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异质结基本特性

2021-10-22 11:31:24

异质结基本特性

所谓半导体异质结构,就是将不同材料的半导体薄膜,依先后次序沉积在同一基座上。例如图1所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。

半导体异质结构的基本特性有以下几个方面:

(1) 量子效应:因中间层的能阶较低,电子很容易掉落下来被局限在中间层,而中间层可以只有几十埃(1埃=10^-10米)的厚度,因此在如此小的空间内,电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如:能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等,其中能态密度与能阶位置,是决定电子特性很重要的因素。

(2) 迁移率(Mobility)变大:半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献,因此在一般的半导体材料中,自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中,可将杂质加在两边的夹层中,该杂质所贡献的电子会掉到中间层,因其有较低的能量。因此在空间上,电子与杂质是分开的,所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制,因此其迁移率就可以大大增加,这是高速组件的基本要素。

异质结

(3)奇异的二度空间特性:因为电子被局限在中间层内,其沿夹层的方向是不能自由运动的,因此该电子只剩下二个自由度的空间,半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者,如电子束缚能的增加、电子与电洞(即空穴)复合率变大,量子霍尔效应,分数霍尔效应等。科学家利用低维度的特性,已经已作出各式各样的组件,其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件,而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

(4)人造材料工程学:半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层,可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说,镓可以被铝或铟取代,而砷可以用磷、锑、或氮取代,所设计出来的材料特性因而变化多端,因此有人造材料工程学的名词出现。科学家将锰原子取代镓,而发现具有铁磁性的现象,引起很大的重视,因为日后的半导体组件,有可能因此而利用电子自旋的特性。此外,在半导体异质结构中,如果邻近两层的原子间距不相同,原子的排列会被迫与下层相同,那么原子间就会有应力存在,该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制,因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素,产生更多新颖的组件,例如硅锗异质结构高速晶体管。


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