异质结和MIS结构

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[隐藏][编辑本段]基本特性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。

半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。

这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。

温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。

半导体物理异质结和纳米结构半导体物理中的异质结指的是由两种或多种不同的半导体材料组成的界面或界面区域，纳米结构则是指尺寸在纳米级别的结构。

异质结和纳米结构在半导体物理中具有重要的应用和研究价值，以下将详细介绍它们的性质和应用。

异质结的形成通常是通过杂化或外延生长的方法，在不同晶格常数或晶格结构的材料之间形成界面。

这种结构的形成使得电子的输运和能带的结构发生了变化，从而引起了一系列的电学和光学特性的变化。

例如，P-N结就是最常见的异质结之一，由具有不同掺杂类型的半导体材料构成。

P区和N区之间存在一个空间电荷区域，被称为空间电荷区（depletion region），这个区域内的电荷有电场的形成，并且产生一个禁带屏蔽的效应，从而形成一个具有整流特性的结。

异质结由于其独特的特性在半导体器件中得到了广泛的应用，如二极管、晶体管、太阳能电池等。

以二极管为例，当向二极管施加正向偏压时，P区的载流子和N区的载流子会在空间电荷区中重新组合，从而允许电流流过。

而当施加反向偏压时，由于形成的电场堆积，空间电荷区将变得更宽，从而几乎阻止了电流的流动，实现了整流的功能。

纳米结构是指尺寸在纳米级别的结构，相比传统的半导体材料，纳米级别的尺寸效应在物理和化学方面具有显著的变化。

首先，纳米结构的表面积相对于体积非常大，因此表面效应在纳米结构中变得更加明显。

其次，量子尺寸效应的出现使得电子和能带在纳米结构中的行为发生了显著的变化。

例如，在金属纳米颗粒中，电子的自由度受限于颗粒的尺寸和形状，电子能级产生离散化，在电子输运、光学性质和热学特性等方面表现出与宏观材料截然不同的性质。

纳米结构的应用广泛，包括电子学、光学、催化等领域。

在电子学领域，纳米电子学器件的研究是一个热门的研究领域。

由于纳米结构具有较高的载流子浓度和较短的跳跃长度，纳米电子器件能够实现更高的速度和更低的功耗。

在光学方面，金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应被广泛应用于传感器、生物医学成像和光催化等领域。

异质结的解释，百科异质结，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。

基本特性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。

材料科学中的异质结研究异质结是材料科学中经常研究的一个重要领域。

随着现代科技的发展，我们对于异质结材料的研究和应用也变得越来越深入。

本文将简要介绍异质结的概念、分类、制备方法和应用领域。

一、异质结的概念异质结是由两种或两种以上不同的材料组成的结构，在这些材料的交界面上形成的一种特殊结构。

异质结具有独特的物理、化学和电学特性，具有广泛的应用领域，包括太阳能电池、LED、激光器、高速晶体管等。

二、异质结的分类根据材料的性质和结构，异质结可以分为以下几种：1. 纵向异质结：由两种或两种以上材料按照垂直于器件面的方向交替堆积而成。

2. 横向异质结：由两种或两种以上材料在器件面方向交替堆积而成。

3. 膜层异质结：将多种材料按照一定顺序或周期性地沉积在基板上，形成的多层结构。

4. 核－壳异质结：以一种纳米颗粒为“核”，另一种材料在其表面上沉积，形成核－壳结构。

5. 点阵异质结：两种或两种以上材料按照一定的顺序和空间排列方式交替排布而成。

三、异质结的制备方法现代材料科学中，制备异质结有各种不同的方法，包括物理方法、化学方法和生物方法等。

1. 物理方法物理方法主要包括物理沉积、分子束外延、熔冷法、物理气相沉积等方法。

这些方法具有制备高质量异质结的优点，但是成本较高，需要相对复杂的设备和条件。

2. 化学方法化学方法包括化学气相沉积、溶胶－凝胶法、溶液沉积等方法。

这些方法相对简单、灵活，成本较低，适用范围也更广。

3. 生物方法生物方法主要是利用生物学特性来制备异质结材料，包括生物矿化、生物还原和生物合成等。

这些方法能够在常温下在生物环境中制备高质量的异质结，具有很高的应用潜力。

四、异质结的应用领域异质结的应用领域非常广泛，包括能源、信息、生物医学等方面。

1. 能源随着全球对于清洁能源需求的增加，太阳能电池和LED等器件的发展越来越受到重视。

异质结材料具有很好的光、电、热性质，非常适合制备高效太阳能电池和LED等设备。

2.1GaN基LED发光原理大部分LED是利用MOCVD在衬底材料上异质外延而成，目前比较成熟的衬底材料是蓝宝石和碳化硅，硅基和ZnO基等其他衬底材料尚未成熟。

LED外延片的结构主要包括MIS结、P-N结、双异质结和量子阱几种，当前绝大多数LED均是量子阱结构的。

外延片的基本结构如图1-2所示。

目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管(LED)的发光原理则迥然不同。

发光二极管自发性(Spontaneous)的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ=1240/Eg电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，单位为电子伏特（eV。

由光的量子性可知，hf= Eg [h为普朗克常量,f为频率，据f=c/λ,可得λ=hc/Eg,当λ的单位用um, Eg单位用电子伏特（eV）时，上式为λ=1.24um·ev/Eg ]，若若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间发光效率与材料是否为直接带隙(Direct Bandgap)有关，图 1.1(a)是直接带隙材料。

这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一K空间。

所以电子与空穴可以有效地再复合(Recombination)而发光。

而图 1.1(b)的材料均属于间接带隙(IndirectBandgap)，其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一K空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要产生声子(Phonon)的配合，所以发光效率低[7]。