半导体超晶格能带结构2
《2024年势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》范文
《势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》篇一势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器研究进展（特邀）一、引言随着红外技术的飞速发展，红外探测器作为其核心技术之一，在军事、安防、遥感等领域的应用日益广泛。
势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其独特的物理特性和优异的光电性能，成为当前红外探测器领域的研究热点。
本文将就势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展进行详细介绍。
二、InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格基本原理与特性InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格是一种由两种不同组分的半导体材料交替生长而成的超晶格结构。
其独特的电子能带结构和势垒效应使得该结构在红外探测领域具有显著优势。
InAs和InAsSb因其相近的晶格常数和良好的相容性，成为制备势垒型超晶格的理想材料。
三、势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展1. 材料制备与生长技术在材料制备方面，研究人员通过分子束外延、金属有机化学气相沉积等先进技术，成功制备出高质量的InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格材料。
这些技术能够精确控制超晶格的周期、厚度和组分，为制备高性能红外探测器提供了良好的材料基础。
2. 器件结构与性能优化在器件结构方面，研究人员通过引入量子阱、势垒层等结构，有效提高了探测器的光响应性能和响应速度。
同时，针对红外探测器的响应波段、探测率、暗电流等关键性能指标，进行了大量优化研究。
3. 实验研究与性能分析实验研究表明，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器具有较高的量子效率、低噪声、快速响应等优点。
通过分析器件的能带结构、载流子输运机制等物理过程，为进一步优化器件性能提供了理论依据。
四、研究现状及未来发展趋势目前，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器已取得了一系列重要研究成果，为红外探测技术的发展提供了新的途径。
超晶格能带计算 有效质量理论
+
∂2 ∂y 2
+
∂2 ∂z 2
)
其中，m*是电子有效质量(导带底附近是各项同性的)，假设了能量极值点在Γ点(
r k0
=
0 )。
有效质量方程为：
⎢⎡− ⎣
h2 2m∗
∂2 ( ∂x2
+
∂2 ∂y 2
+
∂2 ∂z 2
)
+
U
(rr)⎥⎤ ⎦
F
(rr
)
= [E
−
En (0)]F (rr)
波函数：
ψ (rr) = F (rr)unk0 (rr) = F (rr)usk0 (rr)
= 0 ， ki2
=
2mi h2
(E −Vi )
其解的形式是沿 z 轴正负两个方向平面波的叠加：
-∞ ≤
z
<
z1： G0
=
A eik0 ( z−z1) 0
+
B e −ik0 ( z−z1) 0
z1 ≤ z < z2： ……
G = A e + B e ik1(z−z1)
−ik1( z−z1)
1
1
1
(注意取 z0 = z1)
注意此式中
Fj
(rr)
与
a
j
r (k
)
的关系[?]。
-4-
二． 导带的计算
1．导带不参与其他带的耦合
----单带模型的有效质量方程(抛物带模型)
导带底等能面是球面，抛物型能量色散关系为：
En
r (k )
=
En
(0)
+
h2k 2 2m∗
新型半导体超晶格的性质与调控
新型半导体超晶格的性质与调控半导体是一种具有特殊电学特性的材料。
近年来，人们对半导体超晶格的研究越来越深入。
超晶格是一种由不同种类的半导体所组成的周期性结构，其周期比单个材料的元胞小很多，通常在纳米级别范围内。
超晶格材料比单一材料更具有丰富的物理性质，常用于光电器件中。
在正常晶格上加上一些离子致使晶格不稳定性的变化，从而形成超晶格。
新型半导体超晶格的性质和调控是研究超晶格应用的重点。
超晶格的性质超晶格的性质是由其构成材料的性质所决定的。
超晶格的色散性、谐振、局域化和量子调控等性质是超晶格主要的特性。
超晶格的能带结构不同于单一材料，由于不同材料的复合与共价键构成，能带结构变得更加复杂。
超晶格的能带带隙可以改变，能带的方向和形状也可以改变，这可能导致材料的电学性质发生变化。
此外，超晶格的缺陷结构也是决定其性质的重要因素之一。
超晶格晶体中的缺陷会影响材料的载流子传输、电导率、反射、折射等性质。
超晶格的调控在实际应用中，超晶格的性质需要得到调控，以满足不同领域的需求。
超晶格的调控可以分为外部和内部两种。
外部调控主要是通过改变超晶格生长的条件来调控超晶格的性质。
如改变生长温度、压力、气氛等，以影响超晶格中元胞大小、晶格常数和缺陷密度等参数。
内部调控主要是通过在超晶格中引入原子、让其形成原子尺度的缺陷来调控超晶格的性质。
该方法主要适用于低维超晶格材料，如量子阱、量子井等半导体材料。
通过在超晶格中引入陷阱原子、离子等，可以实现对载流子的调控，从而影响超晶格的电学性质。
实例应用超晶格材料在电子器件、光电器件、光通信、纳米电子学等领域有广泛应用。
例如，超晶格量子点太阳能电池，能够充分利用太阳光谱范围内的光能，大大提高太阳能电池的转化效率。
超晶格量子阱激光器，在通信领域得到广泛应用。
由于超晶格材料的性质会随晶格参数、化学组成的变化而变化，其性质和调控对于材料设计及其应用具有广泛的前景。
总结新型半导体超晶格是一种由不同种类的半导体组成的周期性结构，具有复杂的物理性质。
超晶格结构及其物理性质分析研究
超晶格结构及其物理性质分析研究超晶格( Superlattice)是一种由两种或两种以上不同材料交替排列排成的人工晶体材料。
它的几何结构可以用一定的周期性来描述。
超晶格结构的制备是近年来材料科学研究领域中的一个热点问题，因为其被广泛应用于电子学、光电子学、纳米电子学、半导体及光电器件等领域。
本文旨在对超晶格结构及其物理性质进行介绍和分析研究。
一、超晶格结构的制备超晶格的制备一般采用金属-半导体或半导体-半导体异质结合成的结构。
异质结的制备原则是利用不同的材料性质，如不同的基底，晶格常数、材料缺陷等，通过外延生长技术或离子注入技术等方法把它们联系起来，达到制备超晶格结构的目的。
利用这些技术可以控制异质接面的形貌和厚度，从而控制超晶格的周期性和形状。
二、超晶格结构的性质超晶格具有许多独特的性质，其中一些性质是由超晶格的周期性结构所带来的。
这些性质包括:1. 低维电子结构超晶格结构中的建构元件常是低维结构，如二维量子阱，三维量子点和一维量子导线等。
这些结构的电子在空间上被限制在微小的范围内，因此可以显示出在真实物质中不易见到的新奇性质。
如二维量子阱中的电子会表现得像自由电子，具有弱反射和透明性，从而可用来制造高速电子运输的半导体激光器。
2. 禁带结构和能带结构超晶格能带结构的演化涉及到最复杂的电子结构现象之一。
当晶格常数接近等于量子点直径时，可以形成禁带，通过改变晶格常数可以改变禁带的大小，对半导体光电器件的设计和使用具有重要的影响。
3. 光学性质超晶格结构对入射光具有复杂检测应答能力。
在观察入射光时，相贯干涉也会显示出低维结构的普遍性，光子与电子之间的相互作用也比在限定晶体中更密集。
4. 磁性和输运性质超晶格可以显示出独特的磁性和输运性质，由于超晶格自身所具有的周期性结构，使得电子在超晶格中的传输呈现出完全不同于杂质限制下传输的现象。
三、超晶格在材料领域的应用通过超晶格的制备和相关性质的研究，我们可以制备出一些具有优良性质的材料来：1. 优良的光电特性例如InGaAs/GaAs超晶格结构，可以获得比GaAs基底优异的光电性能。
超晶格结构与特性
超晶格结构与特性作者：张海瑞来源：《价值工程》2014年第28期摘要：本文简要论述了半导体超晶格的分类，结构特性，能带结构与应变超晶格，以及它们的发展与应用。
Abstract： This paper briefly discusses the classification， structural characteristics and the band structure of semiconductor superlattice， strained-layer superlattice， and their development and application.关键词：超晶格；结构；类型；特征Key words： superlattice；structure；types；characteristics中图分类号：O431.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0318-021 超晶格的定义及结构超晶格是指周期性交替生长的两种或多种材料构成的人造晶体。
相邻两层不同材料的厚度合称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单层的晶格常数大几倍或更长，因此，这种结构获得了“超晶格”的名称。
下面对半导体超晶格的结构进行简单的介绍。
Ga1-xAlxAs/GaAs半导体超晶格结构是在半绝缘的GaAs衬底上，外延生长GaAs薄层，再在上面交替的生长厚度为几埃甚至上百埃的Ga1-xAlxAs和GaAs薄层而构成的。
掺杂时的Ga1-xAlxAs/GaAs的能带图如图2所示，GaAs的禁带宽度Eg1为1.424eV，Ga1-xAlxAs的禁带宽度Eg2则随组分x而变，其关系为：Eg2=Eg1+1.247x。
两种材料的禁带宽度之差ΔEg为：ΔEg=Eg2-Eg1=1.247x，可见，ΔEg也随Al组分x而变化。
从图2中可以看到，在Ga1-xAlxAs和GaAs的交界处，能带是不连续的，二者的导带底能量差为ΔEc，价带顶能量差为ΔEν，而且ΔEc+ΔEν=ΔEg。
7.8 半导体超晶格
图7.8.5 横向超晶格器件
7.8.4 二维电子气的能态密度与量子霍尔效应 １. 二维电子气能态密度 如前所述，超晶格半导体附加的周期性引 起电子能谱的附加量子化，即在 z 方向形成一 系列量子能级 E1 ( z), E2 ( z), ，由式（7.8.1）可知， 由于[ 2 /(2m* )](k x2 k y2 ) 形成准连续谱，则相应 z 方 向的每一个能级 E ( z) ，电子的二维运动形成一 个子能带。子能带的态密度可由第4章的方法 求得，只不过这里是二维问题。由在 k// (kx , ky ) 空 间Ｋ标度下单位体积的态密度为1/(2π)2 可知， 以 k k k 为半径的 k// 空间圆内所包含的允许 的 k// 的数目为 :
图 7.8.3 超晶格中E-k 关系
图 7.8.4 在周期性晶体场中外加直流 电场以后电子的行为
由此可见，由于在超晶格晶体中引入了附加的一维 周期势场，其中电子的能量将呈现新的量子化现象， 原来晶格周期势场中的能带分裂成一系列子能带。
7.8.3 超晶格的负阻效应及其应用
这种附加量子化效应使得超晶格晶体产生了许许 多多新的物理现象和物理性质，如量子霍尔效应、 负阻效应等。下面简单介绍负阻效应极其应用。 研究表明，当在不同的温度下测量超晶格晶体的 电阻时，将会发现样品的电阻随外加电压变化而变 化。当外加电压增加到某一阀值时，微分电阻的数 值将会发生突变，在某些温度下会出现负阻现象。 过了突变值以后，随着外加电压的增加，电阻的数 值会出现忽大忽小的变化。电阻的这种异常变化是 块状 GaAs、AlAs 的单晶样品所没有的。关于超晶格 晶体的负阻效应可作如下的定性讨论。 图７.８.４给出了电子在直流电场中受到加速作 用以后运动的情况。假定无外电场时，电子处于Ａ
半导体超晶格材料及其应用
半导体超晶格材料及其应用引言：半导体超晶格材料是一种由多个不同材料交替堆叠而成的晶格结构，具有独特的物理和化学性质。
它们在电子学、光电子学和能源领域等多个应用中具有巨大的潜力。
本文将介绍半导体超晶格材料的基本概念和制备方法，并重点探讨其在光电子器件和能源转换领域的应用。
一、半导体超晶格材料的基本概念半导体超晶格材料是由两种或更多种不同晶格常数的半导体材料交替堆叠而成的复合材料。
由于晶格常数的不匹配，材料界面形成了一系列的晶格失调和应变区域。
这些晶格失调和应变区域对电子结构和输运性质产生了显著影响，从而使半导体超晶格材料具有特殊的性质。
二、半导体超晶格材料的制备方法主要有两种方法用于制备半导体超晶格材料：一是分子束外延（MBE）方法，二是金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法。
这些方法可以通过精确控制材料的堆叠顺序和厚度来实现半导体超晶格材料的制备。
三、半导体超晶格材料在光电子器件中的应用1. 光电二极管：半导体超晶格材料的能带结构和电子输运性质可通过调控晶格常数和材料组分来实现。
这使得半导体超晶格材料在光电二极管中具有优异的性能，如高效率和高速度。
因此，半导体超晶格材料被广泛应用于高速光通信和激光器等领域。
2. 太阳能电池：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对电子结构和光吸收特性的调控具有重要意义。
通过合理设计半导体超晶格材料的结构和组分，可以实现更高的光电转换效率和更宽的光谱响应范围，从而提高太阳能电池的性能。
3. 光电导体：半导体超晶格材料的能带对称性和输运性质的调控使其成为优秀的光电导体。
半导体超晶格材料在光电导体领域的应用包括光电传感器、光电调制器和光电晶体管等。
四、半导体超晶格材料在能源转换中的应用1. 热电材料：半导体超晶格材料的晶格失调和应变区域对热电性能的调控具有重要意义。
通过设计合适的结构和组分，可以实现更高的热电转换效率，从而将热能转化为电能。
2. 催化剂：半导体超晶格材料的界面和晶格缺陷可提供更多的活性位点，从而提高催化剂的活性和稳定性。
8.3 异质结量子阱及超晶格结构
第八讲8.3半导体异质结量子阱及超晶格结构量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。
如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。
量子阱中的电子在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的，而在与异质结界面平行的二维平面内作自由电子运动。
因此，把量子阱中的电子称为二维电子气（2DEG）。
（a）双异质结单量子阱（a）i-GaAs n-Al X Ga3-X As2--DEGE2E FE1△E C（b）调制掺杂异质结界面量子阱E GA E GB（一）双异质结间的单量子阱结构双异质结结构： Alx Ga1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求GaAs层足够薄。
1、导带量子阱中的电子能态设势阱的宽度为l ，取垂直于界面的方向为z 轴，势阱中间点为原点，求解薛定谔方程，可得到如下结论：（一）双异质结间的单量子阱结构（1）势阱中电子沿 z 轴方向运动受限，在平行于结面的运动是自由的，形成了二维电子气；（2）势阱中电子态的能值分裂为一些分立能级E1，E2…，E i…，对应于电子的束缚态，如图3所示；图3 双异质结单量子阱中的能级分布（3）E z<ΔE c 时，电子的波函数在势阱内为 z 的正弦或余弦函数,如图 4 所示；（4）不管 ΔE c 值的大小，至少有一个解存在；（5）势阱深度 ΔE c 越大，阱内的束缚态越多；（6）势阱中的状态密度变为台阶状分布，如图 5 所示。
图 4 束缚态能级与波函数图 5 电子态密度分布2、价带量子阱中的空穴能态在Al x Ga1-x As/GaAs/Al x Ga1-x As 双异质结量子阱中，空穴处于价带量子阱中，也在与结面平行的面内形成二维空穴气。
势阱中空穴态的能值分裂为一些分立能级，形成空穴的束缚态能级。
由于轻、重空穴有效质量的不同，形成轻重空穴能级混合交叉的分立束缚态能级。
如图 6 所示。
（二）调制掺杂异质结界面量子阱1、调制掺杂异质结的能带结构：图7 异质结界面处的能带及势阱n +-AlGaAs 与本征GaAs 构成异质结时，电子将从n +-AlGaAs 注入到本征GaAs 中，平衡时结两边具有统一的费米能级，在异质结界面处GaAs 一侧形成了一个三角形的势阱。
超晶格第四章半导体超晶格
3�电学方法�C-V法�
当有外加电压Va存在时�势垒的宽度和高度的关系为�
( x0
−
x1 )
=
[
2ε1ε 2N D
qN A (ε1N A + ε 2N D
)
(VD
− Va
)]1/ 2
( x2
−
x0 )
=
[
2ε1ε 2N A
qN D (ε1N A + ε 2N D )
?异质结不同能隙材料形成的结如族族族等?主要特点能隙宽度介电常数及电子亲和势均不同?不仅是超晶格的基本组成部份其材料与结构的不同也为器件设计带来许多自由度及独特的性质21理想突变异质结能带图理想突变异质结的模型是两种材料一直到边界都保持其体内的特性在边界上才突变成另一种材料
第四章 半导体超晶格
§1 引言 §2 异质结 §3 超晶格量子阱中的新现象 §4 超晶格电子态理论 §5 超晶格晶格振动 §6 超晶格量子阱的光学性质 §7 超晶格量子阱的垂直输运性质 §8 超晶格量子阱应用例举 §9 量子Hall效应 *§10 低维超晶格和微结构
3�应变超晶格
一般认为�晶格常数的失配度<0.5%为晶格匹配� 失配度>0.5%为晶格失配。在晶格常数失配度<7% 的范围内�其中的一种或两种材料内存在应变�以 补偿晶格常数的失配�界面不产生位错与缺陷。
如�Si/Ge, GaP/InP
§2
异质结 - 超晶格的基本单元
“半导体异质结物理”, 虞丽生,科学出版社.
当势阱的宽度和载流子的有效质量已知时�可用和 实验数据相拟合的办法求出相应势阱的深度�即导 带带阶和价带带阶。
电子的跃迁满足选择定则 Δn = 0�即位于第n个重 �或轻�空图穴5 量能子级阱只中的能量跃子能迁级到和第光跃n迁个电子能级。
二类超晶格红外光电材料研究与应用
一、概述超晶格材料作为一类具有特殊物理性质的材料，近年来在光电器件领域得到了广泛的应用。
其中，二类超晶格红外光电材料因其独特的结构和优异的光电性能而备受关注。
本文旨在系统地探讨二类超晶格红外光电材料的研究现状和应用前景。
二、二类超晶格红外光电材料的研究现状1. 定义和特点二类超晶格材料是指具有两个以上晶格结构的材料，通常由两种或两种以上不同的材料周期性交错堆积而成。
这种结构的材料具有独特的电子能带结构和光学性质，因此在红外光电器件的应用中具有巨大潜力。
2. 结构类型二类超晶格红外光电材料可以分为垂直叠层超晶格和平面叠层超晶格两种结构类型。
垂直叠层超晶格是指晶格周期垂直于材料表面方向排列的超晶格结构，而平面叠层超晶格是指晶格周期平行于材料表面方向排列的超晶格结构。
3. 研究方法目前，人们对二类超晶格红外光电材料的研究主要集中在材料合成、结构表征和光电性能测试等方面。
采用化学气相沉积、物理气相沉积等先进的制备技术可以实现对二类超晶格红外光电材料的精确控制；透射电子显微镜、X射线衍射等技术可以对材料的结构进行表征；而拉曼光谱、光致发光谱等测试方法可以对材料的光电性能进行评估。
4. 研究进展近年来，国内外学者对二类超晶格红外光电材料的研究取得了许多重要进展。
美国加州大学伯克利分校的研究团队成功合成了一种具有垂直叠层超晶格结构的红外光电材料，并发现了其在光电器件中的潜在应用价值。
我国科学院物理研究所的研究团队也通过实验和理论模拟，揭示了平面叠层超晶格结构对红外光电性能的重要影响机制。
三、二类超晶格红外光电材料的应用前景1. 红外探测器二类超晶格红外光电材料具有优异的光电性能，尤其是在红外波段的灵敏度和响应速度方面具有显著优势。
二类超晶格红外光电材料在红外探测器领域有着广阔的应用前景。
未来，这类材料有望成为下一代高性能红外探测器的关键材料之一。
2. 光电调制器二类超晶格红外光电材料的独特结构和光学性质为其在光电调制器领域的应用提供了有力支撑。
GaSbⅡ型超晶格显微结构研究的开题报告
InAs/GaSbⅡ型超晶格显微结构研究的开题报告
1.研究背景
II型超晶格是一种重要的半导体材料，由于具有优异的电学、光学
和磁学性质，已经被广泛应用于光电子领域。
InAs/GaSbⅡ型超晶格是其中比较典型的一个，由于其宽的能带间隙，可以用于制备中红外探测器
和量子点激光器等器件。
在InAs/GaSbⅡ型超晶格中，由于其特殊的结构，其能带隙随着厚
度的增加而周期性变化，形成了量子阱，量子条和量子点等结构。
这些
结构的形成和性质对InAs/GaSbⅡ型超晶格器件的电学和光学性能具有重要的影响。
因此，对InAs/GaSbⅡ型超晶格的显微结构进行研究，对于深入理
解其电学和光学特性，以及制备高性能的光电子器件具有重要意义。
2.研究内容
本课题将对InAs/GaSbⅡ型超晶格的显微结构进行研究，具体内容
包括以下几个方面：
（1）超晶格样品制备：使用分子束外延技术制备InAs/GaSbⅡ型超晶格样品，并通过X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对样品进行表征。
（2）量子结构的形成和性质研究：分别对InAs/GaSbⅡ型超晶格的量子阱、量子条和量子点等结构的形成和性质进行研究，包括其尺寸、
形状、分布、能带结构和激发态等。
（3）电学和光学性质研究：通过光电流和荧光光谱等手段对
InAs/GaSbⅡ型超晶格的电学和光学性质进行研究，包括其载流子输运性质和荷载子重组过程等。
3.研究意义
本研究将深入探究InAs/GaSbⅡ型超晶格的显微结构及其电学和光学性质，为进一步理解其性能提供了基础。
此外，该研究还有助于对InAs/GaSbⅡ型超晶格器件的制备和性能优化提供指导，具有重要的应用意义。
半导体物理半导体的物质结构和能带结构
• 习题；2-1、3
前章要点
第1章 半导体的物质结构和能带结构
• 元素的电负性决定其原子凝聚为固体的结合力，结合力决 定晶体结构中的近程序，近程序周期重复的方式决定晶体 的类型。
• 半导体是一些由电负性（或平均电负性）不大不小的元素 构成的物质。共价键是其原子的主要结合力，但化合物半 导体包含有程度不等的离子键成分。
半导体杂质工程
一、施主杂质和受主杂质 二、双性杂质与深能级、浅能级概
念 三、施主与受主之间的补偿
四、缺陷的施、受主作用
五、等电子陷阱
六、空位的补偿作用、单极性半导体
第2章 半导体中的载流子及其输运性质
§ 2.1 载流子的漂移运动和半导体的电导率
一、 欧姆定律的微分形式
J
V S R
V l S
1
V l
g(E) dZ dE
• 求解思路：首先算出单位体积 k 空间中的量子态数，即k 空间的量子态密度；然后算出 k 空间中某能量范围所对 应的 k 空间体积，二者相乘即得相应的状态数 Z, 对Z求 能量E的导数即得g(E)。
三、k空间的量子态密度
• 对晶格常数为a，原胞数为N的一维晶体，k的允许值为简 略布里渊区中N个等间距的点，其间隔距离为2/L。
• 结晶半导体基本上都是正四面体晶格结构，分别属于立方 晶系和六方晶系，只有少数例外。
• 化合物半导体中双原子层的不同堆垛顺序导致闪锌矿和纤 锌矿晶格结构的不同，并导致SiC的200余种同质异晶型。
周期势场中电子的E(k)关系和能带 简略布里渊区
满带电子不导电、未满带电子导电
N
j qvi 0 i 1 N
s
(8ml mt2 )1/ 2 3
(E
第三章半导体超晶格
第3章 半导体超晶格3.1 半导体超晶格基本结构3.2 超晶格的应用举例3.1 半导体超晶格基本结构所谓的超晶格，是由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成地一种特殊晶体。
超薄层堆叠地周期（称为超晶格地周期）要小于电子的平均自由程，各超薄层的宽度要与电子的德布罗意波长相当。
其特点为在晶体原来的周期性势场之上又附加了一个可以人为控制的超晶格周期势场，是一种新型的人造晶体。
超晶格的分类（一）复合超晶格利用异质结构，重复单元是由组分不同的半导体薄膜形成的超晶格称为复合超晶格，又称为组分超晶格。
按照能带不连续结构的特点可将这个类型超晶格分为四类：第Ⅰ类超晶格、第Ⅱ类错开超晶格、第Ⅱ类倒转型超晶格和第Ⅲ类超晶格。
（1） 第Ⅰ类超晶格(GaAs/AlGaAs)GaAs 材料的见地完全包含在AlGaAs 的能隙之中，电子和空穴都位于窄带隙材料的势阱中v c g E E E ∆+∆=∆x 247.1E g ＝∆，与Al 的组分x 成正比。
（2） 第Ⅱ类 —— 错开型超晶格（GaSbAs/InGaAs ）两个带隙互相错开，一个价带底在另一个价带底的下面。
电子和空穴分别处于两个不同的材料中形成了真实空间的间接带隙半导体（3） 第Ⅱ类 —— 倒转型超晶格（InAs/GaSb ）一个导带底下降到另一个价带底之下。
电子和空穴可能并存于同一个能区中，形成电子－空穴系统Ec1与Ec2能量相差一个Es ，前者的导带与后者的价带部分重叠，从而可能发生从半导体到金属的转变（4） 第Ⅲ类超晶格(HgTe/CdTe)宽带隙半导体CdTe 和零带隙半导体HgTe 构成的超晶格。
只有当超晶格的周期小于某一定值时才具有半导体特性，否则具有半金属特性。
超晶格能隙差由最低导带子能带和价带子能带的间距决定，价带能量不连续值近似为零，导带能量不连续值近似等于两种材料能隙之差。
（二）掺杂超晶格利用超薄层材料外延技术（MBE 或MOCVD ）生长具有量子尺寸效应的同一种半导体材料时，交替地改变掺杂类型的方法（即一层掺入N 型杂质，一层掺入P 型杂质），即可得到掺杂超晶格，又称为调制惨杂超晶格。
半导体光学12应变层超晶格
式中 l x
2
Lx
1
2
sl Eym Ezn,
式中
E xl
2 2
2m*e
nx2 L2x
,l
1,2 ,3 ,
E ym与Ezn 类似.)
单个量子点的能量是量子化的.
当量子点为边长为a的正方体时,
En
2 2
2m*e
n2 a2
,n2
l2
m2
n2
● p型半导体：主要靠空穴带电. ●受主电离能 A E A Ev .
Ⅲ族原子在Ge 和Si中 A 0.02 0.2eV
与室温下 kBT 可比,因此, 室温下受主杂质 绝大部分是电离的.掺入少量受主杂质可 使空穴浓度大大增加. ③浅能级杂质
●带电中心形成附加（短程）势场,有可能
使载流使子束缚在杂质或缺陷周围,产生 局域态,其能级位于能隙中. ●●类氢模型 严格理论可以证明：只要晶体中附加势 场变化足够缓慢,导带中电子在该势场中 的运动就可以由有效质量加以描述.电子 围绕正电中心的运动与围绕氢原子核的 运动完全相似,只是库仑势场的作用大大
削弱,
F
e2 4 0 r
, r
10.
Ge r 16, Si r 12.
束缚能为
EbD ,A
me ,h H
m0
2 r
me ,h 1
m0
2 r
Ry nB2
.
其中 Ry 13.6eV 为氢原子里德堡能量，
nB 为主量子数，ε为介电常数.
5meV EbD 50meV , 20meV EbA 200meV .
▲与应变结果（压缩、拉伸）有关的能 带分裂可以增加或部分抵消因量子化产 生的能带分裂。 5. 量子阱界面的起伏
锑化铟、碲镉汞、量子阱及ii类超晶格
锑化铟、碲镉汞、量子阱及ii类超晶格锑化铟锑化铟是一种半导体材料，它可以作为制备高功率电子器件的重要材料之一。
它的能带结构与氮化镓相似，但是锑化铟的电子迁移率比氮化镓还要高。
这种材料可以用于高频电子器件、磁性器件以及太阳能电池等领域。
锑化铟的制备方法通常是通过金属有机分解法或分子束外延法。
在金属有机分解法中，先将铟和锑的有机化合物混合在一起，然后通过不同温度的热处理使它们反应生成锑化铟。
在分子束外延法中，使用分子束向衬底表面沉积铟和锑原子，并在特定条件下使它们反应合成锑化铟。
这种方法可以实现单层厚度的锑化铟晶体生长。
碲镉汞碲镉汞是一种半导体材料，具有较小的禁带宽度和高的电子迁移率，因此可以用于制备高速电子器件。
该材料也有很高的光吸收能力，可以用于太阳能电池和探测器等领域。
碲镉汞的制备方法主要是熔体生长法和气相输送法。
用熔体生长法可以制备大尺寸的单晶碲镉汞材料，但这种方法成本较高。
气相输送法则可以制备均匀的薄膜碲镉汞材料，并且成本较低。
这种方法通过在特定的气氛下，将碲、镉和汞原子分别输送到衬底表面沉积，使它们反应生成碲镉汞。
量子阱量子阱是指在两个具有不同能带结构的材料之间形成的一维纳米结构。
它可以用于制备量子电脑、光电器件和激光器等高性能器件。
量子阱可以通过分子束外延法、金属有机化学气相沉积法等方法制备。
在分子束外延法中，先在衬底上沉积一层具有不同晶格常数的材料，再沉积另一层与第一层材料相同的材料，如此反复，就可以在材料之间形成一个量子阱。
在金属有机化学气相沉积法中，利用金属有机化合物分解反应来沉积材料，反应的控制条件决定了最终材料的性质。
II类超晶格II类超晶格是指在两种II类化合物半导体之间形成的一种三维纳米结构。
它能够实现电子和空穴的空间限制，减少载流子的散射，从而提高了半导体的性能。
II类超晶格的制备方法主要有分子束外延法、淀积法等。
在分子束外延法中，先在衬底上沉积一层II类半导体材料，然后再沉积另一种II类半导体材料，如此循环，就可以形成一个II类超晶格结构。
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。
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本科生毕业论文（设计）册学院汇华学院专业物理学班级2007级学生侯敏娟指导教师李玉现河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书编号：论文（设计）题目：半导体超晶格的隧穿特性学院：专业：物理学班级：学生姓名：学号： 2 指导教师：职称：1、论文（设计）研究目标及主要任务研究目标：提高学生个人的调研能力，锻炼语言组织能力，培养对物理学的研究兴趣，了解物理学的发展进程，在实践中达到物理思想的熏陶。
主要任务：简单介绍半导体的概念、分类、应用，重点解释半导体的隧道效应（势垒贯穿），提高对其的认识和了解，明白怎样总结出其微观粒子的波动性及传播过程，激发研究热情并加快其研究进度。
2、论文（设计）的主要内容早在19世纪三十年代，英国巴拉迪首先发现了半导体之后，半导体行业就开始不断发展，本文首先介绍了半导体是如何被发现的并且有怎样的意义，随着研究的深入，人们发现了半导体的物理结构，随后提出了超晶格概念，超晶格概念的提出使得量子物理的研究量级从埃扩大到纳米，这一现象的发现为量子物理的进程做出了伟大的贡献，随后发现隧道效应，本文主要就隧道效应的推导过程作了详细的计算，并计算出透射系数，透射系数随着势垒的加宽或电压的增大而迅速减小，得出结论：宏观条件下观察不到隧道效应。
3、论文（设计）的基础条件及研究路线基础条件：已经搜集了大量的相关材料，学习了其中与论文题目相关的内容并加以理解。
认真整理材料和个人的学习体会，对论文相关内容有了统筹的把握。
研究路线：需在原有材料基础上进行总结归纳，介绍其研究方法并适时加入自己的观点和看法，对有关原理进行必要理论分析，并揭示其研究应用前景，突出研究半导体重要意义。
4、主要参考文献1、周世勋．量子力学教程[M]，北京：高等教育出版社，2009：34-442、杨福家．原子物理学[M]，高等教育出版社，2000：106-110．3、黄昆．固体物理学[M]，高等教育出版社，2001：325-351．5指导教师：年月日教研室主任：年月日河北师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书河北师范大学本科生毕业论文（设计）文献综述目录中文摘要、关键词 (Ⅱ)1、半导体的发现 (1)2、半导体和超晶格 (1)2.1 半导体结构 (1)2.2半导体物理特性 (4)2.3 超晶格概念的提出及超晶格材料的应用 (5)3、势垒贯穿推导 (6)3.1势垒贯穿模型及公式推导 (6)3.2计算结果 (11)4、结论 (13)参考文献 (15)英文摘要、关键词 (16)摘要：早在19世纪三十年代，英国巴拉迪首先发现了半导体之后，半导体行业就开始不断发展，本文首先介绍了半导体是如何被发现的并且有怎样的意义，随着研究的深入，人们发现了半导体的物理结构，随后提出了超晶格概念，超晶格概念的提出使得量子物理的研究量级从埃扩大到纳米，这一现象的发现为量子物理的进程做出了伟大的贡献，随后发现隧道效应，本文主要就隧道效应的推导过程作了详细的计算，并计算出透射系数，透射系数随着势垒的加宽或电压的增大而迅速减小，得出结论：宏观条件下观察不到隧道效应。
关键词：半导体，晶格，超晶格，隧道效应1半导体的发现半导体的发现实际上我们可以追溯到很久以前,1833年，英国的巴拉迪最先发现硫化银电阻的变化随着温度变化的情况不同于一般的金属，在一般情况下，金属的电阻会随温度升高而增加，而巴拉迪发现硫化银材料的电阻却是随着温度上升而降低的。
这即是半导体现象的第一次发现[1]。
不久，在1839年法国的贝克莱尔发现了半导体和电解质接触形成的结,处在光照下会产生电压，这就是人们后来所熟悉的光生伏特效应，这是被发现了的半导体第二个特征。
1874年，德国的布劳恩观察到了某些硫化物的导电性和所加的电场的方向有关系，即它的导电有方向性，在两端加一个正向的电压，它是导通的；但如果把电压极性反过来，那么它就不导电，这是半导体的整流效应，是半导体所特有的第三种特性。
这一年，舒斯特发现了铜与氧化铜的整流效应。
在1873年，英国史密斯发现了硒晶体材料于光照下电导会增加的光电导效应，这是半导体的又一个特有的性质。
关于半导体的这四个效应，(霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽然在1880年以前即先后被发现了，但是“半导体”这个名词大概到了1911年才被考尼白格和维斯所首次使用。
而总结出半导体这四个特性一直到了1947年12月才由贝尔实验室完成[2]。
2. 半导体和超晶格2.1半导体结构半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。
室温时的电阻率约在105-～107Ω·m之间，而当温度升高时的电阻率指数减小。
半导体材料有很多，按照化学成分可以分为元素半导体与化合物半导体两个大类。
锗和硅是最为常用的元素半导体；而化合物半导体则包括了Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上面介绍的晶态半导体之外，还有非晶态玻璃半导体、有机半导体等等。
半导体本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。
在极低的温度下，半导体价带是满带，在受到热激发后，价带中部分电子会越过禁带而进入到能量较高的空带，在空带中存在电子之后成为导带，价带中缺少了一个电子后会形成一个带正电的空位，称为空穴（图 2.1）。
导带中的电子和价带中的空穴合称为电子-空穴对，均能自由的移动，即载流子，在外电场作用下产生定向运动所形成的宏观电流，分别被称为电子导电和空穴导电。
而这种由于电子-空穴对产生而形成的混合型导电被称为本征导电。
导带中电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合。
在复合时释放出的能量变为电磁辐射（发光）或者晶格热振动能量（发热）。
在一定的温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并且达到动态平衡，在此时半导体具有一定载流子密度，即具有一定的电阻率。
在温度升高时，将产生更多电子-空穴对，载流子的密度增加，电阻率减小。
而无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率比较大，实际应用不多。
图2.1 空穴半导体中杂质半导体中的杂质对电阻率影响非常大。
当半导体中掺入微量的杂质时，杂质原子附近周期势场会受到干扰并会形成附加的束缚状态，会在禁带中产生杂质能级。
例如四价元素锗或者硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中的四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，另外的一个电子则被束缚于杂质原子附近，形成类氢能级。
杂质产生的能级位于禁带的上方靠近导带底的附近。
杂质能级上的电子非常容易激发到导带成为电子载流子。
像这种能够提供电子载流子的杂质被称为施主，相应的能级被称为施主能级。
施主能级上电子跃迁到导带所需的能量比从价带激发到导带所需的能量要小得多。
在锗和硅晶体中掺入微量的三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围的四个锗（或硅）的原子形成共价结合时还缺少一个电子，所以存在一个空位，而与此空位相应的能量状态即是杂质能级，它通常位于禁带的下方靠近价带处。
价带中的电子十分容易激发到杂质能级上去填补这个空位，从而使杂质原子变成负离子。
价带中因为缺少一个电子而形成了一个空穴载流子。
这种能够提供空穴的杂质被称为受主杂质。
当存在受主杂质时，在价带中要形成一个空穴载流子所需要的能量比本征半导体情形要小很多。
在半导体掺杂后，其电阻率会大大下降。
加热和光照产生的热激发和光激发均会使自由载流子的数量增加从而导致电阻率的减小，半导体热敏电阻以及光敏电阻都是根据这个原理而制成的。
对于掺入施主杂质的半导体，它的导电载流子主要是导带中的电子，属与电子型导电，称为N型半导体。
掺入受主杂质的半导体属于空穴型导电，称为P型半导体。
半导体处在任何温度下都可能产生电子-空穴对，所以在N型半导体中可以存在少量的导电空穴，在P型半导体中可以存在少量的导电电子，它们都称为少数载流子。
另外，在半导体器件的各种效应中，少数载流子常常扮演重要的角色。
PN结：P型半导体和N型半导体之间相互接触时，他们的交界区域称为PN结。
P区中自由空穴和N区中自由电子要向对方的区域进行扩散，会造成正负电荷在PN结的两侧积累，从而形成电偶极层。
在电偶极层中的电场方向正好能阻止扩散的进行。
当因为载流子数密度的不等而引起的扩散作用和电偶层中的电场作用达到平衡时，在P区和N区之间会形成一定的电势差，我们称它为接触电势差。
由于P区中空穴向N区扩散后和N区中的电子复合，而N区中的电子会向P区扩散后和P 区中的空穴复合，这使得电偶极层中的自由载流子数减少从而形成高阻层，因此电偶极层也叫作阻挡层，阻挡层电阻值往往是组成的PN结的半导体原有阻值的几十倍甚至几百倍。
PN结具有单向导电性这一特性，半导体整流管就是应用PN结的这一特性而制成的。
此外，PN结的另一个重要性质是它受到光照后能够产生电动势，称为光生伏特效应，可以利用它来制造光电池。
半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件都是利用了PN结的这个特殊性质[3]。
2.2半导体物理特性半导体的五大特性∶电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，整流特性[4]。
在形成了晶体结构的半导体中，人为掺入特定的杂质元素后，导电性能具有可控性。
在光照和热辐射的条件下，其导电性会有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。
自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体导电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体导电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。