[论文解读] Peculiarities of the Light Absorption and Emission by Free Electrons in Multivalley Semiconductors

P. M. Tomchuk|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 3

一句话总结

本文推导了多谷半导体中自由电子的光吸收与自发辐射的一般表达式，考虑了各向异性电子色散关系及散射机制（杂质与声子散射）。研究发现，在单向压力或高强度辐照条件下，吸收与辐射均表现出偏振依赖性；在量子 regime 中，辐射强度随光子能量呈指数抑制，而在经典 regime 中则保持与频率无关。

ABSTRACT

General expressions are obtained for the coefficient of light absorption by free carriers as well as the intensity of the spontaneous light emission by hot electrons in multivalley semiconductors. These expressions depend on the electron concentration and electron temperature in the individual valleys. An anisotropy of the dispersion law and electron scattering mechanisms is taken into account. Impurity-related and acoustic scattering mechanisms are analyzed. Polarization dependence of the spontaneous emission by hot electrons is found out. At unidirectional pressure applied or high irradiation intensities, the polarization dependence also appears in the coefficient of light absorption by free electrons.

研究动机与目标

• 推导多谷半导体中自由载流子光吸收与辐射的一般表达式。
• 考虑这些材料中电子色散定律的各向异性和散射机制。
• 分析杂质与声子散射对吸收与辐射过程的影响。
• 研究在非平衡条件下吸收与辐射中偏振依赖性的出现机制。
• 建立辐射强度对电子温度、浓度及谷特异性参数的依赖关系。

提出的方法

• 在质量张量的主轴系中表述电子哈密顿量，通过矢量势引入电磁场耦合。
• 利用微扰理论求解存在电磁波时电子波函数的薛定谔方程。
• 通过输运方程方法推导外加电磁场下电子-离子散射的碰撞积分。
• 将该方法应用于经典与量子两个 regime，利用弛豫张量分量（τ⊥, τ∥）描述散射各向异性。
• 通过波场诱导辐射框架中的形式代换，评估吸收系数与辐射强度。
• 采用德拜屏蔽模型描述离子势，并假设单色电磁波，频率为 ω。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子色散定律的各向异性如何影响多谷半导体中自由载流子的光吸收与辐射？
• RQ2 杂质与声子散射机制在决定热电子辐射的偏振依赖性中起什么作用？
• RQ3 在何种条件下，多谷半导体中自由电子的吸收系数表现出偏振依赖性？
• RQ4 在经典与量子 regime 中，辐射强度如何随光子频率变化？
• RQ5 辐射与吸收对单个谷中电子浓度与温度的依赖关系如何？

主要发现

• 吸收系数与辐射强度显式依赖于每个谷中的电子浓度 $ n_i $ 与温度 $ \theta_i $，反映了系统的多谷特性。
• 在经典频率范围（$ \bar{h}ω \ll \theta_i $）中，辐射强度与发射光子频率无关，如式 (73) 所示。
• 在量子频率范围（$ \bar{h}ω \gg \theta_i $）中，辐射强度随光子能量增加而呈指数下降，如式 (74) 所示。
• 当施加单向压力或辐照强度较高时，由于谷特异性各向异性，辐射与吸收中均出现偏振依赖性。
• 辐射强度与有效质量分量 ($ m_\bot, m_\| $) 及弛豫时间 $ \tau_\bot, \tau_\| $ 成正比，且受极化方向与对称轴夹角 $ \varphi_i $ 的加权影响。
• 推导出的辐射与吸收表达式在经典与量子 regime 中保持一致，仅因弛豫张量的能量依赖性不同而在数值系数上有所差异。