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半导体中电子通过散射的弛豫足半导体材料应用于电子和光电器件的基础。与此领域十分活跃的实验研究工作相比,目前对半导体材料弛豫过程系统理论研究还很单薄。这限制了对实验结果的进一步解释,因此有必要对半导体材料在受激后的弛豫过程进行系统理论研究。
由于极化半导体如GaAs晶体中有较强的电子一光学声子交互作用。本论文将重点研究低浓度N型GaAs在电或光激发后通过电子一光学声子交互作用而产生的弛豫过程及特性。此研究工作利用费米黄金定律求出由于电子和光学声子相互作用引起的电子跃迁率,并用含时半经典玻尔兹曼方程推导出了相应的能量平衡方程。这样我们发展和完善了一套含时理论,通过此理论,得到GaAs中电子在不同激发水平下电子温度和能量损失率随时间的变化。进而得到系统在不同实验条件下,电子从受激后的非平衡态回复到平衡态的弛豫时间。研究主要结果如下:
(1)在不同初始电子温度(或不同的激发水平)下,GaAs中电子通过纵光学(LO)声子散射而回复到环境温度所需的时间大致相同。
(2)GaAs系统中能量损失率随时间而降低,系统中电子温度回复到环境温度所需要的时间和能量损失率达到零时所需要的时间都与初始电子温度无关。
(3)在相同的点阵温度下,低浓度N型GaAs电子通过电子-LO声子散射的弛豫时间约为800fs。这与已发表的实验结果一致。
(4)GaAs系统中电子的能量损失率随时间的变化对点阵温度(或环境温度)的依赖不大。
本论文对极化半导体电子弛豫特性的研究结果可以解释相关的实验结果和对以后的相关实验有一定的理论参考价值。