Размерное квантование и туннелирование электронов в фотоэмиссии из p+-GaAs(Cs,O)

• Автор: Андреев, Вячеслав Эдуардович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 106 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

§1.1. Физические основы фотоэмиссии из полупроводника с

отрицательным электронным сродством

§ 1.2. Влияние размерного квантования в приповерхностной области на

ОЭС фотоэмиссию

§ 1.3. Угловое распределение эмитированных электронов

Постановка задачи

Глава 2. Методика измерения энергетических и угловых распределений

электронов при фотоэмиссии из СаАя с ОЭС

§ 2.1. Планарные вакуумные фотодиоды

§ 2.2. Измерение спектров фотоэмиссии электронов (СФЭ)

§ 2.3. Энергетическая калибровка СФЭ
§ 2.4. Измерение СФЭ в скрещенных электрическом и магнитном полях
Глава 3. Упругое и неупругое туннелирование фотоэлектронов из зоны
размерного квантования
§ 3.1. Расчёт положений уровней размерного квантования и времен
упругого туннелирования электронов в вакуум
§ 3.2. Экспериментальные результаты
Выводы
Глава 4. Эмиссия фотоэлектронов из СаАз с ОЭС в скрещенных
однородных электрическом и магнитном полях
§ 4.1. Теория восстановления углового распределения
§ 4.2. Оценка углового распределения
Выводы
Список сокращений и обозначений
Список литературы

Возможность получения эффективного отрицательного сродства (ОЭС) в системе />ОаАз(С5), когда уровень вакуума оказывается расположенным ниже дна зоны проводимости в объёме полупроводника, была экспериментально обнаружена в 1965 г. [1]. С этого времени начались исследования полупроводников с ОЭС, наиболее интенсивные в 70-е — 80-е годы прошлого века. Основной причиной интереса к этой системе являлась возможность её использования как фотоэлектронного эмиттера, обладающего наиболее высокой квантовой эффективностью в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном участках спектра. Такие эмиттеры необходимы для создания чувствительных фотоприёмников для общегражданских и военных применений. Кроме этого, полупроводники с ОЭС оказались наилучшими источниками спин-поляризованных [2] и монохроматических электронов [3]. Наряду с прикладными, проводились и фундаментальные исследования эмиссии электронов из /7-СаА5(Сз,0), направленные на выяснение основных физических процессов, сопровождающих переход электронов из полупроводника в вакуум. Уже в первых работах [4,5] обращалось внимание на возможность существенного влияния эффектов размерного квантования электронного спектра в приповерхностной области пространственного заряда (ОПЗ) р-ОаАэ [4] и процессов испускания оптических фононов [5] на вероятность перехода электронов из полупроводника в вакуум. Позднее эти проблемы изучались в работах [6,7]. Резонансное поведение квантового выхода, обусловленное размерным квантованием, теоретически наиболее детально было исследовано в работе [9]. С помощью решения квантовомеханической задачи о прозрачности поверхностного барьера, обусловленного активирующим покрытием, в этой работе было показано, что квантовый выход резонансно усиливается, если уровень размерного квантования в ОПЗ находится вблизи дна зоны проводимости в объёме полупроводника. В работе обращалось внимание на отсутствие экспериментального подтверждения теоретических предсказаний.

Экспериментальные подтверждения предположений, высказывавшихся в [4,5], были получены сравнительно недавно [8,10] в результате измерений фотоэмиссии при криогенных температурах с использованием энергоанализатора с высоким разрешением по продольной энергии электронов. Важная роль верхнего уровня размерного квантования в ОПЗ и испускания оптических фононов была доказана наблюдением фононных повторений в распределениях эмитированных электронов, но полная картина фотоэмиссии оставалась в значительной мере противоречивой. Так, например, в соответствии с результатами [8,10], зона размерного квантования в ОПЗ, дающая основной вклад в фотоэмиссию, расположена в непосредственной близости от дна зоны проводимости GaAs в квазинейтральном объёме, что противоречило выводам [6]. Многие экспериментальные результаты исследования фотоэмиссии из полупроводника с ОЭС не могли быть однозначно интерпретированы из-за отсутствия исследований угловых распределений эмитированных электронов по причине неразвитости соответствующих методик.
Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие существующих представлений об эмиссии электронов из GaAs с ОЭС путём теоретического анализа экспериментальных результатов, а также создание новых методов исследования эмиссии электронов предельно малых энергий с угловым разрешением.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Во введении обоснована актуальность темы иследования, сформулирована цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность, дана краткая аннотация полученных результатов.
Первая глава является обзорной. В ней описаны существующие представления о механизме фотоэмиссии электронов из GaAs с отрицательным электронным сродством. В параграфе 1.1 излагаются общие сведения о фотоэмиссии из полупроводников с ОЭС. В параграфе 1.2 — влияние на фотоэмиссию уровней размерного квантования. В параграфе 1.3 дан обзор исследований угловых распределений электронов в вакууме при фотоэмиссии из
пени стоячими, чем распространяющимися. Очевидной представляется идея разделить системы на две почти независимые части, а остаточное взаимодействие между ними выразить в виде гамильтониана возмущения:
возмущение, побуждающее частицу посредством туннелирования переходить из левой части в правую. Вероятность такого перехода можно вычислить с помощью теории возмущений. К сожалению, отсутствует очевидный
считать малой. Бардин предложил альтернативный подход, в котором рассматриваются не точные решения приближённого гамильтониана, а приближённые волновые функции точного гамильтониана. Для каждой из подсистем из решения стационарного уравнения Шрёдингера находятся стационарные состояния электрона отдельно в левой и правой части системы: сх) и
т/усс). Решения 1р1 сх) и 'фг с х~) являются приближёнными в подбарьерной области и выбираются так, чтобы волновые функции перекрывались только внутри барьера. После этого, используя теорию возмущений, зависящую от времени, находится амплитуда перехода из левой подсистемы в правую. В результате получается, что матричный элемент эффективного гамильтониана определяется оператором потока, который задан в произвольной точке внутри барьера по перекрытию приближённых функций ф1 < х) и т/уст:
где р — оператор потока, заданный в любой точке внутри барьера.
Концепция эффективного гамильтониана оправдана, если волновые функции ф1 сх) и фг (х) перекрываются только внутри барьера. Такой выбор возможен при сильном затухании волновой функции внутрь барьера, кроме
Я = Щ + Нг + Нт,
(3.5)
Я; — гамильтониан левой части, Яг — гамильтониан правой части, а Ят
способ введения в гамильтониан поправки Н1, которую можно было бы
(3.6)

(3.7)