Bài viết mô phỏng Monte carlo bộ phát Terahertz dựa trên hiệu ứng Dember quang trình bày: Mô phỏng bộ phát TeraHertz dựa trên hiệu ứng Dember quang được kích thích bởi nguồn laser quang sợi bằng phương pháp mô phỏng Monter Carlo tập hợp tự hợp. Các kết quả chỉ ra rằng, điện tử chủ yếu chuyển động theo phương X,... Mời các bạn cùng tham khảo.
MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ DỰA TRÊN HIỆU ỨNG DEMBER QUANG NGUYỄN VĂN NINH - ĐINH NHƯ THẢO Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Tóm tắt: Bài báo trình bày mơ phát TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang kích thích nguồn laser quang sợi phương pháp mô Monter Carlo tập hợp tự hợp Các kết rằng, điện tử chủ yếu chuyển động theo phương x Ngoài ra, bán dẫn InGaAs pha tạp loại p xạ Terahertz hiệu bán dẫn loại n lượng laser kích thích GIỚI THIỆU Cùng với phát triển máy tính chương trình mô vận chuyển xạ ngày sử dụng rộng rãi Năm 2006, K Liu mô xạ TeraHertz phát từ loại bán dẫn InAs khác sử dụng mơ hình trơi dạt khuếch tán [1] Tuy vậy, mơ hình chưa đủ mạnh để mô xạ TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn Năm 2011, G Klatt cộng cơng bố cơng trình nghiên cứu thực nghiệm xạ TeraHertz phát từ lớp mỏng InGaAs loại n p ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang kích thích nguồn laser quang sợi [2] Kết cho thấy phát TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang [3] khơng cần phải có điện bên ngồi Các kết thực nghiệm kiểm chứng thơng qua phương pháp có tính xác tính ổn định phương pháp Monte Carlo tập hợp tự hợp Đây phương pháp bán cổ điển với tốc độ tán xạ tính tốn dựa qui tắc vàng Fermi [3], việc khảo sát động lực học hạt tải dựa phương trình động học Newton Bởi vậy, phương pháp Monte Carlo nhóm tác giả [4], [5] áp dụng vào mơ tốn động học hạt tải linh kiện nano bán dẫn, kết thu giải thích tường minh tranh vật lý bên cạnh kết thực nghiệm Tuy vậy, công trình mơ linh kiện bán dẫn chiều Trong báo thực mô ba chiều Monter Carlo phát TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang nguồn laser quang sợi MÔ HÌNH LINH KIỆN Q trình mơ thực bán dẫn InGaAs, điện tử lỗ trống kích thích nguồn laser quang sợi pha trộn Erbium Nguồn laser phát bước sóng dài 1,55 µm 0,78 µm ứng với mức lượng 0,8 eV 1.57 eV chiều dài xung 20 fs Nguồn xạ tương ứng với mật độ kích thích quang 1,25×1017 cm-3 Khi phát TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang không cần phải có điện bên ngồi Các tham số vật liệu InGaAs sử dụng q trình mơ cho Bảng Tạp chí Khoa học Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 04(24)/2012: tr 35-39 36 NGUYỄN VĂN NINH – ĐINH NHƯ THẢO Bảng Các tham số vật liệu bán dẫn InGaAs 300 K Đại lượng Mật độ khối lượng Hằng số điện môi tĩnh Hằng số điện môi với tần số cao Vận tốc truyền sóng âm Khối lượng hiệu dụng điện tử thung lung Giá trị 5500 kg/m 13.9ε0 F/m 11.6ε0 F/m 3240 m/s m*eL=0.041m0 m*eX = 0.290m0 m*eΓ = 0.680m0 Đại lượng Năng lượng phonon quang dọc Năng lượng phonon quang ngang Khối lượng hiệu dụng lỗ trống nặng Thế biến dạng phonon âm Thế biến dạng phonon quang Độ rộng khe lượng Giá trị 0.03681 eV 0.0332 eV m*h=0.450m0 5.3 eV 1×1011 eV 0.74 eV Ta khảo sát phát TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn InGaAs loại n loại p cách pha tạp nồng độ hạt tải tương ứng 5×1017 cm-3 1×1017 cm-3 Với mơ hình linh kiện InGaAs chọn kích thước lưới ∆x = ∆y = ∆z = 50×10-10 m Bước thời gian cho q trình mơ ∆t = 0.5 fs KẾT QUẢ THẢO LUẬN Hình Đồ thị vận tốc điện tử bán dẫn InGaAs loại n với xung laser kích thích 1.57 eV Hình Đồ thị vận tốc điện tử bán dẫn InGaAs loại p với xung laser kích thích 1.57 eV Hình Hình mô tả vận tốc trôi dạt điện tử theo thời gian theo phương x, y, z vận tốc toàn phần bán dẫn loại n loại p (chiều x chiều chiếu tia laser kích thích, chiều y, z vng góc với chiều laser kích thích cho x, y, z tạo thành tam diện thuận) Nhìn đồ thị ta thấy, điện tử trơi dạt theo phương x có độ biến thiên nhanh có đóng góp chủ yếu vào chuyển động trơi dạt tồn phần Các điện tử chuyển động theo phương y z biến thiên chậm nhiều so với phương x Bởi chiếu laser theo phương x vng góc với bề mặt bán dẫn hạt tải nhận lượng kích thích từ xung laser chuyển động chủ yếu theo phương x Các hạt tải nhận lượng kích thích laser nên vận tốc điện tử tăng nhanh đến giá trị khơng tăng giảm dần Điều hiểu xung laser MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ… 37 kích thích thời gian ngắn điện tử bị tán xạ chế khác nên có mát lượng trình chuyển động nên vận tốc đến giá trị khơng tăng Tuy nhiên kết mơ Hình Hình cho thấy ban đầu vận tốc điện tử tăng nhanh vượt xa giá trị bão hòa sau giảm nhanh giá trị bão hòa Hiện tượng gọi tượng vượt vận tốc Hình mơ tả phụ thuộc vận tốc trơi dạt toàn phần điện tử theo thời gian bán dẫn InGaAs pha tạp loại n với xung laser kích thích 0.8 eV 1.57 eV Ta thấy lượng kích thích cao tượng vượt vận tốc xảy sớm nhanh chóng giảm trạng thái bão hòa Để thu dạng xạ tia TeraHertz, tính đạo hàm bậc hai vận tốc hạt tải theo thời gian Từ Hình Hình ta thấy bán dẫn Hình Đồ thị vận tốc điện tử bán dẫn pha tạp loại p phát tia TeraHertz hiệu InGaAs loại p với xung laser kích thích bán dẫn pha tạp loại n Điều có 0.8 eV 1.57 eV thể hiểu chắn bán dẫn InGaAs loại n chủ yếu từ điện tử pha tạp, chắn bán dẫn InGaAs loại p chủ yếu từ lỗ trống pha tạp Bên cạnh đó, độ linh động điện tử InGaAs lớn nhiều so với độ linh động lỗ trống nên ảnh hưởng chắn điện tử bán dẫn InGaAs loại n lớn nhiều so với chắn lỗ trống bán dẫn InGaAs loại p Biến đổi Fourier thơng số cường độ ta có đồ thị biên độ xạ TeraHertz hàm tần số Từ đồ thị Hình Hình ta thấy ngồi dao động có tần số xấp xỉ tần số dao động plasma có tần số dao động có biên độ nhỏ Bởi bán dẫn InGaAs, mật độ hạt tải không đồng nên điểm khảo sát có dao động chồng chập nhiều dao động có tần số khác Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát tử bề măt InGaAs loại n với xung laser kích thích 1.57 eV Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát tử bề măt InGaAs loại p với xung laser kích thích 1.57 eV 38 NGUYỄN VĂN NINH – ĐINH NHƯ THẢO Hình Sự phụ thuộc biên độ xạ TeraHertz vào tần số bán dẫn InGaAs loại n Hình Sự phụ thuộc biên độ xạ TeraHertz vào tần số bán dẫn InGaAs loại p KẾT LUẬN Chúng mô động lực học hạt tải cho hai loại bán dẫn InGaAs pha tạp loại n loại p ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang Chúng đưa dạng xạ TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang gây chuyển động siêu nhanh điện tử lỗ trống cách sử dụng nguồn laser quang sợi Chúng tiến hành khai triển Fourier để đưa dạng đồ thị mô tả phụ thuộc biên độ xạ TeraHertz vào tần số Kết cho thấy xạ TeraHertz bán dẫn InGaAs pha tạp loại p hiệu bán dẫn loại n lượng laser kích thích TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] K Liu, T Yuan, and C X Zhang (2006), TeraHertz radiation from induced by carrier diffusion and drift, Phys Rev B(73), 155330 G Klatt, B Surrer, D Stephan, O Schubert, M Fischer, J Faist, A Leitenstorfer, R Huber, and T Dekorsy (2011), Photo-Dember TeraHertz emitter excited with an Er:fiber laser, Applied Physics Letters, Japan K Tomizawa (1993), Numerical simulation of submicron semiconductor devices, Artech House, Boston London D N Thao, S Katayama, and K Tomizawa (2004), Numerical simulation of THz radiation by coherent LO phonons in GaAs p-i-n diodes under high electric fields, Journal of the Physical Society of Japan 73, 3177 – 3181 D N Thao, N Q Hung, and V D Tuan (2007), Monte Carlo simulation of THz radiation from InAs surfaces under the influence of the photo Dember effect, Presented at the 32nd Viet Nam National Conference on Theoretical Physics, Nha Trang, 8/2007 MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ… 39 Title: MONTE CARLO SIMULATION OF PHOTO-DEMBER TERAHERTZ EMITTER Abstract: The paper presents the simulation of Photo-Dember TeraHertz emitter excited with an Photo-fiber laser by means of self-consistent ensemble Monte Carlo method The simulation results show that electrons almost move along x-axis Moreover, the p-type doped InGaAs radiates more effectively than the n-type one with the same photon energy NGUYỄN VĂN NINH Học viên Cao học, Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Huế ĐT: 01655.158.698, Email: nguyen.ninh0502@gmail.com TS ĐINH NHƯ THẢO Phòng KHCN-HTQT, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐT: 0996.867.668, Email: dnthao@gmail.com ... Trang, 8/2007 MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ 39 Title: MONTE CARLO SIMULATION OF PHOTO -DEMBER TERAHERTZ EMITTER Abstract: The paper presents the simulation of Photo -Dember TeraHertz emitter... loại n loại p ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang Chúng đưa dạng xạ TeraHertz dựa hiệu ứng Dember quang gây chuyển động siêu nhanh điện tử lỗ trống cách sử dụng nguồn laser quang sợi Chúng tiến hành... vận tốc điện tử tăng nhanh đến giá trị khơng tăng giảm dần Điều hiểu xung laser MÔ PHỎNG MONTE CARLO BỘ PHÁT TERAHERTZ 37 kích thích thời gian ngắn điện tử bị tán xạ chế khác nên có mát