Thạc Sĩ điện trở của khí điện tử giả hai chiều trong giếng lượng tử GaP/AlP/GaP

MỞ ĐẦU

Các cấu trúc với khí điện tử hai chiều đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong vài thập kỷ gần đây và chúng đã mang lại những sự thay đổi lớn lao trong các ứng dụng vào công nghệ điện tử [1-9]. Nguyên nhân chính là do hệ khí điện tử hai chiều có một loạt các tính chất khác với hệ điện tử và lỗ trống ba chiều thông thường mà chính sự khác biệt đó sẽ chứa trong nó những khả năng đột phá và ứng dụng mạnh mẽ về công nghệ linh kiện điện tử. Trong thời đại ngày nay do nhiều yêu cầu khác nhau trong khoa học và thực tiễn cuộc sống như tốc độ xử lý thông tin, truyền tin, truyền thông, các diod phát quang (LEDs) mà các vật liệu bán dẫn có tốc độ cao đã được quan tâm nghiên cứu rất nhiều, trong đó các đại lượng vật lý như độ linh động, điện trở, thời gian hồi phục, các quá trình tán xạ của điện tử đóng vai trò rất quan trọng, vì các đại lượng này quyết định đến tốc độ của linh kiện điện tử. Ta biết rằng độ linh động và điện trở phụ thuộc vào các cơ chế tán xạ của hạt tải như tán xạ tạp chất ion hóa, bề mặt nhám, mất trật tự hợp kim, phonon,
Tùy theo loại vật liệu, cấu trúc, nhiệt độ, tạp chất mà vai trò của các cơ chế tán xạ có thể khác nhau. Các công trình nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào trường hợp nhiệt độ và từ trường bằng không. Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà nghiên cứu đã thực hiện được thí nghiệm với các cơ chế tán xạ trong nhiều điều kiện khác nhau, mà mục đích chủ yếu là nhằm tìm cách gia tăng độ linh động của hạt tải, tức là gia tăng tốc độ của các linh kiện. Trong một số công trình nghiên cứu gần đây, người ta đã nghiên cứu các cơ chế tán xạ khi có mặt của từ trường và thấy rằng các hiệu ứng vật lý mới đã xuất hiện hết sức thú vị, sự xuất hiện của các hiệu ứng này chủ yếu xuất phát từ sự phân cực spin của electron trong từ trường, hay hiệu ứng Zeemann [10-14]. Mục đích chính của các thí nghiệm này là sử dụng từ trường để tạo ra dòng điện tử phân cực spin trong các vật liệu bán dẫn, từ đó khảo sát sự ảnh hưởng của spin điện tử lên độ linh động cũng như điện trở của vật liệu.
Các vật liệu bán dẫn được tập trung nghiên cứu chủ yếu là các bán dẫn có cấu trúc dị thể với giếng thế lượng tử và siêu mạng ( superlattice), khác với các chất bán dẫn có sẵn trong tự nhiên như Si, Ge, GaAs là những cấu trúc tuần hoàn, các siêu mạng không tồn tại trong tự nhiên và có cấu trúc với phân bố thành phần tùy ý, các siêu mạng được chế tạo bằng kỹ thuật nuôi cấy tinh thể, epitaxy bằng chùm phân tử ( MBE ). Đi cùng cấu trúc dị thể với giếng thế lượng tử và siêu mạng là các hiện tượng như: khí điện tử hai chiều, hàm mật độ trạng thái như hàm bước nhảy, cộng hưởng xuyên ngầm, sự tồn tại của các exciton ở nhiệt độ phòng, hiệu ứng Hall lượng tử,
Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu độ linh động và điện trở của các điện tử trong giếng lượng tử GaP/ AlP/GaP ở nhiệt độ bất kỳ đặt trong từ trường song song với lớp theo hai cơ chế tán xạ là tán xạ bề mặt nhám và tán xạ tạp chất ion hóa. Giếng lượng tử này là giếng lượng tử thuộc cấu trúc dị thể loại II, chuyển động của các electron không thể vượt qua khỏi lớp rào và được xem như bị giam trong một miền giếng lượng tử, trong trường hợp này lớp AlP có bề rộng hữu hạn trong đó tồn tại hiệu ứng giam cầm điện tử và sự giam cầm này là vô hạn. Do đó mà các electron sẽ bị lượng tử hóa khi có chuyển động vuông góc với mặt tiếp xúc dị thể. Vì độ chênh lệch đáy vùng dẫn của GaP / AlP lớn hơn rất nhiều so với năng lượng Fermi và năng lượng chuyển động nhiệt k T eV B  0.026 của hạt tải nên giếng lượng tử trong cấu trúc GaP/ AlP/GaP là giếng lượng tử vuông sâu vô hạn.
Các tính toán với độ linh động và điện trở suất ở nhiệt độ không sẽ được so sánh với các kết quả của A.Gold và R.Marty ( Phys. Rev B76 165309 ). Sau đó chúng tôi sẽ mở rộng tính toán cho trường hợp nhiệt độ khác không.
Bố cục của luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Chúng tôi trình bày lý thuyết vận chuyển cổ điển theo mô hình của Drude để có một cái nhìn đầu tiên một cách định tính về khí điện tử.
Chương 2: Mô hình và các tham số của giếng thế lượng tử GaP / AlP /GaP , giải phương trình Schrodinger tìm hàm sóng và năng lượng tương ứng, từ đó tính hàm phân bố mật độ trạng thái và mật độ electron theo nhiệt độ và từ trường của khí điện tử hai chiều.
Chương 3: Trình bày thời gian hồi phục, hiệu ứng chắn và hàm điện môi của khí điện tử hai chiều.
Chương 4: Trình bày các cơ chế tán xạ bề mặt nhám và tán xạ tạp chất ion hóa ( pha tạp xa trong hai trường hợp là các tạp chất bên ngoài giếng và các tạp chất tại tâm giếng lượng tử).
Chương 5: Các kết quả khảo sát từ lập trình C cho độ linh động, tỉ số thời gian tán xạ và thời gian hồi phục, tỉ số điện trở suất theo mật độ, nhiệt độ và từ trường, so sánh kết quả tính được với kết quả của A.Gold và G.Marty ( Phys. Rev. B76 165309 ).
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Mục lục
Danh sách hình vẽ
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 – Lý thuyết vận chuyển cổ điển của Drude 4
Chương 2 – Đặc tính của khí điện tử hai chiều 7
2.1. Giếng thế lượng tử 7
2.2. Mật độ trạng thái 10
2.3. Mật độ electron trong từ trường và nhiệt độ 13
2.4. Thời gian tán xạ và thời gian hồi phục 15
2.5. Hiệu ứng màn chắn và hàm điện môi 17
2.6. Các cơ chế tán xạ 24
Chương 3 – Độ linh động và điện trở suất của khí điện tử hai chiều 29
3.1. Lý thuyết tổng quát 29
3.2. Kết quả giải số 30
3.2.1. Tán xạ bề mặt nhám 30
3.2.2. Tán xạ tạp chất ion 33
3.3. Kết luận 39
Phụ lục 40
Tài liệu tham khảo 43