Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

OFP-Tretyak-Lozovski

.pdf
Скачиваний:
68
Добавлен:
19.03.2015
Размер:
13 Мб
Скачать
☆

333

ДОДАТКИ

Це однорідна система двох рівнянь із двома невідомими. Для існування нетривіальних розв'язків потрібно виконання умови занулення детермінанта системи. Звідси маємо

tgkwL / 2 =kb /kw .

(H.7)

Аналогічно для непарного розв'язку отримаємо умову

ctgkwL / 2 = −kb /kw .

(H.8)

Ці рівняння можна розв'язати чисельно, але наочніше – розв'язати їх графічно. Для цього перепишемо (H.7) і (H.8) у дещо іншому вигляді. А саме

 

 

 

(H.7) → tgkwL / 2 =

 

 

V

 

 

sin2ϕ

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b −1;

cos2ϕ

= b −1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

або

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−cos2ϕ

 

1

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ cosk

 

L/2 = ±

 

.

 

 

 

 

 

 

=

 

−1 =

b

−1

w

 

 

 

 

 

cos2ϕ

cos2ϕ

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

Це означає, що для tgkwL / 2> 0 мають виконуватись умови

 

 

 

 

 

 

 

coskwL / 2 = ±kw/k0 ,

 

 

 

 

 

 

(H.9)

де k

 

 

 

 

0

=

2m*V / 2 . У цьому рівнянні знак плюс вибирається для по-

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зитивних значень coskwL / 2, а мінус – для негативних.

 

 

 

 

Аналогічно можна записати й рівняння (H.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinkwL / 2 = ±kw/k0 для ctgkwL / 2 < 0.

 

 

 

(H.10)

Тут знак плюс вибирається,

якщо

 

sinkwL / 2> 0 і

мінус –

якщо

sinkwL / 2 < 0. Ліві (L) та праві (

R) частини рівнянь (H.9) і (H.10)

можна

представити в одному графіку як функції величини kw. При цьому частини кривих в інтервалах

2π(l −1)

<

kw <

2π(l −1/ 2)

(H.11)

L

L

 

 

 

відповідають парним розв'язкам (тобто (H.9)), а частини кривих в інтервалах

2π(l −1/ 2)

<

kw <

2πl

(H.12)

L

L

 

 

 

– непарним розв'язкам (тобто (H.10)). Тут l = 1, 2, 3, … . Праві частини обох рівнянь є прямими лініями із кутовим коефіцієнтом k0−1, що

ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

334

проходять через початок системи координат. Ліва частина рівнянь є синусом або косинусом. Ці лінії перетинаються в точках, що дають

розв'язкиkw,n , для яких початкова задача має ненульові розв'язки.

При цьому всі розв'язки знаходитимуться у першому квадранті, оскільки позитивні та негативні значення L і R відповідно перебувають у першому квадранті. Для аналізу цих розв'язків слід зазначити, що задача характеризується двома незалежними параметрами – глибиною

Vb і шириною L ями. При цьому можна змінювати один параметр, зафіксувавши інший. Змінюватимемо параметр Vb. Це автоматично означає, що змінюватиметься величина k0. Таким чином ліва частина рівнянь (H.9) і (H.10) буде незмінною, а прямі в правій частині рівнянь змінюватимуть свій нахил. Видно, що за малих значень k0 кут нахилу прямої великий. Це означає, що може існувати лише одна точка перехрещення прямої і косинусоїди. Таким чином, маємо лише один

розв'язок рівняння. Нехай він буде рівним kw,1. Цьому розв'язку відповідатиме перший енергетичний рівень частинки в ямі

=

2kw2

,1

.

(H.13)

 

 

1

2m*

 

L, R

 

 

 

 

 

1

2

l =2

l =3

l =4

 

l =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

kw

0

1

2

3

4

× π/L

Рис.H2. Графічний розв'язок рівнянь (H.9) та (H.10). Пряма 2 відповідає критичному значенню ko коли другий рівень з'являється в ямі як результат розв'язку рівняння (H.10). Лінії 3 відповідають середні проміжні значення ko , що призводять до появи чотирьох енергетичних рівнів

При зростанні k0 пряма все б і- льше нахилятиметься до вісі OX, і при перехрещенні її з наступним відрізком косинусоїди виникає новий енергетичний рівень (див. лінію 2 на рис. H2). При цьому, оскільки умовою початку перетину прямої 2 і відповідного відрізку синусоїди (l = 2) є

kw = 3π/2L, то із

(10H) маємо

sin3π/2 ≈ −kw /k0 = L, звідки

2 ≈Vb .

(H.14)

За подальшого зростання k0 перший і другий енергетичні рівні стають глибшими та виникає третій рівень і т. д. Дійсно, нові рівні виникають, якщо параметр

 

 

2m*V L2

 

 

q =

b

 

(H.15)

π2 2

 

 

 

 

 

335

ДОДАТКИ

набуває цілочисельного значення так, що число рівнів з енергією

 

 

 

 

 

 

2m*V L2

 

1+ int

b

 

.

π2 2

 

 

 

 

 

 

 

<Vb

(H.16)

Додаток I

Матриця переходу (Т-матриця).

Ідея та застосування

Для того, щоб чітко уяснити ідею Т-матриці, розглянемо розсіяння квантової частинки на деякому потенціалі. Нехай, наприклад, це буде

східцеподібний потенціальний бар'єр висотою Vb , розташований при z = 0 (рис. І1). Нехай частинка має енергію E >Vb . Введемо хвильові

вектори руху частинки в передбар'єрній k = 2m*E / 2 і підбар'єрній kb = 2m*(E −E0 )/ 2 областях. Тоді хвильову функцію частинки мо-

жна записати у вигляді двох плоских хвиль, що рухаються назустріч одна одній:

 

 

ikz

+Be

−ikz

,

 

z ≤ 0

Ae

 

 

 

 

ψ(z) =

ik z

+De

−ik

 

z

,

(І.1)

Ce

 

b

b

 

z ≥ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для виконання вимоги неперервності хвильової функції та її похідної прирівнюємо значення хвильових функцій та їхніх похідних на бар'єрі. Маємо

A +B =C +D ,

Vb

k(A −B) =kb (C −D)

(І.2)

Звідси можна отримати зв'язок між коефіцієнтами, що визначають амплітуду хвильових процесів у передта підбар'єрній областях,

z

0

Рис.І1. Потенціальний бар'єр

C = 1

1

+

 

k

A +

1

1

−

k

B (І.3)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

kb

 

 

kb

ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

336

D = 1

1−

k

A +

1

1+

k

B

(І.4)

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

kb

 

kb

 

Припустимо, що частинка рухається з області z < 0направо (див. рис.І1). Вважаючи амплітуду набігаючої хвилі рівною одиниці, маємо, що амплітуда відбитої хвилі

r = B = k −kb , k +kb

а амплітуда хвилі, що пройшла бар'єр,

t =C = k2+kkb .

(І.5)

(І.6)

Визначимо коефіцієнт проходження як відношення потоку частинок, що пройшли бар'єр, до потоку частинок, що падають на бар'єр. Тоді, аналогічно до (16.57), отримаємо

T =

( k

/m* )

 

t

 

2 =

 

4kk

b

 

.

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(І.7)

 

 

*

 

 

 

 

 

2

 

( k/m

 

)

 

 

 

 

 

(k +kb )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коефіцієнт відбиття є відношенням потоку частинок, відбитих від бар'єру, до потоку частинок, що падає на бар'єр,

 

 

 

*

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

R =

( k/m )

 

 

r

 

2 =

(k

-kb )

.

 

(І.8)

 

 

 

 

 

 

*

 

2

 

 

 

( k/m )

 

 

 

 

(k +kb )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Легко побачити, що при цьому зберігається неперервність потоку

 

 

 

 

 

 

 

R +T =1.

 

 

 

(І.9)

Т(Е)

 

 

 

 

 

 

 

Поведінка коефіцієнта прохо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дження бар'єру (0,3 eV) части-

1.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нкою подано на рис. І2. Зрозу-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

міло,

що у випадку E <Vb у кі-

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нцевих формулах треба зробити

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заміну

 

 

 

 

 

Е

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

kb

→ ik2 = i 2m*(Vb − E) /

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1.0 еВ

 

 

 

Рис. І2. Коефіцієнт проходження квантовою

 

Процес, що описується хви-

частинкою прямокутного бар'єру висотою 0.3

 

льовою функцією (І.1) з коефі-

еВ (синя крива). Червона лінія відповідає

 

цієнтами (І.3) можна подати ді-

коефіцієнту проходження класичної частинки

 

аграмою (рис. І3).

 

 

337

ДОДАТКИ

Область 1

Aexp(ikz)

Bexp(-ikz)

бар'єр

Cexp(ikbz)

Dexp(-ikbz)

Область 2

Рис.І3. Діаграма процесу розсіяння квантової частинки на однобар'єрній перешкоді

Систему рівнянь (І.3) можна переписати в матричній (або в опер а- торній) формі

C

= T(21)

A

T (21)

T (21)

A

 

 

 

 

 

= 11(21)

12(21)

 

.

(І.10)

D

 

B

T21

T22

B

 

Для одноактного процесу розсіяння переваг введення Т-матриці явно не спостерігається. Але якщо розглянемо складніший процес послідовного розсіяння на двох бар'єрах, як показано діаграмою на рис. І4, то впевнимось у перевазі методу. Амлпітуди хвиль частинок, що

 

 

A

 

 

C

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

D

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Область 1

Область 2

Область 3

Рис.І4. Діаграма розсіяння квантової частинки на двобар'єрній перешкоді

пройшли з області 1 до області 2, задаються амплітудами хвиль у першій області та Т-матрицею T(21). Амплітуди хвиль в області 3, у свою

чергу, зв'язані з амплітудами хвиль в другій області матрицею

T(32).

Таким чином,

 

 

 

 

 

E

 

C

 

C

= T(21)

A

,

= T(32)

(І.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

B

 

F

 

D

 

Тепер легко зв'язати амплітуди хвиль у третій області з амплітудами хвиль у першій області

ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

338

E

= T(32)T(21)

A

≡ T(31)

A

(І.12)

 

 

.

F

 

B

 

B

 

Тепер можна легко узагальнити метод обчислення коефіцієнту проходження квантовою частинкою багатобар'єрної структури. Нехай

A C C’ E

 

B

 

D

. . .

 

D’

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Область 1 1

Область 2 2

 

n-1 Область n

n Область n+1

Рис.І5. Діаграма розсіяння квантової частинки на n-бар'єрній перешкоді

частинка рухається у структурі, що складається з n бар'єрів, коефіцієнти проходження яких відомі (рис. І5). Розглядаючи послідовно процеси розсіяння на кожному бар'єрі, як у випадку двобар'єрної структури, можна записати

E

= T(n,n−1)T(n−1,n−2) T(32)T(21)

A

A

(І.13)

 

 

≡ T(n1)

F

 

B

B

 

Отже, для того, щоб знайти амплітуду хвильового процесу за n-разового розсіянні хвиль, необхідно просто знайти відповідну Т-матрицю, що є простим добутком n матриць одноразового розсіяння.

Таким чином ми отримали дуже важливий результат, що становить основу методу Т-матриці.

Коефіцієнт проходження n-бар'єрної структури дорівнює добутку матриць переходу кожного із бар'єрів

Повертаючись до процесу розсіяння частинки, що, рухаючись зліва направо, розсіюється потенціальною сходинкою, можемо записати

 

t

 

= T(21)

1

 

(І.14)

 

 

0

 

 

.

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

При цьому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = −

T21

 

,

 

t = −

T21T22 −T12T21

,

(І.15)

T

 

 

 

 

 

 

T

 

 

22

 

 

 

 

 

 

22

 

 

339

ДОДАТКИ

а Т-матриця визначається такими елементами:

T

(21)

 

1

 

kb +k

kb

−k

 

 

=

 

 

 

k

 

−k

k

+k

.

(І.16)

 

2k

 

 

 

 

 

b

b

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

Треба зауважити, що формули для Т-матриці, отримані вище, записані для випадку, коли границя бар'єру розташована на початку координат. Для подальшого нам знадобиться явний вигляд Т-матриці для бар'єра, що розташований у довільній точці координатної вісі, скажімо, z = d. Оскільки амплітуда хвильової функції змінюється лише при переході частинкою бар'єру, то зсув бар'єру на відстань d приведе лише до зміни фази хвильової функції. Тоді можна припустити, що тільки на такі фазові множники й відрізнятимуться компоненти Т-матриць Т(0) та Т(d). Для знаходження такого зв'язку ми спочатку транслюємо систему координат на d так, що в новій системі координат

маємо z′ = z −d. Тепер падаюча хвиля, яка мала вигляд Aeikz , перет-

вориться на Aeikz′eikd . Тобто її амплітуда домножиться на фактор eikd . Аналогічно амплітуду хвилі, що рухається в протилежному напрямку,

необхідно домножити на фактор e−ikd . Цю операцію можна записати як добуток діагональної матриці на вектор амплітуд:

A′

eikd

 

0 A

 

 

 

=

0

e

−ikd

.

(І.17)

B′

 

B

 

Тепер амплітуда хвиль, праворуч бар'єру буде такою

C′

eikd

 

0 A

 

 

 

= T(0)

0

e

−ikd .

(І.18)

D′

 

B

 

Для того, щоб перейти в робочу систему координат, необхідно знову помножити амплітуду хвиль на фазові множники. Але тепер варто мати на увазі, що перехід є зворотнім і відбувається в бар'єрній області. Таким чином, маємо

C

e−ikbd

 

0

 

C′

(І.17)

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

0

e

ikbd

 

D

 

 

 

D′

 

Таким чином, маємо співвідношення

e−ikdd

 

0

 

eikd

0

 

 

T(d) =

 

 

 

 

T(0)

 

−ikd

 

(І.18)

 

0

e

ikdd

 

0 e

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

340

що зв'язує Т-матрицю перешкоди при z = 0 з Т-матрицею перешкоди при z = d.

Надамо деякі додаткові відомості про метод Т-матриці. Для вивчення аналітичних властивостей Т-матриці розглянемо рівняння Шредингера, що явно залежить від часу

H Ψ(t) = i

∂

Ψ(t)

(І.19)

∂t

Вважаючи, що гамільтоніан системи не залежить від часу та є дійсним, використаємо інваріантність системи за часом (вимога дійсності гамільтоніана порушується, якщо розглядається дія магнітного поля на систему. У цьому випадку інвариантність системи за часом вимагає зміни знаку при магнітному полі, тобто при t → −t ми маємо

записати B → −B )

H Ψ(−t) = i

∂

Ψ(−t) .

(І.20)

∂t

Здійснюємо комплексне спряження

*

 

∂ *

 

 

 

 

 

 

H Ψ

(−t) = i

 

Ψ (−t) .

(І.21)

∂t

Оскільки (І.19) та (І.21) формально збігаються, то рівняння Шредингера задовольняється обома функціями Ψ(t) і Ψ* (−t) . Припустимо для

простоти, що по обидва боки від бар'єру квантові стани частинки є однаковими та описуються хвилею, що розповсюджується вздовж вісі OZ із хвилевим вектором k, тобто хвильова функція має такий вигляд

Ψk (z,t) = Aei (kz −ωt )

(І.22)

Операція обертання часу дає

Ψk* (z,t) = A*e−i (kz −ωt )

(І.23)

Оскільки знак при k змінився, це означає зміну напрямку руху частинки. Менш очевидним є комплексне спряження коефіцієнта А. Але якщо взяти до уваги, що залежність хвильової функції від часу має

лишатись такою самою, як до розсіяння на бар'єрі, тобто e−iωt (енергія зберігається!), то зрозуміло, що для цього необхідно, щоб у функцій (І.22) та (І.23) були різні коефіцієнти. Таким чином, за часової інверсії амплітуди хвильових функцій мають бути комплексно спряженими. Таким чином в області z < 0 (рис. I1) хвильова функція має вигляд

Aeikz +Be−ikz .

(І.24)

Інваріантність відносно інверсії в часі дає

B*eikz + A*e−ikz .

(І.24)

341

ДОДАТКИ

Обидві функції є розв'язками рівняння Шредингера.

Визначення Т-матриці дозволяє знайти коефіцієнти хвильової функції в області z > 0.

C

T

T

A

T A +T B

 

 

= 11

12

 

= 11

12

(І.25)

D

T21

T22 B

T21A +T22B

 

Інваріантність відносно інверсії в часі вимагає, щоб

D*

T

T

B*

T B* +T A*

 

(І.26)

 

C*

 

=

11 12

 

A*

 

=

11

12

 

 

 

 

T

T

 

 

 

T B* +T A*

 

 

 

21 22

 

21

22

 

Але фізично система не змінилася, як не змінюється й Т-матриця. Формально замінимо у векторах формули (І.26) елементи та візьмемо комплексне спряження. Маємо

C

T*

A +T* B

T *

 

= 22*

21*

 

= 22*

D

T12 A +T11B

T12

Порівнюючи (І.25) і (І.27), маємо зокрема

T *

A

 

21*

 

.

(І.27)

T11

B

 

T

=T *

,

T

=T *

(І.28)

22

11

 

21

12

 

Таким чином, тільки два із чотирьох елементів Т-матриці є незалежними, тому її можна записати у формі

 

 

T12

 

(І.29)

T = T11

.

 

T*

T*

 

 

12

11

 

Подальший зв'язок між двома компонентами матриці можна отримати, виходячи з умови збереження потоку частинок по обидва боки перешкоди. Можна припустити, що по обидва боки перешкоди стани частинки описуються однаковими хвильовими векторами. Тоді

| A |2 − | B |2 = |C |2 − | D |2 .

(І.30)

Визначаючи коефіцієнти C та D через А та В і компоненти Т-матриці, маємо

|T11 |2 − |T12 |2 =1= det| T |.

(І.31)

Ці співвідношення зводять число незалежних реальних величин, що визначають трансфер-матрицю, до трьох. Зважаючи на це, можна записати вирази до амплітудних коефіцієнтів проходження та відбиття як

r = −

T *

і t =

1

 

 

12

 

.

(І.32)

T *

 

T *

 

 

 

 

11

 

11

 

 

Таким чином, можна записати Т-матрицю у термінах r та t

ОСНОВИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

342

 

1/t

*

−r

*

/t

*

 

T =

 

 

 

(І.33)

 

−r /t

1/t

 

 

із додатковою умовою |r |2 + | t |2 =1, що визначає закон збереження

потоку частинок. Іноді корисно використовувати Т-матрицю, що зв'язує амплітуди хвиль у лівій частині від перешкоди з амплітудою в правій частині

B

D

(І.34)

 

= T(12) .

A

C

 

Для знаходження компонентів цієї матриці слід зауважити, що T(12) не є простою інверсією матриці T(21). Нехай компоненти матриці T(12) позначаються як штриховані - Tij′ . Тоді, порівнюючи (І.26) з (І.34), можна записати

T ′

T ′

 

 

 

1/t

′*

−

′*

/t

′*

 

T(12) =

11

12

 

=

 

r

 

 

 

 

′

′

 

 

 

−r ′/t′

1/t′

 

T21

T22

 

(І.35)

 

T

−T*

 

 

1/ t *

r

/ t

 

 

 

 

=

11

*12

 

=

 

 

 

 

 

 

 

−T12

T11

 

 

 

r */ t *

1/ t

 

 

Отже, для зв'язку між компонентами реверсивної і прямої Т-матриць маємо

′

=T11

′

′

(І.36)

T11

і T12

=T12.

Аналогічно зв'язок між амплітудними коефіцієнтами відбиття та проходження запишемо у вигляді

 

′

 

 

 

′

 

t

 

*

 

 

t

= t

і

r

= −t* r

 

.

(І.37)

 

 

 

Додаток J

Формула Кубо-Грінвуда

Вважатимемо, що вироджений електронний газ перебуває в неупорядкованій системі за нульової температури. Стани з енергіями

меншими за EF заповнені. Нехай власними хвильовими функціями електрона з енергією Е в неперіодичному полі з відповідними граничними умовами є ψE (r) , нормовані на один електрон в об'ємі Ω . Припустимо, що на електрон діє змінне електричне поле частоти ω

E = Fcosωt

(J.1)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]