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- Originaltitel:
- Zyklotronresonanzexperimente bei Ferninfarotfrequenzen an Raumladungsschichten von Silizium
- Übersetzter Titel:
- Cyclotron resonance experiments at far-infra-red frequencies by space charge layers of silicon
- Autor:
- Abstreiter, Gerhard
- Informationen zum Autor:
- Prof. Dr. Gerhard Abstreiter, Ordinarius für Experimentelle Halbleiterphysik I an der TU München, erhielt mehrere Preise (u. a. Leibnizpreis 1987, Max-Born-Preis 1998, Schellingpreis 2006) und ist seit 2007 ordentliches Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.
- Homepage des Autors:
- http://www.wsi.tum.de/E24/members/abstreiter/
- Jahr:
- 1975
- Dokumenttyp:
- Dissertation
- Fakultät/School:
- Fakultät für Physik
- Betreuer:
- Koch, Frederick J. (Prof. Dr.)
- Gutachter:
- Menzel, Dietrich (Prof. Dr. Dr. h.c.)
- Format:
- Text
- Sprache:
- de
- Fachgebiet:
- PHY Physik
- Stichworte:
- Zyklotronresonanz, Landauniveau, Halbleiter, zweidimensionale Elektronensysteme
- Übersetzte Stichworte:
- cyclotron resonance, Landau level, semi-conductor, two-dimensional electron systems
- Kurzfassung:
- Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, Zyklotronresonanzexperimente in Raumladungsschichten an Siliziumoberflächen durchzuführen. Zur Erzeugung dieser Raumladungsschichten werden Ladungsträger im Halbleiter durch ein starkes elektrisches Feld senkrecht zur Oberfläche an die Oberfläche gebunden. Die Ladungsträger sind dann parallel zur Oberfläche frei beweglich. Das System ist dadurch zweidimensional. Durch zusätzliches Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zur Oberfläche kann man auch die parallele Bewegung quantisieren (Landauniveaus). Das Elektronengas wird dadurch vollständig quantisiert.
Das besondere Interesse an der Messung von Übergängen zwischen diesen Landauniveaus (Zyklotronresonanz) liegt darin, dass dadurch direkte Aussagen über die effektive Masse mc* und die Streuzeit τ der Ladungsträger gewonnen werden. Die Messungen können in Abhängigkeit von der Ladungsdichte durchgeführt werden, da sich proportional mit der Variation des elektrischen Feldes auch die Zahl der Ladungsträger ändert. Im Verlauf der Arbeit haben sich jedoch eine Reihe neuer Gesichtspunkte ergeben, durch die ein besseres Verständnis dieser Systeme erreicht werden konnte. Ein Großteil dieser Messungen wurde an Inversionselektronen an der (100) Oberfläche von Silizium durchgeführt, da hierfür die Beweglichkeiten am besten und damit die Streuzeiten am längsten sind. Mit anderen Siliziumoberflächen konnten erste Ergebnisse erzielt werden.
Besonderer Wert wird auf die Zweidimensionalität des Elektronengases und deren Auswirkung auf die dynamische Leitfähigkeit gelegt. Die Messung der Zyklotronresonanz in einem gegen die Oberfläche verkippten Magnetfeld zeigt eindeutig, dass dieses System einen zweidimensionalen Charakter besitzt, selbst bei sehr schwacher Inversion. Durch die Zweidimensionalität und die damit verbundene vollständige Quantisierung ist die klassische Beschreibung einer Halbleiterzyklotronresonanzlinie nicht auf die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen anwendbar. Vielmehr zeigt sich, dass innerhalb der Zyklotronresonanzlinie von der Zahl der Ladungsträger abhängige Oszillationen auftreten und dass die Linie durch eine Verbreiterung auf der Hochfeldseite asymmetrisch wird. Dieses Verhalten ist charakteristisch für die Zweidimensionalität und kann mit einer Theorie erklärt werden, die kürzlich von Ando ausgearbeitet wurde. Die Linienbreite in Abhängigkeit von der Elektronenzahl zeigt ein probenabhängiges Minimum, d. h. die Lebensdauer der Elektronen variiert mit dem angelegten elektronischen Feld. Dies ist in quantitativer Übereinstimmung mit Beweglichkeitsmessungen. Überraschend ist das Auftreten von subharmonischer Struktur bei hohen Elektronendichten. Mögliche Erklärungen werden diskutiert. Die Resonanzposition ist ebenfalls von der Ladungsdichte abhängig. In allen Proben ergibt sich ein Anstieg der Resonanzfeldstärke mit abnehmender Elektronendichte (< 1012 Elektronen/cm2). In einigen Proben zeigt sich jedoch bei sehr kleinen Elektronendichten ein starker Abfall der Resonanzposition. Modelle und Theorien zur Erklärung dieser Phänomene werden diskutiert. Außerdem werden Vergleiche zwischen Oberflächenelektronen und Volumenelektronen durchgeführt und erste Ergebnisse von Raumladungsschichten an anderen Siliziumoberflächen gezeigt. - Übersetzte Kurzfassung:
- Within this work it succeeded for the first time to conduct cyclotron resonance experiments in space charge layers at silicon surfaces. For the generation of these space charge layers charge carriers in the semi-conductor are bound to the surface by a strong electric field perpendicular to the surface. The charge carriers are then free moveable parallel to the surface. The system is thus two-dimensional. The parallel movement can be quantized by additional application of a magnetic field perpendicular to the surface (Landau levels). The electron gas is thereby completely quantized.
The specific interest in the measurement of the transitions between these Landau levels (cyclotron resonance) lies in the achievement of direct conclusions regarding the effective mass mc* and the scattering time τ of the charge carriers. The measurements can be carried out depending on the charge carrier density, because the number of charge carriers changes proportional with the variation of the electric field. However, during the process of this work a number of new aspects arised that made it possible to achieve a better understanding of these systems. A major part of these measurements was carried out at inversion-electrons on the (100) surface of silicon, as the mobilities are best for this surface and thus the scattering times are longest. First results could be achieved with other silicon surfaces.
A particular emphasis is placed on the two-dimensionality of the electron gas and the impact of the two-dimensionality on the dynamic conductivity. The measurement of the cyclotron resonance in a magnetic field, which is tilted against the surface, shows clearly, that this system exhibits a two-dimensional character, even when the inversion is quite weak. The classic description of a semi-conductor cyclotron resonance lineshape can not be applied to the measurements conducted in this work, because of the two-dimensionality and the thus associated complete quantization. On the contrary it appears, that oscillations, which are depending on the number of the charge carriers, appear within the cyclotron resonance line and that the line becomes asymmetrically due to the broadening on the high field side. This behaviour is characteristic for the two-dimensionality and can be explained by a theory recently developed by Ando. The width of the line versus the number of electrons shows a sample-dependent minimum, i.e. the lifetime of the electrons varies with the applied electric field. This occurs in qualitative agreement with mobility measurements. The appearance of subharmonic structure at high electron density is surprising. Possible explanations are discussed. The resonance position is also depending on the charge carrier density. Within all samples arises an increase of the strength of the resonance field when the electron density (< 1012 electrons/cm2) decreases. However, in some samples a strong decrease of the resonance position occurs when the electron densities are very low. Models and theories of these phenomenons are discussed. Besides, comparisons between surface electrons and volume electrons are carried out and first results of space charge carriers at other silicon surfaces are shown. - Veröffentlichung:
- Alumni & Career Service
- WWW:
- https://mediatum.ub.tum.de/?id=627440
- Hinweis:
- Die Retrodigitalisierung konnte dank Spenden von Alumni der TU München finanziert werden.
- Eingereicht am:
- 25.02.1975
- Mündliche Prüfung:
- 06.05.1975
- Seiten:
- 166
- BVB-ID:
- BV002012550
- Letzte Änderung:
- 29.02.2008
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