõ ëîâóøåê. 6.1. Íåñòàöèîíàðíûå òóííåëüíûå ïðîöåññû â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ðåçåðâóàðîì, ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿÐàññìîòðèì âëèÿíèå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íà íåñòàöèîíàðíûé ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ [285].
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷-238êàõ ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ, îñíîâàííûõ íàêâàíòîâîé êèíåòèêå èíäèâèäóàëüíûõ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé [204206].Îäíàêî, èñïîëüçîâàíèå îäèíî÷íûõ è ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê ïðè ñîçäàíèè ñîâðåìåííûõ óñòðîéñòâ íàíîýëåêòðîíèêè òðåáóåò òùàòåëüíîãî àíàëèçà ñëåäóþùèõ ïðîáëåì, íåèçáåæíî âîçíèêàþùèõ â ñèñòåìàõ ñâåðõìàëûõðàçìåðîâ è íàïðÿìóþ âëèÿþùèõ íà îñîáåííîñòè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà: íåðàâíîâåñíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ çàðÿäà, ïðîöåññîâ ðåëàêñàöèè çàðÿäà èíåñòàöèîíàðíûõ ýôôåêòîâ [229235].Èññëåäóåì ðåëàêñàöèþ çàðÿäà â ñèñòåìå äâóõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõòî÷åê ñ îäíîýëåêòðîííûìè óðîâíÿìè ýíåðãèè ε1 è ε2 ñîîòâåòñòâåííî ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ (ðèñ.
).Ó÷òåì, ÷òî êâàíòîâàÿ òî÷êà ñ óðîâíåì ýíåðãèè ε2 ñâÿçàíà ñ ñîñòîÿíèÿìèíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ðåçåðâóàðà. Òîãäà ãàìèëüòîíèàí èññëåäóåìîé ñèñòåìû èìååò ñëåäóþùèé âèä:6.1Ðèñ. 6.1 . Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå óðîâíåé ýíåðãèè â ñèñòåìå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõòî÷åê.
Îäíà èç êâàíòîâûõ òî÷åê (âòîðàÿ) âçàèìîäåéñòâóåò ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãîñïåêòðà.Ĥ =∑σε1 c+1σ c1σ +∑σ+ε2 c+2σ c2σ +∑∑k,σεk c+kσ ckσ +∑σ+T (c+1σ c2σ + c2σ c1σ ) ++Tk (c+kσ c2σ + c2σ ckσ ) + U2 n2σ n2−σ + U1 n1σ n1−σ (6.1)k,σãäå T - àìïëèòóäà òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèèïåðâîé è âòîðîé òî÷åê. Tk - àìïëèòóäà òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ ìåæäó ëîêàëèçîâàííûì âî âòîðîé êâàíòîâîé òî÷êå ñîñòîÿíèåì ñ ýíåðãèåé ε2 è ñîñòîÿ++íèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ðåçåðâóàðà. c+1σ /c1σ (c2σ /c2σ ) è ckσ /ckσ - îïåðàòîðû ðîæäåíèÿ/óíè÷òîæåíèÿ ýëåêòðîíîâ ñî ñïèíîì σ íà óðîâíå ýíåðãèèε1 (ε2 ) ïåðâîé(âòîðîé) êâàíòîâîé òî÷êè è â ñîñòîÿíèÿõ íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà (k ) ñîîòâåòñòâåííî. U1(2) - âåëè÷èíà êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íà239óðîâíÿõ ýíåðãèè êâàíòîâûõ òî÷åê.Äëÿ àíàëèçà âëèÿíèÿ êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íà âðåìåííóþýâîëþöèþ çàðÿäà èñïîëüçóåì ìåòîä ñðåäíåãî ïîëÿ, îñíîâàííûé íà ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî ïîëîæåíèå óðîâíÿ ýíåðãèè êâàíòîâîé òî÷êè çàâèñèò îòâåëè÷èíû êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ [130].
Âëèÿíèå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðèâîäèò ê ïëàâíîìó èçìåíåíèþ ïîëîæåíèÿ óðîâíÿ ýíåðãèèêâàíòîâîé òî÷êè.  ðåçóëüòàòå ïîëîæåíèå óðîâíÿ ýíåðãèè êâàíòîâîé òî÷êèâ êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè îòëè÷àåòñÿ îò èñõîäíîãî çà ñ÷åò íàëè÷èÿ â ñèñòåìå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ è ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî ïî ôîðìóëå:εei = εi + U · < ni (t) >(6.2)ãäå èíäåêñ i ïðèíèìàåò çíà÷åíèå ðàâíîå 1 èëè 2 äëÿ ïåðâîé è âòîðîéêâàíòîâîé òî÷êè ñîîòâåòñòâåííî. Òîãäà â âûðàæåíèÿõ, îïèñûâàþùèõ ðåëàêñàöèþ çàðÿäà áåç ó÷åòà êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, íåîáõîäèìî çàìåíèòü âåëè÷èíû óðîâíåé ýíåðãèè εi íà ñîîòâåòñòâóþùèå çíà÷åíèÿ εei èðåøàòü ñàìîñîãëàñîâàííóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé äëÿ ÷èñåë çàïîëíåíèÿ ni (t),ñîñòîÿùóþ èç óðàâíåíèé (5.30), (5.31), (5.32), (5.33), (6.2).
Äàëåå ðàññìîòðèì ïàðàìàãíèòíûé ñëó÷àé, êîãäà âûïîëíåíû óñëîâèÿ niσ = ni−σ = ni .Ìåòîä ñðåäíåãî ïîëÿ ìîæíî ïðèìåíÿòü äëÿ àíàëèçà ðåëàêñàöèè ëîêàëèçîâàííîãî çàðÿäà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, åñëè âûïîëíåíû óñëîâèÿ:|E1 − E1∗ | ≪ min(|E1 |, |E2 |)|E2 − E2∗ | ≪ min(|E1 |, |E2 |)|E1 − E2∗ | ≪ min(|E1 |, |E2 |)(6.3)Íåðàâåíñòâà (6.3) îçíà÷àþò, ÷òî ìîæíî ðàçäåëèòü áûñòðî îñöèëëèRðóþùèå ôóíêöèè Ãðèíà GR11 è G22 è ìåäëåííî èçìåíÿþùèåñÿ ñî âðåìåíåìôóíêöèè n1 (t) è n2 (t). Óñëîâèÿ (6.3) àíàëîãè÷íû ïðèáëèæåíèÿì, êîòîðûåâûïîëíåíû â àäèàáàòè÷åñêîì ïîäõîäå.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà ñðåäíåãî ïîëÿ îñíîâíûì ýôôåêòîì, êîòîðûé âîçíèêàåò ïðè ó÷åòå êóëîíîâñêîãîâçàèìîäåéñòâèÿ ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ, ÿâëÿåòñÿ èçìåíåíèå âåëè÷èíû ðàññòðîéêè ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè ε1 è ε2 . Ïîýòîìó äëÿ ïðîñòîòûâ äàííîì ïàðàãðàôå ó÷òåì êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå ëîêàëèçîâàííûõ240ýëåêòðîíîâ òîëüêî âî âòîðîé êâàíòîâîé òî÷êå, âçàèìîäåéñòâóþùåé ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà. Ïðèâåäåííûå äàëåå ðåçóëüòàòû ïîçâîëÿòóáåäèòüñÿ â òîì, ÷òî ó÷åò êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â îáåèõ êâàíòîâûõòî÷êàõ ïðèâîäèò ê íåçíà÷èòåëüíîìó èçìåíåíèþ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ.Îáñóäèì ïðèìåíèìîñòü ïðèáëèæåíèÿ ñðåäíåãî ïîëÿ. Äëÿ ñòàöèîíàðíîãî ñëó÷àÿ, êîãäà ýëåêòðîííûå ÷èñëà çàïîëíåíèÿ èçìåíÿþòñÿ çà ñ÷åò âàðèàöèè íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå, âàæíûì ÿâëÿåòñÿ âûïîëíåíèå óñëîâèéU/γ ≥ 1 è (εi − εF )/γ ≥ 1 ìåæäó ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû.
Äëÿ íåñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì íåâûïîëíåíèå ïðèâåäåííûõ âûøå óñëîâèé íå ÿâëÿåòñÿ êðèòè÷íûì. Ìåäëåííîå èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ óðîâíåé ýíåðãèè ïðè ðåëàêñàöèèçàðÿäà, ëîêàëèçîâàííîãî â êâàíòîâûõ òî÷êàõ, ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ìåòîä ñðåäíåãî ïîëÿ äëÿ àíàëèçà ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà äàæå â ñëó÷àåáîëüøèõ âåëè÷èí êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Íåîáõîäèìî òàêæå ïîä÷åðêíóòü, ÷òî â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè óðîâíè ýíåðãèè ðàñïîëîæåíûçíà÷èòåëüíî âûøå óðîâíÿ Ôåðìè (εi − εF )/γ >> 1, ïîýòîìó ðåëàêñàöèÿçàðÿäà ïðîèñõîäèò â íåçàïîëíåííûå ñîñòîÿíèÿ.Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ âðåìåííîé ýâîëþöèè ýëåêòðîííûõ ÷èñåë çàïîëíåíèÿ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ.
- . Ïðîàíàëèçèðóåì îñîáåííîñòè ðåëàêñàöèè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ â ñëó÷àå ñëàáîãî êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ëîêàëèçîâàííûìè ýëåêòðîíàìè, êîãäà âûïîëíåíî ñîîòíîøåíèå U n2 (t)/γ ≤ ∆ε/γ (ðèñ. ).  ñëó÷àå ïîëîæèòåëüíîé íà÷àëüíîé ðàññòðîéêè ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè â êâàíòîâûõ òî÷êàõ (ε1 > ε2ðèñ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
