资源简介

(共12张PPT)
晶体及其概念的延伸
2
晶体及其概念的延伸
原子或分子有序排列形成的晶体
在微观范围，原子有规律地排列形成的物质称为晶体，如天然或人工晶体。
晶体的结构可用晶体的几何理论――点阵理论来描述，共分为七大晶系，十四种布拉菲点阵。
晶体中原子、分子之间的作用力（键）有：离子键、共价键、金属键、氢键、范德华键。
3
晶体及其概念的延伸 2
1、原子或分子有序排列形成的晶体
可将用于微电子工业的天然或人工晶体称为电子晶体，或传统晶体，如半导体。半导体的原子势场呈周期性排列。
电子在半导体中传播时，电子与原子周期势场的相互作用（布拉格散射）使得电子会形成能带结构，如价带与导带，带与带之间有带隙，即 禁带。电子的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。
4
晶体及其概念的延伸 3
2、介观或宏观物质有序排列形成的晶体
在介观范围：点阵由a)人造原子，如纳米粒子构成——人造原子组成的晶体；b)几个原子或纳米厚度的不同物质的薄膜交替排列——超晶格材料。
在宏观范围，人造复合材料组成的晶体：
光子晶体——由两种具有不同介电常数的介质组成的复合材料，阵点由通常为球、杆、板等。
声子晶体——由高密度材料，通常为球、杆等为阵点封密于柔软材料，如硅胶、树脂内组成的复合材料。
5
晶体及其概念的延伸 4
3、各种晶体的区别
点阵的组元和点阵常数不同：
电子晶体：微观的原子或分子；
超晶格等：介观的纳米颗粒或薄膜；
光子和声子晶体：宏观（或介观）的球、杆或板等。
成分不同：
电子晶体由一种材料构成；
超晶格和光子、声子晶体由两种或两种以上的材料构成，是复合材料。
超晶格: Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。
当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:
E = E (kz) + 2/2m (kx2+ky2)
在xy平面内电子的动能是连续的，z方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。
不连续点的kz值满足:
kz =±n /D，D为超晶格周期。
A
B
超晶格和量子阱的一般描述
6
超晶格多量子阱能带结构示意图
多量子阱能带图
E2
E1
超晶格能带图
EcA
EvA
EcB
EvB
EgB
EgA
Ec
Ev
E2
E1
多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。
7
超晶格分类
（1）组分调制超晶格
（2）掺杂调制超晶格
（3）应变超晶格
（4）多维超晶格
（5）非晶态半导体的超晶格
（6）半磁超晶格
（7）渐变能隙超晶格(锯齿状)
超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。
8
（1）组分调制超晶格
在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。
9
按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为三类：
Ⅰ型异质结: 窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。
GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。
10
Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种：
*ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃迁几率小，如GaAs/AlAs超晶格。
11
ⅡB类超晶格：禁带错开更大，窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的价带中，有金属化现象，如InAs/GaSb 超晶格。
12

展开更多......

收起↑