2022-2023学年高二物理竞赛课件：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，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:E=E(kz)+ħ2/2m(kx2+ky2)在xy平面内电子的动能是连续的，z方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。不连续点的kz值满足:kz=±n/D，D为超晶格周期。AB超晶格和量子阱的一般描述2024/5/16超晶格的分类1、一种材料交替以n型和p型杂质2、两种晶格匹配的材料交替成层→得到周期变化的人工长周期晶格结构实现：依靠分子束外延技术的发展4（1）组分调制超晶格

在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。56（2）掺杂调制超晶格在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料。优点:(1)任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格。(2)多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般较小，所以杂质引起的晶格畸变也较小。因此，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面。(3)掺杂超晶格的有效能隙可以具有从零到未调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于对各分层厚度和掺杂浓度的选择。7超晶格的布里渊区和亚带结构用周期为a的晶体生长成周期为d的超晶格结构，由于d比a大很多，所以在倒易空间中，超晶格的周期比晶体的周期小很多。一维晶体的第一布里渊区(-π/a，π/a)，由于d>a，所以将使超晶格结构原布里渊区分割成许多小区，其第一子区的范围是(-π/d，π/d)。由于超晶格中势垒区很薄，相邻量子阱间有弱耦合，使其量子能级扩展为窄能带，称为亚带(或子带)，带内能量几乎是连续的。8但在小区边界上能量不连续，并出现禁带。这样，原来半导体的每个导带就变成由许多亚带组成，见图2。这种现象称为折叠，其小区的数量为d/a。图2超晶格布里渊区和亚带2024/5/16负微分电导现象（NDC）随着漏端电压的增大，漏端电流的减小，出现负微分电导。一般认为,发生负微分电导现象是由于在器件的饱和工作区,硅膜内的温度升高,迁移率下降,使漏端电流降低。2024/5/16瓦尼尔—斯塔克阶梯Bloch振荡→电子的运动产生了局域化→瓦尼尔预言：准连续的能带在电场F的作用下，分裂成一系列等能量间距为eFd的的能态→瓦尼尔—斯塔克态。2024/5/16电荷密度波与超晶格ρ(x)=ρ0+ρ1cos(Qx+ѱ)超晶格的晶格常数d与CDW的周期相同，则超晶格周期d与原晶格周期a的比值d/a:(1)是有理数，成为公度的→晶体有周期性(2)是无理数，称为非公度的→晶体一般无周期性12量子限制效应(quantumconfinementeffect)

量子阱宽度小于电子运动的Bloch波长，电子在垂直异质结结面的方向（z方向）的运动约束到一系列分裂的能级。设势能有效质量方程分析（前提：势能在空间缓变，即要求阱宽远大于晶体的晶格常数）（3-2）（3-1）2024/5/16Stark效应原子或分子在外电场作用下能级和光谱发生分裂的现象。具体地讲，就是在电场强度约为100万伏/厘米时，原子发射的谱线的图案是对称的，其间隔大小与电场强度成正比。在此之前，塞曼等科学家也做过此类研究，但都失败了。斯塔克在凿孔阴极后仅几毫米处放置了第三个极板，并在这两极之间加了2万伏/厘米的电场，然后用分光计在垂直于射线的方向上测试，观察到了光谱线的分裂。145.2光学双稳态器件

光学双稳态器件可能成为全光逻辑和计算机中的关键元件。发展半导体光学双稳态器件的目标是小型化、快速、低功率和高温工作。利用纯GaAs体材料做的光学双稳态器件室温下工作时要求光脉冲高达10kW，而利用超晶格和量子阱结构的激子饱和吸收做的光学双稳态器件要求的输入功率仅在100mW以下。

D.A.B.Miller等人提出了一种新型的混合的光学双稳态开关器件，它可在更小的光功率下工作，称为自光效应器件（SEED）。15自光电效应器件的外接线路图改变外电路电压和电阻可以使开关的启动功率和开关时间在较大范围内变动。2024/5/16量子线、量子点量子线——载流子只能在一个空间方向上自由运动量子点——准零维体系，载流子在任何方向都不能自由运动→纳米微粒→纳米科技2024/5/16半导体量子点中的电子态一、电子三种典型受限情况1、强受限2、中等受限3、若受限二、忽略库仑相互作用的情况三、考虑相互作用的情况2024/5/16半导体量子点玻璃的性质量子尺寸效应库仑阻塞效应介电受限