Luận án Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng quang kích thích của sóng điện từ cao tần trong hệ bán dẫn một chiều

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng quang kích thích của sóng điện từ cao tần trong hệ bán dẫn một chiều

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hoàng Văn Ngọc NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG KÍCH THÍCH CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ CAO TẦN TRONG HỆ BÁN DẪN MỘT CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2018
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hoàng Văn Ngọc NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG QUANG KÍCH THÍCH CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ CAO TẦN TRONG HỆ BÁN DẪN MỘT CHIỀU Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số : 62.44.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Vũ Nhân 2. TS. Đinh Quốc Vương Hà Nội - 2018
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Hà Nội, tháng 08 năm 2018 Tác giả luận án Hoàng Văn Ngọc
4. LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Vũ Nhân, TS Đinh Quốc Vương và GS.TS Nguyễn Quang Báu những người thầy đã hết lòng giúp đỡ, chỉ bảo tận tình tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý lý thuyết, trong khoa Vật lý và Phòng Sau đại học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, đồng nghiệp tại khoa Khoa học cơ bản – Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi rất nhiều. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED, Mã số 103.01-2015.22) và Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã tài trợ cho tôi trong việc nghiên cứu và báo cáo các kết quả tại các Hội nghị khoa học trong nước và quốc tế làm cơ sở để hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tác giả luận án
5. MỤC LỤC Mục lục ................................................................................................. 1 Danh mục các bảng ............................................................................... 3 Danh mục các hình vẽ và đồ thị............................................................. 4 Mở đầu................................................................................................. 8 Chương 1 Tổng quan về hiệu ứng quang kích thích ........................ 13 1.1 Lý thuyết lượng tử về hiệu ứng quang kích thích............................ 13 1.1.1 Phương trình động lượng tử cho electron ............................. 14 1.1.2 Biểu thức giải tích mật độ dòng điện.................................... 16 1.2 Hàm sóng và phổ năng lượng của điện tử trong dây lượng tử......... 20 Chương 2 Hiệu ứng quang kích thích trong dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn ........................................................................... 26 2.1 Phương trình động lượng tử............................................................ 26 2.2 Mật độ dòng điện không đổi........................................................... 29 2.2.1 Trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm ............................... 33 2.2.2 Trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang .......................... 35 2.2.3 Kết quả tính toán và thảo luận.............................................. 37 2.3 Kết luận chương 2 .......................................................................... 46 Chương 3 Hiệu ứng quan kích thích trong dây lượng tử hình trụ với hố thế cao vô hạn.................................................................................... 48 3.1 Phương trình động lượng tử............................................................ 48 3.2 Mật độ dòng điện không đổi........................................................... 50 1
6. 3.2.1 Trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm ............................... 51 3.2.2 Trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang .......................... 53 3.2.3 Kết quả tính toán số và thảo luận ......................................... 55 3.3 Kết luận chương 3 .......................................................................... 62 Chương 4 Hiệu ứng quang kích thích trong dây lượng tử hình trụ với hố thề parabol......................................................................................... 63 4.1 Phương trình động lượng tử............................................................ 63 4.2 Mật độ dòng điện không đổi........................................................... 65 4.2.1 Trượng hợp tán xạ điện tử - phonon âm ............................... 66 4.2.2 Trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang .......................... 68 4.2.3 Kết quả tính toán số và thảo luận ......................................... 70 4.3 Kết luận chương 4 .......................................................................... 77 Kết luận............................................................................................... 79 Các công trình liên quan đến luận án đã công bố.................................. 81 Tài liệu tham khảo................................................................................ 82 2
7. DANH MỤC CÁC BẢNG Stt Bảng Dây Trang Bảng Các tham số của dây lượng tử hình chữ nhật với 1 2.1 hố thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl. 38 Bảng Các tham số của dây lượng tử hình trụ với hố 2 3.1 thế cao vô hạn GaAs/GaAsAl. 56 Bảng Các tham số của dây lượng tử hình trụ với hố 3 70 4.1 thế parabol GaAs/GaAsAl. 3
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Stt Hình Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Mô hình sự xuất hiện của hiệu ứng quang kích thích 13 khi có mặt sóng điện từ phân cực phẳng 2 Hình 1.2 Mô hình cấu trúc các hệ bán dẫn: (3D) Bán dẫn khối; 20 (2D) Hệ hai chiều; (1D) hệ một chiều; (0D) Hệ không chiều 3 Hình 2.1 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào tần 39 số của trường laser với các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm 4 Hình 2.2 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào tần 40 số của trường sóng điện từ với các giá trị khác nhau của nhiệt độ cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm 5 Hình 2.3 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào 41 kích thước của dây cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm. 6 Hình 2.4 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào 42 biên độ của trường lực laser cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm. 7 Hình 2.5 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào tần 43 4
9. số của trường laser cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang ứng với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ 8 Hình 2.6 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào tần 44 số của trường sóng điện từ cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang với các giá trị khác nhau của nhiệt độ. 9 Hình 2.7 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào 45 kích thước của dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang. 10 Hình 2.8 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi vào 46 nhiệt độ của hệ trong dây lượng tử hình chữ nhật với hố thế cao vô hạn cho trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ. 11 Hình 3.1 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 57 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào tần số của sóng điện từ trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm với các giá trị khác nhau của nhiệt độ. 12 Hình 3.2 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 57 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào bán kính của dây trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ. 5
10. 13 Hình 3.3 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 58 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào tần số của trường laser trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ. 14 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 59 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào tần số của trường sóng điện từ trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang với các giá trị khác nhau của nhiệt độ. 15 Hình 3.5 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 60 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào tần số của trường laser trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ. 16 Hình 3.6 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 61 dây lượng tử hình trụ thế cao vô hạn vào nhiệt độ của hệ trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon quang với các giá trị khác nhau của tần số sóng điện từ. 17 Hình 4.1 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 72 dây lượng tử hình trụ thế parabol vào tần số của sóng điện từ trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon âm với các giá trị khác nhau của tần số trường laser. 18 Hình 4.2 Sự phụ thuộc của mật độ dòng điện không đổi trong 72 dây lượng tử hình trụ thế parabol vào tần số của trường laser trong trường hợp tán xạ điện tử - phonon 6