PERIODO: OTTOBRE - NOVEMBRE 2015



[English] The course aims at providing interesting insights on how modern semiconductor nanodevices work, and to help students to read critically scientific articles devoted to this topic. If the course works, we’ll end up being able to use a rather sophisticated approach to model optoelectronic devices beyond the semiclassical limit. The numerical simulation of optoelectronic nanodevices is often based on “quantum corrected” semiclassical models treating separately carrier transport mechanims and optical phenomena. The first aim of the course is to present a genuine quantum formalism based on non-equilibrium Green’s functions to adress both aspects self-consistently, with focus on visible LEDs. In the second part of the course, the self-consistent coupling of carrier transport and classical electromagnetic fields will be addressed in the case of far-infrared photodetectors.

[Italiano] La simulazione numerica dei nanodispositivi optoelettronici moderni si basa spesso su modelli semiclassici con correzioni quantistiche che descrivono separatamente trasporto di carica e fenomeni ottici. Il primo obiettivo del corso è la presentazione di un metodo rigoroso basato sulle funzioni di Green fuori equilibrio per descrivere in modo autoconsistente entrambi gli aspetti oltre il limite semiclassico, con particolare attenzione ai LED nella banda del visibile. Il secondo obiettivo riguarda lo studio dell’accoppiamento tra propagazione elettromagnetica e trasporto di carica nel caso di fotorilevatori nella regione spettrale dell’infrarosso.

[English] The modeling of state-of-the-art optoelectronic devices requires a self-consistent description of optical transitions and carrier transport mechanims. Based on a quantum field theoretical approach to statistical mechanics, the non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism is probably the most powerful among quantum-kinetic theories treating on equal footing both quantum optics and carrier transport. In this course we try to achieve three goals: (1) explain the central concepts that define the “language” of quantum transport (system partitioning, self-energy representation of interactions, and the self-consistent solution procedure), (2) illustrate the NEGF formalism with examples (visible light emitters and photodetectors) to be implemented in Matlab, and (3) discuss the interplay between carrier transport and photon propagation. Please don’t let any potential abstract-looking book delude you into thinking that NEGF is a very complex theory with no practical applications. Starting from an introduction to second quantization and equipped wth Feyman diagrams to orient ourselves in the many-body realm, we will try to explain NEGF theory by tecnologically relevant examples.

La simulazione numerica di dispositivi optoelettronici richiede una descrizione unificata di transizioni ottiche e meccanismi di trasporto di carica oltre i limite semiclassico. Tra i metodi che trattano entrambi questi due aspetti in modo rigoroso, il formalismo delle funzioni di Green fuori equilibrio basato sulla teoria quantistica dei campi e probabilmente il più elegante e versatile. Gli obiettivi del corso sono (1) spiegare i concetti chiave che definiscono il “linguaggio” del trasporto di carica quantistico (la rappresentazione delle interazioni tra portatori di carica, fononi e fotoni in termini di self-energia, le condizioni al contorno del sistema aperto, e la soluzioni autoconsistente delle equazioni di Dyson e Keldish), (2) illustrare il formalismo NEGF con esempi applicativi (sorgenti LED nella regione spettrale del visibile/ultravioletto e fotorilevatori nell’infrarosso) da implementare in Matlab, e (3) discutere l’accoppiamento tra il trasporto di carica e la propagazione dei fotoni. Non fatevi ingannare dall’apparente natura astratta dei libri di testo che affrontano la teoria NEGF. Partendo da un’introduzione sulla seconda quantizzazione e attrezzati con diagrammi di Feyman per orientarci nella fisica dei sistemi a molti corpi, cercheremo di spiegare il metodo NEGF mediante esempi tecnologicamente rilevanti nel campo dell’optoelettronica.