Elliott formülü - Elliott formula

Elliott formülü analitik olarak veya birkaç ayarlanabilir parametreyle açıklar: gizliliği bozan sabit, ışık absorpsiyon veya emisyon spektrumları katılar. Orijinal olarak türetilmiştir Roger James Elliott tek bir elektron deliği çiftinin özelliklerine dayalı olarak doğrusal soğurmayı açıklamak.[1] Tüm parametreler mikroskobik olarak hesaplandığında, analiz, tam öngörü gücüne sahip çok gövdeli bir araştırmaya genişletilebilir. yarı iletken Bloch denklemleri (SBE olarak kısaltılır) veya yarı iletken lüminesans denklemleri (SLE olarak kısaltılır).

Arka fon

En doğru yarı iletken teorilerinden biri absorpsiyon ve fotolüminesans sırasıyla YSK'lar ve SLE'ler tarafından sağlanır. Her ikisi de sistematik olarak çok-cisim / kuantum-optik sistem Hamiltonian'dan başlayarak türetilmiştir ve sonuçta ortaya çıkan optik ve kuantum-optik kuantum dinamiklerini tam olarak tanımlamaktadır. gözlemlenebilirler optik polarizasyon (SBE'ler) ve fotolüminesans yoğunluğu (SLE'ler) gibi. Tüm ilgili çok vücut etkileri, aşağıdaki gibi çeşitli teknikler kullanılarak sistematik olarak dahil edilebilir. küme genişletme yaklaşımı.

İkisi de YSK'lar ve SLE'ler klasik bir alan (SBE'ler) veya bir tarafından yönlendirilen özdeş homojen bir parça içerir. kendiliğinden emisyon kaynağı (SLE'ler). Bu homojen kısım, şu yolla ifade edilebilen bir özdeğer problemi verir. genelleştirilmiş Wannier denklemi özel durumlarda analitik olarak çözülebilir. Özellikle, düşük yoğunluklu Wannier denklemi, hidrojen kuantum mekaniği sorunu. Bunlar genellikle şu şekilde anılır: eksiton çözümler ve resmen zıt yüklü elektronlar ve deliklerle Coulombic bağlanmasını tanımlarlar. Eksitonik durumların gerçek fiziksel anlamı, YSK'lar ve SLE'ler. Ekskiyton özfonksiyonlar ile gösterilir nerede eksiton durumunu eigenenergy ile etiketler ve ... kristal momentum yük taşıyıcılarının sayısı katı.

Bu eksiton öz durumları, özellikle doğrusal yarı iletken absorpsiyon spektrumu veya fotolüminesans analiz edildiğinde SBE'ler ve SLE'ler için değerli bilgiler sağlar. kararlı hal koşullar. Kişi basitçe yapılandırılmış özdurumları kullanarak köşegenleştirmek YSK ve SLE'lerin homojen kısımları.[2] Kararlı durum koşulları altında, ortaya çıkan denklemler, daha yüksek dereceli çok-cisim etkilerinden dolayı gizliliğin azalmasına daha fazla yaklaşıldığında analitik olarak çözülebilir. Bu tür etkiler tamamen dahil edildiğinde, sayısal bir yaklaşıma başvurulmalıdır. Eksiton durumları elde edildikten sonra, sonunda doğrusal absorpsiyon ve sabit durum fotolüminesans analitik olarak ifade edilebilir.

Aynı yaklaşım, terahertz (THz olarak kısaltılır) aralığındaki alanlar için absorpsiyon spektrumunu hesaplamak için uygulanabilir.[3] nın-nin Elektromanyetik radyasyon. THz-foton enerjisi, meV aralık, genellikle çok cisim durumlarıyla rezonanttır, tipik olarak içinde olan bantlar arası geçişlerle değil. eV Aralık. Teknik olarak, THz araştırmaları sıradan SBE'lerin bir uzantısıdır ve / veya iki parçacıklı korelasyonların dinamiklerinin açık bir şekilde çözülmesini içerir.[4] Optik absorpsiyon ve emisyon probleminde olduğu gibi, analitik olarak ortaya çıkan homojen kısımlar eksiton öz durumlarının yardımıyla köşegenleştirilebilir. Köşegenleştirme tamamlandığında, THz absorpsiyonu analitik olarak hesaplanabilir.

Bu türetmelerin tümü, kararlı durum koşullarına ve eksiton durumlarının analitik bilgisine dayanır. Ayrıca, birçok kuruluşun katkılarının etkisi, örneğin uyarılma kaynaklı dephasing, mikroskobik olarak dahil edilebilir[5] Wannier çözücüsüne, fenomenolojik geçişleri değiştirme sabiti, enerji kaymaları veya taramanın getirilmesi ihtiyacını ortadan kaldıran Coulomb etkileşimi.

Doğrusal optik soğurma

Karakteristik doğrusal absorpsiyon spektrumu iki bantlı SBE'ler kullanan toplu GaA'ların sayısı. Kutuplaşmanın bozulması, bir bozulma sabiti ile yaklaşık olarak hesaplanır. ve pompa alanının foton enerjisinin fonksiyonu olarak hesaplanır . Enerji, bant aralığı enerjisine göre kaydırılır ve yarı iletken başlangıçta uyarılmamış. Kullanılan küçük dephasing sabiti nedeniyle, bant aralığı enerjisinin çok altında birkaç eksitonik rezonans görünür (dikey çizgiler). Yüksek enerjili rezonansların büyüklüğü, görünürlük için 5 ile çarpılır.

Doğrusal absorpsiyon nın-nin genişbant zayıf optik prob daha sonra şu şekilde ifade edilebilir:

Doğrusal Elliott formülü

nerede prob-foton enerjisidir, osilatör gücüdür eksiton durum , ve eksiton durumu ile ilişkili dephasing sabitidir . Bir fenomenolojik açıklama, tek bir uyum parametresi olarak kullanılabilir, yani . Bununla birlikte, tam bir mikroskobik hesaplama genellikle bu hem eksiton indeksine bağlıdır ve foton frekansı. Genel bir eğilim olarak, yüksek için artar iken bağımlılık genellikle zayıftır.

Eksiton rezonanslarının her biri, foton enerjisi ile eşleştiğinde soğurma spektrumuna bir tepe oluşturabilir. . İçin doğrudan aralıklı yarı iletkenler, osilatör gücü aşağıdakinin ürünü ile orantılıdır: dipol-matris elemanı kare ve küresel simetrik olanlar dışında tüm durumlar için yok olur. Diğer bir deyişle, sadece hidrojen probleminin kuantum sayısı geleneğini izleyen benzer durumlar. Bu nedenle, doğrudan aralıklı yarı iletkenlerin optik spektrumu yalnızca aşağıdakiler için bir absorpsiyon rezonansı üretir. benzeri durum. Rezonansın genişliği, karşılık gelen dephasing sabiti tarafından belirlenir.

Genel olarak, eksiton öz enerjileri, temel enerjinin çok altında enerjisel olarak ortaya çıkan bir dizi bağlı durumdan oluşur. bant aralığı enerji ve bant aralığının üzerindeki enerjiler için görünen bağlanmamış hallerin sürekliliği. Bu nedenle, tipik bir yarı iletkenin düşük yoğunluklu absorpsiyon spektrumu, bir dizi eksiton rezonansını ve ardından bir sürekli absorpsiyon kuyruğunu gösterir. Gerçekçi durumlar için, Eksiton durumu aralığından daha hızlı artar, böylece gerçek deneylerde tipik olarak yalnızca birkaç en düşük eksiton rezonansı çözülür.

Yük taşıyıcılarının konsantrasyonu, absorpsiyon spektrumunun şeklini önemli ölçüde etkiler. Yeterince yüksek yoğunluklar için hepsi Enerjiler süreklilik durumlarına karşılık gelir ve bazı osilatör güçleri negatif değerli hale gelebilir. Pauli engelleme etki. Fiziksel olarak bu, Fermionların temel özelliği olarak anlaşılabilir; Eğer belirli bir elektronik durum zaten heyecanlanmışsa, Pauli'nin Fermionlar arasında dışlanması nedeniyle ikinci kez heyecanlanamaz. Bu nedenle, karşılık gelen elektronik durumlar, yalnızca negatif absorpsiyon olarak görülen foton emisyonu, yani gerçekleştirmenin ön koşulu olan kazanç üretebilir. yarı iletken lazerler.

Elliott formülüne dayanarak yarı iletken emiliminin temel davranışı anlaşılsa da, kesin , , ve zaten orta düzeydeki taşıyıcı yoğunlukları için tam bir çok gövdeli hesaplama gerektirir.

Photoluminescence Elliott formülü

Elliott formülü ile hesaplanan fotolüminesans yoğunluğu. S benzeri eksiton durumlarının popülasyonu, 35 Kelvin'de bir Boltzmann dağılımını takip eder.s nüfus yüzde dörde bastırılır ve dephasing sabiti . Dikey çizgiler, sbenzeri eksitonik rezonanslar, yani 1s, 2s, 3s, vb. Bant aralığı enerjisi, ve 'arb. u. ' keyfi birimler anlamına gelir.

Yarı iletken elektronik olarak uyarıldıktan sonra, taşıyıcı sistem bir quasiequilibrium içinde gevşer. Aynı zamanda, vakum alanı dalgalanmaları[6] fotonların spontan emisyonu yoluyla elektronların ve deliklerin (elektronik boşlukların) kendiliğinden yeniden birleşmesini tetikler. Quasiequilibrium'da, bu, yarı iletken tarafından yayılan sabit durumdaki bir foton akısını verir. SLE'lerden başlayarak, kararlı durum fotolüminesans (PL olarak kısaltılır) forma dönüştürülebilir.

Photoluminescence Elliott formülü

bu, optik absorpsiyon için Elliott formülüne çok benzer. Önemli bir fark olarak, payın yeni bir katkısı vardır - kendiliğinden emisyon kaynağı

elektron ve delik dağılımlarını içeren ve sırasıyla nerede taşıyıcı momentumdur. Bunlara ek olarak, ayrıca eksiton popülasyonlarından doğrudan bir katkı içerir gerçekten bağlanmayı tanımlayan elektron deliği çiftler.

terim bir elektron ve aynı deliğe sahip bir delik bulma olasılığını tanımlar . Böyle bir formun, iki ilintisiz olayın aynı anda istenen bir zamanda meydana gelmesi olasılığından beklenir. değer. Bu nedenle, ilişkisiz elektron deliğinden kaynaklanan kendiliğinden emisyon kaynağıdır plazma. Gerçekten sahip olma olasılığı ilişkili elektron deliği çiftler, iki parçacıklı bir eksiton korelasyonu ile tanımlanır ; karşılık gelen olasılık, korelasyonla doğru orantılıdır. Yine de, hem elektron delikli plazmanın hem de eksitonların varlığı, kendiliğinden emisyonu eşit şekilde indükleyebilir. Eksiton kaynaklarına karşı plazmanın göreceli ağırlığı ve doğası hakkında daha fazla tartışma[7] ile bağlantılı olarak sunulur SLE'ler.

Absorpsiyon için olduğu gibi, doğrudan boşluklu bir yarı iletken, yalnızca şunlara karşılık gelen rezonanslarda ışık yayar. benzeri durumlar. Tipik bir eğilim olarak, bir quasiequilibrium emisyonu, 1s rezonans çünkü genellikle en büyüğüdür Zemin durumu. Bu emisyon zirvesi, tüm durumların süreklilik halleri olduğu yüksek uyarımlarda bile genellikle temel bant aralığı enerjisinin oldukça altında kalır. Bu, yarı iletkenlerin, sistem emisyon rezonansları olarak yalnızca elektron delikli plazma durumlarına sahip gibi görünse bile, sıklıkla Coulomb kaynaklı büyük yeniden normalizasyonlara maruz kaldıklarını gösterir. Yüksek taşıyıcı yoğunluklarında kesin konum ve şekil için doğru bir tahmin yapmak için tam SLE'lere başvurulmalıdır.

Terahertz Elliott formülü

THz Elliott formülü kullanılarak hesaplanan yığın GaA'larda Terahertz absorpsiyon spektrumu. Dikey çizgiler np-1s birincisi olan geçiş enerjileri (2p-1s geçiş) hakimdir. 1sbant aralığı geçişi 4meV'nin biraz üzerinde yer alırken, geçişten uzaklaştırma sabiti olarak seçilir .

Yukarıda tartışıldığı gibi, elektromanyetik alanı iki çok cisim durumu arasındaki geçişlerle rezonant olacak şekilde ayarlamak genellikle anlamlıdır. Örneğin, bağlı bir eksitonun 1'den nasıl heyecanlandığını takip edebiliriz.s temel durumu 2'yep durum. Birkaç yarı iletken sistemde, bu tür geçişleri indüklemek için THz alanlarına ihtiyaç vardır. Elektron deliği korelasyonlarının sabit durum konfigürasyonundan başlayarak, THz kaynaklı dinamiklerin köşegenleştirilmesi bir THz absorpsiyon spektrumu verir.[4]

THz Elliott formülü

Bu gösterimde, köşegen katkılar nüfusunu belirlemek eksitonlar. Çapraz olmayan elemanlar, iki eksiton durumu arasındaki geçiş genliklerini resmi olarak belirler ve . Yüksek yoğunluklar için, kendiliğinden oluşur ve ilişkili olarak tanımlarlar elektron delikli plazma bu, elektronların ve deliklerin bağlı çiftler oluşturmadan birbirlerine göre hareket ettikleri bir durumdur.[4]

Optik absorpsiyon ve fotolüminesansın aksine, THz absorpsiyonu tüm eksiton durumlarını içerebilir. Bu, spektral yanıt fonksiyonundan görülebilir

geçerli matris elemanlarını içeren iki eksiton durumu arasında. Birim vektör THz alanının yönü ile belirlenir. Bu dipole yol açar seçim kuralları eksiton durumları arasında, atomik dipole tam analog olarak seçim kuralları. İzin verilen her geçiş, bir rezonans üretir. ve rezonans genişliği, dephasing sabiti ile belirlenir bu genellikle ilgili eksiton durumlarına ve THz frekansına bağlıdır . THz yanıtı ayrıca şunları içerir: bu, makroskopik THz akımlarının bozunma sabitinden kaynaklanır.[4]

Optik ve fotolüminesans spektroskopisinin aksine, THz absorpsiyonu, eksiton popülasyonlarının varlığını atomik spektroskopiye tam benzer şekilde doğrudan ölçebilir.[8][9] Örneğin, belirgin bir 1'in varlığıs-2'yep THz absorpsiyonunda rezonans, eksitonların varlığını, Ref.[10] Atomik spektroskopiden büyük bir fark olarak, yarı iletken rezonanslar, atomik spektroskopide olduğundan çok daha geniş rezonanslar üreten güçlü bir uyarılma kaynaklı dephasing içerir. Aslında, tipik olarak yalnızca bir 1'i çözebilirs-2'yep rezonans çünkü dephasing sabiti n- enerjisel aralığından daha geniştirp ve (n + 1) -p 1 yapan devletlers-ton-p ve 1s-to- (n + 1)p rezonanslar tek bir asimetrik kuyrukta birleşir.

Ayrıca bakınız

daha fazla okuma

  • Haug, H .; Koch, S.W. (2009). Yarıiletkenlerin Optik ve Elektronik Özelliklerinin Kuantum Teorisi (5. baskı). World Scientific. s. 216. ISBN  978-9812838841.
  • Ashcroft, Neil W .; Mermin, N. David (1976). Katı hal fiziği. Holt, Rinehart ve Winston. ISBN  978-0-03-083993-1.
  • Kira, M .; Koch, S.W. (2011). Yarıiletken Kuantum Optiği. Cambridge University Press. ISBN  978-0521875097.
  • Klingshirn, C.F (2006). Yarıiletken Optik. Springer. ISBN  978-3540383451.
  • Kalt, H .; Hetterich, M. (2004). Yarıiletkenlerin Optiği ve Nanoyapıları. Springer. ISBN  978-3540383451.

Referanslar

  1. ^ Kuper, C. G .; Whitfield, G.D. (1963). Polaronlar ve Eksitonlar. Plenum Basın. LCCN 63021217.
  2. ^ Kira, M .; Koch, S.W. (2011). Yarıiletken Kuantum Optiği. Cambridge University Press. ISBN  978-0521875097.
  3. ^ Lee, Y.-S. (2009). Terahertz Bilim ve Teknolojisinin İlkeleri. doi:10.1007/978-0-387-09540-0. ISBN  978-0-387-09539-4.
  4. ^ a b c d Kira, M .; Koch, S.W. (2006). "Yarıiletken spektroskopisinde çok cisim korelasyonları ve eksitonik etkiler". Kuantum Elektronikte İlerleme 30 (5): 155-296. doi:10.1016 / j.pquantelec.2006.12.002
  5. ^ Jahnke, F .; Kira, M .; Koch, S. W .; Tai, K. (1996). "Pertürbatif Olmayan Rejimde Yarıiletken Mikrokavitelerin Eksitonik Doğrusal Olmayanlıkları". Fiziksel İnceleme Mektupları 77 (26): 5257–5260. doi:10.1103 / PhysRevLett.77.5257
  6. ^ Walls, D. F .; Milburn, G.J. (2008). Kuantum Optiği (2. baskı). ISBN  978-3-540-28574-8.
  7. ^ Chatterjee, S .; Ell, C .; Mosor, S .; Khitrova, G.; Gibbs, H .; Hoyer, W .; Kira, M .; Koch, S .; Prineas, J .; Stolz, H. (2004). "Yarıiletken Kuantum Kuyularında Eksitonik Fotolüminesans: Plazma Eksitonlara Karşı". Fiziksel İnceleme Mektupları 92 (6). doi:10.1103 / PhysRevLett.92.067402
  8. ^ Timusk, T .; Navarro, H .; Lipari, N.O .; Altarelli, M. (1978). Silikonda eksitonlar tarafından "uzak kızılötesi absorpsiyon". Katı Hal İletişimi 25 (4): 217–219. doi:10.1016/0038-1098(78)90216-8
  9. ^ Kira, M .; Hoyer, W .; Stroucken, T .; Koch, S. (2001). "Yarıiletkenlerde Eksiton Oluşumu ve Fotonik Ortamın Etkisi". Fiziksel İnceleme Mektupları 87 (17). doi:10.1103 / PhysRevLett.87.176401
  10. ^ Kaindl, R. A .; Carnahan, M. A .; Hägele, D .; Lövenich, R .; Chemla, D. S. (2003). "Elektron delikli bir gazda geçici iletken ve yalıtıcı fazların ultra hızlı terahertz probları". Doğa 423 (6941): 734–738. doi:10.1038 / nature01676