Un pozo cuántico es un pozo potencial con solo valores de energía discretos.
El modelo clásico utilizado para demostrar un pozo cuántico es confinar partículas, que inicialmente eran libres de moverse en tres dimensiones, a dos dimensiones, obligándolas a ocupar una región plana. Los efectos del confinamiento cuántico tienen lugar cuando el espesor del pozo cuántico se vuelve comparable a la longitud de onda de De Broglie de los portadores (generalmente electrones y huecos ), lo que lleva a niveles de energía llamados "subbandas de energía", es decir, los portadores solo pueden tener valores de energía discretos.
Se ha desarrollado una amplia variedad de dispositivos electrónicos de pozos cuánticos basados en la teoría de los sistemas de pozos cuánticos. Estos dispositivos han encontrado aplicaciones en láseres , fotodetectores , moduladores e interruptores, por ejemplo. En comparación con los dispositivos convencionales, los dispositivos de pozos cuánticos son mucho más rápidos y funcionan de manera mucho más económica y son un punto de increíble importancia para las industrias tecnológica y de telecomunicaciones. Estos dispositivos de pozos cuánticos están reemplazando actualmente muchos, si no todos, los componentes eléctricos convencionales en muchos dispositivos electrónicos. [2]
El concepto de pozo cuántico fue propuesto en 1963 de forma independiente por Herbert Kroemer y por Zhores Alferov y RF Kazarinov. [3] [4]
Historia
El pozo cuántico de semiconductores fue desarrollado en 1970 por Esaki y Tsu , quienes también inventaron superredes sintéticas . [5] Sugirieron que una heteroestructura formada por capas delgadas alternas de semiconductores con diferentes intervalos de banda debería exhibir propiedades interesantes y útiles. [6] Desde entonces, se ha dedicado mucho esfuerzo e investigación al estudio de la física de los sistemas de pozos cuánticos, así como al desarrollo de dispositivos de pozos cuánticos.
El desarrollo de dispositivos de pozos cuánticos se atribuye en gran medida a los avances en las técnicas de crecimiento de cristales . Esto se debe a que los dispositivos de pozos cuánticos requieren estructuras de alta pureza con pocos defectos. Por lo tanto, tener un gran control sobre el crecimiento de estas heteroestructuras permite el desarrollo de dispositivos semiconductores que pueden tener propiedades muy afinadas. [5]
Los pozos cuánticos y la física de semiconductores han sido un tema candente en la investigación de la física. El desarrollo de dispositivos semiconductores que utilizan estructuras compuestas por múltiples semiconductores resultó en premios Nobel para Zhores Alferov y Herbert Kroemer en 2000. [7]
La teoría que rodea a los dispositivos de pozos cuánticos ha dado lugar a avances significativos en la producción y la eficiencia de muchos componentes modernos, como los diodos emisores de luz , los transistores , por ejemplo. Hoy en día, estos dispositivos son omnipresentes en los teléfonos móviles, las computadoras y muchos otros dispositivos informáticos modernos.
Fabricación
Los pozos cuánticos se forman en semiconductores al tener un material, como el arseniuro de galio , intercalado entre dos capas de un material con una banda prohibida más amplia , como el arseniuro de aluminio . (Otros ejemplos: una capa de nitruro de galio indio intercalada entre dos capas de nitruro de galio ). Estas estructuras se pueden cultivar mediante epitaxia de haz molecular o deposición de vapor químico con control del espesor de la capa hasta las monocapas .
Las películas delgadas de metal también pueden soportar estados de pozo cuántico, en particular, capas metálicas delgadas que crecen en superficies de metal y semiconductores. La interfaz de vacío-metal confina el electrón (o hueco) en un lado y, en general, por una brecha absoluta con sustratos semiconductores, o por una brecha de banda proyectada con sustratos metálicos.
Hay 3 enfoques principales para cultivar un sistema de material QW: de celosía, de deformación equilibrada y de tensión. [8]
- Sistema de celosía: en un sistema de celosía, el pozo y la barrera tienen una constante de celosía similar al material del sustrato subyacente. [8] Con este método, la diferencia de banda prohibida es una dislocación mínima, pero también un cambio mínimo en el espectro de absorción.
- Sistema de deformación equilibrada: En un sistema de deformación equilibrada, el pozo y la barrera crecen de modo que el aumento de la constante de red de una de las capas se compensa con la disminución de la constante de red en la siguiente en comparación con el material del sustrato. La elección del grosor y la composición de las capas afecta los requisitos de banda prohibida y las limitaciones de transporte del portador. Este enfoque proporciona la mayor flexibilidad en el diseño, ofreciendo una gran cantidad de QW periódicos con una relajación mínima de la tensión. [8]
- Sistema filtrado: un sistema filtrado se cultiva con pozos y barreras que no son similares en constante de celosía. Un sistema tenso comprime toda la estructura. Como resultado, la estructura solo puede acomodar unos pocos pozos cuánticos. [8]
Descripción y resumen
Se puede construir uno de los sistemas de pozos cuánticos más simples insertando una capa delgada de un tipo de material semiconductor entre dos capas de otro con una banda prohibida diferente. Considere, como ejemplo, dos capas de AlGaAs con una banda prohibida grande que rodea una capa delgada de GaAs con una banda prohibida más pequeña. Supongamos que el cambio de material ocurre a lo largo de la dirección z y, por lo tanto, el pozo potencial está a lo largo de la dirección z (sin confinamiento en el plano x – y ). Dado que la banda prohibida del material contenido es más baja que la de los AlGaAs circundantes, se crea un pozo cuántico (pozo potencial) en la región de GaAs. Este cambio en la energía de la banda a través de la estructura puede verse como el cambio en el potencial que sentiría un portador, por lo tanto, los portadores de baja energía pueden quedar atrapados en estos pozos. [7]
Dentro del pozo cuántico, hay estados propios de energía discretos que los portadores pueden tener. Por ejemplo, un electrón en la banda de conducción puede tener menor energía dentro del pozo que la que podría tener en la región AlGaAs de esta estructura. En consecuencia, un electrón en la banda de conducción con baja energía puede quedar atrapado dentro del pozo cuántico. De manera similar, los agujeros en la banda de valencia también pueden quedar atrapados en la parte superior de los pozos potenciales creados en la banda de valencia. Los estados en los que pueden estar los portadores confinados son estados similares a partículas en una caja . [5]
Física
Los pozos cuánticos y los dispositivos de pozos cuánticos son un subcampo de la física del estado sólido que todavía se estudia e investiga ampliamente en la actualidad. La teoría utilizada para describir tales sistemas utiliza resultados importantes de los campos de la física cuántica , la física estadística y la electrodinámica .
Modelo de pozo infinito
El modelo más simple de un sistema de pozos cuánticos es el modelo de pozo infinito. Se supone que las paredes / barreras del pozo potencial son infinitas en este modelo. Esta aproximación es poco realista, ya que los pozos de potencial creadas en pozos cuánticos son generalmente del orden de unos pocos cientos de mili- electronvoltios , que es mucho más pequeño que el infinitamente alto potencial asumió. Sin embargo, como primera aproximación, el modelo de pozos infinitos sirve como un modelo simple y útil que proporciona una idea de la física detrás de los pozos cuánticos. [5]
Considere un pozo cuántico infinito orientado en la dirección z , tal que los portadores en el pozo están confinados en la dirección z pero libres para moverse en el plano x – y . Elegimos el pozo cuántico para ejecutar a . Suponemos que los transportistas no experimentan ningún potencial dentro del pozo y que el potencial en la región de la barrera es infinitamente alto.
La ecuación de Schrodinger para portadores en el modelo de pozo infinito es:
dónde es la constante de Planck dividida por y es la masa efectiva de los portadores dentro de la región del pozo. La masa efectiva de un portador es la masa que el electrón "siente" en su entorno cuántico y generalmente difiere entre diferentes semiconductores ya que el valor de la masa efectiva depende en gran medida de la curvatura de la banda. Tenga en cuenta que puede ser la masa efectiva de electrones en un pozo en la banda de conducción o para los agujeros en un pozo en la banda de valencia.
Soluciones y niveles de energía
Las funciones de onda de solución no pueden existir en la región de barrera del pozo, debido al potencial infinitamente alto. Por lo tanto, al imponer las siguientes condiciones de contorno, se obtienen las funciones de onda permitidas,
- .
Las funciones de onda de solución toman la siguiente forma:
- .
El subíndice , () denota el número cuántico entero yes el vector de onda asociado con cada estado, dado arriba. Las energías discretas asociadas están dadas por:
- .
El modelo simple de pozos infinitos proporciona un buen punto de partida para analizar la física de los sistemas de pozos cuánticos y los efectos del confinamiento cuántico. El modelo predice correctamente que las energías en el pozo son inversamente proporcionales al cuadrado de la longitud del pozo. Esto significa que un control preciso sobre el ancho de las capas semiconductoras, es decir, la longitud del pozo, permitirá un control preciso de los niveles de energía permitidos para los portadores en los pozos. Esta es una propiedad increíblemente útil para la ingeniería de banda prohibida . Además, el modelo muestra que los niveles de energía son proporcionales a la inversa de la masa efectiva. En consecuencia, los pozos pesados y ligeros tendrán diferentes estados de energía cuando estén atrapados en el pozo. Los agujeros pesados y ligeros surgen cuando coinciden los máximos de bandas de valencia con diferente curvatura; resultando en dos masas efectivas diferentes. [5]
Un inconveniente del modelo de pozos infinitos es que predice muchos más estados de energía de los que existen, ya que las paredes de los pozos cuánticos reales son finitas. El modelo también ignora el hecho de que, en realidad, las funciones de onda no van a cero en el límite del pozo, sino que "sangran" en la pared (debido al túnel cuántico) y decaen exponencialmente a cero. Esta propiedad permite el diseño y producción de superredes y otros dispositivos de pozos cuánticos novedosos y se describe mejor mediante el modelo de pozos finitos.
Modelo de pozo finito
El modelo de pozos finitos proporciona un modelo más realista de pozos cuánticos. Aquí las paredes del pozo en la heteroestructura se modelan usando un potencial finito, que es la diferencia en las energías de la banda de conducción de los diferentes semiconductores. Dado que las paredes son finitas y los electrones pueden hacer un túnel en la región de la barrera. Por lo tanto, las funciones de onda permitidas atravesarán la pared de la barrera. [6]
Considere un pozo cuántico finito orientado en la dirección z , de manera que los portadores en el pozo están confinados en la dirección z pero libres para moverse en el plano x – y . Elegimos el pozo cuántico para ejecutar a . Suponemos que los transportistas no experimentan ningún potencial dentro del pozo y el potencial de en las regiones de barrera.
La ecuación de Schrodinger para los portadores dentro del pozo no cambia en comparación con el modelo de pozo infinito, excepto por las condiciones de contorno en las paredes, que ahora exigen que las funciones de onda y sus pendientes sean continuas en los límites.
Dentro de la región de la barrera, la ecuación de Schrodinger para portadores dice:
Dónde es la masa efectiva del portador en la región de barrera, que generalmente diferirá de su masa efectiva dentro del pocillo. [5]
Soluciones y niveles de energía
Usando las condiciones de contorno relevantes y la condición de que la función de onda debe ser continua en el borde del pozo, obtenemos soluciones para el vector de onda que satisfacen las siguientes ecuaciones trascendentales :
y
- ,
dónde es la constante de caída exponencial en la región de barrera, que es una medida de la rapidez con la que la función de onda decae a cero en la región de barrera. La energía cuantificada se encuentra dentro del pozo, que depende del vector de onda y del número cuántico () están dados por:
- .
La constante de desintegración exponencial es dado por:
Depende del estado propio de un transportista vinculado , la profundidad del pozo , y la masa efectiva del portador dentro de la región de barrera, .
Las soluciones a las ecuaciones trascendentales anteriores se pueden encontrar fácilmente utilizando métodos numéricos o gráficos. Por lo general, solo hay unas pocas soluciones. Sin embargo, siempre habrá al menos una solución, por lo que un estado limitado en el pozo, independientemente de lo pequeño que sea el potencial. Similar al pozo infinito, las funciones de onda en el pozo son de tipo sinusoidal pero decaen exponencialmente en la barrera del pozo. Esto tiene el efecto de reducir los estados de energía ligados del pozo cuántico en comparación con el pozo infinito. [5]
Superredes
Una superrejilla es una heteroestructura periódica hecha de materiales alternos con diferentes espacios de banda. El espesor de estas capas periódicas es generalmente del orden de unos pocos nanómetros. La estructura de bandas que resulta de tal configuración es una serie de períodos de pozos cuánticos. Es importante que estas barreras sean lo suficientemente delgadas como para que los transportistas puedan atravesar las regiones de barrera de los múltiples pozos. [2] Una propiedad definitoria de las superredes es que las barreras entre los pozos son lo suficientemente delgadas como para que se acoplen los pozos adyacentes. Las estructuras periódicas hechas de pozos cuánticos repetidos que tienen barreras que son demasiado gruesas para que las funciones de onda adyacentes se acoplen, se denominan estructuras de pozos cuánticos múltiples (MQW). [5]
Dado que los portadores pueden hacer un túnel a través de las regiones de barrera entre los pozos, las funciones de onda de los pozos vecinos se acoplan a través de la barrera delgada, por lo tanto, los estados electrónicos en las superredes forman minibandas deslocalizadas. [5] Las soluciones para los estados de energía permitidos en superredes es similar a la de los pozos cuánticos finitos con un cambio en las condiciones de contorno que surgen debido a la periodicidad de las estructuras. Dado que el potencial es periódico, el sistema se puede describir matemáticamente de una manera similar a una red cristalina unidimensional.
Aplicaciones
Debido a su naturaleza cuasi-bidimensional, los electrones en los pozos cuánticos tienen una densidad de estados en función de la energía que tiene distintos pasos, frente a una dependencia suave de la raíz cuadrada que se encuentra en los materiales a granel. Además, la masa efectiva de los huecos en la banda de valencia se cambia para coincidir más estrechamente con la de los electrones en la banda de valencia. Estos dos factores, junto con la cantidad reducida de material activo en los pozos cuánticos, conducen a un mejor rendimiento en dispositivos ópticos como los diodos láser. Como resultado, los pozos cuánticos se utilizan ampliamente en láseres de diodo , incluidos láseres rojos para DVD y punteros láser, láseres infrarrojos en transmisores de fibra óptica o láseres azules . También se utilizan para fabricar HEMT (transistores de alta movilidad de electrones), que se utilizan en electrónica de bajo ruido. Los fotodetectores infrarrojos de pozos cuánticos también se basan en pozos cuánticos y se utilizan para imágenes infrarrojas .
Dopando el propio pozo o, preferiblemente, la barrera de un pozo cuántico con impurezas donantes , se puede formar un gas electrónico bidimensional (2DEG). Tal estructura crea el canal conductor de un HEMT y tiene propiedades interesantes a baja temperatura. Una de esas características es el efecto Hall cuántico , observado en campos magnéticos elevados . Los dopantes aceptores también pueden conducir a un gas de agujero bidimensional (2DHG).
Absorbente saturable
Un pozo cuántico se puede fabricar como un absorbente saturable utilizando su propiedad de absorción saturable . Los absorbentes saturables se utilizan ampliamente en láseres de bloqueo de modo pasivo . Los absorbedores saturables de semiconductores (SESAM) se utilizaron para el bloqueo de modo láser ya en 1974, cuando se utilizó germanio de tipo p para bloquear el modo de un láser de CO 2 que generaba pulsos de ~ 500 ps. Los SESAM modernos son pozos cuánticos simples (SQW) semiconductores III-V o pozos cuánticos múltiples (MQW) cultivados en reflectores Bragg distribuidos por semiconductores (DBR). Inicialmente se usaron en un esquema de modelo de pulso resonante (RPM) como mecanismos de inicio para láseres de Ti: zafiro que empleaban KLM como un absorbente saturable rápido. RPM es otra técnica de bloqueo de modo de cavidad acoplada. A diferencia de los láseres APM que emplean no linealidad de fase de tipo Kerr no resonante para el acortamiento del pulso, las RPM emplean la no linealidad de amplitud proporcionada por los efectos de relleno de banda resonante de los semiconductores. Los SESAM pronto se desarrollaron en dispositivos absorbentes saturables dentro de la cavidad debido a la mayor simplicidad inherente a esta estructura. Desde entonces, el uso de SESAM ha permitido mejorar en varios órdenes de magnitud la duración de los pulsos, las potencias medias, las energías de los pulsos y las tasas de repetición de los láseres ultrarrápidos de estado sólido . Se obtuvo una potencia media de 60 W y una tasa de repetición de hasta 160 GHz. Mediante el uso de KLM asistido por SESAM, se lograron pulsos sub-6 fs directamente de un oscilador Ti: zafiro. Una ventaja importante que tienen los SESAM sobre otras técnicas de absorbentes saturables es que los parámetros de los absorbentes se pueden controlar fácilmente en una amplia gama de valores. Por ejemplo, la fluencia de saturación se puede controlar variando la reflectividad del reflector superior, mientras que la profundidad de modulación y el tiempo de recuperación se pueden adaptar cambiando las condiciones de crecimiento a baja temperatura para las capas absorbentes. Esta libertad de diseño ha ampliado aún más la aplicación de SESAM en el bloqueo de modo de láseres de fibra donde se necesita una profundidad de modulación relativamente alta para garantizar el autoencendido y la estabilidad de funcionamiento. Se demostraron con éxito láseres de fibra que funcionan a ~ 1 μm y 1,5 μm. [9]
Termoeléctricos
Los pozos cuánticos se han mostrado prometedores para la recolección de energía como dispositivos termoeléctricos . Se afirma que son más fáciles de fabricar y ofrecen la posibilidad de funcionar a temperatura ambiente. Los pozos conectan una cavidad central a dos depósitos electrónicos. La cavidad central se mantiene a una temperatura más caliente que los depósitos. Los pozos actúan como filtros que permiten el paso de electrones de determinadas energías. En general, las mayores diferencias de temperatura entre la cavidad y los depósitos aumentan el flujo de electrones y la potencia de salida. [10] [11]
Un dispositivo experimental entregó una potencia de salida de aproximadamente 0,18 W / cm 2 para una diferencia de temperatura de 1 K, casi el doble de la potencia de un recolector de energía de puntos cuánticos. Los grados de libertad adicionales permitieron corrientes más grandes. Su eficiencia es ligeramente menor que la de los recolectores de energía de puntos cuánticos. Los pozos cuánticos transmiten electrones de cualquier energía por encima de cierto nivel, mientras que los puntos cuánticos solo pasan electrones de una energía específica. [10]
Una posible aplicación es convertir el calor residual de los circuitos eléctricos, por ejemplo, en chips de computadora, de nuevo en electricidad, reduciendo la necesidad de refrigeración y energía para alimentar el chip. [10]
Células solares
Se han propuesto pozos cuánticos para aumentar la eficiencia de las células solares . La eficiencia máxima teórica de las células tradicionales de unión simple es de aproximadamente el 34%, debido en gran parte a su incapacidad para capturar muchas longitudes de onda de luz diferentes. Las células solares de múltiples uniones, que consisten en múltiples uniones pn de diferentes bandgaps conectados en serie, aumentan la eficiencia teórica al ampliar el rango de longitudes de onda absorbidas, pero su complejidad y costo de fabricación limitan su uso a aplicaciones específicas. Por otro lado, las células que consisten en una unión de clavija en la que la región intrínseca contiene uno o más pozos cuánticos, conducen a un aumento de la fotocorriente sobre la corriente oscura, lo que resulta en un aumento neto de la eficiencia sobre las células pn convencionales. [12] Los fotones de energía dentro de la profundidad del pozo se absorben en los pozos y generan pares de electrones y agujeros. En condiciones de temperatura ambiente, estos portadores fotogenerados tienen suficiente energía térmica para escapar del pozo más rápido que la tasa de recombinación . [13] Se pueden fabricar células solares de pozos cuánticos de unión múltiple elaboradas utilizando técnicas de deposición capa por capa, como la epitaxia de haz molecular o la deposición química de vapor. También se ha demostrado que las nanopartículas metálicas o dieléctricas agregadas por encima de la celda conducen a aumentos adicionales en la fotoabsorción al dispersar la luz incidente en las rutas de propagación lateral confinadas dentro de la capa intrínseca de múltiples pozos cuánticos. [14]
Células solares de unión única
Con las células solares fotovoltaicas de unión simple convencionales, la energía que genera es el producto de la fotocorriente y el voltaje a través del diodo. [15] Como los semiconductores solo absorben fotones con energías superiores a su banda prohibida, el material de banda prohibida más pequeña absorbe más del espectro radiativo del sol dando como resultado una corriente mayor. El voltaje de circuito abierto más alto que se puede lograr es la banda prohibida incorporada del material. [15] Debido a que la banda prohibida del semiconductor determina tanto la Corriente como el Voltaje, el diseño de una celda solar es siempre un compromiso entre maximizar la salida de corriente con una banda prohibida baja y la salida de voltaje con una banda prohibida alta. [16] Se determina que el límite teórico máximo de eficiencia para las células solares convencionales es solo del 31%, y los mejores dispositivos de silicio alcanzan un límite óptimo del 25%. [15]
Con la introducción de los pozos cuánticos (QW), el límite de eficiencia de los dispositivos de silicio QW deformados de unión simple ha aumentado al 28,3%. [15] El aumento se debe a la banda prohibida del material de barrera que determina el voltaje incorporado. Mientras que la banda prohibida de los QW es ahora lo que determina el límite de absorción. [15] Con sus experimentos sobre fotodiodos de unión de clavijas, el grupo de Barnham demostró que colocar QW en la región empobrecida aumenta la eficiencia de un dispositivo. [17] Los investigadores infieren que el aumento resultante indica que la generación de nuevos portadores y fotocorriente debido a la inclusión de energías más bajas en el espectro de absorción supera la caída en el voltaje terminal resultante de la recombinación de portadores atrapados en los pozos cuánticos. Otros estudios han podido concluir que el aumento de la fotocorriente está directamente relacionado con el corrimiento al rojo del espectro de absorción. [17]
Células solares de unión múltiple
Hoy en día, entre las células solares que no son QW, las células solares de unión múltiple III / V son las más eficientes, registrando una eficiencia máxima del 46% bajo altas concentraciones de luz solar. Las células solares de múltiples uniones se crean apilando múltiples uniones de pines de diferentes bandas prohibidas. [8] La eficiencia de la célula solar aumenta con la inclusión de más radiación solar en el espectro de absorción al introducir más QW de diferentes bandgaps. La relación directa entre la banda prohibida y la constante de celosía dificulta el avance de las células solares de unión múltiple. A medida que crecen juntos más pozos cuánticos (QW), el material crece con dislocaciones debido a las constantes de red variables. Las dislocaciones reducen la duración de la difusión y la vida útil del portador. [8] Por lo tanto, los QW brindan un enfoque alternativo a las células solares de unión múltiple con una mínima dislocación del cristal.
Energía bandgap
Los investigadores buscan utilizar QW para cultivar material de alta calidad con dislocaciones de cristal mínimas y aumentar la eficiencia de la absorción de luz y la recolección de portadores para obtener células solares QW de mayor eficiencia. La sintonización de banda prohibida ayuda a los investigadores a diseñar sus células solares. Podemos estimar la banda prohibida efectiva como la función de la energía banda prohibida del QW y el cambio en la energía banda prohibida debido a la deformación estérica: el efecto Stark de confinamiento cuántico (QCSE) y el efecto de tamaño cuántico (QSE). [8]
La tensión del material provoca dos efectos en la energía de la banda prohibida. Primero está el cambio en la energía relativa de la banda de conducción y valencia. Este cambio de energía se ve afectado por la tensión,, coeficientes de rigidez elástica, y y potencial de deformación hidrostática, . [8] [18]
En segundo lugar, debido a la tensión, hay una división de la degeneración de los agujeros pesados y los agujeros ligeros. En un material muy comprimido, los agujeros pesados ( hh ) se mueven a un estado de mayor energía. En material de tracción, los orificios de luz ( lh ) se mueven a un estado de mayor energía. [8] [19] Se puede calcular la diferencia de energía debida a la división de hh y lh del potencial de deformación cortante,, presion, , y coeficientes de rigidez elástica, y . [19]
El efecto Stark de confinamiento cuántico induce un cambio dependiente del espesor del pozo en la banda prohibida. Si es la carga elemental; y son el ancho efectivo de los QW en la banda de conducción y de valencia, respectivamente; es el campo eléctrico inducido debido a la polarización piezoeléctrica y espontánea; yes la constante de Planck reducida, entonces el cambio de energía es: [8]
El efecto de tamaño cuántico (QSE) es la discretización de la energía que sufre un portador de carga debido al confinamiento cuando su radio de Bohr es mayor que el tamaño del pozo. A medida que aumenta el espesor del pozo cuántico, los QSE disminuyen. La disminución de QSE hace que laestado para moverse hacia abajo y disminuir la banda prohibida efectiva. [8] El modelo de Kronig-Penney se utiliza para calcular los estados cuánticos, [20] y la regla de Anderson se aplica para estimar las compensaciones de la banda de conducción y de la banda de valencia en energía. [21]
Captura y vida útil del operador
Con el uso efectivo de portadores en los QW, los investigadores pueden aumentar la eficiencia de las células solares de pozos cuánticos (QWSC). Dentro de los QW en la región intrínseca de las células solares de clavija, los portadores generados ópticamente son recolectados por el campo incorporado o se pierden debido a la recombinación de portadores. [8] La recombinación de portadores es el proceso en el que un hueco y un electrón se recombinan para cancelar sus cargas. Los portadores pueden recogerse a través de la deriva por el campo eléctrico. Se pueden utilizar pozos delgados y transportadores mediante emisión termoiónica o utilizar barreras delgadas y transportadores mediante túneles.
La vida útil del portador para el escape está determinada por la vida útil de los túneles y las emisiones termoiónicas. La vida útil de los túneles y de las emisiones termoiónicas depende de tener una altura de barrera efectiva baja. Se expresan mediante las siguientes ecuaciones: [8] [22]
- ,
dónde y son masas efectivas de portadores de carga en la barrera y bien, es la altura efectiva de la barrera, y es el campo eléctrico.
Entonces se puede calcular la vida útil de escape de la siguiente manera: [8] [22]
La probabilidad total de que los portadores minoritarios escapen de los QW es una suma de la probabilidad de cada pozo,
- . [22]
Aquí, , [22] donde es el tiempo de vida de la recombinación, y es el número total de QW en la región intrínseca.
Para , existe una alta probabilidad de que se recuerde el portador. Las suposiciones hechas en este método de modelado son que cada portador cruzaQW, mientras que, en realidad, cruzan diferentes números de QW y que la captura de un portador está al 100%, lo que puede no ser cierto en condiciones de alto nivel de dopaje. [8]
Por ejemplo, tomando In 0.18 Ga 0.82 As (125) / GaAs 0,36 P 0,64 (40) en consideración, la vida útil de los túneles y las emisiones termoiónicas es de 0,89 y 1,84, respectivamente. Incluso si se supone un tiempo de recombinación de 50 ns, la probabilidad de escape de un solo pozo cuántico y 100 pozos cuánticos es 0,984 y 0,1686, lo que no es suficiente para una captura de portadores eficiente. [8] Reducir el espesor de la barrera a 20 ångstroms reducea 4,1276 ps, lo que aumenta la probabilidad de escape en 100 QW a 0,9918. Indicando que el uso de barreras delgadas es esencial para una recolección de portadores más eficiente. [8]
Sostenibilidad de los dispositivos de pozos cuánticos en comparación con el material a granel a la luz del rendimiento
En el rango de 1,1-1,3 eV, Sayed et al. [8] compara la eficiencia cuántica externa (EQE) de una subcélula a granel de InGaAs metamórfica en sustratos de Ge de Spectrolab [23] con un período de 100 In 0.30 Ga 0.70 As (3.5 nm) / GaAs (2.7 nm) / GaAs 0.60 P 0.40 (3,0 nm) QWSC de Fuji et al. [24] El material a granel muestra valores de EQE más altos que los de los QW en la región de 880-900 nm, mientras que los QW tienen valores de EQE más altos en el rango de 400-600 nm. [8] Este resultado proporciona alguna evidencia de que existe una lucha para extender los umbrales de absorción de los QW a longitudes de onda más largas debido al balance de tensión y problemas de transporte de portadora. Sin embargo, el material a granel tiene más deformaciones, lo que conduce a una menor vida útil de los portadores minoritarios. [8]
En el rango de 1.6-1.8, los AlGaAs emparejados en celosía de Heckelman et al. [25] e InGaAsP de Jain et al. [26] son comparados por Sayed [8] con la estructura de celosía InGaAsP / InGaP QW de Sayed et al. [27] Al igual que el rango 1,1-1,3eV, el EQE del material a granel es mayor en la región de longitud de onda más larga del espectro, pero los QW son ventajosos en el sentido de que absorben una región más amplia en el espectro. Además, se pueden cultivar a temperaturas más bajas evitando la degradación térmica. [8]
La aplicación de pozos cuánticos en muchos dispositivos es una solución viable para aumentar la eficiencia energética de dichos dispositivos. Con los láseres, la mejora ya ha dado lugar a resultados significativos como el LED. Con los QWSC, la recolección de energía del sol se convierte en un método más potente de cultivar energía al poder absorber más radiación del sol y al poder capturar dicha energía de los portadores de carga de manera más eficiente. Una opción viable como los QWSC ofrece al público la oportunidad de alejarse de los métodos que inducen gases de efecto invernadero a una alternativa más ecológica, la energía solar.
Ver también
- Partícula en una caja
- Alambre cuántico , portadores confinados en dos dimensiones.
- Punto cuántico , portadores confinados en las tres dimensiones.
- Láser de pozo cuántico
- Catadióptrico modulante
Referencias
- ^ "Detectores de fotones infrarrojos de pozo cuántico | IRnova" . www.ir-nova.se . Consultado el 4 de septiembre de 2018 .
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Otras lecturas
- Thomas Engel, Philip Reid Química cuántica y espectroscopia.ISBN 0-8053-3843-8 . Pearson Education, 2006. Páginas 73–75.