[论文解读] 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 25

一句话总结

本文研究了在直流与强交流电场共同作用下，超晶格布洛赫振荡器中的大振幅振荡动力学。结果表明，足够强的交流电场可通过交流与直流响应区域之间的非线性耦合，使直流微分电导率由负变正——从而抑制通常由负微分电导率引起的域状空间电荷不稳定性。

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.

研究动机与目标

• 理解在强交流与直流电场作用下，超晶格布洛赫振荡器的非线性动力学行为。
• 解决由负微分直流电导率引起的不稳定性，该不稳定性会导致空间电荷域的形成。
• 研究外加交流电场是否可通过非线性修改直流电导率来抑制这些域不稳定性。
• 分析强非线性系统中交流驱动振荡与直流输运特性之间的相互作用。
• 确定在何种条件下，尽管交流电导率为负，直流微分电导率仍可变为正。

提出的方法

• 使用包含直流与交流电场的非线性输运方程对超晶格布洛赫振荡器进行建模。
• 在略低于与直流电场相关的布洛赫频率的频率下施加强交流电场。
• 利用微扰理论与非线性响应理论，分析在直流与交流频率下的微分电导率响应。
• 通过检查交流驱动下直流微分电导率的符号来评估系统的稳定性。
• 使用数值模拟与解析近似方法，探索交流电场抑制域形成的工作区域。
• 聚焦于非线性反馈机制，其中交流电场改变了有效势能分布与电流-电压特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强交流电场如何改变超晶格布洛赫振荡器中的直流微分电导率？
• RQ2 在何种条件下，尽管交流电导率为负，直流微分电导率仍可变为正？
• RQ3 交流电场能否抑制通常由负微分电导率引起的空问电荷域不稳定性？
• RQ4 非线性在实现直流电导率符号反转中起到何种作用？
• RQ5 交流电场频率相对于布洛赫频率的差异如何影响域的抑制？

主要发现

• 足够强的交流电场可使直流微分电导率的符号由负变为正，即使交流电导率仍为负。
• 这种符号反转源于交流与直流响应之间的强非线性耦合，从而改变了有效输运特性。
• 在特定直流偏置范围内，当修改后的直流电导率变为正时，域状空间电荷不稳定性被抑制。
• 当交流电场频率略低于直流电场的布洛赫频率时，抑制效果最为显著。
• 该系统表现出由非线性交流电场稳定的大振幅振荡，可防止电荷域的形成。
• 理论框架预测了一个工作窗口，在此窗口内，即使在无交流驱动时存在固有不稳定性，仍可维持稳定且相干的振荡。