5-Ma’ruza Mavzu: Ярим ўтказгичли устпанжаралар. Устпанжа-раларнинг энергетик диаграммалари. Устпанжаралардаги электрон-ларнинг энергетик спектрлари. Устпанжаралардаги электронлар гази-нинг хоссалари. Устпанжаралар асосидаги қурилмалар

5-Ma’ruza
Mavzu: Ярим ўтказгичли устпанжаралар. Устпанжаралар. Устпанжа-раларнинг энергетик диаграммалари. Устпанжаралардаги электрон-ларнинг энергетик спектрлари. Устпанжаралардаги электронлар гази-нинг хоссалари. Устпанжаралар асосидаги қурилмалар.
Ayni paytda nano o’lchamli yarimo’tkazgichlar fizikasida terminlar va tushunchalarning qator tizimi shakllangan. Birinchidan o’lchamli kvantlangan tizimlarning quyidagi sistematikasi shakllandi (qavslarning ichida so’zlarning inglizcha yozilmasi keltirilgan):

1. 
   Kvantlangan o’ralar (quantum wells QW);
   
2. 
   Kvantlangan iplar (quantum wires va quantum well wires yoki QWWs);
   
3. 
   Kvantlangan nuqtalar (quantum dots QDs);
   
4. 
   Ustpanjaralar (superlattices SLs);
   
5. 
   Ikki yoki uch to’siqli rezonansli-tunnel strukturalar (double-and triple- barrier resonance-tunneling structures);
   
6. 
   Ikkilangan kvantlangan o’ralar (doublequantum well);
   
7. 
   Antinuqtalar (antidots);
   
8. 
   Delta legirlangan strukturalar (δ – doped structures);
   
9. 
   Kvantlangan mikrorezonatorlar (quantum microcavities);
   
10. 
    Fotonli kristallar (fotonic crystals);
    
11. 
    I va II tur geterostukturalar (type – I and type II heterostructures);
    
12. 
    Po’kakli yarimo’tkazgichlar;
    
13. 
    Fulleronlar, nanoklasterlar, manotrubalar, nanokontaklar va boshqalar.
    

Ikkinchidan quyida keltirilgan strukturalarda kvantlangan holatlarning siste-matikasi ishlab chiqilgan:

1. 
   Erkin tok tashuvchilar va eksitonlarning o’lchamli kvantlanish holatlari, zonachalar (alohida olingan zona tarmoqlari) va minizonalar;
   
2. 
   O’lchamli kvantlangan optik fononlar, interfeys fononlari;
   
3. 
   “siniq” spektrli akustik fononlar (folded acoustic phonons);
   
4. 
   Ikki o’lchamli magnit polyaron;
   
5. 
   Kompozit fermionlari va kvantlangan Xoll effektidagi chetki holatlar.
   

Quyida har xil-tabiatan farq qiluvchi geterostrukturalarni aniq bir tartibda sanab o’tamiz va ularga qisqacha tavsif beramiz. Bu hol quyida qayd qilinadigan tushunchalar o’rtasidagi farqni hamda o’zaro bog’liqlikni tushunishni osonlashtiradi.
Ko’p qatlamli geterostrukturalar energiyaviy spektrining tipik ko’rinish 1-4 rasmlarda keltirilgan. Ulardagi pastki va yuqorigi chiziqlar, mos holda, valent zona shipining va o’tkazuvchanlik zonasi tubining struktura bosh o’qi yo’nalishidagi fazoviy bog’lanoshini tasvirlaydi.

1-rasm. I tipli (a) va II tipli (б) yakka geterostruktura zonasi sxemasi.



2-rasm. Yakka kvant o’rali(a) va yakka to’siqli (б) strukturaning zona sxemasi



3-rasm. Ikki to’siqli (a) va uch to’siqli(б) va ikki kvant o’rali (в) strukturalar zonalari sxemasi.

4-rasm. Kvant chuqurliklaridan yasalgan davriy struktura(to’siq qalin bo’lgan-da)ning yoki (to’siq tor bo’lganda) ustpanjaraning zonalar sxemasi.

Past o’lchamli tok tashuvchilar sistemasini yuzaga keltiruvchi geterostruk-turalar va ustpanjaralarni tabaqalanishini yakkalangan geteroo’tik (single hetero-junction)dan boshlagan ma’qul. Bunday geteroo’tik fizikaviy va kimyoviy ikki xil tabiatli A va B yarimo’tkazgichlarning kompozitsiyasi tufayli, masalan ABA yoki BAB ko’rinishda hosil bo’lishi mumkin. Ularga misol keltiraylik: Ga/Al_xGa_1-xAs, CdTe/Cd_1-xMn_xTe, InAs/AlSb, Zn_1-xCd_xSe/ZnS_ySe_1-y, ZnSe/BeTe, ZnSe/GaAs,

Ga_1-xIn_xAs/InP, Si_1-xGe_x/Si_1-yC_y , In_1-xAl_xAs/Ga_1-yAl_yAs , . . . Bu tizimda bitta yoki ikkala kompozisiya materiali ham qattiq aralashma bo’lishi mumkin. Bunday holda x, y yoki 1-x, 1-y aniq bir nav atomlarning kristall panjara tugunlaridagi ulushini anglatadi.
Umuman olganda, biror bir kompozitsiya material ta’qiqlangan zonasi (E_g - ta’qiqlangan zona kengligi) boshqasining ta’qiqlangan zonasi ichida joylashgan (masalan, GaAs/Al_0.35Ga_0.65As strukturadagi singari) bir material o’tkazuvchanlik zonasi tubidan ikkinchi material valent zonasi shipi InAs/AlSb yoki ZnSe/BeTe strukturadi kabi, yuqorida bo’lishi mumkin.
Ta’qiqlangan zonalari biri ikkinchisini yopadigan II tur geterostrukturalardan tashqari ta’qiqlangan zonalari biri ikkinchisini yopa olmaydigan geterostrukturalar ham bo’lishi mumkin. Ikkinchi holda birinchi yarimo’tkazgich o’tkazuvchanlik zo-nasi tubi ikkinchi yarimo’tkazgich valent zonasining shipidan pastda joylashgan bo’ladi. Bunday hol, masalan, InAs/GaSb strukturada uchraydi. Strukturadagi biror bir yarimo’tkazgich tirqishsiz bo’lsa (masalan HgTe/CdTe strukturadi kabi), u holda ular uchinchi tur geterostrukturalar turkumiga kiradi.
Endi birinchi tur ikkilangan geteroo’tiklar (double heterojunction)ni ko’raylik. Bunday strukturalarni BAB kabi tasvirlasak, kompozitsiya materiallarida bittasining E_g ta’qiqlangan zonasi kengligi ikkinchisining ta’qiqlangan zonasi ichida joylashgan bo’ladi. Bulardagi tok tashuvchilar uchun potensiyal o’ra bittagina material (yarimo’tkazgich) sohasida joylashgan bo’ladi. Masalan,
Al_1-xGa_xAs-GaAs- Al_1-xGa_xAs strukturadi potensiyal o’ra GaAs materialda joylash-gan bo’ladi (x<0.4). Aytaylik A va B yarimo’tkazgichlarning ta’qiqlangan zonalari kengligi E_g^A< E_g^B shartni qanoatlantirsin. U holda BAB strukturada A yarimo’tkaz-gich sohasida potensial o’ra hosil bo’lib, A/B tutashgan sirt (interface)da elektronlar uchun V_e, kavaklar uchun V_h balandlikli potensial to’siqni hosil qilib, ular
V_e=E_c^B- E_c^A,
V_h=E_v^A- E_v^B .
Munosabatlar yordamida aniqlanadi. E_c^A(B) va E_v^A(B) mos holda A(B) yarimo’tkaz-gich yarimo’tkazgich o’tkazuvchanlik zonasi shipi va valent zonasining bo’sa-g’asidir: V_e+ V_h= E_g^B- E_g^A. XususanGaAs/Al_0.6Ga_0.4As struktura uchun _{ }. II tur geterostrukturada A yarimo’tkazgich o’tkazuvchanlik zonasi shipi B yarim-o’tkazgichnikidan pastda tursa (energiya fazosida), valent zonalarning bo’sag’alari aksincha joylashgan bo’ladi. Bunday strukturalar sirasiga GaAs/Al_1-xGa_xAs (x>0.4)
InSb-AlSb, ZnSe-BeTe tizimlar kiradi; ularning ta’qiqlangan zonalari “suvashgan”, ya’ni birining ta’qiqlangan zonasi ikkinchisinikini berkitgan (
Устпанжараларнинг классификациясини келтирамиз:
Композицион устпанжаралар. Бу турли хил материаллардан ўстирилган катма-кет жойлашган қатламлар. Дастлаб квант чуқурликлари ва устпанжара-лар ясаш учун бир хил панжара доимийси (_{ })га эга бўлган гетерожуфтлар танланган. Агар иккала материалнинг панжара доимийси бир-бирига яқин бўлса, улардан псевдоморф устпанжаралар ясалади. Ярим ўтказгичлар ичида бундай материаллар кам. Лекин панжара доимийсининг яқинлилик шарти бир материалнинг бошқасининг устида псевдоморф ўсиши учун зарурий шарт эмас.