Effet d'un champ électrique sur les excitons chargés dans les semi-conducteurs massifs et bidimensionnels

par Abdellatif El Hassani

Thèse de doctorat en Physique du solide

Sous la direction de Francis Dujardin.

Soutenue en 1997

à Metz .


  • Résumé

    Les excitons chargés résultent de la liaison d'un exciton (paire électron-trou liée) avec un électron X- (e,e,h), ou avec un trou X2+ (e,h,h). Dans ce travail, nous avons étudié l'état fondamental des excitons chargés dans les semi-conducteurs massifs (3D) et bidimensionnels (2D) en présence d'un champ électrique uniforme faible. Dans le cadre de l'approximation de la masse effective et en utilisant un modèle simple à deux bandes non dégénérées, la séparation des mouvements du centre de masse et relatif reste encore possible en présence du champ électrique. L’introduction des conditions aux limites du cristal induit une quantification de l'énergie du mouvement du centre de masse. Des niveaux discrets apparaissent alors, similaires aux niveaux de « Wannier-Stark » connus dans le cas d'un électron dans un solide. L’état fondamental du complexe X- est déterminé en utilisant la méthode variationnelle. Nous mettons en évidence une valeur de champ critique au-delà de laquelle la méthode variationnelle n'est plus adaptée. Dans le cas limite où [sigma], le rapport des masses effectives électron/trou tend vers zéro, nos résultats sont en bon accord avec ceux obtenus pour l’ion H- en physique atomique. Dans les semi-conducteurs massifs, nous avons étudié la stabilité de l'exciton chargé X-. Il s'avère que l'énergie de liaison augmente légèrement avec le champ. En comparaison avec des résultats antérieurs obtenus en perturbation (Katih, 1993), nous trouvons un bon accord dans le cas de champs très faibles, par ailleurs, notre méthode permet d’atteindre des champs plus grands. Dans le cas d'un semi-conducteur bidimensionnel, les énergies de liaison de X- et X 2+ augmentent aussi légèrement avec le champ et en plus le champ critique est plus élevé qu'en 3D. Pour toute valeur de o, le rapport des énergies de liaison W2D/W3D du trion chargé négativement diminue lorsque le champ augmente, l'effet relatif du confinement tend alors à disparaître

  • Titre traduit

    Electric field effect on charged excitons in bulk and bidimensional semiconductors


  • Résumé

    The charged excitons result from the binding between an exciton (bound electron-hole pair) and a free electron X- (e,e,h), or a free hole X2+ (e,h,h). We have studied the ground staate of the charged excitons in bulk and bidimenstional semiconductors in the presence of a weak and uniform electric field. In the frame of effective mass approximation, using a simple two bands model, the separation between the center of mass motion and the relative motion stands in the presence of the electric field. The introduction of conditions in the limits of the crystal induces then a quantization of the energy of the center of mass motion. Discrete levels appear then, similar to the "Wannier-Stark" levels, known in the case of an electron in solid. The variational method has been used to solve the Schrödinger equation of the charged exciton in the presence of an electric field. Our results have been compared to H- ion which corresponds to the limit case of X-, when the mass ration [sigma] electron/holes goes to zero. We have studied the stability of the charged exciton X- (3D). Our results show that the electric field enhances the binding energy W. In the case of the bidimensional semiconductor, the binding energies for both types of complexes X- and X2+, increases too. It is shown that charged excitons bound states can exist in 2D semiconductors for larger values of the field than in the 3d case. It is also found that the ration W2D/W3D decreases at increasing fields for all values of the mass ration, the confinement effect becomes then less sensitive

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Informations

  • Détails : 1 vol. (154 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 151-154

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