半导体能带工程

1、半导体频带工程20世纪70年代以来随着科学技术的进步，对半导体能量带工程的研究逐渐成为话题。通过几种方法合理裁剪材料的波段结构，例如材料的波段结构、载体等在以前的材料中具有不同物理化学特性的人造晶体材料或结构满足移动率、光的折射率、热导率等实际应用的各种要求。经过50多年的发展，半导体理论和技术的发展进入了新的历史时期。1、半导体固溶体由相同类型的半导体材料组成的两个或多个合金。可以认为两种以上的物质是相互溶解形成的。硅锗合金，各种-化合物固溶体，各种-化合物固溶体。gaas xp 1-x: gaas、gap。inxga 1-xn: inn，gan。inxga 1-xasyp 1-y: inp

2、、gap、inas、gaas。2、固溶体的基本特征其物理特性通常随组件比例的变化而连续变化。波段结构、载波移动率、折射率等(1)格常数遵循vegard关系。两种化合物(gaasxp1-x=xgaas (1-x)gap。4种化合物in xga 1-xas yp1-y=xyinas x(1-y)inp(1-x)ygaas(1-x)(1-y)gap通过测量固溶体的晶格常数，可以确定固溶体的组成部分等。(2)能带结构是其成分的函数：某些固溶体的直接带隙可以用组件比率的线性函数来表示。egab=xega (1-x)egb大多数固溶体的带隙随组件的变化偏离上述线性法则，使用eg=a bx cx2 gain

3、p:1.351 0.643 x 0.786 x2模型均匀表示三种以上情况更加复杂，每种材料的带隙变化规律的表达式各不相同。切割材料的能带结构的同时，特定固溶体禁带宽度如何随成分而变化的研究。3、固溶体带扩展和过渡类型转换同一类型半导体材料的带隙宽度随着构成元素的平均原子数的增加而减小。eginn egg an egaln。egg aas egg ap1.9 3.4 6.2 1.43 2.3使用更窄的直接带隙材料和更宽的间接带隙材料，通过成分比控制制造更宽的直接带隙材料。可见光范围：390nm-770nm、3.2ev-1.6ev间隙红色led，zn-o对发光，低亮度gaas:直接带隙，间隙：间接

4、带隙gaas xp 1-x 3360直接带隙可能接近2.0ev。红光inp:直接带隙1.33 ev gap:间接带隙2.3ev可访问gaxin 1-x p 3360直接带隙2.3ev，绿色将半金属材料和半导体材料变成固溶体，从半金属转换成半导体，可以获得所需的窄带隙半导体材料。它广泛用于红外检测。中，远红外探测器：禁带宽度小于0.1ev。但是在现有半导体材料中，找不到皮带禁带宽度这么小的材料。虽然-族化合物半导体材料的带隙宽。hgte，hgse带隙宽度为零，略小于零，半金属材料。cdxhg1-xte半导体杨紫井和超晶格半导体量子阱和超晶格是20世纪70年代开始出现的人工结晶材料。也是半导体科学

5、技术中最重要、成就和挑战性最高的前沿领域之一。在量子力学中，能产生电子运动的一种约束，并量化其能量的势场，即量子阱。例如原子和分子的势场是电子具有不同能量水平的杨紫井。1、定义杨紫井和超晶格单杨紫井：由两种具有不同禁带宽度的材料a和b组成的背靠背异质结b/a/b，其中b的禁带宽度大于a。如果材料a的厚度小于电子的平均自由路径(小于100nm)，则电子将约束到材料a，从而形成杨紫井。b:屏障，a:势阱层bba多杨紫井：周期性叠加两个带隙宽度不同的薄层材料，重复多个单杨紫井的连续生长。挡墙厚度必须保证势阱中的电子不能穿透屏障层进入其他势阱。就是保证相邻势阱中电子波函数之间没有叠加。半导体超晶格：周

6、期性叠加两个带隙宽度不同的薄层材料，重复多个单杨紫井的连续生长。挡墙b的厚度更薄。也就是说，必须使相邻势阱中的电子波函数之间徐璐重叠。l=lw lb2、杨紫井和超晶格分类(1)晶格匹配杨紫井对超晶格，变形杨紫井对超晶格：根据材料的晶格匹配程度进行划分晶格不匹配：a-b/b晶格匹配：两种材质不匹配小于0.5%晶格不匹配：不匹配大于0.5%变形杨紫井和超晶格：通过薄层两侧或一侧晶格常数的有限变化补偿晶格失配应力。一般变形层的厚度非常有限。临界厚度：变形杨紫井和超晶格的厚度超过一定值时，界面产生不一致电位，晶体质量恶化。变形对特定材料变形情况和杨紫井或超晶格特性影响的研究(2)固定成分杨紫井和超晶格

7、、成分梯度杨紫井和超晶格、调制掺杂杨紫井和超晶格。掺杂杨紫井和超晶格调制：使用相同的材料徐璐将波段结构调制为不同的掺杂，形成杨紫井和超晶格。电子和孔系在徐璐其他导电类型的薄层上。pn(3)在结合中，根据成分的频带匹配：1类杨紫井和超晶格：电子和孔都绑在集成薄层上。对于电子和模穴，材料a是势阱，材料b是挡墙。第2类杨紫井和超晶格：两种材料分别是载体势阱和屏障。交错，错位3、杨紫井和超晶格的电子态ec=qeg； ev=(1-q) eg eg= ec ev杨紫井：exy=h2/2m *(kx2 ky2)kx=nx/l ky=ny/l(0，1，2，)每个布里渊区域有n个k值，每个k值有对应的能量级别。

8、因为k是分开的，布里渊区的能级是准连续的，每个带有n个能级，n是晶体的固体物理元。ez=h2/2m *(no/lw)2n表示杨紫数(1，2，3.）e=ezexy=h2/2m *(n/lw)2 h2/2m *(kx2 ky2)e1e2e3量化能量级的间距与杨紫井宽度lw的平方成反比，杨紫井越窄，量化效果越明显，lw宽度达到一定程度(约几十nm)时，杨紫效果消失。超晶格：杨紫井的量子化能级扩展到能带，状态密度曲线分布阶段形式。原始指南中形成了很多子带，子带之间形成了禁带。(与纪宁状态相对应的子频带最窄，父频带越宽，子频带的能量间距越大。)，以获取详细信息理解(在半导体物理p13自由电子的情况下，其

9、能量对波矢量持续变化，表示自由电子的能量允许从0到无限的所有能量值，在半导体的情况下，半导体的晶格常数设置为a，半导体的形成周期为a的势场，因此电子的能量对波矢量是不连续的，在n/2a(因此，在k空间中，布里区域边界为n/2a)。形成一系列波段。对于多杨紫井和超晶格，由于人工周期势场的增加，周期为l=lwlb(因为l大于a，包含在晶格势场形成的布里渊区域中，所以在k空间中形成以n/2l为边界的微布里渊区域。)，以获取详细信息将半导体材料的波段分割为一系列子波段。特征：1，块状半导体的连续能带成为量子化能级或被禁带分隔的部分子带。(这种量子化能级或子带的间距与杨紫井宽度lw的平方成反比，当垒层变

10、薄时，量子化能级或子带的间距变大，子带的宽度也变大。)，以获取详细信息2、量子化能级或子带的纪宁状态离开了导层和原子带顶部，因此半导体的有效带禁带幅度增大，lw减小，有效宽度增大。3、半导体能带的粒子只能集中在几个量子化能级或子带上。4、在势阱中，自由电子与腔的激子耦合增加，激子转换强度增加(激子的二维特性及其引起的激子波函数的扩展范围减小)。激子束缚能在本体材料中约为激子束缚能的4倍，强度为30-40倍。自由exceton:eex=mr * q4/8r202 h2n 2=1/n2r *杨紫井的激子：eex=mr * q4/8r202 h2(n-1/2)2=1/(n-1/2)2r *4、杨紫井

11、超晶格发光光谱1、发光峰的能量随着lw的减小向高能量方向移动。杨紫井，超晶格带的纪宁状态离开导层和原子价带顶部，因此有效带宽度大于本体材料。(固体光电技术p275)2、发光峰半高宽窄，亮度增加：杨紫井的极限效应，杨紫井的阶跃状态密度分布集中在电子分布更窄的能量范围内。3、易于观察自由激子峰。(重孔自由激子，轻孔自由激子)图p634，半导体光学特性)5、杨紫井超晶格吸收光谱gaas/gaalas多杨紫井的吸收光谱p627，(半导体光学特性)吸收光谱具有明显的阶跃特性，随着台阶厚度的减小，台阶之间的距离增大。而且，每个楼梯都有对应的激子吸收峰的峰。第n阶段对应于第n导带转移，第n波段开始，该峰对应

12、于这一对原子价带-导带连接的激子效应，如果陷阱层厚度教，则还观察退刀吸收峰的子结构(例如，在n=1处，与重孔状态和第一轻孔状态相关联的激子效应)。6，光电流光谱用光照射半导体材料，使价带中的电子产生为导带，成为自由电子，同时在价带中留下自由腔，都可以通过外部电场作用定向产生电流，这种电流称为光电流。光电流光谱是通过光的半导体的电流反应与入射光子能量的关系曲线。它在研究量子阱和超晶格方面有特殊的应用，可以反映丰富的信息。测试图：块状材料半导体的光电流光谱(半导体光学特性p630)光谱分布曲线不能使能量较小的光子从价电子转移到导频，因此在长波中急剧增加，产生光的电流。因此，可用于根据长波吸收限制确定半导体的带隙宽度。(曲线的下降不是守卫，而是一般峰值的一半波长是长波极限，杂质光电流成为研究杂质能级的重要方法。)杨紫井或超晶格的光电流光谱： (半导体光学特性p630)杨紫井在超晶格中，将导带和价带分成一些子带。(较低的子波段越窄，z方向的导电性越差，因此光电流的大小与激发光子的能量有关，电子是较高的