2022-2023学年高二物理竞赛课件：超晶格负微分电导

超晶格负微分电导

目录耿氏效应1超晶格负微分电导2隧道二极管负微分电导3孤子（光孤子）4耿氏效应耿氏效应（Gunneffect）是1963年，由耿氏(J．B．Gunn)发现的一种效应。当高于临界值的恒定直流电压加到一小块N型砷化镓相对面的接触电极上时，便产生微波振荡。在N型砷化镓薄片的二端制作良好的欧姆接触电极，并加上直流电压使产生的电场超过3kV/cm时，由于砷化镓的特殊性质就会产生电流振荡，其频率可达10^9Hz，这就是耿氏二极管。这种在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。谷间电子转移倒格子晶格结构回顾fccbcc第一布里渊区（W-S原胞）GaAs能带结构单晶体中电子速度和有效质量单晶体中电子的速度和有效质量可以从E、k关系求得。简单情况和自由电子相类似实际单晶体是各向异性的，能带结构非常复杂，有效质量的倒数是一个张量。张量：一个物理量如果必须用n阶方阵描述，且满足某几种特定的运算规则（也就是说，这方阵通过这几种运算后得到的结果是规则指出的），则这个方阵描述的物理量称为张量。GaAs的两种能谷有效质量由前面的公式可知道：砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心，在布里渊区边界L处还有一个能谷2，它比能谷1高出0。29ev。当温度不太高时，电场不太强时，导带电子大部分位于能谷1。能谷1曲率大，电子有效质量小。能谷2曲率小，电子有效质量大。由于能谷2有效质量大，所以能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小。负微分电导现象由于导带两个能量差远大于电子热运动能，因此初始状态为n1集中于中心能谷，当电场为F时电流密度为：对体系加入强电场，使得电子温度大幅度提高于是向卫星能谷分布负微分电导现象虽然随着n2的增大，J2的数值会进一步增大，但是由于n1+n2=n，且卫星能谷的电子漂移速率远小于中心能谷，所以总量J随着F的增大而减小当F进一步增大，所有电子基本上都已转移到卫星能谷，总电流为

此后电子迁移速率随着电场增大线性增大。耿氏电场畴由于负微分电导特性，一个较强的电场意味着电子的速度较小，因此，积累层的前沿出现电子的耗尽，同时在积累层的后沿出现，形成了电场强度分布不均的状态整个样品中的电场分布，分为偶极层的强场区和样品其余部分的弱场区，其中偶极层强场区称为电场畴。超晶格的负微分电导现象微带运输：电子被较大的电场驱入负的有效质量区，电子的漂移速度随外电场的增大而减小，出现微分电导现象。级联隧穿：源于相邻阱束缚态能级之间的级联共振隧穿。微带：超晶格势垒区较薄时，阱中量子化的孤立能级相互耦合而成微带结构。微带有载流子公有化运动。超晶格布里渊区小，带宽小，呈现一系列新现象隧道二极管负微分电导费米能级分别进入导带和价带，为强简并情形（高掺杂情况）在重掺杂pn结中，势垒很薄而且势垒高度约等于禁带宽度。

费米能级最后一个费米子占据着的量子态即可粗略理解为费米能级。虽然严格来说，费米能级等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。孤子1834年，英国造船工程师罗素观察到一个奇妙的现象：由两匹马拉着的一只船在窄河道中急速行驶，当船突然停止时，有一圆滑的、轮廓分明的孤立突起波形离开船头继续前进，并保持形状不变。称之为“孤立波”。1895年，科特维格和德夫瑞斯为解释一维浅水水波建立一个非线性微分方程，称为KdV方程，该方程有一个解刚好对应于罗素所看到的孤立波。1965年，扎布斯基和克鲁斯卡尔发表论文，发现两个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变，说明孤立波有明显的粒子性，并由此提出“孤立子”一词。孤子与孤立波孤立波solitarywave从波动观点看，孤立波是传播过程中保持自身形态不变的定域化的波。并且两个孤立波碰撞前后波形和速度都保持不变。孤立子soliton从粒子观点看，孤立子是能量被集中在有限时间和空间的孤立波。并且两个孤立子间发生碰撞，碰撞后它们各自的能量不会随时间扩散，保持着原来的速度和形状。光孤子的产生波在传播中往往存在色散现象，色散主要由材