第二章1续_半导体物理之量子阱基础.
半导体材料中的量子阱技术研究
半导体材料中的量子阱技术研究量子阱技术是一项重要的半导体研究领域，它在电子学和光电学方面的应用十分广泛。
量子阱技术的主要思想是利用半导体材料的电子能级结构，在一个二维的空间中形成一个量子阱，从而利用量子效应来改善半导体元件的电学和光学性能。
本文将介绍半导体材料中的量子阱技术研究的基本原理，以及在不同领域中的应用。
一、量子阱技术的基本原理量子阱技术最关键的部分是量子阱的形成。
它通常利用两种不同能带的半导体材料，比如硒化镉和锌硒化镉，或者砷化镓和铝砷化镓等。
这些材料之间存在着很大的晶格不匹配，使得它们在堆叠时形成一个二维空间。
在这个空间中，电子的运动将受到强烈的限制，因此它们的能级结构将与体材料不同。
具体来说，如果将体材料所对应的三维空间称作量子阱的壳层，那么在这个壳层中的电子将被限制在两个维度上，每个维度的运动将采取离散的能量取值。
这些能量被称作量子态。
量子阱内能够产生的电子和空穴的量子态是离散的，带有能量的阶梯状能态分布，近似于连续的谱带。
这些态之间的距离十分接近，因此使它们之间的电子跃迁变得容易。
由于电子简并态数目有限，因此电子在这样的结构中具有良好的约束性和选通性，因此能够得到改进的电学和光学性能。
二、应用领域1、光电子设备量子阱技术在光电子设备中应用最广，被广泛应用于半导体激光器、探测器、太赫兹器件、等离子体激光和LED等领域。
在半导体激光器中，量子阱允许电子和空穴发生更多的跃迁，并且跃迁的能量比体材料更稳定。
这样可以在激光发射时获得更窄的频率谱。
在探测器中，量子阱通过增加信噪比和响应速度来提高灵敏度。
在等离子体激光器中，量子阱材料具有更高的吸收能力和低于平均窄的峰值发射能量。
在美国飞机和导弹的被动红外检测器和定位系统中，量子阱探测器被广泛应用。
2、电子学器件量子阱技术在电子学器件中也有许多应用。
在场效应晶体管中，量子阱具有高的晶格一致性和低的摩擦电阻，因此可以用作管道而不断地去做成细的亚微米尺寸的器件。
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
第二章1续_半导体物理之量子阱基础
En
2
2me
1/ 3
3 qFS
2
2/3
n
3 4
2/3
FS 表面场，qFS 势能倾斜，n 量子数
0偏压下
正向偏压下
3、量子阱中电子的能量状态
求解—维长方形势阱中电子的能量状态是量子力学中的基本问题，可用克龙尼 克—潘宁(Kroning—Penney)模型或有效质量近似法来求解
x 势阱中的电子波函数应满足薛定鄂(Shrodinger)方程
Ex
En
2
2me*
kx2
2 2
2me*dw2
nx2
8.2-13
在无限深量子阱中运动的电子的总能量
E(n, ky , kz )
En
Et
2 2
2me*dw2
nx2
2
2me*
(k
2 y
kz2 )
(8．2．14)
有限深量子阱U0
2
2
E
2me
(k
2 y
kz2 )
2me
qn2
qna n
22
sin
1
第2章 光电子器件的半导体 物理之量子阱材料基础
目录
1. 历史沿革 2. 基本概念 3. 量子阱中电子的能量状态 4. 二维电子气的台阶状态密度分布 5. 实验验证 6. 应用
1、沿革
• 理论工作 – 将异质结半导体激光器有源区做得十分薄，以致于能够产生量子 效应，会有什么结果呢?
• 美国IBM公司的L．江奇(ESAKI)和朱肇祥于1970年提出。研究了周期 为l00Å的掺杂或组分超晶格中载流子的输运现象，结论是体材料中的 抛物线型能带结构会变成一些被隔开的子能带
半导体技术中的量子阱技术
半导体技术中的量子阱技术随着信息技术的快速发展，半导体材料作为电子学领域的重要组成部分，也在不断地创新和完善。
其中，量子阱技术的出现，为半导体材料的性能提升和新应用的开发提供了新的可能。
一、量子阱技术的原理量子阱（quantum well）是指在两种不同材料之间形成的一种具有周期性势能的结构，在其中的电子表现出一些奇特的性质。
其原理可简单理解为，其“势垒”与“势峰”之间的能量差约为电子热运动时的能量，而电子在势峰处被限制在一个非常小的区域内，即量子点，形成了类似于能级的状态；这种状态又与周围材料的能带相接口，因此电子行为发生变化。
二、量子阱技术的优势相对于其他半导体材料，量子阱技术具有以下优势：1. 调节电子状态：量子阱在不同材料组合下，能够调节电子的状态，改变其带隙大小，从而改变半导体材料在不同波段的光学响应。
2. 减小电子束缚：与传统的材料不同，量子阱内的电子状态可以更容易地在纵向方向移动，有助于提高载流子的迁移率，减小电子束缚。
3. 更高的稳定性：量子阱技术制备的半导体材料具有更高的稳定性，能够在更长时间内保持特定的性能。
三、量子阱技术的应用随着量子阱技术的不断完善，其在以下领域中有着广泛的应用前景：1. 光电器件制造：量子阱技术可用于制备高效、小型化的光电器件，如激光器、LED等，为信息技术领域提供了更多可能。
2. 太阳能电池：利用量子阱技术制备的太阳能电池，可以提高其性能和效率，降低材料的成本和制备难度。
3. 生物医学：利用半导体材料制备的量子点和量子线，可用于生物医学成像技术中，实现高分辨率、低辐射的成像。
四、量子阱技术的研究进展目前，科学家们正在以各种方式继续研究量子阱技术的优势和应用。
例如：1. 使用先进的制备技术，如分子束外延、金属有机化学气相沉积等，制备更高质量、更精细的量子阱材料。
2. 引入新的导电材料、光学材料和化学键合技术，进一步优化量子阱结构和性能。
3. 应用量子场理论、量子力学等理论，实现量子阱结构的理论模拟和模拟计算，为精准设计和优化提供更多思路。
半导体物理考研知识点归纳
半导体物理考研知识点归纳半导体物理是研究半导体材料的物理性质及其在电子器件中的应用的学科。
在考研中，半导体物理的知识点主要包括以下几个方面：1. 半导体的基本性质- 半导体材料的分类，包括元素半导体和化合物半导体。
- 半导体的能带结构，包括导带、价带以及禁带的概念。
- 半导体的载流子类型，即电子和空穴。
2. 半导体的掺杂- 掺杂原理，包括n型和p型掺杂。
- 掺杂对半导体电导率的影响。
- 杂质能级和费米能级的移动。
3. 半导体的载流子运动- 载流子的漂移和扩散运动。
- 载流子的迁移率和扩散常数。
- 霍尔效应及其在半导体中的应用。
4. pn结和半导体器件- pn结的形成原理和特性。
- 正向和反向偏置下的pn结特性。
- 金属-半导体接触和肖特基势垒。
5. 半导体的光电效应- 本征吸收和杂质吸收。
- 光生载流子的产生和复合。
- 光电二极管和光电晶体管的工作原理。
6. 半导体的热电效应- 塞贝克效应和皮尔逊效应。
- 热电材料的热电性能。
7. 半导体的量子效应- 量子阱、量子线和量子点的概念。
- 量子效应对半导体器件性能的影响。
8. 半导体的物理量测量技术- 电阻率、载流子浓度和迁移率的测量方法。
- 光致发光和电致发光技术。
9. 半导体器件的制造工艺- 晶体生长技术，如Czochralski法和布里奇曼法。
- 光刻、蚀刻和掺杂工艺。
结束语半导体物理是一门综合性很强的学科，它不仅涉及到材料科学、固体物理，还与电子工程和微电子技术紧密相关。
掌握这些基础知识点对于深入理解半导体器件的工作原理和优化设计至关重要。
希望以上的归纳能够帮助考研学子们更好地复习和掌握半导体物理的相关知识。
半导体物理之量子力学初步
•
每层可以容纳2n2个电子
Thanks！
•
自旋量子数：只决定电子运动状态，与薛定谔方程无关。数值仅仅代表电子 固有的运动属性是相反的，并非绕轴（顺时或逆时）自转 。
每一组量子数对应一个量子态的电子。
1.4.3 元素周期表
•利用单电子的原子模型，再引入两个基本的概念，我们就可以构造出元素周期表最 初的排列规律。 两个基本概念（原理）： （1）电子的自旋角动量和自旋量子数 描述一个电子的状态，一共需要n、l、m、s等四个量子数。 （2）泡利不相容原理 在任意给定的系统中，不可能有两个电子占据完全相同的量子态，即不可能有两个 电子具有完全相同的一组量子数（n、l、m、s）。
即，一维定态薛定谔方程
2 x x
2
2m
2
E V x x 0
1.2.2 波函数的物理意义
• 波函数Ψ (x,t)最终用来描述晶体中的电子状态。
•
1926年，马克思玻恩假设函数 现粒子的概率，称 为概率密度函数。
为某一时刻在x与x+dx之间发
1.2.3 边界条件
1.1.1 能量量子化
a.光电效应
b.光电子最大动能随入射频率变化的函数
经典力学：只要光的能量足够大，那么在一定条件下就会有光电子从表面发射 出去，与照射光的频率无关。 实验结果：在恒定光强的照射下，光电子的最大动能随着光频率呈线性变化， 低于极限频率将不会产生光电子 光经典理论与实验结果矛盾。
1.2 薛定谔方程
波动方程
物理意义
边界条件
1.2.1 波动方程
• 1926年，薛定谔提出波动力学理论 一维非相对论性薛定谔波动方程
其中，Ψ(x,t)为波函数， V(x)为与时间无关的势函数， m为粒子的质量， j为虚常数。 将Ψ(x,t)分离变量：
半导体物理教学大纲
《半导体物理》教学大纲课程名称：半导体物理学英文名称：Semiconductor Physics课程编号：课程类别：专业选修课使用对象：应用物理、电信专业本科生总学时： 48 学分： 3先修课程：热力学与统计物理学；量子力学；固体物理学使用教材：《半导体物理学》刘恩科等主编，电子工业出版社出版一、课程性质、目的和任务本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。
本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。
通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础二、教学内容及要求本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。
第1～5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6～9章归结为半导体的接触现象；第10～12章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。
全部课堂教学为48学时，对上述内容作了必要的精简。
10～13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其他各章的内容也作了部分栅减。
具体内容和要求如下：第1章半导体中的电子状态1.半导体的晶格结构和结合性质2.半导体中的电子状态和能带3.半导体中电子的运动有效质量4.本征半导体的导电机构空穴5.回旋共振6.硅和锗的能带结构7.III-V族化合物半导体的能带结构8.II-VI族化合物半导体的能带结构9.Si1-xGex合金的能带10.宽禁带半导体材料基本要求：将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，以深入了解半导体中的电子状态；明确回旋共振实验的目的、意义和原理，进而了解主要半导体材料的能带结构。
（限于学时，本章的第7-10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
重点：半导体中的电子运动；有效质量；空穴概念。
难点：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构第2章半导体中杂质和缺陷能级1.硅、锗晶体中的杂质能级2.III-V族化合物中的杂质能级3.氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级4.缺陷、位错能级基本要求：根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。
半导体物理课件陷阱效应
令 p f r
r
得到
f
r
A ex p (
x Lp
)
p
r
A
p0
r0
exp
r0 Lp
则
p fLeabharlann rrp0
r0 r
exp
r
r0 Lp
探针注入的扩散流密度
D
p
dp dr
r
r0
Dp r0
Dp Lp
p0
扩散效率高，比平面多了一项径向扩散。平面扩散完全依 赖载流子浓度梯度，球对称时，径向运动本身就造成载流 子的疏散，附加浓度梯度。
不同点： ➢ 复合中心对非平衡电子、空穴的俘获能力相
近，可促进非平衡载流子的复合，缩短非平 衡载流子寿命；陷阱中心对非平衡电子、空 穴的俘获能力相差悬殊，会阻碍非平衡载流 子的复合，延长非平衡载流子的寿命。 ➢ 有效的复合中心引入能级靠近禁带中央；有 效的陷阱中心引入能级靠近费米能级。
§5.6 载流子的扩散运动
A
e
w Lp
w
BeLp
0
A B p0
sh(W x)
p(x) p0
Lp sh(W )
WLp p
0
1
x W
Lp
dp(x) p0
dx
w
Sp
Dp
dp dx
Dp W
p0
常数
注：扩散流不随位置x变化，说明在此区域内无复合，相当于基区。
非平衡载流子的扩散电流密度
空穴扩散电流密度
(J p )扩
Ev
x
热平衡状态下的均匀掺杂半导体
nx
E
E
Ec
EF EFi
Ev
半导体器件物理1-2章量子力学初步
半导体器件物理第一章：半导体材料就其导电性而然，半导体材料的导电性能介于金属和绝缘体之间。
半导体基本可以分为两类：位于元素周期表IV族的元素半导体和化合物半导体。
大部分化合物半导体材料是Ⅲ族和V族元素化合而成的。
表1.1是元素周期表的一部分，包含了最常见的半导体元素。
表1.2给出了较为常用的某些半导体材料。
表1.1部分半导体元素周期表表1.2半导体材料Ge。
硅是制作半导体器件和集成电路最常用的半导体材料。
由两种或两种以上半导体元素组成的半导体称为化合物半导体，如GaAs或GaP是由Ⅲ族和Ⅴ族元素化合而成的。
其中GaAs是应用最为广泛的一种化合物半导体材料，它具有较高的载流子迁移率，因此一般应用在制作高速器件或高速集成电路的场合。
1.1半导体的价键和价电子硅是用于制作半导体器件和集成电路的重要材料之一，它具有金刚石晶格结构，是IV族元素；锗也具有金刚石晶格结构，也是IV族元素。
其它化合物半导体材料如砷化镓具有闪锌矿晶格结构。
由于硅是主流集成电路工艺普遍使用的半导体材料，所以我们主要研究该材料的物理特性。
无限多的硅原子按一定规律在三维空间上的集合就形成硅晶体（通常是形成单晶体结构）是什么因素导致硅原子的集合能够形成特定的硅晶格结构？统计物理学给出了答案：热平衡系统的总能量总是趋于达到某个最小值。
原子间价键的作用使它们“粘合”在一起形成晶体。
原子间的相互作用倾向于形成满价壳层。
元素周期表中的Ⅳ族元素Si和Ge，其原子序数是14，包围着硅原子有3个电子壳层，最外层壳层上有4个价电子，需要另外4个价电子来填满该壳层。
当硅原子组成晶体时，最外层壳层上的4个价电子与紧邻的硅原子的最外层4电子组成共价键。
大量的硅、锗原子组成晶体靠的是共价键的结合。
图1.1a 显示了有4个价电子的5个无相互作用的硅原子，图1.1b显示了硅原子共价键的二维视图。
中间的那个硅原子就有8个被共享的价电子，因此它是稳定的。
其它4个硅原子有3个价键是悬空的，没有形成稳定的共价键。
半导体激光器件中的量子阱与电子能带结构分析
半导体激光器件中的量子阱与电子能带结构分析半导体激光器件是一种重要的光电子器件，广泛应用于通信、医疗、工业和军事等领域。
量子阱是制造半导体激光器件时经常使用的一种结构，通过控制量子阱的尺寸和材料参数，可以实现更高效的光电转换和更低的能耗。
本文将对半导体激光器件中的量子阱和电子能带结构进行详细的分析。
首先，我们来了解一下量子阱的基本概念。
量子阱是由两个能禁带较宽的材料夹紧一个能带较窄的材料形成的。
其中，能带较窄的材料被称为“量子阱层”，而能带较宽的材料被称为“禁带材料”或“组分材料”。
量子阱通过局域化电子在能隙中形成束缚态，从而实现对电子的限制和控制。
在半导体材料中，电子能带结构对于激光器件的性能至关重要。
电子能带结构由价带和导带组成，其中价带是电子禁带以下的能态，导带是电子禁带以上的能态。
对于半导体材料，导带带有自由电子，在外界的激励下可以跃迁到价带中，产生辐射并产生激光效应。
量子阱结构在激光器件中起到了至关重要的作用。
首先，量子阱的宽度决定了束缚态能级的分立程度。
当量子阱的宽度小于一定值时，能级间的能隙大到足以限制电子的运动，使得电子能态分立得足够好。
这种分立的能级结构可以实现更高效的电子注入和激光输出。
其次，量子阱的材料参数对于电子能带结构的调控具有重要意义。
材料参数包括化合物的能带偏移、能带压缩和晶格匹配等。
能带偏移是指禁带材料和量子阱层之间的能带错位，通过调节能带偏移可以调整量子阱的能带结构。
能带压缩是指量子阱层与禁带材料之间的应变，应变会影响量子阱中的电子和空穴有效质量，进而影响能态的分立程度。
晶格匹配则是指量子阱层和其它材料之间的晶格结构的匹配程度，晶格匹配好可以减小缺陷的形成。
在实际制备半导体激光器件时，我们可以通过分子束外延、金属有机化学气相沉积和金属有机化学液相沉积等方法来制备量子阱结构。
这些方法可以精确地控制量子阱的尺寸和形貌，从而实现对电子能带结构的精细调控。
此外，量子阱的材料选择也对电子能带结构产生了重要影响。
《2024年半导体量子阱中的杂质态和激子的压力效应》范文
《半导体量子阱中的杂质态和激子的压力效应》篇一一、引言随着纳米科技的进步，半导体量子阱（Quantum Wells，简称QW）在电子和光电子器件中的应用日益广泛。
在半导体量子阱中，杂质态和激子等基本物理过程对于理解和控制材料的电子性能至关重要。
本文主要探讨了半导体量子阱中杂质态和激子在压力作用下的变化，通过理论分析为材料特性的理解和应用提供了重要参考。
二、半导体量子阱的基本概念半导体量子阱是一种具有二维电子限制的半导体结构，其中电子和空穴在垂直于阱平面的方向上受到限制。
这种结构可以形成分立的能级，从而使得量子阱在光学和电子学领域有广泛应用。
三、杂质态的压力效应1. 杂质态的介绍半导体量子阱中的杂质态是由掺杂到材料中的杂质原子引起的。
这些杂质原子可以捕获电子或空穴，形成束缚态，即杂质能级。
这些杂质能级对半导体的电子性能有重要影响。
2. 压力效应随着压力的增加，半导体量子阱的能带结构发生变化，进而影响杂质态。
当压力增加时，半导体中的晶格间距减小，能带发生收缩。
这使得原本在能带间隙中的杂质态可能会受到影响，可能产生向高能级移动或者出现新类型的杂质态等。
这种变化对半导体的光电性能有重要影响。
四、激子的压力效应1. 激子的介绍激子是在半导体中由电子和空穴组成的准粒子。
在光激发或电场作用下，电子从价带跃迁到导带，形成激子。
这些激子可以进一步通过光辐射或热散射等过程重新释放能量和电子。
2. 压力效应随着压力的增加，激子的性质也会发生变化。
压力改变半导体晶格结构，进而影响激子的运动和能量状态。
在高压下，激子的能量和寿命可能发生变化，导致光吸收、发光等性质的改变。
此外，压力还可能影响激子的生成速率和湮灭速率等关键参数。
五、实验与讨论为了研究半导体量子阱中杂质态和激子的压力效应，我们进行了一系列实验。
通过改变压力条件，观察了杂质态和激子在压力作用下的变化情况。
实验结果表明，随着压力的增加，杂质态和激子的性质均发生明显变化。
半导体超晶格和量子阱-PPT(精)65页PPT
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
半导体超晶格和量子阱-PPT（精）
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
半导体量子阱半导体量子阱的形成和结构
半导体量子阱半导体量子阱的形成和结构电子层光的吸收和激发光的发射量子网格和点量子有限的结构固体的光性质不是总依赖于他们的尺寸，红宝石对于非常笑的晶体，光学性质确实是取决于他们的尺寸参杂半导体的玻璃在非常笑的晶体中光学性质取决于大小是量子限制效应的结果量子限制效应海申堡的不确定原理告诉我们如果我们把粒子限制在 x的长度，相应的动量由上部分蓝色公式给出如果粒子是自由的且有质量m，在x方向上的限制给他额外的能量，如上部分蓝色公式所示这部分能量只有在大于或者于粒子的动能kT有可比性的时候才有意义由第一个公式推导出量子尺寸的影响是重要的当（第二个公式所示）Delt x的值必须和德布罗意波长是一个量子的，为的是获得更明显的量子效应对于一个电子在典型的半导体质量为0.1m0.室温下，delt x必须是约等于5nm，才能获得量子限制效应，非常薄的一层三种基本类型的量子限制结构量子阱限制一维量子线限制二维量子点限制三维体积（正货）三维晶体量子阱二维晶体量子线一维晶体量子点零维晶体制备技巧量子阱先进的外延晶体生长量子线平版印刷技术或者外延生长量子点平版印刷技术或者自然生长技术半导体量子阱的形成和结构外延晶体生长技术分子束外延和金属有机物化学气相沉积D的选择要接近于第一个公式量子化的运动在z方向在xy平面上是自由移动由于能量带的不连续能带结构电子和小孔被困在砷化镓层并联量子阱有更大的数值绝缘的超晶格有更细的？？耦合的和新的外延形式在z方向上形成额外的性能参数分离电子和孔在量子阱中在xy方向上是自由的在z方向是被限制的这就允许我们写出如下式子见第一个公式在xy平面上的自由移动可以用波矢k来描述见公式二和三Z方向上量子化的能量用量子数n来表示见公式四和五所以电子或小孔第n层的总能量由公式六表示无限深势阱薛定谔公式见第一个公式边界条件见第二个公式波函数见第三个公式在势阱中波动函数被描述成驻波其形式见第四个公式相对应的第n层的能量见第五个公式能级的能量反比于有效质量和井的宽度的平方电子重的空穴轻的空穴有不同的量子化能量在价带上重的空穴在大多数情况下占主导地位因为他们形成了基态波函数可以由节点的数量确定第n能级有n-1个节点奇数n的情形有偶宇称性反之亦然见公式三有限深势阱真正的量子阱是有限的边界的粒子可以像过隧道一样穿过障碍在一定程度上这就允许波函数传播到更远因此减少限制的能量无限深势阱模型过高的评价了量子化的能量空穴的量子化能量比电子的更笑（更小的质量）选择规则无限深势阱中的选择原则是delt n =0 费米黄金法则见第二个公式在有限深势阱中稍微违背上面的选择性原则Delt n不能与0 过渡非常的微弱如果deltn是奇数的话过渡被严格禁止因为反宇称性要求重叠部分的能力是0两个维度上的吸收从价带的基态（n=1的重空穴层）到最低导电态（n=1的电子层）的临界值见公式1二维的量子阱的吸收限相对于成块的半导体有蓝移不同井宽的吸收限的频率不同由于在xy平面上的自由移动电子和空穴的总能量和导电带价带的关系如第一式所示能量过渡由图示的垂直箭头展示Miu是电子和空穴减少的有效质量二维连接态的强度不受能量的支配有第二个公式给出量子阱的吸收系数有一个阶梯状的结构由于能量的限制吸收限蓝移很明显QW吸收光谱的阶梯结构第n层过渡的临界能量由第三式给出测量吸收光谱像阶梯一样的行为每一步边缘的强峰激子的影响箭头所指的弱峰是delt n 不等于0造成的量子井中的激子由于量子限制效应量子阱中激子会被放大在室温下位于量子阱中的激子任然是稳定的光的发射电子和空穴像电或光一样喷射很快放松到能带的底端电子和空穴被允许的最低层是相对于n=1的限制状态在能量（公式所示的能量）时发冷光的光谱由光谱宽度为KT的峰组成反射峰有比块状更多的能量量子阱提供三大比疏松物质更多的优点选择不同的井宽由于能力的限制造成的冷光峰的蓝移有所不同量子阱中在电子和空穴中的重叠部分的增加意味着发射的可能性更高辐射的时间更短能效更高。
第2章量子物理基础
例2：钾的红限波长 06.2105cm， 求钾的逸出功。
在波长 3.3105cm的紫外光照射下，钾的截止
电势差为多少?
解：1) Ah06.6 361.2 0314 0 371803.2 1101J 9
2)
eUc
1 2
mvm2
12mvm 2 hA
h A6 .6 1 3 3 0 4 3 1 80 3 .2 1 1 10 9
1913, Bohr (age 28)
constructs a theory of atom
Kn
En
EK h
1921 Bohr Institute opened in Copenhagen (Denmark)
It became a leading center for quantum physics (Pauli, Heisenberg, Dirac, …)
0m h 0c(1co )s
h
e
0 n0
1. 光电效应的实验规律 光电流与入射光强度的关系
饱和光电流 im 和入射光强度 I 成正比。 光电子初动能和入射光频率之间的关系
光电管 GD K
阴极
石英窗 A 阳极
G V
截止电压:
2.0 UC /V
Cs Na Ca
12mvm 2 eUc 1.0
/1014Hz
Uc KvU0
0.0 4.0 6.0 8.0 10.0
任何能思考量子力学而又没有被搞得头晕目眩的人 都没有真正理解量子力学
"Anyone who has not been shocked by quantum physics has not understood it."
- Niels Bohr
量子阱(quantumwell)百科中学物理
量子阱（quantumwell）百科中学物理
当今社会是一个高速发展的信息社会。
生活在信息社会，就要不断地接触或获取信息。
如何获取信息呢?阅读便是其中一个重要的途径。
据有人不完全统计，当今社会需要的各种信息约有80%以上直接或间接地来自于图书文献。
这就说明阅读在当今社会的重要性。
还在等什么，快来看看这篇量子阱(quantumwell)百科中学物理吧~
量子阱（quantumwell）
量子阱(quantumwell)
量子阱是一种人工设计采用外延方法生长的半导体微结构。
其主要特性是电子(空穴，有时还包括光子)在空间上被限制在一个很薄的区域内运动，该区域的厚度小于电子的德布罗意波长，电子(空穴)行为表现出二维特征。
量子阱结构主要用于发光器件和光电探测器件。
和非量子阱结构相比，由于在量子阱中电子(空穴)相对比较集中(有时光子也比较集中)，所以有很高的量子效率，用于半导体激光器能大幅度降低阈值电流密度，增加输出功率。
量子阱结构中，与量子阱层相对的还有势垒层，用以限制电子(空穴)在垂直于阱面方向上的运动。
量子阱结构通常用分子束外延或金属有机物理气相淀积方法制备。
这篇量子阱(quantumwell)百科中学物理，你推荐给朋友了么?
第 1 页。
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用
量子阱半导体激光器的的基本原理及其应用无研01 王增美（025310）摘要：本文主要阐述了量子阱及应变量子阱材料的能带结构，以及能态密度和载流子有效质量的变化对激光器阈值电流等参数的影响，简要说明了量子阱激光器中对光场的波导限制。
最后对量子阱半导体激光器的应用作了简要的介绍，其中重点是GaN 蓝绿光激光器的发展和应用。
引言半导体激光器自从1962年诞生以来，就以其优越的性能得到了极为广泛的应用，随着新材料新结构的不断涌现和制造工艺水平的不断提高，其各方面的性能也不断得到改善，应用范围也不在再局限于信息传输和信息存储，而是逐渐渗透到材料加工、精密测量、军事、医学和生物等领域，正在迅速占领过去由气体和固体激光器所占据的市场。
20世纪70年代的双异质结激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出现的应变量子阱激光器是半导体激光器发展过程中的三个里程碑。
制作量子阱结构需要用超薄层的薄膜生长技术，如分子外延术（MBE ）、金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD ）、化学束外延（CBE ）和原子束外延等。
我国早在1974年就开始设计和制造分子束外延（MBE ）设备，而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器，在1992年中科院半导体所（ISCAS ）使用国产的MBE 设备制成的GRIN-SCH InGaAs/GaAs 应变多量子阱激光器室温下阈值电流为1.55mA ，连续输出功率大于30mW ，输出波长为1026nm [4]。
量子阱特别是应变量子阱材料的引入减少了载流子的一个自由度，改变了K 空间的能带结构，极大的提高了半导体激光器的性能，使垂直腔表面发射激光器成为现实，使近几年取得突破的GaN 蓝绿光激光器成为新的研究热点和新的经济增长点，并将使半导体激光器成为光子集成（PIC ）和光电子集成（OEIC ）的核心器件。
减少载流子一个自由度的量子阱已经使半导体激光器受益匪浅，再减少一个自由度的所谓量子线（QL ）以及在三维都使电子受限的所谓量子点（QD ）将会使半导体激光器的性能发生更大的改善，这已经受到了许多科学家的关注，成为半导体材料的前沿课题。
半导体超晶格及其量子阱的原理
半导体超晶格及其量子阱的原理半导体超晶格及其量子阱：一、定义半导体超晶格（Semiconductor Superlattice，简称SSL）是一种合成多层半导体结构，其可调节电子结构和能带结构，从而提高材料的性能。
量子阱（Quantum Wells）是SSL结构中最重要的一种结构，可在量子阱内释放良好的量子效应，从而使许多物理和化学性能被调控。
二、结构特性（1）半导体超晶格一般由两种不同的半导体层组成，每层厚度可从几纳米到几微米不等，每一层都相互隔离，形成超级晶格结构。
（2）由于 SSL 各层局部电子结构，可以吸收和发射光子，使 SSL 具有一定的光学性质。
（3）在SSL结构中，量子阱由两层薄的半导体材料层隔开，其中夹层（Cladding）层的电子态更加有序，从而形成有序的电子波函数，从而形成特殊的量子效应。
三、物理效应（1）在量子阱中物理现象是由特殊的量子效应造成的，如量子隧穿效应、量子驱动效应、量子振荡效应等。
（2）其中量子隧穿效应指通过量子阱释放出的电子自由穿越两个不同类型半导体，这种作用可以降低材料阻抗，增加功率传递，使得系统性能更好。
（3）量子驱动效应是一种由内部量子效应驱动的电荷移动，其作用可以提高半导体的电子传输速率，提高半导体的速率效率。
四、应用（1）SSL 和量子阱在optoelectronic 和nanoelectronic 中有广泛的应用，如激光源、可调谐激光器、可控纳米开关、光存储器、高速照相机等等。
（2）量子阱可用于检测微弱的电信号，如开发低噪声电路、MRAM存储器和传感器等。
（3）SSL 和量子阱可以用于制备太阳能电池，纳米器件，密集型逻辑器件等技术。
五、结论半导体超晶格及其量子阱是一种高性能的技术材料，其性能的改善可以显著加强多种电子设备的性能和功能，这使得其在电子行业中得到了广泛的应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
能量呈抛物线分布
量子阱材料：在能量E处，单位体积、单位能量间隔内状态数， 即态密度(E)
* me (E) 2 dw
8.2-19
结论：
二维运动电子的态密度是一个与能量无关的常数，其大小 完全由载流子有效质量和量子阱层厚dw决定，这是二维运动
粒子的一个重要特征
量子阱中的电子在y-z平面内自由运动，同时在x方向作受到势阱约束的
• 超晶格材料(Super－lattic) 由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层(相邻势阱内电子波 函数会发生交迭)材料，交替生长形成的人工周期性结构 “超薄层”：半导体双异质结的中间夹层的窄带隙材料薄到可以和电子 的平均自由程，即德布洛意(De Broglie)波长(d=h/p，L=500Å)相比拟
第2章 光电子器件的半导体 物理之量子阱材料基础
目录
1. 2. 3. 4. 5. 6. 历史沿革 基本概念 量子阱中电子的能量状态 二维电子气的台阶状态密度分布 实验验证 应用
1、沿革
• 理论工作 – 将异质结半导体激光器有源区做得十分薄，以致于能够产生量子 效应，会有什么结果呢?
• 美国IBM公司的L．江奇(ESAKI)和朱肇祥于1970年提出。研究了周期 为l00Å的掺杂或组分超晶格中载流子的输运现象，结论是体材料中的 抛物线型能带结构会变成一些被隔开的子能带 • 1971年，前苏联的卡扎林诺夫(KAZARINOV)等人研究了超晶格中的 共振隧道穿透现象
•
量子阱
由半导体超晶格材料制成的约束载流子的电子或空穴的势阱
• 单量子阱 • 多单量子阱
正向偏压下的单量子阱特性
正向偏压下的多量子阱特性
正向偏压下的势阱可用无限深三角势阱描述， 其能级为：
2 3 qFS 3 En n 2 m 2 4 e FS 表面场，qFS 势能倾斜，n 量子数
1 qn sin 2m U e 2
(8．2．16b)
讨论
• 运动是准二维的，能量在x方向是量子化的，只允许能量满足式 (8．2．14)的波函数存在 • 在量子阱内形成一组分立的能级， 能级的取值与有效质量、阱宽、 阱深(实际上是△Ec或△Ev)有关 • 允许的能量和量子数n的平方成正比 • 两个相邻能级之间的能量间隔为
• 设备技术进步
– MBE – MOCVD
• 实验验证
– 1974年美国贝尔实验室的丁格尔(Dingle) 测量出超晶格的台阶状光吸收 曲线－－证明量子效应的存在 – 1975年做出量子Байду номын сангаас激光器
2、基本概念
• 势阱与势垒
空间的势能分布，势 阱或势垒是特定的空 间区域，势阱是该空 间区域的势能比附近 的势能都低，势垒就 是该空间区域的势能 比附近的势能都高。 通常在势阱中的粒子， 没有足够的动能而离 开势阱的概率很小
有载流子阻挡层的量子阱结构
加阻挡层原因： 电子迁移率很高，扩散长度大于阱宽，容易渗漏到p型包层而不 被量子阱俘获，造成载流子注入效率低下
如图的非对称量子阱，其能级为：
E
2
2me
2 (k y kz2 )
2
2me
2 qn
(8．2．15a)
qn a n
1 qn sin 2m U e 1
2
2
体材料中的抛物线型能带结构
X方向---无限深势阱
势阱内
令
则解为
0
dw
边界条件为 ：
( x 0) 0, ( x d w ) 0, 得
0， sin k x d w 0 k x d w nx , nx 1, 2,3,,,
8.2-11 8.2-12
将式(8．2—9)代人式(8．2—12)可得：
Ex En
2 2 k n * x * 2 x 2me 2me dw
2
2
2
8.2-13
在无限深量子阱中运动的电子的总能量
E (n, k y , k z ) En Et
2
2
* 2 e w
2m d
2 nx
2 2 ( k k y z) * 2me
2
(8．2．14)
有限深量子阱U0
运动，其本征能量只能取一系列分立值。而且其总能量小于ECn的状态是 不存在的。只有那些能量大于ECn 的态才存在，其态密度则由二维运动 的态密度表达式(8.2—19)所确定。因此，对应于能量为EC1 的态密度为：
* me ,1
( Ec,1 )
dw
2
H ( E Ec,1 )
H（E—EC1）叫单位台阶函数，也称Heaviside函数
1/ 3
2/3
2/3
0偏压下
正向偏压下
3、量子阱中电子的能量状态
求解—维长方形势阱中电子的能量状态是量子力学中的基本问题，可用克龙尼 克—潘宁(Kroning—Penney)模型或有效质量近似法来求解
x 势阱中的电子波函数应满足薛定鄂(Shrodinger)方程
式中相应的波函数
横向(yz)
( y, z) A exp[ j(k y y kz z)]
E
2 2 (k y k z2 ) 2 2 qn
(8．2．15)
2me
2me
qn a n 2 2 a dw
1 qn sin 2m U e o
(8．2．16)
qn a n 2 2
1 qn sin c 2m U e o
8.2-3
k y kz kt 为横向传播的波矢，yz方向的解和体材料 （自由电子近似）一致
2 2 ( k k y z ) ( y , z ) Et ( y , z ) * 2me 2
8.2-4 8.2-5
Et (k y , k z )
2 2 2 ( k k ) k y z * * t 2me 2me
1 En,n1 * 2 (n ) me d w 2
• 量子阱的等效带隙Eq
2 2 2 2 3D Eq Eg 2 2 2 2 2me d w 2mhh d w
2
2
8.2-17
4、二维电子气的台阶状态密度分布
一般掺杂的半导体(不考虑带尾)能带中，作三维运动的电子的态密度随