Теоретические исследования баллистического и поверхностного фотогальванического эффекта и двумерных электронных состояний в полупроводниках кубической симметрии

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мире в интенсивном развитии физики полупроводников играют важную роль полупроводники кубической симметрии. Создание фотопреобразователей, фотодатчиков на основе таких полупроводников, работающих на базе фотогальванического эффекта, интенсивно развивается. Ряд физических свойств полупроводников кубической симметрии зависит от механизмов рассеяния носителей заряда в его объеме, исследование баллистического и поверхностного фотогальванического эффекта и двумерных электронных состояний является одной из важнейших задач в этой области.
В нашей стране получены заметные результаты в приоритетных направлениях науки, в том числе, по «Развитию использования источников возобновляемой энергии», в исследованиях фотонно-кинетических явлений в полупроводниковых наноструктурах. В стратегии действий дальнейшего развития Республики Узбекистан уделено особое внимание развитию научных исследований и инновационной деятельности, задачам создания эффективных механизмов внедрения в практику научных и инновационных достижений, в том числе исследований физических процессов в трех и двумерных электронных системах.
На сегоднешний день в мире большое внимание обращается на физические процессы в полупроводниковых наноструктурах, в том числе важнейшими задачами являются реализации целевых научных исследований по: определению баллистического и поверхностного фотогальванического эффекта в полупроводниках кубической симметрии, а также двумерных электронных состояний; сопоставлению фотонно-кинетических свойств квантовых ям, эффектов размерного квантования, механизмов рассеяния носителей заряда, энергетических спектров квазичастиц в поляризационных фотогальваничеких эффектах; определению взаимодейтвия поляризованного излучения с носителями заряда полупроводников со сложной валентной зоной и их наноструктур, а также электронных, оптических и фотогальванических свойств.
Настоящее диссертационное научное исследование в определенной степени служит ответственному выполнению задачи, предусмотренной в ряде указов и постановлений Президента страны, в том числе в Указе Президента № УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по развитию Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года, и в Постановлениях Президента № ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг. « от 15 декабря 2010 года и № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершентсвованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере и изложенных в соответствующих законодательных актах.
Таким образом, исследование электронных состояний и создание количественной теории оптических и фотогальванических эффектов, обусловленных ассимметрией акта поглощения фотонов, процессов релаксации импульса фотовозбужденных носителей заряда, как в полупроводниках, так и в полупроводниковых размерно-квантованных структурах является актуальным и имеет научную практическую перспективу.
Целью исследования являются теоретические выявления механизмов поверхностного и линейного фотогальванического эффекта в полупроводниках кубической симметрии, а также двумерных электронных состояний.
Научная новизна исследования:
определена осцилляция коэффициента прохождения, когда различны эффективные массы электронов в соседних слоях ассимметричной слоистой структуры на основе условия Бастарда;
определено математическое выражение температурной зависимости тока линейного фотогальванического эффекта в p-GaAs, наблюдаемого при межподзонных однофотонных переходах, обусловленного ассимметрией электрон-фононного и электрон-фотонного взаимодействий;
ассимметричное рассеяние электронов на фотонах и на фононах в полупроводниках со сложной валентной зоной рассчитано методом диаграммной техники Келдыша, показано, что спектральная зависимость баллистического фототока определяется спектральной зависимостью коэффициента поглощения;
показано, что возникновение баллистического фототока, обусловлено с учетом линейного и кубического по волновому вектору слагаемыми в гамильтониане дырок, определено изменение численного значения фототока в зависимости от знака зонных параметров полупроводника;
выведено математическое выражение для поверхностного фототока в полубесконечном многодолинном полупроводнике во внешнем магнитном поле, в зависимости от температуры и частоты.
Заключение
На основе исследования баллистического и поверхностного фотогальванического эффекта и двумерных электронных состояний в полупроводниках кубической симметрии сделаны следующие выводы:
1. Определены выражения для коэффициента прозрачности барьеров ассиметричной структуры с учетом условия Бастарда, а также условия наблюдения осцилляции туннелирования электронов.
2. Показано, что баллистический линейный фотогальванический эффект в полупроводнике без центра симметрии обусловлен наличием членов разной четности в операторах взаимодействия дырок с фотонами.
3. Получено математическое выражение для температурной и частотной зависимости баллистического фототока, зависящего от ассимметрии вероятности оптических переходов между подзонами валентной зоны р-GaAs, где показано изменение численного значения фототока за счет знаков зонных параметров.
4. Показано, что прохождение экспериментально наблюдаемого фототока с ростом температуры через экстремум связано со знаком и значением зонных параметров, пропорциальных линейно и кубически по волновому вектору дырок слагаемых в гамильтониане.
5. В приближении времени релаксации рассчитан фототок, определяемый неравновесной функцией распределения электронов как при их зеркальном, так и при их диффузном рассеянии о поверхность. Показано, что функция распределения диффузно рассеянных от поверхности электронов зависит только от их энергии и определяется из условия обращения в ноль полного потока электронов на поверхности.
6. Определено влияние внешнего магнитного поля на поверхностный фототок в полубесконечном многодолинном полупроводнике с учетом анизотропии в энергетическом спектре носителей тока при поглощении поляризованного излучения. Показано, что в этом случае поверхностный фототок сосредоточится у поверхности на расстоянии порядка радиуса ларморовой орбиты электронов.