太赫兹量子级联激光器及其它半导体辐射源研究

论文摘要

太赫兹技术是近年来十分热门的一个研究领域，2004年被评为影响未来世界的十大科技之一。能否制造出体积小巧、使用方便的半导体太赫兹源决定了太赫兹技术能否得到广泛的应用。在电磁波谱中，太赫兹波段位于微波和红外之间，所以我们可以用电子学的方法，也可以用光子学的方法来探索产生太赫兹辐射的新途径。本论文前一部分研究了基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器的热电子和声子输运过程，发现热声子效应以及各种散射机制对器件性能的影响；后一部分研究了其它利用电子学的方法来产生太赫兹振荡的可能途径。本论文的主要内容和结论包括： 1．发展了基于蒙特卡洛方法的太赫兹量子级联激光器模拟程序，研究了共振声子辅助的太赫兹量子级联激光器中的载流子输运性质，重点研究了激光器工作过程中的热声子效应以及杂质散射对器件性能的影响。这种设计的量子级联激光器依靠共振的LO声子散射来实现低能级的电子抽取，从而实现粒子数反转。连续释放的LO声子转化为其它模式的声子所需要的时间较长，所以器件中的热声子效应比其它设计的量子级联激光器要明显，忽略热声子效应而得到的器件电流密度会比实际值小。而杂质散射提供了新的电子注入的途径，它与电子-电子相互作用一样，在太赫兹量子级联激光器中起到非常重要的作用。这一套蒙特卡洛模拟程序为太赫兹量子级联激光器的设计和性能的改进提供了理论指导。 2．根据ab-initio方法而得到的闪锌矿结构的GaN的能带结构，提出了利用其Γ带内反射点导致的负微分电导效应来产生太赫兹振荡的理论可能性。我们把研究传统的庚氏器件的方法进行了扩展，利用漂移-扩散模型研究了闪锌矿结构GaN n+nn+结构中的电场畴随时间和空间的演变，以及产生的太赫兹振荡；并且进一步研究了器件在太赫兹交流电场作用下的非线性动力学特性，其中包括各种周期，准周期和混沌现象。这一效应可以用于研制基于电子学的太赫兹振荡器。 3．研究了宽禁带半导体材料（GaN）准二维电子气系统中，电子在流输运区域的稳态输运特性以及高频小信号扰动下的动态输运特性。重点考虑了一直被人

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 基本概念
• 1.1 太赫兹波简介
• 1.2 太赫兹波辐射技术
• 1.2.1 光子学器件
• 1.2.2 电子学器件
• 1.3 研究范围
• 第二章 太赫兹量子级联激光器
• 2.1 量子级联激光器的基本原理
• 2.1.1 单极与级联
• 2.1.2 粒子数反转
• 2.1.3 器件的增益
• 2.2 太赫兹量子级联激光器的设计
• 2.2.1 有源区设计
• 2.2.2 波导设计
• 2.3 太赫兹量子级联激光器中的载流子输运
• 2.3.1 量子动力学方法
• 2.3.2 蒙特卡洛方法
• 2.3.3 率方程方法
• 2.4 基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器的输运性质
• 2.4.1 热声子效应对器件性能的影响
• 2.4.2 杂质散射对器件性能的影响
• 2.5 小结
• 第三章 基于带内反射点的太赫兹负微分电导振荡器
• 3.1 基于带内反射点的负微分电导机制
• 3.2 漂移-扩散模型
• 3.3 直流电场作用下的自振荡
• 3.4 交变电场作用下的振荡模式
• 3.5 小结
• 第四章 流输运区域中的电子负微分电导及太赫兹振荡器
• 4.1 二维电子系统热电子的流输运
• 4.1.1 热电子的流输运区域以及负微分电导
• 4.1.2 准二维电子系统的流输运特性
• 4.1.3 热声子效应以及电子-电子相互作用的影响
• 4.2 纤锌矿结构量子阱中的光学声子谱
• 4.2.1 纤锌矿结构的基本性质
• 4.2.2 纤锌矿结构体材料中的声子
• 4.2.3 纤锌矿量子阱结构中的声子
• 4.2.4 应用
• 4.2.4.1 耦合双量子阱结构中的声子及电声子相互作用
• 4.2.4.2 磁场作用下量子阱中的电声子相互作用
• 4.3 小结
• 第五章 太赫兹隧穿注入渡越时间振荡器
• 5.1 量子传输边界方法
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 非抛物线型色散关系
• 5.1.3 波函数的归一化及与泊松方程的自洽
• 5.2 器件的直流及小信号输运特性
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 作者简历
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