半导体子带间动力学及THz振荡源研究

论文摘要

太赫兹（THz）辐射下的半导体子带间动力学过程和半导体THz振荡源是当前THz领域的研究热点。THz辐射可强烈影响低维半导体的量子态及其电学与光学特性，同时低维半导体子带间动力学特性也是THz源及相关器件的理论基础。本论文研究了低维半导体在THz场作用下的子带间输运和光学特性，并探索了基于共振隧穿结和超晶格结构的THz振荡源。主要研究内容和结论包括： 1．研究了共振隧穿结的THz开关特性。利用Wigner-Poisson耦合模型计算了双势垒共振隧穿结构的Ⅰ-Ⅴ曲线和瞬态电流密度，并研究了该结构在THz场作用下非稳态动力学特性。结果表明，THz场能够使共振隧穿结构在高低不同的电流态之间快速跃变，跃变的时间为皮秒量级。利用这一特性可研制THz开关器件和THz探测器件。 2．研究了超晶格中的THz布洛赫振荡和共振隧穿结中的THz电流振荡特性。利用传输矩阵和散射态方法计算了厚度梯变超晶格与大尺寸微腔超晶格的透射谱、态密度以及光场分布。结果表明，两种超晶格都能形成倾斜的等能量间距的光子能级，即光学万尼尔-斯塔克阶梯。同时内部光场畴呈现THz布洛赫振荡，振荡频率可通过改变梯度大小或微腔的周期数来调节。根据能级耦合模型，共振隧穿结的量子阱能级和电子浓度分布具有时间依赖性，其电流密度具有THz振荡特性。 3．推导了外加光场作用下的半导体子带间布洛赫方程，并研究了量子阱子带间光吸收特性。吸收峰的位置和形状由不同库仑多体效应引起的集体激发，如费米带边和子带间等离子体，相互竞争共同决定。电子浓度的增加会增强电子之间的库仑相互作用，并改变子带间电子占据数的重新分布，从而改变吸收峰。晶格温度的升高使吸收峰红移同时强度减弱。子带间非抛物性可强烈抑制子带间等离子体效应及其耦合。当外加THz场与子带间跃迁共振耦合时，强THz场会使吸收峰发生分裂，分裂峰的能量差正比于THz场强度。而当外加THz场能量远离子带间跃迁能量时，强THz场会使吸收光谱中出现THz吸收边带。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 THz电磁辐射简介
• 1.2 THz电磁辐射的特点及其应用
• 1.3 THz研究进展
• 1.4 小结
• 第二章 基于共振隧穿结构的THz振荡源和THz开关研究
• 2.1 半导体量子阱中的电子运动方程
• 2.2 量子器件模拟方法
• 2.2.1 传输矩阵方法
• 2.2.2 Wigner函数方法
• 2.2.3 Poisson方程
• 2.3 基于共振隧穿结构的THz振荡源
• 2.3.1 Wigner-Poisson耦合模型
• 2.3.2 共振隧穿结构的Ⅰ-Ⅴ特性
• 2.3.3 共振隧穿结构的高频电流振荡特性
• 2.4 THz场作用下快速开关特性
• 2.5 小结
• 第三章 超晶格中THz布洛赫振荡研究
• 3.1 基于超晶格结构的电子布洛赫振荡源
• 3.2 超晶格光学布洛赫振荡
• 3.2.1 厚度梯变超晶格结构
• 3.2.2 大尺寸微腔超晶格结构
• 3.3 小结
• 第四章 半导体量子阱子带间光吸收研究
• 4.1 子带间载流子动力学理论
• 4.1.1 半导体量子阱导带中电子的Hamilton量
• 4.1.2 半导体子带间Bloch方程
• 4.2 半导体子带间光吸收研究
• 4.2.1 库仑效应和非抛物性对光吸收的影响
• 4.2.2 晶格温度和电子浓度对光吸收的影响
• 4.3 小结
• 第五章 THz场调制的半导体子带间非线性光吸收研究
• 5.1 强THz场和弱探测场作用下三子能级Bloch方程
• 5.2 THz场对耦合量子阱子带间光吸收的调制
• 5.2.1 共振THz场作用下的吸收谱
• 5.2.2 非共振THz场作用下的带边吸收
• 5.2.3 THz场导致的Anticrosing效应
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 研究成果及发表论文
• 致谢
• 作者简历
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