异质结构Heterostructures

异质结构 Hete教学反思 rostructures

异质结构 Heterostructures

异质结

百科名片

异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。按照两种材料的导电类

型不同，异质结可分为同型异质结(P-p结或N-n结)和异型异质(P-n或p-N)结，

多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是:两种半导体有相似的晶体结

构、相近的原子间距和热膨秦小篆 胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，

都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光

电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

目录

基本特性应用作用展开

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

异质结次序沉积在同一基座上。例如图2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(如图3所示)。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。

(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、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔

效应[1]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。

异质结(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。最近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。

发光组件

因为半导体异质结构能将滴的组词 电子与电洞局限在中间层内，电子与电洞的复合率因

而增加，所以发光的效率较大;同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所

以现今的半导体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构发光组

件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此广泛应用于刹车

灯、交通号志灯、户外展示灯等。值得一提的是在1993年，日本的科学

异质结家研发出蓝色光的半导体组件，使得光的三原色红、绿、蓝，皆可用半

导体制作，因此各种颜色都可梨的英语怎么写 用半导体发光组件得到，难怪大家预测家庭用的灯

炮、日光灯，即将被半导体发光组件所取代。

雷射二极管

半俄罗斯妈妈1 导体雷射二极管的基本构造，与上述的发光组件极为类似，只不过是雷射二

极管必须考虑到受激发光(stimulatedemission)与共振的条件。使用半导体异质结

构，因电子与电洞很容易掉到中间层，因此载子数目反转(populationinversion)

较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与电洞因被局限在中间层内，

其结合率较大。双皮奶的简单做法 此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间

层，致使光不会流失，而增加雷射强度，是故利异质结构制作雷射，有很大的优

点。第一个室温且连续发射的半导体异质结构雷射，是在1970年由阿法洛夫领导

的研究群所制作出来的，而克拉姆则在1963年发展了有关半导体异质结构雷射的

原理。半导体雷射二极管的应用范围亦相当广泛，如雷射唱盘(如图4所示)，高速

光纤通讯、激光打印机、雷射笔等。

异质结构双极晶体管

在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子很容易就由旁边的夹层

注入，是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流，就可以大为提高，

同时基极的厚度可以减小，其掺杂浓度可以增加，晶体管的放大倍率也为之增

加;

因而反应速率变大，所以异质结构得以制作快速晶体管。利用半导体异质结构

作成晶体管的建议与其特性分析，是由克接拉姆在1957提出的。半导体异质结构

双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行

动电话等。

高速电子迁移率晶体管

高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分

隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，

就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件

具有很高的向应频率(600GHz)属鸡的今年几岁了 且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯

(如图5所示)，以及天文观测。

其它应用

半导体异质如何种韭菜 结构除了用于上述组件外，亦大量使用于其它光电组件，如光侦测

器、太阳电池、标准电阻或是光电调制器...等。又因为长晶技术的进展，

单层原子厚度的薄膜已能控制，因此半导体异质结小米6配置 构提供了高质量的低维度系

统，让科学家能满足探求低维度现象的要求。除了在二度空间观测到量子与分数量

子霍尔效应外，科学家已进一步在探求异质结构中的一维与零维的电子行为，预期

将来还会陆续有新奇的现象被发掘，也会有更多新颖的异质结构组件出现。

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