外场下半导体异质结的非线性动力学行为研究

论文摘要

随着半导体器件的发展,半导体中载流子的输运引起了广泛的关注。本论文基于实空间电荷转移模型和分立漂移理论模型研究了外场下半导体异质结的非线性动力学行为。主要结论有:(1)对空间分布均匀的GaAs/AlGaAs异质结,系统中出现呈倒S形的负微分电导。随外加磁场强度和微波辐照体系特征为:(ⅰ)选取直流偏置位于负微分电导区域,在低磁场强度时,系统表现出自维持振荡,相应动态伏安特性曲线呈回滞现象,系统中有两吸引子(极限环和稳定的焦点)共存。当磁场强度增加到一定程度时,系统的稳定性发生改变,自维持振荡逐渐消失。伏安曲线上的回滞更加明显,回滞区域变宽;(ⅱ)考虑微波辐照和磁场共同作用时,由于系统自维持振荡和外部交流信号之间的耦合,系统表现出多种振荡模式如周期、准周期和锁频。随外加微波振幅的变化,系统经倍周期分叉通向混沌,这同实验中的现象是一致的。在磁场强度较大时,微波辐照下,系统在两个稳恒的态之间转变,相应纵向电阻受微波辐照频率的变化而呈现周期振荡,对理解最新的“零电阻”实验现象有所帮助。(ⅲ)结合系统的混沌行为,采用延迟反馈法对其控制。分析了系统动力学行为随外加反馈控制参数的分叉。研究表明,变化延迟时间和反馈权重,系统将在不同的态之间来回转变,当延迟时间恰好等于镶嵌在混沌吸引子中的不稳定轨道的周期时,该不稳定周期可以被稳定住,延迟反馈信号趋于零。(2)对于空间分布不均匀的GaAs/AlGaAs异质结,我们建立了描述其随空间和时间变化的偏微分方程。在直流偏置情况下,系统中有电场畴形成,其周期移动引起了自维持振荡。随后,分析了磁场对系统中出现的电场畴的影响,发现随磁场增加电场畴的宽度逐渐变窄,自维持振荡的振幅也有所减少。在周期信号的驱动下,随驱动信号的振幅的变化,系统展现出和空间均匀的GaAs/AlGaAs异质结相似的动力学行为,不同的是其通向混沌的道路为阵发通向时空混沌,并给出了其相应的电场畴的分布图。(3)对于弱耦合的GaAs/AlAs超晶格,其垂直输运的主要模式为顺序共振隧穿。电子漂移速度随外加电场变化可以出现负微分电导区域,同时也在系统中形成了电荷积累层构成的单极电场畴。选取合适的掺杂浓度和直流偏压系统可以促使电场畴在超晶格中周期移动,从而引起电流的振荡。受磁场的作用,稳定的电场畴易于形成,因此,系统中能产生自维持振荡的区域将有所减少。另外,对应不同的掺杂浓度,电场随空间分布也有所不同。考虑到周期驱动时,系统也表现出上述类似的复杂动力学行为。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体异质结的发展回顾
• 1.2 外场下半导体异质结的研究
• 1.2.1 二维电子气研究概况
• 1.2.2 半导体的非线性动力学研究
• 1.3 动力系统的形态和判定
• 1.3.1 系统的稳定性分析
• 1.3.2 动力学行为的判定
• 1.4 本论文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 磁场和直流偏置下的非线性输运
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型
• 2.3 系统的稳定性分析
• 2.4 磁场对伏安特性曲线的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 磁场和微波辐照下的动力学行为及混沌控制
• 3.1 引言
• 3.2 微波辐照振幅的影响
• 3.3 微波辐照频率的影响
• 3.4 混沌行为的控制
• 3.5 延迟反馈法的应用
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 外场下GaAs/AlGaAsn异质结中的时空动力学
• 4.1 载流子输运理论
• 4.1.1 载流子的分布函数
• 4.1.2 载流子的运动方程
• 4.2 GaAs/AlGaAs的时空动力学方程
• 4.3.1 直流偏压下的动力学行为
• 4.3.2 交流偏压下的动力学行为
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 弱耦合超晶格中的非线性输运
• 5.1 引言
• 5.2 分立漂移理论模型
• 5.3 磁场对自维持振荡区域的影响
• 5.4 交流偏置下的动力学行为
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢