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光子学原理课程期末论文——量子阱原理及其应用信息科学与技术学院 08电子信息工程杨晗 23120082203807题目：量子阱原理及其应用作者：杨晗 23120082203807摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。
关键词：量子阱量子约束激光器量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。
量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。
在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。
一量子阱最基本特征由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。
在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。
如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。
有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。
量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。
在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。
§9.3 异质结在光电子器件中的应用(略，第十章半导体激光器后自学) §9.4 半导体量子阱和超晶格一、基本概念量子阱和超晶格都是利用禁带宽度不同的两种材料对电子的运动形成低维约束，以使其能量状态产生新的量子化。
半导体超晶格的概念是IBM 的日裔科学家江崎和华裔科学家朱兆祥为了开发新的负阻器件于1968年提出，并于1970年首先用砷化镓实现的。
他们认为，如果用两种晶格非常匹配但禁带宽度不同的材料A 和B ，以薄层的形式周期性地交替生长在一起，则其中的电子沿薄层生长方z 的连续能带将会分裂为一些子能带，如图9－13所示。
设两种材料薄层的厚度分别为d 1和d 2，总厚度d ＝d 1＋d 2即为超晶格周期。
由于d 是构成材料晶格常数a 的倍数，构成材料在z 方向上由(±n π/a)所决定的布里渊区将被分裂为若干个小布里渊区，其E z —k z 关系曲线将在这些布里渊区的边界处间断。
例如，若超晶格的周期d 为晶格常数a 的10倍，那么，构成材料的每个布里渊区都将被分割为10个微小的布里渊区。
在每一个微小布里渊区中，超晶格材料的电子能量E z 与波矢k z 的关系是连续变化的函数关系，形成一个能带，称为子能带。
通常把正常晶体的能带变为许多子能带的情况称为布里渊区的折叠。
图中的虚线表示按近自由电子近似得到的一个布里渊区中的抛物线型能带，而实线所代表的超晶格能带明显地为非抛物线型能带。
由连续能带分裂而成的第n 个子能带的E (k ) 关系可表示为kd t E k E cos 2)(n n0-=式中，k 是电子沿z 方向的波矢，限制在布里渊区(-π/d ，π/d )之中；d 是两个薄层的总厚度，即超晶格的重复周期，或称超晶格常数；t n 是能带宽度的量度，2t n 即为该子能带的宽度。
在k 空间，电子的运动要满足上式。
如果沿z 方向加一个外加电场E ，按照半经典理论，电子运动应满足下列方程qE dtdkhπ2-= 在这个电场的作用下，子能带中的电子将作定向运动，并在两次散射之间从电场获取并积累能量。
超晶格结构及其物理性质分析研究超晶格( Superlattice)是一种由两种或两种以上不同材料交替排列排成的人工晶体材料。
它的几何结构可以用一定的周期性来描述。
超晶格结构的制备是近年来材料科学研究领域中的一个热点问题，因为其被广泛应用于电子学、光电子学、纳米电子学、半导体及光电器件等领域。
本文旨在对超晶格结构及其物理性质进行介绍和分析研究。
一、超晶格结构的制备超晶格的制备一般采用金属-半导体或半导体-半导体异质结合成的结构。
异质结的制备原则是利用不同的材料性质，如不同的基底，晶格常数、材料缺陷等，通过外延生长技术或离子注入技术等方法把它们联系起来，达到制备超晶格结构的目的。
利用这些技术可以控制异质接面的形貌和厚度，从而控制超晶格的周期性和形状。
二、超晶格结构的性质超晶格具有许多独特的性质，其中一些性质是由超晶格的周期性结构所带来的。
这些性质包括:1. 低维电子结构超晶格结构中的建构元件常是低维结构，如二维量子阱，三维量子点和一维量子导线等。
这些结构的电子在空间上被限制在微小的范围内，因此可以显示出在真实物质中不易见到的新奇性质。
如二维量子阱中的电子会表现得像自由电子，具有弱反射和透明性，从而可用来制造高速电子运输的半导体激光器。
2. 禁带结构和能带结构超晶格能带结构的演化涉及到最复杂的电子结构现象之一。
当晶格常数接近等于量子点直径时，可以形成禁带，通过改变晶格常数可以改变禁带的大小，对半导体光电器件的设计和使用具有重要的影响。
3. 光学性质超晶格结构对入射光具有复杂检测应答能力。
在观察入射光时，相贯干涉也会显示出低维结构的普遍性，光子与电子之间的相互作用也比在限定晶体中更密集。
4. 磁性和输运性质超晶格可以显示出独特的磁性和输运性质，由于超晶格自身所具有的周期性结构，使得电子在超晶格中的传输呈现出完全不同于杂质限制下传输的现象。
三、超晶格在材料领域的应用通过超晶格的制备和相关性质的研究，我们可以制备出一些具有优良性质的材料来：1. 优良的光电特性例如InGaAs/GaAs超晶格结构，可以获得比GaAs基底优异的光电性能。
第八讲8.3半导体异质结量子阱及超晶格结构量子阱：能够对电子（空穴）的运动产生某种约束，使其能量量子化的势场。
如量子力学中的一维方势阱、有限势阱。
量子阱中的电子在垂直异质结界面方向上其能量是量子化的，而在与异质结界面平行的二维平面内作自由电子运动。
因此，把量子阱中的电子称为二维电子气（2DEG）。
（a）双异质结单量子阱（a）i-GaAs n-Al X Ga3-X As2--DEGE2E FE1△E C（b）调制掺杂异质结界面量子阱E GA E GB（一）双异质结间的单量子阱结构双异质结结构： Alx Ga1-xAs/GaAs /AlxGa1-xAs，要求GaAs层足够薄。
1、导带量子阱中的电子能态设势阱的宽度为l ，取垂直于界面的方向为z 轴，势阱中间点为原点，求解薛定谔方程，可得到如下结论：（一）双异质结间的单量子阱结构（1）势阱中电子沿 z 轴方向运动受限，在平行于结面的运动是自由的，形成了二维电子气；（2）势阱中电子态的能值分裂为一些分立能级E1，E2…，E i…，对应于电子的束缚态，如图3所示；图3 双异质结单量子阱中的能级分布（3）E z<ΔE c 时，电子的波函数在势阱内为 z 的正弦或余弦函数,如图 4 所示；（4）不管 ΔE c 值的大小，至少有一个解存在；（5）势阱深度 ΔE c 越大，阱内的束缚态越多；（6）势阱中的状态密度变为台阶状分布，如图 5 所示。
图 4 束缚态能级与波函数图 5 电子态密度分布2、价带量子阱中的空穴能态在Al x Ga1-x As/GaAs/Al x Ga1-x As 双异质结量子阱中，空穴处于价带量子阱中，也在与结面平行的面内形成二维空穴气。
势阱中空穴态的能值分裂为一些分立能级，形成空穴的束缚态能级。
由于轻、重空穴有效质量的不同，形成轻重空穴能级混合交叉的分立束缚态能级。
如图 6 所示。
（二）调制掺杂异质结界面量子阱1、调制掺杂异质结的能带结构：图7 异质结界面处的能带及势阱n +-AlGaAs 与本征GaAs 构成异质结时，电子将从n +-AlGaAs 注入到本征GaAs 中，平衡时结两边具有统一的费米能级，在异质结界面处GaAs 一侧形成了一个三角形的势阱。
量子阱材料的原理及应用量子阱材料是一种特殊的半导体材料，其结构可以在一定范围内限制电子或空穴在一维或二维空间中运动。
量子阱材料的原理是通过能带结构的调控来限制粒子运动，并利用量子效应的特性对其进行操控。
下面将详细介绍量子阱材料的原理和应用。
量子阱的基本结构是由两种能带结构不同的半导体材料构成。
常见的量子阱结构包括二维电子气量子阱和两个半导体材料夹持的一维量子阱。
在二维电子气量子阱中，电子被限制在平面内，而在一维量子阱中，电子或空穴被限制在垂直于平面的方向上。
这种限制可以通过选择不同的材料和控制材料的厚度和形状来实现。
量子现象在量子阱材料中起着重要作用。
由于量子限制效应，电子或空穴在量子阱材料中的运动受到限制，只能在确定的能级上运动。
这导致了一些独特的电子性质和物理现象，如能带结构变窄、载流子质量增加、波函数的量子化等。
这些现象对材料的光电性质和电子输运性质产生了显著影响。
1.光电子器件：量子阱材料在光电子器件方面具有重要应用。
由于能带结构的限制，量子阱材料可以制备高效的光电子器件，如半导体激光器、太阳能电池、光敏元件等。
其中最重要的是半导体激光器，量子阱材料的能带结构变窄可以使得激光器的工作温度范围更宽，并提高激光器的效率和性能。
2.量子点和纳米结构材料：量子阱材料还可以用于制备量子点和纳米结构材料。
量子点是具有特定尺寸的纳米粒子，可以在量子阱中形成。
由于量子限制效应，量子点具有调控的能带结构和独特的光学性质，可广泛应用于光电子学、信息存储和生物医学等领域。
3.量子阱超晶格：量子阱材料可以用于制备超晶格结构，即多个量子阱层的周期性堆叠结构。
超晶格结构具有调控的光学和电子性质，可以用于设计新型的半导体器件，如太阳能电池、高频电子器件和量子计算机等。
4.半导体激光器辅助器件：量子阱材料还可以用于制备半导体激光器的辅助器件。
例如，量子阱放大器可以用于放大激光信号，增强激光器的输出功率。
量子阱调制器可以通过控制量子阱材料中的载流子浓度或能带结构的改变来实现调制激光器的功率和频率。
名词解释复习题磁致伸缩效应：是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。
巨磁阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
异质结：两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。
超晶格：如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。
量子阱：是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。
气敏陶瓷：是用于吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
正压电效应：是指当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
热释电效应：在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。
铁电效应：是指材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。
光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光电导效应：是辐射引起半导体材料电导率变化的现象。
形状记忆效应：是指具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。
热敏陶瓷：PTC是一种具有正温度系数的半导体陶瓷元件、NTC是指具有负温度系数的半导体陶瓷元件、CTR是电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻。
