Kvantum jól - Quantum well

Kvantum jól. A nanometrikus dimenziók heterostruktúrájának sémája, amely kvantumhatásokat eredményez. Az L hosszúságú árnyékolt rész azt a régiót mutatja, ahol állandó (diszkrét) vegyértéksáv van .

A kvantum jól egy potenciális jól csak diszkrét energia értékeket.

A kvantumkút bemutatására használt klasszikus modell az, hogy a részecskéket, amelyek kezdetben három dimenzióban szabadon mozoghattak, két dimenzióba kell korlátozni, egy sík terület elfoglalására kényszerítve őket. A kvantumelzárás hatásai akkor következnek be, amikor a kvantumkút vastagsága összehasonlíthatóvá válik a hordozók (általában elektronok és lyukak ) de Broglie hullámhosszával , ami "energia részsávok" -nak nevezett energiaszintekhez vezet, azaz a hordozók csak diszkrét energiaértékekkel rendelkezhetnek.

Számos elektronikus kvantumkút -eszközt fejlesztettek ki a kvantumkútrendszerek elmélete alapján. Ezek az eszközök például lézerekben , fényérzékelőkben , modulátorokban és kapcsolókban találtak alkalmazást . A hagyományos készülékekhez képest a kvantumkútkészülékek sokkal gyorsabbak és sokkal gazdaságosabban működnek, és hihetetlen fontosságúak a technológiai és távközlési ipar számára. Ezek a kvantumkútkészülékek jelenleg sok, ha nem az összes hagyományos elektromos alkatrészt helyettesítik sok elektronikus eszközben.

A kvantumkút fogalmát 1963 -ban önállóan javasolta Herbert Kroemer, valamint Zhores Alferov és RF Kazarinov.

Történelem

A félvezető kvantumkutat 1970 -ben fejlesztette ki Esaki és Tsu , akik szintén szintetikus szuperrácsokat találtak fel . Azt javasolták, hogy a különböző sávközökkel rendelkező félvezető váltakozó vékony rétegekből álló heterostruktúrának érdekes és hasznos tulajdonságokkal kell rendelkeznie. Azóta sok erőfeszítés és kutatás történt a kvantumkútrendszerek fizikájának tanulmányozásában, valamint a kvantumkútkészülékek fejlesztésében.

A kvantumkútkészülékek fejlesztését nagymértékben a kristálynövelési technikák fejlődésének tulajdonítják . Ennek oka az, hogy a kvantumkútkészülékek nagy tisztaságú szerkezeteket igényelnek, kevés hibával. Ezért ezeknek a heterostruktúráknak a növekedése feletti nagy ellenőrzés lehetővé teszi olyan félvezető eszközök kifejlesztését, amelyek nagyon finomhangolt tulajdonságokkal rendelkeznek.

A kvantumkutak és a félvezető fizika forró téma volt a fizikakutatásban. A félvezető eszközök kifejlesztése több félvezetőből álló szerkezetek felhasználásával 2000 -ben Nobel -díjat kapott Zhores Alferov és Herbert Kroemer számára.

A kvantumkútberendezéseket körülvevő elmélet jelentős fejlődéshez vezetett számos modern alkatrész, például fénykibocsátó diódák , tranzisztorok gyártásában és hatékonyságában . Manapság az ilyen eszközök mindenütt megtalálhatók a modern mobiltelefonokban, számítógépekben és sok más számítástechnikai eszközben.

Gyártás

A kvantumlyukakat félvezetőkben úgy alakítják ki, hogy egy anyagot, például gallium -arzenidet , egy szélesebb sávval rendelkező anyag két rétege közé helyeznek , például alumínium -arzenidet . (További példák: egy réteg indium gallium nitrid között szendvicsszerűen két réteg gallium nitrid .) Ezek a szerkezetek által termesztett molekuláris epitaxia vagy kémiai gőzfázisú leválasztással a kontroll a rétegvastagság le egyrétegű .

A vékony fémfóliák kvantumkútállapotokat is támogathatnak, különösen a vékony fémrétegeket, amelyeket fém és félvezető felületeken nevelnek. A vákuum-fém felület határolja az elektronot (vagy lyukat) az egyik oldalon, és általában a félvezető szubsztrátokkal való abszolút rés, vagy a fém szubsztrátokkal előre jelzett sávköz.

A QW anyagrendszer termesztésének három fő megközelítése létezik: rácsos, húzással kiegyensúlyozott és feszített.

• Rácsos illesztésű rendszer: Rácsos illesztésű rendszerben a kút és a gát hasonló rácsállandóval rendelkezik, mint az alatta lévő szubsztrátanyag. Ezzel a módszerrel a sávszélesség különbség minimális diszlokáció, de minimális elmozdulás is az abszorpciós spektrumban.
• Nyúláskiegyenlített rendszer: A feszültségkiegyenlített rendszerben a kút és a gát úgy növekszik, hogy az egyik réteg rácsállandójának növekedését kompenzálja a rácsállandó csökkenése a következőben az alapanyaghoz képest. A rétegek vastagságának és összetételének megválasztása befolyásolja a sávszélesség követelményeit és a hordozó szállítási korlátait. Ez a megközelítés biztosítja a legnagyobb rugalmasságot a tervezésben, nagyszámú időszakos QW -t kínál minimális feszültséglazítással.
• Feszített rendszer: A feszített rendszert olyan lyukakkal és akadályokkal termesztik, amelyek rácsállandójukban nem hasonlítanak egymásra. A feszített rendszer összenyomja az egész szerkezetet. Ennek eredményeként a szerkezet csak néhány kvantumkút befogadására képes.

Félvezető AlGaAs-ból (nagy sávszélesség) és GaAs (kisebb sávköz) készült heterostruktúra kvantumkút konfigurációban. A d hosszúságú középső GaAs régióban a vezetési sáv energiája alacsonyabb, a vegyértéksáv energiája pedig magasabb. Ezért mind az elektronok, mind a lyukak korlátozhatók a GaAs régióban.

Leírás és áttekintés

Az egyik legegyszerűbb kvantumkútrendszert úgy lehet megépíteni, hogy az egyik típusú félvezető anyag vékony rétegét egy másik, két sávközű réteg közé helyezzük. Tekintsük, példaként, két réteg AlGaAs nagy bandgap körülvevő vékony réteg GaAs kisebb bandgap. Tegyük fel, hogy az anyagváltozás a z -irány mentén következik be, ezért a potenciálkút a z -irány mentén van (az x – y síkban nincs korlátozás.). Mivel a tárolt anyag sávszélessége alacsonyabb, mint a környező AlGaAs, a GaAs régióban kvantumkút (Potenciális kút) jön létre. Ez a sávenergia -változás az egész szerkezetben a hordozó által érezhető potenciál változásaként tekinthető, ezért alacsony energiahordozók csapdába eshetnek ezekben a kutakban.

A sávszerkezeti diagram a GaA -k kvantumkútjában az AlGaA -k között. Az elektron a vezetési sávban vagy egy lyuk a vegyértéksávban korlátozható a szerkezetben kialakított potenciális kútba. A kutakban rendelkezésre álló állapotokat az ábra vázolja fel. Ezek "részecske a dobozban" állapotok.

A kvantumkútban diszkrét energia -sajátállapotok találhatók, amelyek a hordozóknak lehetnek. Például a vezetési sávban lévő elektronnak alacsonyabb energiája lehet a kútban, mint ennek a szerkezetnek az AlGaAs régiójában. Következésképpen a vezetési sávban lévő, alacsony energiájú elektron csapdába eshet a kvantumkútban. Hasonlóképpen, a valencia sávban lévő lyukak is beszorulhatnak a vegyérték -sávban létrehozott potenciális kutak tetejére. Azok az állapotok, amelyekben a korlátozott hordozók lehetnek, részecskék a dobozban állapotok.

Fizika

A kvantumkutak és a kvantumkútkészülékek a szilárdtest-fizika részterülete, amelyet ma is alaposan tanulmányoznak és kutatnak. Az ilyen rendszerek leírására használt elmélet fontos eredményeket használ fel a kvantumfizika , a statisztikai fizika és az elektrodinamika területén .

Végtelen kút modell

A kvantumkútrendszer legegyszerűbb modellje a végtelen kútmodell. Ebben a modellben a potenciális kút falait/korlátait végtelennek feltételezzük. Ez a közelítés meglehetősen irreális, mivel a kvantumkutakban létrejövő potenciális kutak általában néhány száz milli- elektron-volt nagyságrendűek , ami jóval kisebb, mint a feltételezett végtelenül magas potenciál. Azonban első közelítésként a végtelen kút modell egyszerű és hasznos modellként szolgál, amely némi betekintést nyújt a kvantumkutak mögötti fizikába.

Tekintsünk egy végtelen kvantumot, amely jól orientált a z -irányban, úgy, hogy a kútban lévő hordozók a z -irányban vannak, de szabadon mozoghatnak az x -y síkban. a kvantumkutat választjuk, ahonnan futni akarunk . Feltételezzük, hogy a fuvarozók nem tapasztalnak potenciált a kútban, és a potenciál a gátrégióban végtelenül magas. ${\ displaystyle z = 0}$${\ displaystyle z = d}$

A végtelen kút modell hordozóinak Schrodinger -egyenlete a következő:

${\ displaystyle -{\ frac {\ hbar ^{2}} {2 m {_ {w}} ^{*}}} {\ frac {\ részleges ^{2} \ psi (z)} {\ részleges z ^ {2}}} = E \ psi (z)}$

ahol a Planck-állandó osztva , és a hatékony tömege a hordozók a jól régióban. A hordozó effektív tömege az a tömeg, amelyet az elektron "érez" kvantumkörnyezetében, és általában különbözik a különböző félvezetők között, mivel az effektív tömeg értéke nagymértékben függ a sáv görbületétől. Vegye figyelembe, hogy ez lehet az elektronok effektív tömege a vezetési sávban lévő lyukakban vagy a lyukaknál a valencia sávban. ${\ displaystyle \ hbar}$${\ displaystyle 2 \ pi}$${\ displaystyle m_ {w}^{*}}$${\ displaystyle m_ {w}^{*}}$

Megoldások és energiaszintek

Az első két energiaállapot egy végtelen kút kvantumkútmodellben. Ebben a modellben a falak végtelenül magasak. Az oldathullám függvények szinuszosak, és a kút határán nullára mennek.

A megoldás hullámfüggvényei nem létezhetnek a kút gátrégiójában, a végtelenül nagy potenciál miatt. Ezért a következő peremfeltételek előírásával megkapjuk a megengedett hullámfüggvényeket,

${\ displaystyle \ psi (0) = \ psi (d) = 0}$.

A megoldáshullám -függvények a következő formát öltik:

${\ displaystyle \ psi _ {n} (z) = {\ sqrt {\ frac {2} {d}}} \ sin (k_ {n} z) \ qquad k_ {n} = {\ frac {n \ pi } {d}}}$.

Az ( ) index az egész kvantumszámot jelöli, és az egyes állapotokhoz tartozó hullámvektor , a fentiek szerint. A kapcsolódó diszkrét energiákat a következők adják: ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n> 0}$${\ displaystyle k_ {n}}$

${\ displaystyle E_ {n} = {\ frac {\ hbar ^{2} k_ {n} ^{2}} {2m_ {w} ^{*}}} = {\ frac {\ hbar ^{2}} {2m_ {w}^{*}}} \ bal ({\ frac {n \ pi} {d}} \ jobb)^{2}}$.

Az egyszerű végtelen kútmodell jó kiindulópontot nyújt a kvantumkútrendszerek fizikájának és a kvantumelzárás hatásainak elemzéséhez. A modell helyesen jósolja, hogy a kútban lévő energiák fordítottan arányosak a kút hosszának négyzetével. Ez azt jelenti, hogy a félvezető rétegek szélességének, azaz a kút hosszának pontos szabályozása lehetővé teszi a kutakban lévő hordozók számára engedélyezett energiaszintek pontos szabályozását. Ez hihetetlenül hasznos tulajdonság a sávszélesség-mérnökség számára . Továbbá a modell azt mutatja, hogy az energiaszintek arányosak a tényleges tömeg fordított értékével. Következésképpen a nehéz lyukak és a könnyű lyukak eltérő energiaállapotúak lesznek, amikor a kútba kerülnek. Nehéz és könnyű lyukak keletkeznek, amikor a különböző görbületű vegyértéksávok maximumai egybeesnek; két különböző effektív tömeget eredményez.

A végtelen kútmodell hátránya, hogy a létezőnél sokkal több energiaállapotot jósol meg, mivel a valódi kvantumkutak falai végesek. A modell figyelmen kívül hagyja azt a tényt is, hogy a valóságban a hullámfüggvények nem a nullára mennek a kút határán, hanem „véreznek” a falba (a kvantum alagút miatt), és exponenciálisan bomlanak le nullára. Ez a tulajdonság lehetővé teszi szuperrácsok és más új kvantumkút -eszközök tervezését és gyártását, és a véges kútmodell jobban leírja.

Véges kút modell

A véges kút modell reálisabb modellt nyújt a kvantumkutakhoz. Itt a heterostruktúrában lévő kút falait véges potenciál segítségével modellezik , ami a különböző félvezetők vezetési sáv energiáinak különbsége. Mivel a falak végesek, és az elektronok alagútba tudnak kerülni a sorompó területére. Ezért a megengedett hullámfunkciók behatolnak a sorompó falába. ${\ displaystyle V_ {0}}$

Tekintsünk egy véges kvantumot, amely jól orientált a z -irányban, úgy, hogy a lyukban lévő hordozók a z -irányban vannak, de szabadon mozoghatnak az x -y síkban. Kiválasztjuk a kvantum kutat, ahonnan futni akarunk . Feltételezzük, hogy a fuvarozók nem tapasztalnak potenciált a kútban és a gátrégiókban. ${\ displaystyle z = 0}$${\ displaystyle z = d}$${\ displaystyle V_ {0}}$

A kúton belüli hordozók Schrodinger -egyenlete a végtelen kútmodellhez képest változatlan, kivéve a falak peremfeltételeit, amelyek most megkövetelik, hogy a hullámfüggvények és lejtéseik folytonosak legyenek a határokon.

A sorompón belül a Schrodinger -féle hordozókra vonatkozó egyenlet a következő:

${\ displaystyle -{\ frac {\ hbar ^{2}} {2 m {_ {b}} ^{*}}} {\ frac {\ részleges ^{2} \ psi (z)} {\ részleges z ^ {2}}}+V_ {0} \ psi (z) = E \ psi (z)}$

Hol van a hordozó effektív tömege a gáttartományban, amely általában eltér a kútban lévő tényleges tömegétől. ${\ displaystyle m_ {b}^{*}}$

Megoldások és energiaszintek

Vázlat a kötött ( ), kvantált energiaállapotokról a vivők vivő modelljében. A hullámfüggvények szinuszosak, de a gátrégióban exponenciálisan bomlanak. Ezen állapotok energiái kisebbek, mint a végtelen kút modellben.${\ displaystyle E <V_ {0}}$

A vonatkozó peremfeltételeket és azt a feltételt alkalmazva, hogy a hullámfüggvénynek folyamatosnak kell lennie a kút szélén, olyan megoldásokat kapunk a hullámvektorhoz, amelyek megfelelnek a következő transzcendentális egyenleteknek : ${\ displaystyle k}$

${\ displaystyle \ tan \ left ({\ frac {k_ {n} d} {2}} \ right) = {\ frac {m_ {w}^{*} \ kappa} {m_ {b}^{*} k_ {n}}} \ quad {\ text {(páros)}}}$

és

${\ displaystyle \ tan \ left ({\ frac {k_ {n} d} {2}} \ right) =-{\ frac {m_ {b}^{*} k_ {n}} {m_ {w}^ {*} \ kappa}} \ négyes {\ szöveg {(páratlan)}}}$,

hol van az exponenciális bomlási állandó a gátrégióban, ami azt jelzi, hogy a hullámfüggvény milyen gyorsan bomlik le a gátrégióban. A kútban lévő kvantált energia -állapotokat, amelyek a hullámvektortól és a kvantumszámtól ( ) függenek, a következők adják meg: ${\ displaystyle \ kappa}$${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle E_ {n} = {\ frac {\ hbar^{2} k_ {n}^{2}} {2m_ {w}^{*}}}}$.

Az exponenciális bomlási állandó a következő: ${\ displaystyle \ kappa}$

${\ displaystyle \ kappa = {\ frac {\ sqrt {2m_ {b}^{*} (V_ {0} -E_ {n})}} {\ hbar}}}$

Ez a kötött hordozó saját állapotától , a kút mélységétől és a hordozó effektív tömegétől függ . ${\ displaystyle E_ {n}}$${\ displaystyle V_ {0}}$${\ displaystyle m_ {b}^{*}}$

A fenti transzcendentális egyenletek megoldásai könnyen megtalálhatók numerikus vagy grafikus módszerekkel. Általában csak néhány megoldás létezik. Mindazonáltal mindig lesz legalább egy megoldás, tehát egy kötött állapot a kútban, függetlenül attól, hogy milyen kicsi a potenciál. A végtelen kúthoz hasonlóan a kútban lévő hullámfüggvények szinuszosak, de exponenciálisan bomlanak a kút gátjában. Ennek az a hatása, hogy csökkenti a kvantumkút kötött energiaállapotait a végtelen kúthoz képest.

Szuperrácsok

AlAs -ból és GaAs -ból álló heterostruktúra szuperrácsos konfigurációban. Az ebből eredő időszakos potenciál az anyagok közötti sávkülönbségek miatt keletkezik.

A szuperrács egy periodikus heterostruktúra, amely különböző sávközökkel váltakozó anyagokból készül. Ezen időszakos rétegek vastagsága általában néhány nanométer nagyságrendű. Az ilyen konfigurációból származó sávstruktúra kvantumkút -periódus -sorozat. Fontos, hogy ezek a korlátok elég vékonyak legyenek ahhoz, hogy a hordozók átjussanak a több kutak gátrégióin. A szuperrácsok meghatározó tulajdonsága, hogy a kutak közötti korlátok elég vékonyak ahhoz, hogy a szomszédos kutak összekapcsolódhassanak. Az ismétlődő kvantumlyukakból készített periodikus szerkezeteket, amelyek túl vastagok ahhoz, hogy a szomszédos hullámfüggvények összekapcsolódjanak, többszörös kvantumkút (MQW) szerkezeteknek nevezzük.

Mivel a hordozók alagutakon keresztül tudnak áthatolni a kutak közötti sorompóterületeken, a szomszédos kutak hullámfüggvényei összekapcsolódnak a vékony gáttal, ezért a szuperrácsokban lévő elektronikus állapotok delokalizált mini sávokat alkotnak. A szuperrácsok megengedett energiaállapotaira vonatkozó megoldások hasonlóak a véges kvantumkutakhoz, ahol a szerkezetek periodicitása miatt a határfeltételek megváltoznak. Mivel a potenciál periodikus, a rendszer matematikailag leírható az egydimenziós kristályrácshoz hasonló módon.

Alkalmazások

Kvázi kétdimenziós jellegük miatt a kvantum-lyukakban lévő elektronok állapotainak sűrűsége az energia függvényében különbözik egymástól, szemben a sima négyzetgyök függőséggel, amely az ömlesztett anyagokban található. Ezenkívül a vegyértéksáv lyukainak tényleges tömege úgy változik, hogy jobban megfeleljen a vegyértéksávban lévő elektronok tömegének. Ez a két tényező, valamint a kvantumkutakban lévő aktív anyagok csökkentett mennyisége együttesen jobb teljesítményt eredményez az optikai eszközökben, például a lézerdiódákban. Ennek eredményeként a kvantumfúrásokat széles körben használják a diódás lézerekben , beleértve a vörös lézereket a DVD-khez és a lézermutatókhoz, az infravörös lézereket a száloptikai adókban vagy a kék lézereket . HEMT-k (nagy elektronmobilitású tranzisztorok) gyártására is használják , amelyeket az alacsony zajszintű elektronikában használnak. A kvantumkamrás infravörös fotodetektorok szintén kvantumlyukakon alapulnak, és infravörös képalkotásra szolgálnak .

Adalékolásával vagy magában a kút vagy előnyösen, az akadályt a kvantum jól donor szennyeződések, egy kétdimenziós elektron gáz (2DEG) képezhetők. Egy ilyen szerkezet létrehozza a HEMT vezető csatornáját, és érdekes tulajdonságokkal rendelkezik alacsony hőmérsékleten. Az egyik ilyen tulajdonság a kvantum Hall -effektus , amely nagy mágneses mezőknél látható . Az elfogadó adalékanyagok kétdimenziós lyukgázhoz (2DHG) is vezethetnek.

Telített abszorbens

A kvantumkút telíthető abszorbensként gyártható telíthető abszorpciós tulajdonságainak felhasználásával. A telítettségű elnyelőket széles körben használják passzív módú reteszelő lézerekben . Félvezető telíthető abszorbereket (SESAM) használtak a lézer mód lezárására már 1974-ben, amikor p típusú germániumot használtak a CO ₂ lézer üzemmódjának lezárására, amely ~ 500 ps impulzusokat generált. A modern SESAM-ok III-V félvezető egykvantumkút (SQW) vagy több kvantumkút (MQW), amelyeket félvezető eloszlású Bragg-reflektorokon (DBR) termesztenek . Kezdetben rezonancia impulzusmodell (RPM) rendszerben használták kiindulási mechanizmusként a Ti: zafír lézerekhez, amelyek KLM -et alkalmaztak gyorsan telíthető abszorberként. Az RPM egy másik csatolt üreg üzemmód-zárolási technika. Az APM lézerektől eltérően, amelyek nem rezonáns Kerr-fázisú nemlinearitást alkalmaznak az impulzusok lerövidítésére, az RPM a félvezetők rezonanciasáv-kitöltési hatásainak amplitúdó-nemlinearitását alkalmazza. A SESAM -eket hamarosan intracavitású, telíthető abszorbens eszközökké fejlesztették, mivel ez a szerkezet sokkal egyszerűbb. Azóta a SESAM-ok használata lehetővé tette az ultragyors szilárdtest-lézerek impulzusidejének, átlagos teljesítményének, impulzusenergiájának és ismétlési arányainak javítását több nagyságrenddel. 60 W átlagos teljesítményt és 160 GHz -ig terjedő ismétlési gyakoriságot kaptunk. A SESAM-asszisztált KLM használatával közvetlenül a Ti: zafír oszcillátorból 6-os alatti impulzusokat értünk el. A SESAM -ek fő előnye más telíthető abszorbens technikákkal szemben, hogy az elnyelő paraméterek könnyen szabályozhatók az értékek széles tartományában. Például a telítettségi fluencia szabályozható a felső reflektor fényvisszaverő képességének változtatásával, míg a modulációs mélység és a helyreállítási idő az abszorbens rétegek alacsony hőmérsékletű növekedési feltételeinek megváltoztatásával testreszabható. Ez a tervezési szabadságot továbbá kiterjesztette alkalmazását SESAMs be mód-reteszelő az üvegszálas lézerek , ahol egy viszonylag nagy modulációs mélység szükséges, hogy biztosítsa az ön-indulási és működését a stabilitás. Sikeresen bemutatták a ~ 1 μm és 1,5 μm -en működő szál lézereket.

Hőelektromos

A kvantumkutak ígéretet tettek az energiagyűjtésre termoelektromos eszközként. Állításuk szerint könnyebben gyárthatók, és lehetővé teszik a szobahőmérsékleten történő működést. A kutak egy központi üreget kötnek össze két elektronikus tárolóval. A központi üreget melegebb hőmérsékleten tartják, mint a tartályokat. A kutak szűrőként működnek, amelyek lehetővé teszik bizonyos energiájú elektronok áthaladását. Általában az üreg és a tartályok közötti nagyobb hőmérséklet -különbségek növelik az elektronáramlást és a kimenő teljesítményt.

Egy kísérleti eszköz körülbelül 0,18 W/cm ² kimeneti teljesítményt nyújtott 1 K hőmérsékletkülönbséghez, ami közel kétszerese a kvantumpont energiagyűjtő teljesítményének. Az extra szabadságfokok nagyobb áramlatokat engedtek meg. Hatékonysága valamivel alacsonyabb, mint a kvantum pontenergia -betakarítóké. A kvantumkutak bármilyen energia elektronjait továbbítják egy bizonyos szint felett, míg a kvantumpontok csak egy meghatározott energiájú elektronokat.

Az egyik lehetséges alkalmazás az elektromos áramkörökből származó hulladékhő átalakítása , például számítógépes chipekben, újra elektromos árammá, ezáltal csökkentve a hűtés és az energia szükségességét a chip áramellátásához.

Napelemek

Kvantumkutakat javasoltak a napelemek hatékonyságának növelésére . A hagyományos egycsatlakozós cellák elméleti maximális hatékonysága körülbelül 34%, nagyrészt annak köszönhető, hogy nem képesek sokféle hullámhosszú fényt rögzíteni. A többcsatlakozós napelemek , amelyek sorozatosan összekapcsolt, különböző sávszélességek több pn-csomópontjából állnak, növelik az elméleti hatékonyságot azáltal, hogy kiszélesítik az elnyelt hullámhossztartományt, de összetettségük és gyártási költségeik korlátozzák használatukat a niche alkalmazásokra. Másrészről, a tűcsatlakozásból álló cellák, amelyekben a belső régió egy vagy több kvantum -üreget tartalmaz, fokozott fényáramhoz vezetnek a sötét áram felett, ami a hagyományos pn -cellákhoz képest nettó hatékonyságnövekedést eredményez. A kút mélységében lévő fotonok elnyelődnek a lyukakban, és elektron-lyuk párokat hoznak létre. Szobahőmérsékletű körülmények között ezek a fotógenerált hordozók elegendő hőenergiával rendelkeznek ahhoz, hogy a rekombinációs sebességnél gyorsabban meneküljenek a kútból . Kidolgozott többcsatlakozós kvantumkút-napelemek készíthetők rétegenkénti lerakási technikákkal, például molekuláris sugár epitaxiával vagy kémiai gőzlerakással. Azt is kimutatták, hogy a sejt fölé adott fém- vagy dielektromos nanorészecskék tovább növelik a fotoabszorpciót azáltal, hogy a beeső fényt a többkvantum-mélyedésű belső rétegben levő oldalsó terjedési utakra szórják.

Egycsatlakozós napelemek

A hagyományos egycsatlakozós fotovoltaikus napelemekkel az általa generált teljesítmény a fényáram és a dióda feszültségének eredménye. Mivel a félvezetők csak a sávszélességüknél nagyobb energiájú fotonokat vesznek fel, a kisebb sávszélességű anyag a Nap sugárzási spektrumának nagyobb részét elnyeli, ami nagyobb áramot eredményez. Az elérhető legnagyobb nyitott áramkörű feszültség az anyag beépített sávszélessége. Mivel a félvezető sávszélessége határozza meg az áramot és a feszültséget is, a napelem tervezése mindig kompromisszum az alacsony sávszélességű maximális kimeneti áram és a nagy sávszélességű feszültségkimenet között. A hagyományos napelemek hatékonyságának maximális elméleti határa csak 31%, a legjobb szilícium -eszközök pedig 25%-os optimális határt érnek el.

A kvantumkutak (QW) bevezetésével az egycsatlakozós, feszített QW szilícium készülékek hatékonysági határa 28,3%-ra emelkedett. A növekedés annak köszönhető, hogy a sorompó anyag sávszélessége meghatározza a beépített feszültséget. Míg a QW sávszélessége határozza meg az abszorpciós határértéket. Barnham csoportja a tűcsatlakozási fotodiodákkal végzett kísérleteivel kimutatta, hogy a QW -k elhelyezése a kimerült régióban növeli az eszköz hatékonyságát. A kutatók arra a következtetésre jutnak, hogy az ebből eredő növekedés azt jelzi, hogy az alacsonyabb energiák abszorpciós spektrumába történő beépítése miatt új hordozók és fényáramok keletkezése meghaladja a végfeszültség csökkenését, ami a kvantumlyukakban rekedt hordozók rekombinációjából származik. További tanulmányok arra a következtetésre jutottak, hogy a fényáram növekedése közvetlenül összefügg az abszorpciós spektrum vöröseltolódásával.

Többcsatlakozós napelemek

Manapság a nem QW napelemek közül a III/V többcsatlakozós napelemek a leghatékonyabbak, amelyek maximális napsugárzás-koncentráció mellett 46% -os hatékonyságot rögzítenek. A többcsatlakozós napelemeket különböző sávközök több tűs csomópontjának egymásra rakásával hozzák létre. A napelem hatékonysága növekszik, ha több napsugárzást vesznek fel az abszorpciós spektrumba azáltal, hogy több különböző sávszélességű QW -t vezetnek be. A sávszélesség és a rácsállandó közötti közvetlen kapcsolat gátolja a többcsatlakozós napelemek előrehaladását. Ahogy egyre több kvantumkutat (QW) tenyésztenek együtt, az anyag a diszlokációkkal együtt növekszik a változó rácsállandók miatt. A diszlokációk csökkentik a diffúzió hosszát és a hordozó élettartamát. Ezért a QW-k alternatív megközelítést kínálnak a többcsatlakozós napelemekhez, minimális kristály-diszlokációval.

Bandgap energia

A kutatók a QW-k felhasználásával kiváló minőségű anyagokat kívánnak termeszteni minimális kristályos diszlokációkkal, valamint növelik a fényelnyelés és a hordozógyűjtés hatékonyságát a nagyobb hatékonyságú QW napelemek megvalósítása érdekében. A Bandgap hangolhatóság segít a kutatóknak a napelemek megtervezésében. A tényleges sávszélességet a QW sávszélesség -energiájának és a sztérikus törzs miatti sávszélesség -energia eltolódásának függvényében tudjuk megbecsülni : a kvantumzáró Stark -hatás (QCSE) és a kvantumméret -hatás (QSE).

${\ displaystyle E_ {G, {\ text {Eff}}} = E_ {G}^{\ text {well, relaxed}}+\ Delta E_ {G}^{\ text {Strain}}+\ Delta E_ { G}^{\ text {QSE}}+\ Delta E_ {G}^{\ text {QCSE}}}$

Az anyag húzódása két hatást okoz a sávszélesség energiájának. Az első a vezetési és vegyértéksáv relatív energiájának változása. Ez az energia változás érinti a törzset, rugalmas merevségét együtthatók, valamint és a hidrosztatikus deformáció potenciál . ${\ displaystyle \ epsilon}$${\ displaystyle C_ {11}}$${\ displaystyle C_ {12}}$${\ displaystyle a}$

${\ displaystyle \ Delta E = -2a \ left ({\ frac {C_ {11} -C_ {12}} {C_ {11}}} \ right) \ epsilon}$

Másodszor, a megterhelés miatt a nehéz és a könnyű lyukak degenerációja megoszlik. Erősen összenyomott anyagban a nehéz lyukak ( hh ) magasabb energiaállapotba kerülnek. A szakítóanyagban a fénylyukak ( lh ) magasabb energiaállapotba kerülnek. Lehet számítani a különbség az energia miatt a felosztása a hh és lh a nyírási deformáció lehetséges, törzs, és a rugalmassági merevség együtthatók, és . ${\ displaystyle b}$${\ displaystyle \ epsilon}$${\ displaystyle C_ {11}}$${\ displaystyle C_ {12}}$

${\ displaystyle \ Delta E_ {hh} = b \ left ({\ frac {C_ {11}+2C_ {12}} {C_ {11}}} \ right) \ epsilon}$

${\ displaystyle \ Delta E_ {lh} =-b \ bal ({\ frac {C_ {11}+2C_ {12}} {C_ {11}}} \ jobb) \ epsilon}$

A kvantumzáró Stark-hatás jól vastagságfüggő eltolódást idéz elő a sávban. Ha az elemi töltés; és a QW effektív szélessége a vezetési és a vegyértéksávban; a piezoelektromos és spontán polarizáció miatti indukált elektromos mező; és a csökkent Planck -állandó, akkor az energiaeltolódás: ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle L _ {\ text {eff, CB}}}$${\ displaystyle L _ {\ text {eff, VB}}}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle \ hbar}$

${\ displaystyle \ Delta E_ {G} ^{\ text {QCSE}} = \ left ({\ frac {15- \ pi ^{2}} {24 \ pi ^{2}}} \ right) \ left (\ {\ frac {m_ {e}^{*} L _ {\ text {eff, CB}}^{4}+m_ {h}^{*} L _ {\ text {eff, VB}}^{4}} {\ hbar ^{2}}} \ jobb) qF ^{2}}$

A kvantumméret -hatás (QSE) a töltéshordozó energia diszkretizálása a bezártság miatt, amikor Bohr -sugara nagyobb, mint a kút mérete. A kvantumkút vastagságának növekedésével a QSE -k csökkennek. A QSE -k csökkenése miatt az állam lefelé mozdul, és csökken a tényleges sávszélesség. A Kronig – Penney modellt használják a kvantumállapotok kiszámítására, Anderson szabályát pedig a vezetési sáv és a vegyértéksáv -eltolások becslésére az energiában. ${\ displaystyle n = 1}$

Felső: Töltéshordozók termionikus menekülése, Alul: Töltőhordozók alagútja

A hordozó rögzítése és élettartama

A hordozók hatékony használatával a QW -kben a kutatók növelhetik a kvantumkút -napelemek (QWSC -k) hatékonyságát. A pin-napelemek belső régiójában lévő QW-n belül az optikailag generált hordozókat vagy a beépített mező gyűjti össze, vagy elveszik a hordozó rekombinációja miatt. A hordozó rekombináció az a folyamat, amelyben egy lyuk és elektron rekombinálódik, hogy megszüntesse töltéseiket. A hordozókat az elektromos mező sodródás útján gyűjtheti össze. Használhatunk vékony kutakat és szállítóhordozókat termionikus kibocsátáson keresztül, vagy használhatunk vékony akadályokat és szállítóhordozókat alagútban.

A hordozó élettartamát a meneküléshez az alagút és a termikus emissziós élettartam határozza meg. Az alagút és a termikus emisszió élettartama egyaránt függ az alacsony effektív gátmagasságtól. Ezeket a következő egyenletekkel fejezik ki:

${\ displaystyle {\ frac {1} {\ tau _ {\ text {tun.}}}} = {\ frac {n \ pi \ hbar} {2t_ {w}^{2} m_ {w}^{* }}} e^{{\ frac {-2} {\ hbar}} \ int _ {0}^{t_ {b}} {\ sqrt {2m_ {b}^{*} (E_ {b} -E (z) z)}} \, dz}}$

${\ displaystyle {\ frac {1} {\ tau _ {\ text {therm.}}}} = {\ frac {1} {t_ {w}}} {\ sqrt {\ frac {kT} {2 \ pi m_ {w}^{*}}}} e^{-{\ frac {E_ {b}} {kT}}}}$,

ahol és hol vannak a töltéshordozók hatékony tömegei a sorompóban és a kútban, az effektív gátmagasság, és ez az elektromos mező. ${\ displaystyle m_ {b}^{*}}$${\ displaystyle m_ {w}^{*}}$${\ displaystyle E_ {b}}$${\ displaystyle E (z)}$

Ezután a menekülés élettartamát a következőképpen lehet kiszámítani:

${\ displaystyle {\ frac {1} {\ tau _ {\ text {esc.}}}} = {\ frac {1} {\ tau _ {\ text {tun.}}}}+{\ frac {1 } {\ tau _ {\ text {therm.}}}}}$

A kisebbségi fuvarozók menekülésének teljes valószínűsége a QW -kből minden kút valószínűségének összege,

${\ displaystyle P _ {\ text {tot}} = P_ {i}^{N}}$.

Itt, ahol a rekombináció élettartama, és a QW -k teljes száma a belső régióban. ${\ displaystyle P_ {i} = {\ frac {\ frac {1} {\ tau _ {\ text {esc.}}}} {{\ frac {1} {\ tau _ {\ text {esc.}} }}+{\ frac {1} {\ tau _ {\ text {rec.}}}}}}}$${\ displaystyle \ tau _ {\ text {rec.}}}$${\ displaystyle N}$

Például nagy a valószínűsége a hordozó visszaemlékezésének. A modellezési módszer feltételezései szerint minden hordozó keresztezi a QW -ket, míg a valóságban különböző számú QW -t keresztez, és a hordozó elfogása 100%-os, ami nem biztos, hogy igaz a magas háttér doppingkörülmények között. ${\ displaystyle \ tau _ {\ text {esc.}} \ ll \ tau _ {rec.}}$${\ displaystyle N}$

Például, ha figyelembe vesszük az In _0.18 Ga _0.82 As (125 )/GaAs _0.36 P _0.64 (40 ) értéket, az alagút és a termionikus emisszió élettartama 0.89 és 1.84. Még ha 50ns rekombinációs időt is feltételezünk, egyetlen kvantumkút és 100 kvantumlyuk menekülési valószínűsége 0,984 és 0,1686, ami nem elegendő a hatékony hordozófogáshoz. A sorompó vastagságának 20 ångströmre történő csökkentése 4,1276 ps -ra csökken , és 100 QW alatt 0,9918 -ra növeli a menekülési valószínűséget. Azt jelzi, hogy a vékony korlátok használata elengedhetetlen a hatékonyabb hordozógyűjtéshez. ${\ displaystyle \ mathrm {\ AA}}$${\ displaystyle \ mathrm {\ AA}}$${\ displaystyle \ tau _ {\ text {tun.}}}$

A kvantumkútkészülékek fenntarthatósága az ömlesztett anyagokhoz képest a teljesítmény tekintetében

Az 1,1-1,3 eV tartományban Sayed és mtsai. összehasonlítja a metamorf InGaAs ömlesztett alcellák külső kvantumhatékonyságát (EQE) a Ge szubsztrátokon Spectrolab által 100-periódusú _0,30 Ga _0,70 As (3,5 nm)/ GaAs (2,7 nm)/ GaAs _0,60 P _0,40 (3,0 nm) QWSC Fuji és mtsai. Az ömlesztett anyag magasabb EQE-értékeket mutat, mint a 880-900 nm-es QW-k, míg a QW-k magasabb EQE-értékekkel rendelkeznek a 400-600 nm-es tartományban. Ez az eredmény bizonyos bizonyítékokat szolgáltat arra, hogy küzdelem folyik a QW -k elnyelési küszöbének hosszabb hullámhosszra történő kiterjesztése miatt, a feszültségmérleg és a hordozó szállítási problémái miatt. Az ömlesztett anyag azonban több deformációval rendelkezik, ami a kisebb hordozó élettartamához vezet.

Az 1,6-1,8 tartományban a rácsnak megfelelő AlGaAs Heckelman et al. és InGaAsP, Jain és mtsai. Sayed összehasonlítja a rács illeszkedő InGaAsP/InGaP QW struktúrával, Sayed és mtsai. Az 1.1-1.3eV tartományhoz hasonlóan az ömlesztett anyag EQE-je magasabb a spektrum hosszabb hullámhosszú tartományában, de a QW-k előnyösek abban az értelemben, hogy szélesebb tartományt vesznek fel a spektrumban. Ezenkívül a hé alacsonyabb hőmérsékleten is termeszthető, megakadályozva a termikus lebomlást.

A kvantumkutak alkalmazása sok eszközben életképes megoldás az ilyen eszközök energiahatékonyságának növelésére. A lézerek esetében a fejlesztés már olyan jelentős eredményekhez vezetett, mint a LED. A QWSC -k segítségével a napból energiát gyűjtő energia hatékonyabb módszerré válik azáltal, hogy képes elnyelni a nap sugárzásának nagyobb részét, és hatékonyabban tudja elfogni ezt az energiát a töltőhordozóktól. Egy életképes lehetőség, például a QWSC -k lehetőséget biztosítanak a nyilvánosság számára, hogy az üvegházhatást okozó gázok kiváltó módszereitől egy zöldebb alternatíva, a napenergia felé mozduljon el.

Lásd még

• Részecskék egy dobozban
• Kvantumhuzal , hordozók két dimenzióban.
• Kvantumpont , hordozók mindhárom dimenzióban.
• Kvantum kút lézer
• Moduláló fényvisszaverő

Hivatkozások

További irodalom

• Thomas Engel, Philip Reid kvantumkémia és spektroszkópia. ISBN  0-8053-3843-8 . Pearson Education, 2006. 73–75.