第二章1续_半导体物理之量子阱基础

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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

量子力学_第二章_一维势阱

（四）讨论
一维无限深势阱中粒子的状态
0 n 1 n sin x 2a a 1 n cos x 2a a 其能量本征值为： n 2 2 2 En 8 a
| x | a; n even, n odd, | x | a; | x | a .
2 d 2 [ V1 ( x )]X ( x ) E x X ( x ) 2 dx2 2 d 2 [ V2 ( y )] ( y ) E yY ( y ) Y 2 dy2 2 d 2 [ V3 ( z )]Z ( z ) E z Z ( z ) 2 dz2
2
n为正偶数， x a
x a
n为正奇数，
x a
x a
由归一化条件
-
n dx 1 A'
1 a
.
一维无限深方势阱中粒子的定态波函数为： n ( x, t ) n (x)e
-i En t -i
En t n A' sin ( x a )e 2a e i e i 用公式sin 2i
等式两边除以（x, y, z ) X ( x )Y ( y ) Z ( z )
1 X 1 2 d 2 X V1 ( x ) 2 dx2 Y 1 2 d 2 Y V2 ( y ) 2 dy2 Z 2 d 2 Z V3 ( z ) E 2 dz2
I II III
0
a
ψ 有限条件要求 C2=0。
d2 2 dx d2 2 dx d2 2 dx
I
2 2
I
0 0 0
II

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。

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量子阱（quantumwell）百科中学物理
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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。

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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。

半导体超晶格和量子阱-PPT(精)65页PPT

39、没有不老的誓言，没有不变的承诺，踏上旅途，义无反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。
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。

量子阱材料的原理和应用

量子阱材料的原理和应用1. 引言量子阱材料是一种在晶体中嵌入的人工结构，可用于控制电子、光子和声子的运动。

它的独特性质使其在许多领域有广泛的应用，例如光电子、半导体器件和量子计算等。

本文将介绍量子阱材料的原理和应用。

2. 量子阱材料的原理量子阱材料的原理基于能带理论和量子力学的基本原理。

在晶体结构中，通过在不同的材料中形成能带势垒，可以限制电子在某个方向上的运动，从而形成一个量子阱。

这种限制使得电子的能级在禁能带中形成离散的能级结构，类似于谐振子。

2.1 能带结构通过选择不同的材料和控制材料的厚度，可以调节量子阱的能带结构。

通常，量子阱材料由两种材料构成，一种是势垒材料，一种是势垒外的材料。

势垒材料具有较大的能隙，形成能带势垒，而势垒外的材料具有较小的能隙。

通过选择合适的材料和厚度，可以在势垒材料和势垒外的材料之间形成一个势垒结构。

2.2 量子限制效应当电子被限制在一个很小的空间范围内时，由于量子限制效应，其能级将发生离散化，形成量子限制态。

这些量子限制态的能级与电子的动量和位置密切相关。

通过调节量子阱的尺寸和材料，可以控制电子的量子限制态。

这种控制使得量子阱材料在光电子器件中有广泛的应用。

3. 量子阱材料的应用量子阱材料在多个领域有广泛的应用，以下是一些典型的应用：3.1 光电子器件量子阱材料在光电子器件中有广泛的应用，例如激光器、光电二极管和太阳能电池等。

量子阱激光器利用量子限制效应，可以产生单色、高亮度和高效率的光。

光电二极管利用量子阱的能带结构，在特定波长范围内实现高灵敏度的光电转换。

3.2 半导体器件量子阱材料在半导体器件中也有重要的应用。

量子阱材料可以用于制造高速、高频率的电子器件，例如高电子迁移率晶体管（HEMT）。

HEMT器件具有优异的开关速度和低噪声特性，广泛应用于无线通信和半导体工业等领域。

3.3 量子计算量子计算是一种新型的计算模型，利用量子力学的特性来处理信息。

量子阱材料可以用于制造量子比特（Qubit），是构建量子计算机的基本单位。

半导体物理之量子力学初步

•对于单个粒子来说，必须满足归一化条件：
•要使能量E和势函数V(x)在任何位置均为有限值，则： 1、波函数Ψ(x)必须有限、单值和连续。 2、波函数Ψ(x)的一阶导数必须有限、单值和连续。
1.3 薛定谔波动方程的应用
自由空间中的电子
如果没有任何外力作用于粒子，则势函数V(x)为常量，且有E>V(x)。简单来说，不妨设对于所有的x，势函数V(x)= 0。那么，一维定态薛定谔方程可写为和时间无关的方程定态解
3 磁量子数m • 描述原子轨道在空间伸展方向的参数 • 磁量子数不影响的原子轨道能量。即n相同，l相同的几个原子轨道能量是等同的 • m的取值受l的限制 l =0 时，m=0，即s轨道只有1种空间取向； l =1，m=1,0,-1，即p轨道有3种空间取向; l =2，m=2,1,0,-1,-2，即d轨道有5种空间取向; 同理, l =3，m=3,2,1,0,-1,-2,-3，即f轨道有7种空间取向; 4.自旋量子数s • 取值：s= ± ½
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：
代入得：令：解得：Fra bibliotek薛定谔波动方程可写为：
2 x 2mE 2 2 x
x A exp
jx
x 0
jx 2mE 2mE B exp
和时间有关的解
t e j E / t
行波解
就是说自由空间中的粒子运动表现为行波。其中系数为A的第一项是方向为+x的波，系数为B的第二项是方向为–x的波。系数的值可有边界条件确定。

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。

高二物理竞赛课件量子阱

三维
hh:A,C lh:B,D
B 72.50 , 背景反射率降低.
2.超晶格 ①吸收谱反射谱发光谱
SL
②II类超晶格
• Ga As 是直隙材料, AlAs 是大能隙的间隙材料. ●当阱宽很小时,则电子基态上升而高于势垒电子基态,于是发生空间间接跃迁. 因此短周期的II类 Ga As / AlAs 超晶格在实空和动量空间都是间接的. 势阱中激发的电子驰豫到“势垒”里。
量子阱
●吸收谱与上述多量子阱类似.阱宽减小，
吸收谱激子频率兰移.
En
2 2n2
2me ,ha 2
, a
En
.
●与多量子阱情况比较, 反射谱发光谱谱
线加宽得多.这是因为与III-V化合物相比，
II-V化合物的生长方法较差，势阱和势垒
宽度无序和混晶的影响加重。
反射谱 ●某些层的FP模比激子共振更显著得多. ●共振区,二维振子强度f较三维振子强度f更强,但是由于谱线加宽,该效应通常被抵消.
③形变 Ge / Si 超晶格：对折能带可以发生直接跃迁.
折叠CB
CB
VB
k
④掺杂超晶格nipi:接跃迁复合发光,频率减小.

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4.1 吸收光谱实验
Dingle等研究了上述量子阱中电子从价带束缚态跃迁到导带束缚态时对应的光吸收实验。
• 阱宽l = 400 nm，量子效应消失，对应于GaAs的本征
吸收光谱；
• 阱宽l = 21 nm和14nm，量子效应显示出来，这些峰
为电子从价带束缚态跃迁到导带束缚态所对应的吸收。
可做出比一般Si器件更高速工作的电子器件。
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（4）多维超晶格一维超晶格与体单晶比较具有许多不同的性质，这些特点
来源于它把电子和空穴限制在二维平面内而产生量子力学效应。进一步发展这种思想，把载流子再限制在低维空间中，可能会出现更多的新的光电特性。用MBE法生长多量子阱结构或单量子阱结构，通过光刻技术和化学腐蚀制成量子线、量子点。
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§3 超晶格量子阱中的新现象
3.1 量子限制效应(quantum confinement effect) 3.2 共振隧穿效应 3.3 超晶格中的微带 3.4 声子限制效应 3.5 二维电子气
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3.1 量子限制效应(quantum confinement effect)
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2011年11月30日
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半导体超晶格和量子阱
§1 引言 §2 超晶格和量子阱的一般描述 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格量子阱的光学性质 §6 超晶格和量子阱器件
参考书: “半导体超晶格物理学” 夏建白等，上海科学出版社，1994 “半导体超晶格-材料与物理” 黄和鸾等, 辽宁大学出版社，1991 “半导体异质结物理” 虞丽生，科学出版社，2006

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。

半导体物理学第二章ppt课件

B
P型半导体
EA
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受主能级
EC
EA EV
12
半导体的掺杂
• Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受
主和施主杂质，它们在禁带中引入了能
级；受主能级比价带顶高
E
，施主能级
A
比导带底低 E D ，均为浅能级，这两种
杂质称为浅能级杂质。
• 杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
（a）Si原子半径
（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
解：（a） r1(1 3a) 3a
24
8
（b）
84r3
3 a3
3
16
0.34
最新课件
6
间隙式杂质、替位式杂质
• 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。
– 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
• V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n 型杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记为ED。施主能级离导带底Ec的距离为ED。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
最新课件
9
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
• 2.4 缺陷、位错能级
最新课件
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受主离化态 Au＝，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给使之成为三重电受主离化态Au ，所需能量为 EA3-Ev 。