[論文レビュー] Large-amplitude oscillation dynamics and domain suppression in a superlattice Bloch oscillator

H. Kroemer|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2000

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 17被引用数 25

ひとこと要約

本稿は、直流および強力な交流電場が同時に作用する超格子ブロッホ発振器における大振幅振動のダイナミクスを調査する。強い交流電場が直流の微分伝導度を負から正に逆転させることを示しており、これは通常、負の微分伝導度によって引き起こされる空間電荷ドメイン不安定性を抑制する。そのメカニズムは、交流と直流応答領域の非線形結合に起因する。

ABSTRACT

We analyze the current dynamics of a superlattice Bloch oscillator under conditions where, in addition to the dc bias field causing a negative differential ac conductivity, a similarly strong ac field is present, at a frequency somewhat below the Bloch frequency associated with the dc field. The differential conductivity at the ac drive frequency is then negative, but, because of the strong non-linearities of the system, the dc differential conductivity is modified by the ac field. For a sufficiently strong ac field, there will be a dc bias range inside which the dc differential conductivity has turned positive, while the ac conductivity remains negative. The phenomenon should lend itself to the suppression of the domain-like space charge instabilities that are normally associated with a negative dc differential conductivity.

研究の動機と目的

• 強い交流および直流電場下における超格子ブロッホ発振器の非線形ダイナミクスを理解すること。
• 負の微分伝導度によって引き起こされる空間電荷ドメインの形成を引き起こす不安定性に対処すること。
• 適用された交流電場が非線形的に直流伝導度を変化させることで、これらのドメイン不安定性を抑制できるかを調査すること。
• 強い非線形系における交流駆動振動と直流輸送特性の相互作用を分析すること。
• 交流伝導度が負であっても、直流微分伝導度が正になる条件を特定すること。

提案手法

• 直流および交流電場を考慮した非線形輸送方程式を用いて超格子ブロッホ発振器をモデル化すること。
• 直流電場に関連するブロッホ周波数よりもわずかに低い周波数で強い交流電場を印加すること。
• 摂動理論および非線形応答理論を用いて、直流および交流周波数における微分伝導度応答を分析すること。
• 交流駆動下での直流微分伝導度の符号を検討することで、系の安定性を評価すること。
• 数値シミュレーションと解析的近似を用いて、交流電場がドメイン形成を抑制する領域を探索すること。
• 交流電場が有効なポテンシャル障壁および電流-電圧特性を変化させることで生じる非線形フィードバック機構に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い交流電場は、超格子ブロッホ発振器における直流微分伝導度をどのように変化させるか？
• RQ2 交流伝導度が負であっても、どのような条件下で直流微分伝導度が正になるか？
• RQ3 交流電場は、通常、負の微分伝導度によって誘発される空間電荷ドメイン不安定性を抑制できるか？
• RQ4 非線形性が直流伝導度の符号反転を可能にする役割は何か？
• RQ5 交流電場の周波数が直流電場のブロッホ周波数に対してどのように相対的に影響を与えるか？

主な発見

• 十分に強い交流電場が、交流伝導度が負のままでも、直流微分伝導度の符号を負から正に逆転させることができる。
• この逆転は、交流と直流応答の強い非線形結合に起因し、有効な輸送特性が変化することによって生じる。
• 特定の直流バイアス範囲において、修正された直流伝導度が正になるため、ドメイン様の空間電荷不安定性が抑制される。
• 交流電場の周波数が直流電場のブロッホ周波数よりもわずかに低い場合、抑制効果が最も顕著に現れる。
• 非線形交流電場によって、電荷ドメインの形成を防ぐ大振幅振動が安定化される。
• 理論的枠組みは、交流駆動がなければ固有の不安定性が生じるにもかかわらず、安定でコherentな振動を維持できる運用ウィンドウを予測している。