estructura electrónica de los sólidos
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ESTRUCTURA ELECTRNICA DE LOS SLIDOS II
Efectos de la dimensionalidad sobre la estructura electrnica. Heterouniones semiconductoras. Pozos cunticos y superredes. Hilos y puntos cunticos.
Efectos de la dimensionalidad sobre la estructura electrnica
Efectos de la dimensionalidad sobre la estructura electrnica
Tcnicas de crecimientoSemiconductores masivos p. ej. Mtodo de Czochralski
Capas delgadas, heterostructuras,... p. ej. Epitaxia por haces moleculares (MBE)
Epitaxia por haces molecularesCmara de crecimiento por MBE
Crecimiento capa atmica a capa atmica
Heterouniones semiconductoras
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)First MOSFET ~1960
Near the SiO2-Si interface SiO2 E2 E1 Electron density p-Si 10nmCB E= -edg eF e x
V=0
V>Vth
= *2DEG
V between metal gate and p-substrate creates n-conducting channel -> source-drain resistance decreases dramatically Almost no current passes (vertically) through oxide But many impurities in conducting channel (dissipation, slow)
distance
Modulation Doping Field Effect Transistor (MODFET)
Pozos cunticos y superredes
Estados electrnicos en un pozo cuntico: Efectos de confinamientoGa Al As AlAs GaAs AlAs
Nuevo material artificial formado por capas delgadas de materiales con diferente gap. Estados electrnicos?
Aproximacin de la masa efectiva
libre cuantizado
Estados confinados (e)
E gAlAs
E
GaAs g
Nuevo gap(mayor que el de GaAs) Estados confinados (h)
Diseo de un pozo cuntico La importancia del substratoSubstratos comerciales ms utilizados
La importancia del alineamiento de los gaps
Tipo II
Tipo III
Eleccin de los materiales: Investigacin bsicaEnergy Gap Eg (eV)
AlxGa1-xAs: un material ideal para la investigacin de pozos cunticos y superredes Para 0 < x < 0.4 AlxGa1-xAs tiene un gap directo, que es mayor que el GaAs. GaAs y AlGaAs tienen aproximadamente la misma constante de red. Por tanto, AlGaAs es una excelente barrera de potencial para estudiar pozos cunticos basados en GaAs.
Al content xH.C. Casey and M.B. Panish, J. Appl. Phys. 40, 4910 (1969).
Eleccin de los materiales: Aplicaciones en telecomunicaciones
Modelo de pozo cuntico con barreras infinitasSi E
Aproximacin E ( barreras infinitas )
V(z)
Lz
E4
Niveles de energa m=4
(z)
|(z)|2
E3 E2 E1
m=3 m=2 m=1
z
a is the length
Las funciones de onda tienen paridad definidad respecto a z = 0 los estados se pueden clasificar por su simetra par o impar El estado m tiene (m-1) nodos La energa de confinamiento E1 y las energas entre niveles (Em+1-Em) dependen de la anchura del pozo como 1/Lz2 of the well y son inversamente proporcionales a la masa m*,z
Lz
Barreras finitasE
m=2 m=1
La funcin envolvente penetra en la barrera Los estados todava pueden ser identificados por su paridad y nmero de nodos La energa de confinamiento se reduce respecto al modelo con barreras infinitas: Ejemplo: GaAs/AlGaAs Ec = 300 meV Lz = 10 nm m*AlGaAS = 0.092 m0 m*GaAs = 0.067 m0 E1 = 31.5 meV En el modelo de barreras infinitas E1 = 57 meV Al menos un estado confinado aparicin de un espectro continuo
Barreras finitas
Pozo triangularPuede aparecer un pozo cuntico triangular cuando en una heterostructura hay un campo elctrico
Los estados cunticos de un pozo triangular(en la aprox. de barreras infinitas)
donde F es el campo elctrico
Excitones en pozos cunticose
h
Modelo (exactamente) bidimensional
Estado fundamental
Modelos cuasi-bidimensionales Para un pozo de barreras infinitas R crece montonamente a medida que el pozo se hace estrecho, como los estados discretos del pozo. Para un pozo de barreras finitas R alcanza un mximo, y luego decrece porque el electrn y el hueco se deslocalizan en la barrera. El exciton light-hole tiene en general una energa de enlace ms grande que el heavy hole porque m*lh, > m* hh, En cualquier caso, la energa de enlace del excitn es mucho mayor en un pozo cuntico que en el GaAs masivo (4.5 meV)
----- Light-hole exciton _____ Heavy-hole exciton
SuperredesPozo cuntico B A B Pozos cunticos mltiples B B A B A Superred A B A B
A
Niveles de energa discretos
No hay solapamiento; todava niveles de energa discretos
Barreras estrechas Solapamiento de las funciones envolventes las subbandas discretas se ensanchan y forman minibandas
Ei~ E i + Ai 2 B i
4 Bi~ E i + Ai + 2 B i
LA + LB
1st
Brillouin zone
L
A
+ LB
k
Hilos y puntos cunticos