2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：超晶格和量子阱的一般描述

超晶格和量子阱的一般描述

2超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當(dāng)取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運(yùn)動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運(yùn)動不受影響。導(dǎo)帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點(diǎn)的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。AB超晶格和量子阱的一般描述2024/5/16超晶格的分類1、一種材料交替以n型和p型雜質(zhì)2、兩種晶格匹配的材料交替成層→得到周期變化的人工長周期晶格結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：依靠分子束外延技術(shù)的發(fā)展4（1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構(gòu)成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。56（2）摻雜調(diào)制超晶格在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。優(yōu)點(diǎn):(1)任何一種半導(dǎo)體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格。(2)多層結(jié)構(gòu)的完整性非常好，由于摻雜量一般較小，所以雜質(zhì)引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質(zhì)界面。(3)摻雜超晶格的有效能隙可以具有從零到未調(diào)制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。7超晶格的布里淵區(qū)和亞帶結(jié)構(gòu)用周期為a的晶體生長成周期為d的超晶格結(jié)構(gòu)，由于d比a大很多，所以在倒易空間中，超晶格的周期比晶體的周期小很多。一維晶體的第一布里淵區(qū)(-π/a，π/a)，由于d>a，所以將使超晶格結(jié)構(gòu)原布里淵區(qū)分割成許多小區(qū)，其第一子區(qū)的范圍是(-π/d，π/d)。由于超晶格中勢壘區(qū)很薄，相鄰量子阱間有弱耦合，使其量子能級擴(kuò)展為窄能帶，稱為亞帶(或子帶)，帶內(nèi)能量幾乎是連續(xù)的。8但在小區(qū)邊界上能量不連續(xù)，并出現(xiàn)禁帶。這樣，原來半導(dǎo)體的每個(gè)導(dǎo)帶就變成由許多亞帶組成，見圖2。這種現(xiàn)象稱為折疊，其小區(qū)的數(shù)量為d/a。圖2超晶格布里淵區(qū)和亞帶2024/5/16負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象（NDC）隨著漏端電壓的增大，漏端電流的減小，出現(xiàn)負(fù)微分電導(dǎo)。一般認(rèn)為,發(fā)生負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象是由于在器件的飽和工作區(qū),硅膜內(nèi)的溫度升高,遷移率下降,使漏端電流降低。2024/5/16瓦尼爾—斯塔克階梯Bloch振蕩→電子的運(yùn)動產(chǎn)生了局域化→瓦尼爾預(yù)言：準(zhǔn)連續(xù)的能帶在電場F的作用下，分裂成一系列等能量間距為eFd的的能態(tài)→瓦尼爾—斯塔克態(tài)。2024/5/16電荷密度波與超晶格ρ(x)=ρ0+ρ1cos(Qx+?)超晶格的晶格常數(shù)d與CDW的周期相同，則超晶格周期d與原晶格周期a的比值d/a:(1)是有理數(shù)，成為公度的→晶體有周期性(2)是無理數(shù)，稱為非公度的→晶體一般無周期性12量子限制效應(yīng)(quantumconfinementeffect)

量子阱寬度小于電子運(yùn)動的Bloch波長，電子在垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)面的方向（z方向）的運(yùn)動約束到一系列分裂的能級。設(shè)勢能有效質(zhì)量方程分析（前提：勢能在空間緩變，即要求阱寬遠(yuǎn)大于晶體的晶格常數(shù)）（3-2）（3-1）2024/5/16Stark效應(yīng)原子或分子在外電場作用下能級和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。具體地講，就是在電場強(qiáng)度約為100萬伏/厘米時(shí)，原子發(fā)射的譜線的圖案是對稱的，其間隔大小與電場強(qiáng)度成正比。在此之前，塞曼等科學(xué)家也做過此類研究，但都失敗了。斯塔克在鑿孔陰極后僅幾毫米處放置了第三個(gè)極板，并在這兩極之間加了2萬伏/厘米的電場，然后用分光計(jì)在垂直于射線的方向上測試，觀察到了光譜線的分裂。145.2光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵元件。發(fā)展半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的目標(biāo)是小型化、快速、低功率和高溫工作。利用純GaAs體材料做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件室溫下工作時(shí)要求光脈沖高達(dá)10kW，而利用超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的激子飽和吸收做的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件要求的輸入功率僅在100mW以下。

D.A.B.Miller等人提出了一種新型的混合的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)器件，它可在更小的光功率下工作，稱為自光效應(yīng)器件（SEED）。15自光電效應(yīng)器件的外接線路圖改變外電路電壓和電阻可以使開關(guān)的啟動功率和開關(guān)時(shí)間在較大范圍內(nèi)變動。2024/5/16量子線、量子點(diǎn)量子線——載流子只能在一個(gè)空間方向上自由運(yùn)動量子點(diǎn)——準(zhǔn)零維體系，載流子在任何方向都不能自由運(yùn)動→納米微?！{米科技2024/5/16半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的電子態(tài)一、電子三種典型受限情況1、強(qiáng)受限2、中等受限3、若受限二、忽略庫侖相互作用的情況三、考慮相互作用的情況2024/5/16半導(dǎo)體量子點(diǎn)玻璃的性質(zhì)量子尺寸效應(yīng)庫侖阻塞效應(yīng)介電受限