半导体材料导论3-2解读.ppt

二维电子气或二维空穴气：如在第二章中所述，量子化是指其能量的变化不是连续的，而是沿具有一定分立值的能级变化，图3.10示出了一些能级。这些能级取决于阱宽(d)、阱深(ΔEc、ΔEv)、电子的有效质量等。载流子在量子阱的运动，因在两维自由、一维受约束，称为二维电子气或二维空穴气。 超晶格：量子阱可分为单量子阱与多量子阱，后者为单量子阱的周期性多次重复。在多量子阱中，如果B层的厚度也减小，使每一个单层的厚度达到1~10nm ，这时就小于电子的平均自由程，那么相邻之间的电子波函数能够相互耦合，而不是相互孤立的，这种多势垒结构在垂直方向（z轴）以量子效应为主，这种结构称为超晶格，因为这是在晶体的晶格点阵势场外，加一个周期更长的势场。 Ec2 Ec1 Ev2 E2e E1e E3e Ev1 E1lh E3hh E2hh E1hh E2lh d Ga1-xAlxAs / GaAs / Ga1-xAlxAs 图3.10Ga1-xAlxAs/GaAs量子阱能带图 z x y 超晶格种类：每种材料层的厚度通常为晶格常数的2~20倍。而周期数可以作到几十、几百甚至上千层。如果周期较多，由于电子波函数的耦合，使原来的各单量子阱的能级展宽成能带。 超晶格材料可分为组分超晶格、掺杂超晶格、复型超晶格、应变层超晶格、短周期超晶格、非晶超晶格等。 考虑到异质结界面处能带的不连续性有不同情况，组分超晶格又分为I型、II型、III型。上述的GaAs--GaAlAs为I型超晶格。现在研制出的超晶格材料已有几十种。 Ec2 Ec1 Ev2 E2e E1e E3e Ev1 E1lh E3hh E2hh E1hh E2lh d Ga1-xAlxAs/GaAs/Ga1-xAlxAs 图3.10Ga1-xAlxAs /GaAs量子阱能带图 低维结构：上面所说的都是载流子的运动在一维空间受到限制、而在两维可自由运动的情况。用同样的原理，可以使载流子在两维受到限制、在一维自由运动，称之为量子线。也可使载流子的运动在三维方向均受到限制（零维），称为量子盒或称量子点。零维、一维、二维材料统称为低维材料。 二维电子气的高迁移率已用于制出实用化的高电子迁移率晶体管（HEMT）等微波器件。量子阱超晶格已用作激光器、光电二极管、光学双稳态器件等。 量子阱超晶格是一种人工结构的新材料。可以按器件需要“设计”材料的能带结构，所以这类材料的制备与应用称为“能带工程”。能带工程是新一代的半导体技术，这种技术使材料的制备技术达到原子级的精度，又使半导体的光学、电学特性可“剪裁”。这种材料孕育着巨大的潜力。 远在1821 年，德国人塞贝克（Seebeck）发现在锑与铜相接触所形成的回路中，如果一个接触点与另一个接触点的温度不同，就会产生电动势，此即塞贝克效应。 T T+DT DV Seebeck系数a常用的单位是?V?K–1，可正可负，取决于构成回路的两种导体的温差电特性。 3.6 热电效应 ? Seebeck Effect (1823) 热电效应:是由温差引起的电效应（塞贝克效应）和由电流引起的可逆热效应（帕尔贴效应）的总称，因此也称之为温差电效应。 相应的材料称之为热电或 温差电材料。 ? Peltier Effect (1834) Peltier 效应 （当电流方向从p型半导体流入n型半导体时，接头处温度升高并放热，反之，接头处温度降低并从外界吸收热量。） + - I 到了1834年，法国人帕尔帖（Peltier）发现当电流通过两种金属的接点时，往一个方向使触点放热，换成相反方向，则使触点吸热，此现象称为波尔帖效应。 英国科学家W.Thomson于1855年从热力学上分析了上述两种效应的关系；并提出：当存在着温度梯度的均匀导体中有电流通过时，导体中除产生与导体电阻相当的焦耳热之外，还要吸收或放出热量，如图1.3所示；这一效应称为汤姆逊效应，这种热量称为汤姆逊热量。在单位时间、单位体积内吸收或放出的汤姆逊热量dH/dt与电流密度J及温度梯度dT/dx成正比的。如电流由低温(T)端流向高温(T+dT)端，则 （3）汤姆逊效应[4] 图1.3 式中 ---简写为β，称为导体a的汤姆逊系数，单位为V/K，其数值与材料的性质和温度有关。该效应也是可逆的；如电流是由高温端流向低温端，对于为正值的导体为放热，如值为负，则为吸热。因为汤姆逊热量非常小，所以这种效应还没有实际的应用。 在很长一段时间里，这两方面的研究都集中在金属材料方面，所取得的应用主要是作测温的热电偶。 曾想利用塞贝克效应进行发电，但试验证明，利用金属材料所得的热电转换效率很低，最高不超过0.6% 。 当对半导体材料进行研究时发现，它的热电转换效率可达3.5%以上。 V ice water T heating coils