121) Резонансное туннелирование в двухбарьерной гетероструктуре и резонансно-туннельный диод.
Интерес к двухбарьерным квантовым структурам обусловлен видом их N-образной вольт-амперной характеристики с участком отрицательного дифференциального сопротивления и малой инерционностью процесса туннелирования (порядка 10-13 сек).
При более детальном рассмотрении эффекта прохождение электронов через потенциальные барьеры, создаваемые всей совокупностью заряженных частиц при контакте двух, например, полупроводниковых материалов, было установлено несколько интересных фактов. Оказалось, что в структуре со сверхмалыми размерами свойства этого эффекта зависят от энергии электронов внутри самой структуры. В результате чего в наноструктуре с двумя потенциальными барьерами наблюдается резкое возрастание протекающего через нее тока только при совпадении энергии электронов в электроде, поставляющем электроны, и свободного энергетического уровня в наноструктуре. Это явление получило название «резонансное туннелирование».
Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Эсаки. Однако экспериментальные резонансно-туннельные диоды и транзисторы появились лишь в начале 90-х годов XX века.
Резонансно-туннельный диод представляет собой сложную периодическую структуру (рис. 7.3 а), размеры некоторых областей которой составляют несколько нанометров.
а) |
б) |
Рис. 7.3. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (б) резонансно-туннельного диода |
|
Рассмотрим работу резонансно-туннельного диода. Ток, протекающий через него, зависит от величины приложенного напряжения. Если приложенное напряжение мало, и энергия электронов, проходящих через потенциальный барьер, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно, протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня. При более высоких напряжениях энергия электронов станет больше энергии дискретного уровня, и прозрачность барьера для электронов уменьшится. При этом ток также уменьшится. Вольт-амперная характеристика резонансного туннельного диода показана на рис. 7.3 б. Видно, что на вольт-амперной характеристике имеется максимум и участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 7.3 б – область уменьшения тока при увеличении напряжения), что чрезвычайно привлекательно для создания многоуровневых логических элементов, элементов памяти и твердотельных сверхвысокочастотных генераторов.
Добавление управляющего электрода к резонансно-туннельному диоду превращает его в резонансно-туннельный транзистор и расширяет возможности его применения. Такие транзисторы имеют частоты переключения порядка 1012 Гц, что в 100-1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем.
122) Оптический модулятор на основе квантово-размерного эффекта Штарка.
Квантово-размерный эффект Штарка и его применение
Эффектом Штарка называется изменение энергетического спектра атомов, молекул, кристаллов в электрическом поле. Квантово-размерный эффект Штарка (quantum confined Stark effect) в гетеронаноструктурах с квантовыми ямами (КЯ) проявляется в красном смещении линии экситонного поглощения КЯ. Это смещение связано с изменением формы потенциальной ямы в электрическом поле. На рис. 1 показаны энергетические диаграммы и огибающие волновые функции фотовозбужденных электронов и дырок для гететероструктуры с КЯ InGaAs/GaAs в отсутствие электрического поля и в электрическом поле с напряженностью F. В достаточно совершенных КЯ обычно образуются связанные (экситонные) состояния электронов и дырок, которые проявляются в наличии пика на краю межзонного оптического поглощения КЯ. Энергия основного оптического перехода в КЯ
Е0=Ee1-Ehh1, (1)
где Ee1 и Ehh1 – энергии основного состояния электрона и тяжелой дырки соответственно.
При отсутствии постоянного дипольного момента электронно-дырочной пары в КЯ красное смещение экситонного пика основного оптического перехода в электрическом поле
определяется индуцированным дипольным моментом p=αF и квадратично зависит от напряженности приложенного электрического поля F.
Кроме смещения линии экситонного поглощения в достаточно сильном электрическом поле происходит уширение линии, связанное с уменьшением времени жизни экситона, и уменьшение коэффициента поглощения, связанное с уменьшением интеграла перекрытия огибающих волновых функций электронов и дырок.
Эффект Штарка на линиях экситонного поглощения КЯ Al(In)GaAs/GaAs [1] представляет практический интерес в связи с созданием быстродействующих оптических затворов и модуляторов для области спектра 0.85 - 1.1 мкм. Они представляют собой многоямную структуру встроенную в p-i-n диод и обеспечивают глубину оптической модуляции больше 50% для света, падающего нормально на модулятор. В оптических модуляторах используются гетероструктуры с КЯ GaAs/AlGaAs и с КЯ InGaAs/GaAs для модуляции излучения с длинной волны λ=0.85 мкм и λ =1 мкм соответственно. Последние структуры могут быть использованы для модуляции излучения Nd:YAG лазера (λ =1.064 мкм).
Обычно эффект Штарка в гетеронаноструктурах с КЯ измеряется методом оптического поглощения на многоямных структурах (число КЯ ~ 50 – 100) [1], подобных тем, которые используются для создания оптических модуляторов. Необходимость использования многоямных структур в этом методе обусловлена малой величиной коэффициента поглощения одной КЯ (~ 1%).
При приложении напряжения к такой структуре происходит смещение экситонных пиков поглощения (основного и возбужденных переходов).
Электрическое поле в низколегированной i-области однородно и определяется следующей формулой
где V –приложенное обратное смещение на диоде, ϕ0 –высота барьера, Li – ширина i-области (Li=(LQW+Lb) NQW, где NQW – число КЯ в многоямной структуре). При LQW=5 нм, Lb=10 нм, NQW =50 Li≈750 нм, F=φ0/W≈20 кВ/см при V=0.
Такие модуляторы демонстрируют хорошие электрические характеристики и глубину модуляции (контраст поглощения) до 57% на экситонных пиках.
Появление лазеров вызвало интенсивное развитие методов внутр. M. с., основанных на управлении когерентным излучением за счёт изменения параметров лазера. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду электрич. поля (Штарка эффект), под действием к-рых происходит расщепление исмещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного получения. Изменяя величину коэф. усиления, получают амплитудную модуляцию излучения лазера. Для этого воздействуют на разность населённостей активной среды, либо изменяя мощность сё возбуждения, либо используя вспомогат. возбуждение, приводящее к перераспределению населённостей.
Наконец, излучение лазеров также модулируют, изменяя добротность оптич. резонатора путём введения потерь, величина которых управляется внеш. сигналом. Для этого используют модуляторы на основе электрооптич. и фотоупругих сред.