半導體異質(zhì)結構的應用知識
半導體異質(zhì)結構的應用知識
(圖a、b) 串珠狀碳納米管-半導體納米球異質(zhì)結構;(圖c) 利用單根異質(zhì)結構制作的Schottky二極管
(1)發(fā)光組件(light emitting devices, LED):
因為半導體異質(zhì)結構能將電子與電洞局限在中間層內(nèi),電子與電洞的復合率因而增加,所以發(fā)光的效率較大;同時改變量子井的寬度亦可以控制發(fā)光的頻率,所以現(xiàn)今的半導體發(fā)光組件,大都是由異質(zhì)結構所組成的。半導體異質(zhì)結構發(fā)光組件,相較其它發(fā)光組件,具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點,因此廣泛應用于剎車燈、交通號志燈、戶外展示燈等。值得一提的是在1993年,日本的科學家研發(fā)出藍色光的半導體組件,使得光的三原色紅、綠、藍,皆可用半導體制作,因此各種顏色都可用半導體發(fā)光組件得到,難怪大家預測家庭用的燈炮、日光燈,即將被半導體發(fā)光組件所取代。
(2)雷射二極管:
半導體雷射二極管的基本構造,與上述的發(fā)光組件極為類似,只不過是雷射二極管必須考慮到受激發(fā)光(stimulated emission)與共振的條件。使用半導體異質(zhì)結構,因電子與電洞很容易掉到中間層,因此載子數(shù)目反轉(population inversion)較易達成,這是具有受激發(fā)光的必要條件,而且電子與電洞因被局限在中間層內(nèi),其結合率較大。此外,兩旁夾層的折射率與中間層不同,因而可以將光局限在中間層,致使光不會流失,而增加雷射強度,是故利異質(zhì)結構制作雷射,有很大的優(yōu)點。第一個室溫且連續(xù)發(fā)射的半導體異質(zhì)結構雷射,是在1970年由阿法洛夫領導的研究群所制作出來的,而克拉姆則在1963年發(fā)展了有關半導體異質(zhì)結構雷射的原理。半導體雷射二極管的應用范圍亦相當廣泛,如雷射唱盤(如圖4所示),高速光纖通訊、激光打印機、雷射筆等。
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(3)異質(zhì)結構雙極晶體管:(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半導體異質(zhì)結構中,中間層有較低的能帶,因此電子很容易就由旁邊的夾層注入,是故在晶體管中由射極經(jīng)過基極到集極的電流,就可以大為提高,晶體管的放大倍率也為之增加;同時基極的厚度可以減小,其摻雜濃度可以增加,因而反應速率變大,所以異質(zhì)結構得以制作快速晶體管。利用半導體異質(zhì)結構作成晶體管的建議與其特性分析,是由克接拉姆在1957提出的。半導體異質(zhì)結構雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優(yōu)點,因而廣泛應用于人造衛(wèi)星通訊或是行動電話等。
(4)高速電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)
高速電子遷移率晶體管,就是利用半導體異質(zhì)結構中雜質(zhì)與電子在空間能被分隔的優(yōu)點,因此電子得以有很高的遷移率。在此結構中,改變閘極(gate)的電壓,就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流,而達到放大的目的。因該組件具有很高的向應頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點,因此廣泛應用于無限與太空通訊(如圖5所示),以及天文觀測。
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(5)其它應用:
半導體異質(zhì)結構除了用于上述組件外,亦大量使用于其它光電組件,如光偵測器、太陽電池、標準電阻或是光電調(diào)制器...等。又因為長晶技術的進展,單層原子厚度的薄膜已能控制,因此半導體異質(zhì)結構提供了高質(zhì)量的低維度系統(tǒng),讓科學家能滿足探求低維度現(xiàn)象的要求。除了在二度空間觀測到量子與分數(shù)量子霍爾效應外,科學家已進一步在探求異質(zhì)結構中的一維與零維的電子行為,預期將來還會陸續(xù)有新奇的現(xiàn)象被發(fā)掘,也會有更多新穎的異質(zhì)結構組件出現(xiàn)。
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