半导体量子阱和超晶格.pptVIP

**理想异质结(1)突变反型异质结能带图特征：自建电场不连续，能带突变，尖峰与凹口电子和空穴势垒高度不同，不等于能带总弯曲量qVd=W1－W2关于“能带总弯曲量就是真空电子能级的弯曲量”改为“能带总弯曲量仍等于二者功函数之差”**突变同型异质结同型异质结在窄禁带一边形成多子积累，而另一边多子耗尽.注意积累层和耗尽层的能带弯曲方向不同。**举例：计算由同为金刚石型结构的两块半导体构成的异质结的悬挂键密度，其界面为(111)晶面。(111)晶面为正三角形，面积是(√3a2)/2，a为晶格常数。包含在这个面中的键数为2，所以晶面(111)的键密度是4/(√3a2)。**对晶格常数分别为a1和a2（a1＜a2)的两块半导体形成的异质结，其悬挂键密度对(111)面为同理，对(110)晶面为对(100)晶面为**与前面两章讨论的情况相似，当金刚石结构晶体的表面态密度达到1×1013m-2以上时，整个系统的费米能级即被“钉扎”在位于EV之上约1/3禁带宽度的表面费米能级处。于是，对于n型半导体，悬挂键起受主作用，表面附近能带向上弯曲；对于p型半导体，悬挂键起施主作用，表面附近能带向下弯曲。**高密度界面态使异质结界面两侧的能带情况发生变化**§6.3半导体量子阱和超晶格(一)基本概念量子阱和超晶格都是利用禁带宽度不同的两种材料对电子的运动形成低维约束，以使其能量状态产生新的量子化。半导体超晶格的概念是IBM的日裔科学家江崎和华裔科学家朱兆祥为了开发新的负阻器件于1968年提出，并于1970年首先用砷化镓实现的。他们认为，如果用两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料A和B，以薄层的形式周期性地交替生长在一起，则其中的电子沿薄层生长方z的连续能带将会分裂为一系列子能带。**d1d2d1d2d=d1＋d2，超晶格周期构成材料在z方向上由(±n?/a)决定的布里渊区被分裂为若干个小布里渊区，其E(k)曲线将在小布里渊区的边界处间断。同时能带分裂成若干子能带。称此现象为布里渊区的折叠。若d=Na，则折叠数即为N**由连续能带分裂而成的第n个子能带的E(k)关系k是电子沿z方向的波矢，限制在布里渊区（-?/d，?/d）中；d是超晶格的重复周期（超晶格常数）；2tn是子能带的宽度。在电场的作用下，子能带中的电子作定向运动，并在两次散射之间从电场获取并积累能量。如果电子在两次散射之间的自由时间足够长，就有可能依靠积累的能量到达该子能带所属小布里渊区边界k=??/d的附近。由于E-k曲线在小布里渊区边界附近趋近于极大值，而mn*在能带极大值附近为负数，因此，电子在这时的漂移速度将随着电场E的进一步升高而下降，出现负阻效应。**在电场作用下到达布里渊区边界的电子，要回到等价的另一个边界重新开始在电场作用下的运动。这种运动形态在实空间中表现为来回的振荡，即布洛赫振荡；其频率为qEd/h，属于微波频率的上段。因此，上述预言若能变为现实，采用超晶格材料制作的微波器件就会在性能上得到很大改善。**二、量子阱和超晶格的组成与结构1、结构特征量子阱在量子力学中，能够对电子的运动产生某种约束并使其能量量子化的势场，被称为量子阱。原子或分子的势场是一种量子阱，在这种量子阱中的电子具有离散的能级。B宽禁带B宽禁带A窄禁带小于电子平均自由程(?100nm)空穴势垒电子势垒**由于这种量子阱只让载流子在异质结平面的法线方向Z上受到约束，电子在垂直于Z方向的x-y平面内的运动不受限制，因而这种量子阱结构通常也被称为二维半导体结构。在实际情况中，由于界面偏离于完美的理想状态，加上材料掺杂的影响，异质结的导带底和价带顶能级不会正好在两种材料的界面上形成台阶，因而实际量子阱的几何形状都比较复杂。不过，随着薄层材料现代生长技术的发展并日臻完善，一维方势阱模型在大多数场合是对非掺杂量子阱的一个很好的近似，通常用于对量子阱的讨论。**单量子阱和多量子阱在多量子阱结构中，势垒层的厚度dB必须足够大，以保证一个势阱中的电子不能穿透势垒进入另一个势阱，亦即须保证相邻势阱中的电子波函数相互之间没有重叠。多量子阱单量子阱B宽禁带B宽禁带A窄禁带B宽禁带A窄禁带**超晶格在半导体超晶格中，势垒层要薄到足以使相邻势阱层中电子的波函数能够相互重叠。这样，超晶格中电子的运动就不仅要受材料晶格周期势的影响，也要同时受到一个沿薄层生长方向Z展开的人工附加周期势场的影响。这个周期势场的周期d=dA+dB，显然比晶格周期势的周期大。但是，由于dA和d