【毕业学位论文】（Word原稿）半导体异质界面所形成的二维电子系统（2DES），在低温下的磁传输特性

1 摘要 ： 我们主要研究半导体异质界面所形成的二维电子系统（ 2在低温下的磁传输特性。实验是利用在二维电子系统的两侧制作梳状电极（ 自一端发射高频表面声波（ 入异质界面，另一端接收讯号，可以很方便的观察 2 内容： 所有实验是在低温（ 强磁场 (13 环境中进行，区分为低频与高频量测两个部份： 1. 低频部份：给予一个电流源，测量顺向偏压和霍尔偏 压随磁场的变化。如图 1，是为对照组实验。 2. 高频部份：在 为表面声波的发射与接收端，在两 讯号自发射端注入，表面声波在 2传输因磁场改变而有所变化，最后在接收端量测到讯号穿过变化的结果，如图 2。 图 1 低频霍尔测量 图 2 高频表面声波测量 这里提到的表面声波元件，是在压电材料（例如： 利 2 用半导体的标准制程制作两个梳状电极（ 在一端施加电压使其表面上产生即时应变，形成一种在固体表面传递的弹性表面波（ 另一端在波传递的路径上由应变转变为电讯号，成为接收端。这种元件对于测些微的介质阻抗变化非常敏锐，会在讯号的速度（波长固度，可视为频率变化）和强度衰减上反应出来。 为了要精确地测量速度（频率）和衰减产生变化，我们所使用的方法是利用脉冲调变的锁相回路（ 功率侦检器（ 详细的量测方法将在下节说明。 实验方法 1. 我们利用一个 10K100度 s）调变微波讯号产生器 (A)产生的高频讯号（ 3输 入发射端的 F)；表面波行经样品传递到接收端 间延迟约 1s。 2. 整个实验是在低温下（ 作，为了避免讯号输入对温度的影响，我们在调变讯号输出到低温系统前加入衰减器衰减讯号输入，并在讯号离开低温系统后配置放大器 (G)将讯号还原。 3. 讯号再进入功率均分器（ (S)将讯号等分为两个路径：一个路径进入功率侦测器 ( 量功率的变化；另一个路径再进入混频器（ (M)回到 4. 不同于其他实 验室利用积分器将讯号多次平均而取得较好的讯号。我们都是直接将讯号再输入 两种方法在于后者的反应时间很短，可以将变化量即时且完整的反应出来。 3 实验的基本设置如下图： F to of 分器 (I) (C) (M) (D) (E) (P) (G) (H) (A) (色 :低频讯号 橙色 :高频讯号 (B) Z Z (F) (F) (S) (J) 4 在这里我们特别说明讯号在锁相回路（ 利用 A. 锁相回路介绍 (一种回授系统，在环路中利用回授信号，将输出端的信号频率及相位，锁定在输入端参考讯号的频率及相位上，对于滤波，频率调变及 解调等方面是一种快速有效的方法。实验使用的是 琐相回路，示意图如下： 这个回路主要包含：相位检知器（ 低通率波器（ 放大器（ 及电压控制振荡器（ 个部分。 基本功能是将 输出，锁定在参考讯号频率上，因而二讯号将可有相同的频率。由于二信号的频率恰为相同，可使二者之间的相角，保持一定值，是为相位锁定 (当回路开始运作时， 于当时的回路尚未锁定，这一频率可能与参考频率不同， 到与外来之参考频率相等，这一过程称为相锁取得，当相锁一旦取得后，回路即可一直保持锁定。在 有任何频率改变的倾向时，将会使控制电压改变，使回路回到锁定状态。 1 5 讯号在 分为两个部分： (1) 讯号经过 )后的讯号在经过 M)将讯号与原始讯号作比较，藉以了解相位差为多少。 F A)的频率使相位差为零，形成 频率的改变即可推出 递速度的变化 （ v/频率的变化（ f / 速度变化和频率变化的关系可以写成 2f (112 ， (1) 且 )( ， 其中 为两个 1 为 2，M 200 为 中心频率， 品的导电度，s/4900 为 传递速度， 1 2 分别为样品和介电常数，及 2k 代表 .K 42 为 机电藕合常数。 (2) 讯号强度（ 小由 H)直接 读取。 衰减系数（ ） 可 由下列关系式表示： 2212 )/(/f 。 (2) 其中 2k 代表 6 实验数据与分析 0 2 4 6 8 10 1210x 1 0x 1 0-4 T e s l a )图 2在低温（ 磁场 ( 13 导电度变化。 0 2 4 6 8 10 1205001000150020002500 ( 1/ m )B ( T e s l a)图 3 衰减常数 （ ） 在低温（ 磁场 ( 13 变化 。 7 图 2为 2 强磁 场 (13 低频测量换算成导电度结果。实验我们可以量得 换算成二维导电度随磁场的变化值为 22 。 这样的结果再代回式 (2)可以得到 如图 3。而整个 变化的 灵敏度 会在达到最大值，愈大 而 减小得到如图 4的结果。 1 E - 3 0 . 0 1 0 . 1 1 10 100 1000M v / 衰 减常数 （ ）、波速变化 (v/应导电率 的关系图 。 在高磁场下， 2 现出 dH 。当蓝道能阶 i (i=1,2,3,.) 时，我们可以看到 中的 品的电子密度。在此同时霍尔电阻 xy=h/(因此 度振荡。 图 5(a)(b)为高频表面声波在 2f / 化与讯号强度（ 变化。黑色实线是利用低频测量所得到的 式 (1)与式 (2)计算所得到的结果；红色实线则是系统直接测量 0 2 4 6 8 10蔼 繵 d a t 酚舱 f / T e s l a )- 0 . 0 0 10 . 0 0 00 . 0 0 10 . 0 0 20 . 0 0 30 . 0 0 40 . 0 0 50 . 0 0 60 . 0 0 70 2 4 6 8 10 T e s l a )蔼 繵 d a t 酚舱0 . 2 d B (a)(b)为高频表面声波在 2f / 化与讯号强度（ 变化。 (a) (b) 9 我 们可以发现到 是因为 高磁场或低的时 (如图六 ， 会劈列为 2个 图六 ，这种情形在（ f / 和 种劈裂是一种 发生在当 于 切它的 M 2次，因此就会产生两个 (B)的最大值，或者是两个穿透 0L),，其中的 0 2 4 6 8 10 T e s l a )S A W I n t e n s i t y 10 0 2 4 6 8 10 12瓜 0 5 d B m f / f 0B ( T e s l a ) f / f 0S A W I n t e n s i t 90M 100M 110M 120M 130M 140M 150r e q u e n c yL i N b 瓜 11 90M 100M 110M 120M 130M 1