半導(dǎo)體材料導(dǎo)論3 (2)課件

半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能材料學(xué)院半導(dǎo)體材料1半導(dǎo)體材料的特征（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在103~10-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W.cm)；

一般金屬為107~104S/cm,而絕緣體則<10-10，最低可達(dá)10-17。同時(shí)，同一種半導(dǎo)體材料，因其摻入的雜質(zhì)量不同，可使其電導(dǎo)率在幾個(gè)到十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)變化，也可因光照和射線輻照明顯地改變其電導(dǎo)率；而金屬的導(dǎo)電性受雜質(zhì)的影響，一般只在百分之幾十的范圍內(nèi)變化，不受光照的影響。（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，即隨著溫度升高，它的電導(dǎo)率增大；而金屬導(dǎo)體則相反，其電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電。一種是為大家所熟悉的電子，另一種則是帶正電的載流子，稱為空穴。而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。在金屬中是僅靠電子導(dǎo)電，而在電解質(zhì)中，則靠正離子和負(fù)離子同時(shí)導(dǎo)電。第一節(jié)：概述1.2半導(dǎo)體材料的類別對(duì)半導(dǎo)體材料可從不同的角度進(jìn)行分類例如：根據(jù)其性能可分為高溫半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體、熱電半導(dǎo)體；根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為金剛石型、閃鋅礦型、纖鋅礦型、黃銅礦型半導(dǎo)體；根據(jù)其結(jié)晶程度可分為晶體半導(dǎo)體、非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體，但比較通用且覆蓋面較全的則是按其化學(xué)組成的分類，依此可分為：元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體和固溶半導(dǎo)體三大類，見表1。在化合物半導(dǎo)體中，有機(jī)化合物半導(dǎo)體雖然種類不少，但至今仍處于研究探索階段，所以本書在敘述中只限于無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，簡稱化合物半導(dǎo)體材料。由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素構(gòu)成的具有足夠的含量的固體溶液，如果具有半導(dǎo)體性質(zhì)，就稱為固溶半導(dǎo)體，簡稱固溶體或混晶。因?yàn)椴豢赡茏鞒鼋^對(duì)純的物質(zhì)，材料經(jīng)提純后總要?dú)埩粢欢〝?shù)量的雜質(zhì)，而且半導(dǎo)體材料還要有意地?fù)饺胍欢ǖ碾s質(zhì)，在這些情況下，雜質(zhì)與本體材料也形成固溶體，但因這些雜質(zhì)的含量較低，在半導(dǎo)體材料的分類中不屬于固溶半導(dǎo)體。另一方面，固溶半導(dǎo)體又區(qū)別于化合物半導(dǎo)體，因后者是靠其價(jià)鍵按一定化學(xué)配比所構(gòu)成的。固溶體則在其固溶度范圍內(nèi)，其組成元素的含量可連續(xù)變化，其半導(dǎo)體及有關(guān)性質(zhì)也隨之變化。固溶體增加了材料的多樣性，為應(yīng)用提供了更多的選擇性。為了使固溶體具有半導(dǎo)體性質(zhì)常常使兩種半導(dǎo)體互溶，如Si1-xGex（其中x<1)；也可將化合物半導(dǎo)體中的一個(gè)元素或兩個(gè)元素用其同族元素局部取代，如用Al來局部取代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1-xInxAs1-yPy等等。固溶半導(dǎo)體可分為二元、三元、四元、多元固溶體；也可分為同族或非同族固溶體等（見表1.1）。1.2.3固溶半導(dǎo)體第二節(jié)基本原理s=nem

(2-1)其中：n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e為電子的電荷，單位為C（庫侖），e對(duì)所有材料都是一樣，e=1.6×10-19C。

m為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動(dòng)速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率s的單位為S/cm(S為西門子）。我們先看看室溫下半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的差別原因：(2-1)式中的遷移率的差別：而半導(dǎo)體材料的遷移率一般都高于金屬，例如金屬銅的室溫電子遷移率為30cm2/V.s，而硅為1500(cm2/V.s)，銻化銦則為78000cm2/V.s。載流子濃度：金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的原因從（2-1）式看，只能是載流子濃度的差別。在金屬中，價(jià)電子全部解離參加導(dǎo)電，例如導(dǎo)電性能好的金屬銅的載流子濃度為8.5×1022/cm3，而半導(dǎo)體材料的載流子濃度則在106~1020/cm3范圍內(nèi)，與金屬相差可達(dá)十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。于是，金屬的電導(dǎo)率一般要高于半導(dǎo)體材料是顯而易見的了。而絕緣體因其載流子濃度接近于零，所以不導(dǎo)電。既然金屬中的價(jià)電子全部參加導(dǎo)電，因此無法再增加載流子，也無法束縛住載流子，所以金屬的導(dǎo)電率難以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，摻入雜質(zhì)和升溫會(huì)在一定程度上能降低遷移率，使電導(dǎo)率降低一些。而半導(dǎo)體的載流子濃度可通過升溫、摻入雜質(zhì)、幅照予以大幅度地增加，使其電導(dǎo)率發(fā)生顯著變化。為什么金屬的價(jià)電子會(huì)全部解離，半導(dǎo)體的價(jià)電子只局部解離，而絕緣體又不解離？這些將在能帶結(jié)構(gòu)等章節(jié)中加以說明。

早在1879年霍爾(E.H.Hall）就發(fā)現(xiàn)：將一塊矩形樣品在一個(gè)方向通過電流，在與電流的垂直方向加上磁場(H)，那么在樣品的第三個(gè)方向就可以出現(xiàn)電動(dòng)勢，稱霍爾電動(dòng)勢，此效應(yīng)稱霍爾效應(yīng)。圖2.1霍爾效應(yīng)原理負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子從這個(gè)電位差的正反，就可以知道載流子是帶正電或負(fù)電。其原理是洛侖茨力作用的結(jié)果，也就是當(dāng)電流通過磁場時(shí)，不管載流子是正還是負(fù)，只要電流方向一定，那么它的作用力的方向也就相同，這就使得載流子的分配偏在同一方向，如圖2.1所示。負(fù)電荷正電荷+dHI—x（a）負(fù)電荷載流子+dHI—x（b）正電荷載流子顯然，載流子的電荷不同，它的霍爾電動(dòng)勢也不相同?？梢?，霍爾電動(dòng)勢的方向取決于載流子帶的電荷是正還是負(fù)。用此法測量金屬時(shí)，證明絕大多數(shù)的金屬都是靠帶負(fù)電荷的載流子--電子進(jìn)行導(dǎo)電的。圖2.1霍爾效應(yīng)原理2.1.1存在兩種載流子的證明從圖2.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價(jià)鍵后，使某個(gè)硅原子中少了一個(gè)價(jià)電子，從電平衡的角度相當(dāng)于帶一個(gè)正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，而空穴也可以發(fā)生流動(dòng)，即鄰近原子的價(jià)電子跑過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，而本身又產(chǎn)生一個(gè)空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空穴導(dǎo)電的原理。當(dāng)半導(dǎo)體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時(shí)，導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電（intrinsicconductivity），這種半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（intrinsicsemiconductor)。其特點(diǎn)是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖2.7中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2.7硅的本征激發(fā)示意圖利用價(jià)鍵理論，可以方便地解釋什么是空穴：第三章：半導(dǎo)體材料的性質(zhì)與性能當(dāng)了解了上一章所述的一些基本概念之后，就可以深入地了解半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，可以理解半導(dǎo)體與導(dǎo)體、絕緣體的本質(zhì)的不同，從而可以認(rèn)識(shí)下述的半導(dǎo)體材料的性能以及與之相關(guān)的應(yīng)用。3.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理3.1.1載流子的來源從上述的能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵我們已知道了半導(dǎo)體中載流子產(chǎn)生的機(jī)理。下面我們再把載流子產(chǎn)生的影響因素和載流子在輸運(yùn)過程中的一些問題進(jìn)行闡述，這樣就容易了解半導(dǎo)體導(dǎo)電的過程。所有材料的導(dǎo)電率（s）可用下式表達(dá)：s=nem(2-1)

其中n為載流子濃度，單位為個(gè)/cm3;e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；m為載流子的遷移率，它是在單位電場強(qiáng)度下載流子的運(yùn)動(dòng)速度，單位為cm2/V.s；電導(dǎo)率單位為S/cm(S為西門子）。我們首先研究一下靠熱激發(fā)的本征導(dǎo)電。在一定溫度下，由于電子能量的分布不均勻，一部分原子或分子中的電子由價(jià)帶升到導(dǎo)帶上的能級(jí)，如圖3.1所示。這在常溫下只有當(dāng)半導(dǎo)體材料很純、晶體完整性很好時(shí)，才能顯示出來。在這種本征導(dǎo)電的情況下，被熱激發(fā)的載流子是成對(duì)的，如n表示電子數(shù)、p表示空穴數(shù)，此時(shí)：

n=p（3-1）當(dāng)溫度明顯地高于絕對(duì)零度時(shí)，本征激發(fā)的濃度可近似地看作按波爾茲曼的統(tǒng)計(jì)分布即：

n(p)≈Aexp[-ΔE/2kT](3-2)其中：A為比例常數(shù)；ΔE為禁帶寬(eV)，k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度（K）。圖3.1本征導(dǎo)電原理示意圖+-電場方向?qū)Ы麕r(jià)帶從這里可以看出，半導(dǎo)體材料在特定溫度下，其電阻率是有上限的，即本征電阻率。當(dāng)經(jīng)過提純，使材料的雜質(zhì)濃度低于其本征載流子濃度時(shí)，如高純鍺，在此情況下，稱為本征鍺。這時(shí)，室溫電阻率就不能隨雜質(zhì)濃度的進(jìn)一步降低而增高，因此不能對(duì)應(yīng)地反映材料的純度。這就需進(jìn)行低溫測量。但對(duì)一些禁帶寬度較大的材料如硅，至今尚未能提純到本征純度。表3.1室溫下幾種材料的本征性質(zhì)材料本征電阻率（Wcm）本征載流子濃度（個(gè)/cm3)Ge472.4×1013Si2.3×1051.45×1010GaAs1081.79×106

在室溫下幾種半導(dǎo)體材料的本征性質(zhì)如表3.1所示。其中，本征電阻率是指當(dāng)材料很純時(shí)，僅由本征激發(fā)時(shí)所形成的電阻率。淺施主或淺受主：其電離能比較小（<0.1ev）的稱為淺施主或淺受主；淺能級(jí)雜質(zhì)：在室溫下一般可全部電離。雜質(zhì)導(dǎo)電所形成的載流子，并非電子與空穴成對(duì)產(chǎn)生的。例如，施主雜質(zhì)原子將其電子送到導(dǎo)帶后，它本身就成為帶正電的離子；對(duì)受主雜質(zhì)也是一樣。因此在雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)，其正負(fù)載流子數(shù)目是不相同的。圖3.2雜質(zhì)導(dǎo)電示意圖+-電場方向?qū)Ы麕r(jià)帶+++---DEDDEV施主能級(jí)受主能級(jí)深能級(jí)施主雜質(zhì)和深能級(jí)受主雜質(zhì)：深能級(jí)雜質(zhì)其電離能比較大的、能級(jí)位置在禁帶的中部附近的稱為深能級(jí)雜質(zhì)，包括深能級(jí)施主雜質(zhì)和深能級(jí)受主雜質(zhì)。--還起陷阱、正負(fù)電荷復(fù)合中心的作用。材料的載流子濃度與溫度的關(guān)系:以n型為例(見圖3.3),可以看出本征導(dǎo)電與雜質(zhì)導(dǎo)電之間的關(guān)系，其中：I為高溫區(qū)，這時(shí)本征激發(fā)的載流子濃度超過雜質(zhì)所提供的載流子濃度，它是服從于式(3-2)的，其斜率應(yīng)為ΔE/2k；

n(p)≈Aexp[-ΔE/2kT](3-2)II為中溫區(qū)，為雜質(zhì)載流子的飽和區(qū)，因?yàn)殡s質(zhì)的電離能比禁帶寬度小得多，因此在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)雜質(zhì)全部電離，在此溫度范圍內(nèi)，載流子濃度無變化；III區(qū)是在溫度相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，本征激發(fā)的載流子與雜質(zhì)激發(fā)的載流子都隨溫度下降而減少所出現(xiàn)的載流子濃度與溫度的關(guān)系。圖3.3n型半導(dǎo)體的載流子濃度與溫度的關(guān)系示意圖Lnn1/TIIIIII載流子的遷移率：根據(jù)（2-1）式s=nem中m為電子遷移率，m=n/E。其中n為電子運(yùn)動(dòng)速度，E為外加電場強(qiáng)度。m的單位為cm2/V.s。從這里可以看出，遷移率是描述載流子在電場作用下運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。散射：在電場的作用下，電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)并非“一帆風(fēng)順”，它要經(jīng)歷許多次碰撞或與電場相作用而改變方向，這種作用在物理學(xué)上稱為散射。散射的來源：可來自晶格振動(dòng)、電離雜質(zhì)、中性雜質(zhì)、晶體缺陷，也來自載流子之間的相互作用。遷移率的大小：是表征半導(dǎo)體材料固有特性的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)也與晶體的雜質(zhì)含量、晶體完整性、溫度等因素有關(guān)。

3.1.2載流子的遷移率根據(jù)（2-1）式，把載流子濃度與遷移率兩者對(duì)溫度的關(guān)系同時(shí)考慮就能得出溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系，見圖3.5。其中曲線I，從低溫升溫，先是雜質(zhì)隨溫度升高而逐步解離成自由載流子，一直到c點(diǎn)達(dá)到飽和，ΔEi為雜質(zhì)解離能，從c點(diǎn)再升溫，載流子濃度不會(huì)增加（因此時(shí)的本征激發(fā)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雜質(zhì)提供的載流子），但遷移率卻因溫度升高而降低，最終結(jié)果造成電導(dǎo)率隨溫度上升而下降。一直到b點(diǎn)以后，遷移率雖然繼續(xù)下降，但這時(shí)已到達(dá)本征激發(fā)階段，本征載流子濃度隨溫度升高而增大的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遷移率下降的速度，所以電導(dǎo)率呈指數(shù)上升，其斜率近似等于禁帶寬度ΔEg。圖3.5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系Lns1/T12cbDEiDEg3.1.3電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系而曲線2則是雜質(zhì)濃度比較高的情況。根據(jù)3.1.2所述，遷移率轉(zhuǎn)變的最大值的對(duì)應(yīng)溫度隨雜質(zhì)濃度增高而增高，所以當(dāng)雜質(zhì)全部電離以后，遷移率仍繼續(xù)隨溫度升高而增大，直至達(dá)到本征激發(fā)占主導(dǎo)時(shí)，以后雖有遷移率的下降，也抵不上載流子數(shù)目的增加。從這些變化中我們看出半導(dǎo)體與金屬在導(dǎo)電性能方面的本質(zhì)區(qū)別。它不僅表現(xiàn)為金屬的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體高及電導(dǎo)率的溫度系數(shù)的差異，而且也能看出半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度的復(fù)雜關(guān)系。而金屬的導(dǎo)電性能基本上受其遷移率的制約。從這里我們還可以看出，在我們的最初敘述中所談到的半導(dǎo)體的電導(dǎo)率溫度系數(shù)為正值，并不是十分嚴(yán)密的，也就是說，在較高的純度下，在一定的溫度區(qū)間，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率溫度系數(shù)也可以為負(fù)值。圖3.5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系Lns1/T12cbDEiDEgpn結(jié)是大多數(shù)的半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)。因此弄清pn結(jié)的原理是十分必要的。如圖3.6（a）所示，當(dāng)一塊p型半導(dǎo)體和一塊n型半導(dǎo)體分開存放時(shí)，p型具有空穴作載流子，n型有電子作載流子，這時(shí)它們都是電中性的，它們的載流子都與它們的離子形成平衡。當(dāng)這兩塊半導(dǎo)體結(jié)合成一個(gè)整體時(shí)，如圖3.6(b),p型半導(dǎo)體中有大量的空穴，而n型半導(dǎo)體中有大量的電子，他們向相對(duì)方向擴(kuò)散，但這種擴(kuò)散并非無休止的，因?yàn)檫@種擴(kuò)散打破了邊界附近的電中性，空穴進(jìn)入n型區(qū)與電子復(fù)合，而失去電子的離子便形成正電勢；在p型區(qū)則因同樣的道理而形成負(fù)電勢，這樣便在邊界附近形成了電位差，稱為內(nèi)建勢場（電場），或稱擴(kuò)散電勢。PN（a）V擴(kuò)dNdP（b）圖3.6pn結(jié)原理示意圖3.2pn結(jié)圖3.6pn結(jié)原理示意圖V擴(kuò)（c）V外V擴(kuò)（d）V外當(dāng)加上外加電場V外時(shí)：如果正極接到p型區(qū)，負(fù)極接到n型區(qū)，見圖3.6中(c)，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料具有一定的電導(dǎo)率，因此電壓降的主要部分卻落在了阻擋層上，這時(shí)外加電場與內(nèi)建電場相反，于是降低了內(nèi)建電場，減少了阻擋層的厚度，使電流順利通過。而當(dāng)電場方向相反時(shí)，內(nèi)建電場與外加電場相疊加，見圖3.6中(d)，增加了阻擋層的厚度，使電流不能通過。這就是結(jié)的整流作用。當(dāng)電壓方向使pn結(jié)導(dǎo)通時(shí)，稱為正向偏置，當(dāng)電壓方向使阻擋層加厚時(shí)，稱為反向偏置。在半導(dǎo)體片上淀積一層金屬而形成緊密的接觸，稱為金屬半導(dǎo)體接觸。硅平面器件中大量采用的鋁硅接觸就是典型的實(shí)例，如圖3.77所示，金屬半導(dǎo)體接觸，由于具體情況不同，可以有很不同的伏安特性。最重要的有兩類典型接觸：一類是半導(dǎo)體摻雜濃度較低（如低于5×1017/厘米3，這時(shí)表現(xiàn)出類似PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。另一類是半?dǎo)體摻雜濃度很高（如高于1020/厘米3），這時(shí)無論加正向或反向電壓，電流都隨電壓很快增大，相當(dāng)于一個(gè)很小的電阻圖3.77中，（1）表示摻雜低的情形，（3）表示摻雜高的情形，（2）表示中間的情形。圖3.773.3金屬--半導(dǎo)體接觸I具有單向?qū)щ娦缘慕饘?-半導(dǎo)體接觸，稱為肖特基勢壘二極管，簡稱SBD。電阻很低的金屬半導(dǎo)體接觸稱為歐姆接觸。兩者在實(shí)際中都很重要，肖特基勢壘二極管的伏安特性和PN結(jié)相似，但是又有不同于PN結(jié)的一些特點(diǎn)，使它在微波技術(shù)、高速集成電路等許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用；另一方面，半導(dǎo)體器件一般都要利用金屬電極輸入和輸出電流，這就要求金屬和半導(dǎo)體形成良好的歐姆接觸特別是超高頻和大功率器件，歐姆接觸是設(shè)計(jì)和制造中的一個(gè)重要關(guān)鍵。圖3.77I圖3.8異質(zhì)結(jié)的能帶圖Ec1ΔEcEv1ΔEvEg1EFEc2Ev2Eg23.4異質(zhì)結(jié)兩種不同半導(dǎo)體材料所組成的結(jié)構(gòu)為異質(zhì)結(jié)，例如，材料A生長在材料B上，在A與B的交界處就形成了異質(zhì)結(jié)。這兩種材料之間的過渡區(qū)厚度如只有幾個(gè)原子距離則稱為突變結(jié)；如厚度較大，則稱為緩變結(jié)（在器件中多用突變結(jié)）。在結(jié)處產(chǎn)生了能帶的不連續(xù)，圖3.8所示的為一種異質(zhì)突變結(jié)的能帶圖，其中ΔEc與ΔEv分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶的能量差。異質(zhì)結(jié)的材料A與B可以是同一導(dǎo)電類型的，即pp或nn，稱同型異質(zhì)結(jié)；也可以是不同導(dǎo)電類型的，即pn或np，稱異型異質(zhì)結(jié)。在同型異質(zhì)結(jié)中，一般，ΔEc≠ΔEv，所以電子與空穴向不同方向流動(dòng)所需的能量不同，在這一點(diǎn)上異質(zhì)結(jié)也可起到pn結(jié)的作用。此外，由于異質(zhì)結(jié)的兩種材料的禁帶、介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等不同，故具有許多不同于同質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性，如光學(xué)上的窗口效應(yīng)和電子的定域效應(yīng)等。異質(zhì)結(jié)主要用外延生長方法制備，包括汽相外延、液相外延、分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延等。異質(zhì)結(jié)用于制作半導(dǎo)體激光器、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管、高電子遷移率晶體管等。圖3.8異質(zhì)結(jié)的能帶圖Ec1ΔEcEv1ΔEvEg1EFEc2Ev2Eg2量子阱：如果半導(dǎo)體材料A與B組成多層異質(zhì)結(jié)，A被夾在B之間，如圖3.9所示，且A的導(dǎo)帶EcA低于B的EcB，A的價(jià)帶頂EvA高于B的EvB。當(dāng)A層的厚度小至可以與量子力學(xué)中電子的德布羅意波長（~10nm）相當(dāng)時(shí)，就形成量子阱。圖3.10示出了以A—GaAs，B--GaAlAs為例的量子阱的能帶圖。當(dāng)電子沿x、y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)是自由的。當(dāng)電子垂直于結(jié)的方向，即沿z軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則它的能量被量子化了。3.5量子阱與超晶格zxy圖3.9量阱構(gòu)成示意圖Ec2Ec1Ev2E2eE1eE3eEv1E1lhE3hhE2hhE1hhE2lhdGa1-xAlxAs/GaAs/Ga1-xAlxAs圖3.10Ga1-xAlxAs/GaAs量子阱能帶圖二維電子氣或二維空穴氣：如在第二章中所述，量子化是指其能量的變化不是連續(xù)的，而是沿具有一定分立值的能級(jí)變化，圖3.10示出了一些能級(jí)。這些能級(jí)取決于阱寬(d)、阱深(ΔEc、ΔEv)、電子的有效質(zhì)量等。載流子在量子阱的運(yùn)動(dòng)，因在兩維自由、一維受約束，稱為二維電子氣或二維空穴氣。超晶格：量子阱可分為單量子阱與多量子阱，后者為單量子阱的周期性多次重復(fù)。在多量子阱中，如果B層的厚度也減小，使每一個(gè)單層的厚度達(dá)到1~10nm，這時(shí)就小于電子的平均自由程，那么相鄰之間的電子波函數(shù)能夠相互耦合，而不是相互孤立的，這種多勢壘結(jié)構(gòu)在垂直方向（z軸）以量子效應(yīng)為主，這種結(jié)構(gòu)稱為超晶格，因?yàn)檫@是在晶體的晶格點(diǎn)陣勢場外，加一個(gè)周期更長的勢場。Ec2Ec1Ev2E2eE1eE3eEv1E1lhE3hhE2hhE1hhE2lhdGa1-xAlxAs/GaAs/Ga1-xAlxAs圖3.10Ga1-xAlxAs/GaAs量子阱能帶圖zxy超晶格種類：每種材料層的厚度通常為晶格常數(shù)的2~20倍。而周期數(shù)可以作到幾十、幾百甚至上千層。如果周期較多，由于電子波函數(shù)的耦合，使原來的各單量子阱的能級(jí)展寬成能帶。超晶格材料可分為組分超晶格、摻雜超晶格、復(fù)型超晶格、應(yīng)變層超晶格、短周期超晶格、非晶超晶格等?？紤]到異質(zhì)結(jié)界面處能帶的不連續(xù)性有不同情況，組分超晶格又分為I型、II型、III型。上述的GaAs--GaAlAs為I型超晶格?，F(xiàn)在研制出的超晶格材料已有幾十種。Ec2Ec1Ev2E2eE1eE3eEv1E1lhE3hhE2hhE1hhE2lhdGa1-xAlxAs/GaAs/Ga1-xAlxAs圖3.10Ga1-xAlxAs/GaAs量子阱能帶圖低維結(jié)構(gòu)：上面所說的都是載流子的運(yùn)動(dòng)在一維空間受到限制、而在兩維可自由運(yùn)動(dòng)的情況。用同樣的原理，可以使載流子在兩維受到限制、在一維自由運(yùn)動(dòng)，稱之為量子線。也可使載流子的運(yùn)動(dòng)在三維方向均受到限制（零維），稱為量子盒或稱量子點(diǎn)。零維、一維、二維材料統(tǒng)稱為低維材料。二維電子氣的高遷移率已用于制出實(shí)用化的高電子遷移率晶體管（HEMT）等微波器件。量子阱超晶格已用作激光器、光電二極管、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等。量子阱超晶格是一種人工結(jié)構(gòu)的新材料?？梢园雌骷枰霸O(shè)計(jì)”材料的能帶結(jié)構(gòu)，所以這類材料的制備與應(yīng)用稱為“能帶工程”。能帶工程是新一代的半導(dǎo)體技術(shù)，這種技術(shù)使材料的制備技術(shù)達(dá)到原子級(jí)的精度，又使半導(dǎo)體的光學(xué)、電學(xué)特性可“剪裁”。這種材料孕育著巨大的潛力。遠(yuǎn)在1821年，德國人塞貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)在銻與銅相接觸所形成的回路中，如果一個(gè)接觸點(diǎn)與另一個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，此即塞貝克效應(yīng)。TT+DTDVSeebeck系數(shù)a常用的單位是V?K–1，可正可負(fù)，取決于構(gòu)成回路的兩種導(dǎo)體的溫差電特性。

3.6熱電效應(yīng)SeebeckEffect (1823)熱電效應(yīng):是由溫差引起的電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）和由電流引起的可逆熱效應(yīng)（帕爾貼效應(yīng)）的總稱，因此也稱之為溫差電效應(yīng)。相應(yīng)的材料稱之為熱電或溫差電材料。PeltierEffect (1834)Peltier效應(yīng)（當(dāng)電流方向從p型半導(dǎo)體流入n型半導(dǎo)體時(shí)，接頭處溫度升高并放熱，反之，接頭處溫度降低并從外界吸收熱量。）

+-I到了1834年，法國人帕爾帖（Peltier）發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過兩種金屬的接點(diǎn)時(shí)，往一個(gè)方向使觸點(diǎn)放熱，換成相反方向，則使觸點(diǎn)吸熱，此現(xiàn)象稱為波爾帖效應(yīng)。在很長一段時(shí)間里，這兩方面的研究都集中在金屬材料方面，所取得的應(yīng)用主要是作測溫的熱電偶。曾想利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，但試驗(yàn)證明，利用金屬材料所得的熱電轉(zhuǎn)換效率很低，最高不超過0.6%。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，它的熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3.5%以上。VicewaterTheatingcoilsthermocouple我們首先要弄清它的熱電效應(yīng)是怎樣產(chǎn)生的。如圖3.11所示，如果取一個(gè)半導(dǎo)體，將一端加熱，另一端冷卻，那么熱端的載流子數(shù)量增多，動(dòng)能增大，就向冷端擴(kuò)散，冷端自然也向熱端擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。其結(jié)果是載流子離開熱端的數(shù)量大于由冷端進(jìn)入熱端的數(shù)量。如果這是一根n型半導(dǎo)體棒，那么熱端由于缺少電子而帶正電，冷端則帶負(fù)電；同理，如果是p型半導(dǎo)體，它的熱端帶負(fù)電；冷端帶正電。T2>T1（a）+T2T1nT2T1p—+—（b）圖3.11半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)(a)熱電電勢；(b)n型和p型半導(dǎo)體受熱后的載流子分布(T2>T1)在實(shí)際中利用這個(gè)現(xiàn)象可測量半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。如果我們將熱端放到pn結(jié)處，如圖3.11(a)，則p型冷端的正電位和n型冷端的負(fù)電位相加而形成熱電動(dòng)勢。而金屬的熱電效應(yīng)則只利用不同金屬的逸出功（見3.3節(jié)）不同及電子密度不同而形成。T2>T1（a）+T2T1nT2