半导体异质结中二维电子气与调制掺杂器件课件.ppt
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1、问题:二维电子气的散射机构有哪些?二维电子气的郎道能级sdH振荡量子霍尔效应,5.3.3 二维电子气的散射机构5.4 强磁场中的二维电子气(2DEG)5.4.1 磁场中二维电子气的本征值5.4.2 二维电子气朗道能级5.4.3 量子霍尔效应5.5 AlGaN/GaN异质结中二维电子气的磁电阻振荡,5.3.3 二维电子气的散射机构,影响A1GaN/GaN异质结构中载流子迁移率的散射机制主要包括:电离杂质散射,晶格振动散射.界面粗糙度散射,合金无序散射.,(a)电离杂质散射,(b)晶格振动散射,晶格振动扰乱了晶体势场的周期性,产生了附加势。附加场和电子的相互作用使电子由某一个本征态跃迁到另一个本征
2、态而形成了散射。晶格振动散射就是电子和声子的相互作用。如果构成异质结的两种材料的介电常数、态密度和晶格常数相近,声子不受层状结构的影响,仍可看成是三维的。,interface roughness interface imperfections and roughness represents deviation from the perfect crystal and can therefore create scattering.Due to crystal matching,in GaAs=AlGaAs heterostructures this type of scattering is
3、 usually very small,unlike the case of the Si MOSFET.,异质结面几何上的不平整也相当于有一个起伏的势场使界面二维电子气发生散射。界面粗糙度可用两个参数来表征:一个是界面上起伏的高度差,另一个是沿界面方向起伏的平均周期。,(c)界面粗糙度散射,(d)合金无序散射,虽然理想情况下 2DEG 波函数在界面处消失了,但是由于半导体异质结构垒层并不是无限高,所以电子波函数可透入到 AlxGa1-xAs势垒层,由于 Al 和 GaAs 在三元合金中的无序分布,AlxGa1-xAs 势垒层的周期性势场将受到干扰,它对电子的散射成为合金无序散射。,面电子密度
4、增加,电子波函数更靠近界面,渗透到 AlxGa1-xN 势垒层中的部分也就增加,散射加强。同理,Al 组分的减少将导致势垒高度降低,也将引起散射增加。,5.4 强磁场中的二维电子气(2DEG),B,电场 磁场,二维电子气在磁场中的有效质量方程为:,5.4.1 磁场中二维电子气的本征值,在磁场中的二维电子气系统,在垂直表面和平行表面的方向都是量子化的。,Ay,态密度,当改变磁场测量磁阻时,,朗道能级态密度 BEF 不随磁场变化,5.4.3 量子霍尔效应,(一)经典霍尔效应,The Hall effect was discovered by Edwin Hall in 1879 when he w
5、as a graduate student in the Johns Hopkins University under the advisory of Professor Henry A.Rowland.,1 范德堡方法(van der Pauw),样品制备:,电极制作:,测量电路,The van der Pauw configuration is shown for a sample with arbitrary shape.The configurations are for Resistivity(b)Hall-effect measurements.,2 标准的霍尔桥样品,(5.48)
6、,(5.47),(5.49),(5.50),1978年 Klaus von Klitzing 和Th.Englert 发现霍尔平台,但直到1980年,才注意到霍尔平台的量子化单位 1985年,Klaus von Klitzing 获诺贝尔物理奖.,(二)量子霍尔效应,观测量子霍尔效应示意图(与经典Hall效应相同):固定B,改变栅电压以改变载流子数目,观察霍尔电压VH和栅电压VL的变化*霍尔电压呈现平台的地方,纵向电压VL为零纵向电阻为零!几种样品都有同样的结果(外型尺寸、载流子类型、能带结构,),这是一个普适现象,应用:,1.1990年起,国际电阻标准为:精度2.精细结构常数,精度,5.5
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