2022-2023學年高二物理競賽課件：晶體及其概念的延伸+

晶體及其概念的延伸2晶體及其概念的延伸原子或分子有序排列形成的晶體在微觀范圍，原子有規(guī)律地排列形成的物質(zhì)稱為晶體，如天然或人工晶體。晶體的結構可用晶體的幾何理論――點陣理論來描述，共分為七大晶系，十四種布拉菲點陣。晶體中原子、分子之間的作用力（鍵）有：離子鍵、共價鍵、金屬鍵、氫鍵、范德華鍵。

3晶體及其概念的延伸21、原子或分子有序排列形成的晶體可將用于微電子工業(yè)的天然或人工晶體稱為電子晶體，或傳統(tǒng)晶體，如半導體。半導體的原子勢場呈周期性排列。電子在半導體中傳播時，電子與原子周期勢場的相互作用（布拉格散射）使得電子會形成能帶結構，如價帶與導帶，帶與帶之間有帶隙，即禁帶。電子的能量如果落在帶隙中，就無法繼續(xù)傳播。4晶體及其概念的延伸32、介觀或宏觀物質(zhì)有序排列形成的晶體在介觀范圍：點陣由a)人造原子，如納米粒子構成——人造原子組成的晶體；b)幾個原子或納米厚度的不同物質(zhì)的薄膜交替排列——超晶格材料。在宏觀范圍，人造復合材料組成的晶體：光子晶體——由兩種具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)組成的復合材料，陣點由通常為球、桿、板等。聲子晶體——由高密度材料，通常為球、桿等為陣點封密于柔軟材料，如硅膠、樹脂內(nèi)組成的復合材料。5晶體及其概念的延伸43、各種晶體的區(qū)別點陣的組元和點陣常數(shù)不同：電子晶體：微觀的原子或分子；超晶格等：介觀的納米顆?；虮∧?；光子和聲子晶體：宏觀（或介觀）的球、桿或板等。成分不同：電子晶體由一種材料構成；超晶格和光子、聲子晶體由兩種或兩種以上的材料構成，是復合材料。

超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設想將兩種不同組分或不同摻雜的半導體超薄層A和B交替疊合生長在襯底上，使在外延生長方向形成附加的晶格周期性。當取垂直襯底表面方向(垂直方向)為Z軸，超晶格中的電子沿z方向運動將受到超晶格附加的周期勢場的影響，而其xy平面內(nèi)的運動不受影響。導帶中電子的能量可表示為:E=E(kz)+?2/2m(kx2+ky2)在xy平面內(nèi)電子的動能是連續(xù)的，z方向附加周期勢場使電子的能量分裂為一系列子能帶。不連續(xù)點的kz值滿足:kz=±n/D，D為超晶格周期。AB超晶格和量子阱的一般描述6超晶格多量子阱能帶結構示意圖多量子阱能帶圖E2E1超晶格能帶圖EcAEvAEcBEvBEgBEgA?Ec?EvE2E1多量子阱和超晶格的本質(zhì)差別在于勢壘的寬度：當勢壘很寬時電子不能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱之間沒有相互耦合，此為多量子阱的情況；當勢壘足夠薄使得電子能從一個量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，此為超晶格的情況。7超晶格分類（1）組分調(diào)制超晶格（2）摻雜調(diào)制超晶格（3）應變超晶格（4）多維超晶格（5）非晶態(tài)半導體的超晶格（6）半磁超晶格（7）漸變能隙超晶格(鋸齒狀)超晶格能帶結構來源于兩種材料禁帶的變化，存在內(nèi)界面。8（1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結構中，如果超晶格的重復單元是由不同半導體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質(zhì)界面處將發(fā)生能帶的不連續(xù)。9

按異質(zhì)結中兩種材料導帶和價帶的對準情況，江崎把異質(zhì)結分為三類：Ⅰ型異質(zhì)結:窄帶材料的禁帶完全落在寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號相反。不論對電子還是空穴，窄帶材料都是勢阱，寬帶材料都是勢壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復合發(fā)生在窄帶材料一側。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。10Ⅱ型異質(zhì)結（ΔEc和ΔEv的符號相同），分兩種：*ⅡA類超晶格：材料1的導帶和價帶都比材料2的低，禁帶是錯開的。材料1是電子的勢阱，材料2是空穴的勢阱。電子和空穴分別約束在兩材料中。超晶格具有間接帶隙的特點，躍遷幾率小，如