半导体量子尺寸效应对其能带的影响

学术论文学生姓名：吴昌召学号：20094022学院：计算机与信息工程学院专业年级：09级电子科学与技术题目：论半导体量子尺寸效应对其能带的影响指导教师：周慧英教授2011年5月摘要本文主要介绍半导体量子尺寸效应对其能带的影响。简略地说明什么是半导体及半导体量子尺寸效应，并简要描述了能带的基本概念和重要理论。关键词：半导体量子尺寸效应能带禁带能级间距引言有人把半导体比喻为工业社会的稻米，是近代社会一日不可或缺的。从1833年发现半导体以来，其体现出的重要作用和地位无与伦比。就目前来说，半导体微电子有巨大的发展前景，而其所涉及到的量子尺寸效应对能带的影响更是其中极为重要的部分。本文旨在解决半导体量子尺寸效应对其能带有哪些影响及其理论原因。论文正文目录半导体量子尺寸效应的提出能带理论能带结构对导电性能的决定性量子尺寸效应对能带的影响影响的简单应用半导体航空飞机，电脑，电视机，小到我们的手机，甚至手机里的存储卡，它们都与半导体息息相关。半导体——电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。自1833年发现半导体以来，半导体的关键地位在电器方面体现得淋漓尽致。室温时半导体电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。另外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。量子尺寸效应的提出随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。但是，随着器件尺寸的不断缩小将会影响其特性。为此，我们引出了半导体的量子尺寸效应——当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。能带理论那么，这将会导致哪些性质的不同呢？怎么消除这种不同？便成为我们首要解决的问题。在解决此问题之前，我们先提出半导体的能带理论。晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。能带理论是现代固体电子技术的理论基础，对于微电子技术的发展有不可估量的作用。固体由原子组成，原子又包括原子核和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子核固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子核周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论，它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出。能带结构对导电性能的决定性固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金属，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电，绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～4电子伏，绝缘体的禁带宽度从4～7电子伏。在任何温度下，由于热运动，满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中，使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大，常温下从满带激发到空带的电子数微不足道，宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小，满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中，宏观上表现为有较大的电导率。可见，能带是半导体导电性质的决定性因素。量子尺寸效应对能带的影响因此，弄清楚半导体量子尺寸效应对其能带的影响至关重要。能带理论表明，金属费米能级附近的电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的纳米粒子来说，低温下能级是离散的，对于包含无限个原子（即导电电子数N→∞）的宏观物体，由式：1)/)(3/4(VNEF可得能级间距δ→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就使得δ有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性相比有着显著的不同。当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，达到Q态粒子尺寸，量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面上的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为产生很大的差异，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体所不具备的新的光学特性。同时，量子尺寸效应会使禁带变宽，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性能，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，从而导致导带和价带能级由连续变为分离。导带能级向负移，价带能级向正移，从而使导带电位更负，价带电位更正，使能隙增大，能带蓝移，其荧光光谱也随颗粒半径减小而蓝移，提高了半导体光催化剂TiO2的氧化还原能力。而且，由量子效应引起的禁带变化是十分显著的。例如：Cds颗粒直径减小至26nm时，其禁带宽度由2.6eV增加至3.6eV见图。禁带变宽使得电子或孔穴具有更强的氧化还原电位，有可能使半导体的光催化效率增加。Brus公式定量描述了颗粒量子效应引起的能带变化的增加量ΔＥ：RyheERemmRhE248.0786.1)11(22222)/1/1(2224heRymmheE影响的简单应用我们清楚，这种影响是无法消除的。既然无法消除，我们就要合理利用这种影响。就目前而言，我们仅仅了解到，量子尺寸效应对原子表面扩散运动的调制作用。可见，我们应该努力学习和研究半导体量子尺寸的多方面知识，多方面利用量子效应。结论主要阐述半导体量子效应对能级间距和禁带的影响，从而影响能带，进而决定半导体的导电性能。参考文献：黄昆编著《固体物理学》（部分内容摘自互联网）