第9章半導(dǎo)體超晶格和多量子阱

10.1超晶格和多量子阱的一般描述10.2超晶格的能帶10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)10.4超晶格的光譜特性10.5超晶格和量子阱器件10.6量子阱和超晶格的近期發(fā)展1ppt課件第9章半導(dǎo)體超晶格和多量子阱10.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，設(shè)想將兩種不同組分或不同摻雜的半導(dǎo)體超薄層A和B交替疊合生長(zhǎng)在襯底上，使在外延生長(zhǎng)方向形成附加的晶格周期性。當(dāng)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(yùn)動(dòng)將受到超晶格附加的周期勢(shì)場(chǎng)的影響，而其xy平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不受影響。AB在xy平面內(nèi)電子的動(dòng)能是連續(xù)的，z方向附加周期勢(shì)場(chǎng)使電子的能量分裂為一系列子能帶。2ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格:Esaki和T10.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)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(shì)壘的寬度：當(dāng)勢(shì)壘很寬時(shí)電子不能從一個(gè)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(dāng)勢(shì)壘足夠薄使得電子能從一個(gè)量子阱隧穿到相鄰的量子阱，即量子阱相互耦合，原來在多量子阱中分立的能量En擴(kuò)展成能帶，此為超晶格的情況。3ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述超晶格多量子阱能帶結(jié)構(gòu)示10.1超晶格和多量子阱的一般描述（1）組分調(diào)制超晶格

在超晶格結(jié)構(gòu)中，如果超晶格的重復(fù)單元是由不同半導(dǎo)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(gòu)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)。4ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述（1）組分調(diào)制超晶格4p10.1超晶格和多量子阱的一般描述

按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導(dǎo)帶和價(jià)帶的對(duì)準(zhǔn)情況，異質(zhì)結(jié)分為兩類：Ⅰ型異質(zhì)結(jié):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(hào)相反。不論對(duì)電子還是空穴，窄帶材料都是勢(shì)阱，寬帶材料都是勢(shì)壘，即電子和空穴被約束在同一材料中。載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。5ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述按異質(zhì)結(jié)中兩種材10.1超晶格和多量子阱的一般描述Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔEv的符號(hào)相同），分兩種：*ⅡA類超晶格：材料1的導(dǎo)帶和價(jià)帶都比材料2的低，禁帶是錯(cuò)開的。材料1是電子的勢(shì)阱，材料2是空穴的勢(shì)阱。電子和空穴分別約束在兩材料中,如GaAs/AlAs超晶格。6ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述Ⅱ型異質(zhì)結(jié)（ΔEc和ΔE10.1超晶格和多量子阱的一般描述ⅡB類超晶格：禁帶錯(cuò)開更大，窄帶材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都位于寬帶材料的價(jià)帶中，有金屬化現(xiàn)象，如InAs/GaSb超晶格。7ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述ⅡB類超晶格：禁帶錯(cuò)開更10.1超晶格和多量子阱的一般描述（2）摻雜調(diào)制超晶格在同一種半導(dǎo)體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材料。8ppt課件10.1超晶格和多量子阱的一般描述（2）摻雜調(diào)制超晶格8p10.2超晶格的能帶

10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格10.2.2InAs-GaSb超晶格10.2.3HgTe-CdTe超晶格10.2.4應(yīng)變層超晶格10.2.5摻雜超晶格9ppt課件10.2超晶格的能帶10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格對(duì)界面是突變異質(zhì)結(jié)的GaAs-AlxGa1-xAs超晶格的導(dǎo)帶和價(jià)帶都是一系列的方形勢(shì)阱。假設(shè)勢(shì)壘和勢(shì)阱的寬度相同，均為d。當(dāng)勢(shì)壘寬度d逐漸變小時(shí)，能級(jí)從高到低依次擴(kuò)展成能帶。這種情形和原子組成晶體的過程相似。10ppt課件10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格能量和波矢的關(guān)系將如圖10.7所示。由于超晶格在z方向上的周期a是單晶周期a的n倍，所以它在z方向的第一布里淵區(qū)比單晶的縮小了n倍。超晶格的能帶可以看成是原來GaAs能帶的折疊而成的，由于勢(shì)壘的作用形成了分立的能帶。11ppt課件10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格在超晶格中電子的態(tài)密度和能量的關(guān)系既不同于三維晶體中的拋物形，也不同于二維電子氣的臺(tái)階狀。在兩個(gè)臺(tái)階相銜接的地方不是突變而是緩變過渡，如圖10.8所示。緩變說明垂直于結(jié)方向上的電子能量不再是分立的能級(jí)，而擴(kuò)展成能帶了。12ppt課件10.2.1GaAs-AlxGa1-xAs超晶格10.2.2InAs-GaSb超晶格II型超晶格，如圖10.12所示。GaSb價(jià)帶中的電子可以進(jìn)人InAs的導(dǎo)帶，在邊界上形成能帶的彎曲。界面兩邊積累的電子和空穴在界面上將形成較強(qiáng)的偶極層(圖10.12)。13ppt課件10.2.2InAs-GaSb超晶格II10.2.2InAs-GaSb超晶格Sai-Halas:等人計(jì)算出了InAs-GaSb超晶格的子帶結(jié)構(gòu)，如圖10.13所示圖。圖中E1，E2是電子的子帶，HH1-HH4是重空穴的子帶，LH1和LH2則是輕空穴的子帶。14ppt課件10.2.2InAs-GaSb超晶格SaSi和Ge價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心k＝0處，并且價(jià)帶是簡(jiǎn)并的（若一個(gè)能級(jí)與一種以上的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，則稱之為簡(jiǎn)并能級(jí)，屬于同一能級(jí)的不同狀態(tài)的數(shù)目稱為該能級(jí)的簡(jiǎn)并度）。由于能帶簡(jiǎn)并，Si和Ge分別具有有效質(zhì)量不同的兩種空穴，有效質(zhì)量較大的稱為重空穴，有效質(zhì)量較小的稱為輕空穴。對(duì)Si和Ge性質(zhì)起作用的主要是重空穴和輕空穴。15ppt課件Si和Ge價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心k＝0處，10.2.2InAs-GaSb超晶格計(jì)算表明，超晶格的子帶結(jié)構(gòu)和超晶格的周期有很大的關(guān)系。如圖10.14所示，當(dāng)周期加大時(shí)超晶格的禁帶會(huì)逐漸變小，當(dāng)周期達(dá)到170?時(shí)超晶格由半導(dǎo)體性質(zhì)變?yōu)榘虢饘傩再|(zhì)。16ppt課件10.2.2InAs-GaSb超晶格計(jì)算表10.2.2InAs-GaSb超晶格因?yàn)镮nAs的導(dǎo)帶和GaSb的價(jià)帶相互交錯(cuò)，InAs-GaSb異質(zhì)結(jié)本來就應(yīng)該具有半金屬特性，但由于周期減少形成超晶格后電子的子帶能量離開導(dǎo)帶底而上升，空穴的子帶能量也離開價(jià)帶頂而下降，互相之間不再交錯(cuò)，因而出現(xiàn)了半導(dǎo)體性質(zhì)一旦這個(gè)系統(tǒng)變成了半金屬后，由于GaSb價(jià)帶中的電子向InAs導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移，將產(chǎn)生很強(qiáng)烈的能帶彎曲。17ppt課件10.2.2InAs-GaSb超晶格因?yàn)镮nAs的導(dǎo)帶和10.2.3HgTe-CdTe超晶格HgTe的禁帶寬度接近于0，而CdTe和HgTe能帶相互之間的位置使?E≈0，圖10.15是用有效質(zhì)量近似法計(jì)算出的CdTe-HgTe超晶格4K下的k//=0時(shí)的電子和輕重空穴子帶的能量和CdTe層厚度d2的關(guān)系。當(dāng)d2逐漸加大時(shí)電子的最低子帶E1和空穴的最高子帶HH1在d2≈50?時(shí)相交。18ppt課件10.2.3HgTe-CdTe超晶格Hg10.2.3HgTe-CdTe超晶格圖10.16是取d1=2d2,d2和d2/2時(shí)的計(jì)算結(jié)果，縱坐標(biāo)用超晶格的禁帶寬度Eg=E1-HHl表示看得更為清楚。這兩個(gè)圖說明，只有當(dāng)超晶格的周期小于某個(gè)一定的數(shù)值時(shí)，CdTe-HgTe超晶格才具有半導(dǎo)體特性，當(dāng)周期大于這個(gè)數(shù)值時(shí)超晶格將具有半金屬特性。19ppt課件10.2.3HgTe-CdTe超晶格圖110.2.4應(yīng)變層超晶格如果異質(zhì)結(jié)對(duì)的晶格匹配不好，界面上將出現(xiàn)位錯(cuò)而嚴(yán)重影響量子阱的性質(zhì)。但是，如果超晶格的每層的厚度足夠薄，雖然晶格存在著一定程度的失配，只要失配不超過7%~9%，界面上的應(yīng)力就可以把兩側(cè)的晶格扭在一起而不產(chǎn)生缺陷。這種超晶格稱為應(yīng)變層超晶格。由于應(yīng)力的作用，超晶格兩層材料的平行于界面方向的晶格常數(shù)都要改變，趨于一個(gè)共同的晶格常數(shù)a//。a//將由下式?jīng)Q定20ppt課件10.2.4應(yīng)變層超晶格如果異質(zhì)結(jié)對(duì)的晶10.2.4應(yīng)變層超晶格圖10.19是用有效質(zhì)量近似法計(jì)算得到的GaAsxP1-x-GaP應(yīng)變層超晶格的禁帶寬度和GaP層厚度及GaAsxP1-x三元合金的晶格常數(shù)的關(guān)系(晶格常數(shù)正比于組分)。在每一種組分下改變GaP層的厚度可改變超晶格的禁帶寬度。21ppt課件10.2.4應(yīng)變層超晶格圖10.19是10.2.5摻雜超晶格摻雜超晶格不是異質(zhì)結(jié)超晶格，它是由摻雜周期性變化的同一種材料形成的。在n型層中濃度為ND的施主全電離帶正電，在P型層中濃度為NA的受主全電離帶負(fù)電，在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別形成電子和空穴的勢(shì)阱。在這些勢(shì)阱中電子在垂直于層的方向上的能量將分裂成一系列的子帶。22ppt課件10.2.5摻雜超晶格摻雜超晶格不是異質(zhì)10.2.5摻雜超晶格假設(shè)n型層和P型層摻雜量相等且厚度相等，則有根據(jù)式(10.7)可以用調(diào)節(jié)摻雜濃度和層厚來改變等效禁帶寬度。只要摻雜濃度足夠高，就可以使超晶格的等效禁帶寬度從負(fù)值一直變到Eg。23ppt課件10.2.5摻雜超晶格假設(shè)n型層和P型層摻雜量相等且厚度10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在一維雙勢(shì)壘量子阱結(jié)構(gòu)中，只有當(dāng)勢(shì)壘左側(cè)的電子的能量和量子阱中允許的分立的能級(jí)一致時(shí)，電子才能幾乎無反射地隧道穿透整個(gè)結(jié)構(gòu)而進(jìn)人勢(shì)壘的左側(cè)，而其他能量的電子將被反射回來而不能通過。這種現(xiàn)象稱為共振隧道效應(yīng)。圖10.23是隧穿概率和電子能量的關(guān)系。24ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在一維10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)如圖10.25所示，在兩端有兩個(gè)高摻雜GaAs層作電極，其中電子的費(fèi)米能級(jí)為EF。25ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)如圖110.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)對(duì)于雙勢(shì)壘和三個(gè)勢(shì)壘系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果如圖10.26所示。伏安特性上是一系列的峰值，第一個(gè)峰值的位置相當(dāng)于電極上的費(fèi)米能級(jí)和第一個(gè)子帶底對(duì)齊的情形。26ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)對(duì)于雙10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在圖10.27中的雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)上，勢(shì)壘左側(cè)和右側(cè)都分別相對(duì)于量子阱加偏壓，各為VEB和VCB。圖10.27給出了電流和VEB的關(guān)系，而將VCB作為參數(shù)。以上的計(jì)算都表明，在超晶格結(jié)構(gòu)的伏安特性曲線上存在著負(fù)阻區(qū)，勢(shì)壘的高度和厚度愈大負(fù)阻愈大。這種結(jié)構(gòu)可以用來做振蕩器。27ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在圖負(fù)阻振蕩器

28ppt課件負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器

29ppt課件負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器

30ppt課件負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器

負(fù)阻的概念對(duì)于負(fù)載：對(duì)于電源：可見，電源在回路中等效為負(fù)電阻，其值等于回路中的負(fù)載電阻。物理實(shí)質(zhì)是，負(fù)載消耗的功率等于電源提供的功率?；蛘哒f具有負(fù)阻特性的電路可以提供負(fù)載消耗功率。電源R+v-iivo1/R-1/R31ppt課件負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器

負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)阻器件抵消回路中的正阻損耗，產(chǎn)生自激振蕩的振蕩器。由于負(fù)阻器件與回路僅有兩端連接，故負(fù)阻振蕩器又稱為“二端振蕩器”。

正功率表示能量的消耗，負(fù)功率表示能量的產(chǎn)生，即負(fù)阻器件在一定條件下，不但不消耗交流能量，反而向外部電路提供交流能量，當(dāng)然該交流能量并不存在于負(fù)阻器件內(nèi)部，而是利用其能量變換特性，從保證電路工作的直流能量中取得。所以負(fù)阻振蕩器同樣是一個(gè)能量變換器。32ppt課件負(fù)阻振蕩器10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在以上的伏安特性計(jì)算中都忽略了GaAs和AlGaAs中電子有效質(zhì)量的差別。事實(shí)上這一差別對(duì)勢(shì)阱中子帶底的位置有較明顯的影響。計(jì)入了GaAs和AlxGa1-xAs的電子的m’的差別，并對(duì)外加電壓下勢(shì)壘形狀的改變假設(shè)了兩種模型，一種是傾斜勢(shì)壘模型，如圖10.30中的插圖所示。另一種模型是平底模型，如圖10.32所示，在外加電壓下兩側(cè)的勢(shì)壘不等高，但勢(shì)阱底是平的。33ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)在以上10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)34ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)34ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)從這些圖上可以看到，外加電壓增加時(shí)，隧穿概率的峰值向低能方向移動(dòng)。35ppt課件10.3垂直于超晶格方向的電子輸運(yùn)從這些10.4超晶格的光譜特性

10.4.1吸收光譜實(shí)驗(yàn)10.4.2激子光譜10.4.3激子的飽和吸收10.4.4室溫?zé)晒馓匦?0.4.5其他光譜特性36ppt課件10.4超晶格的光譜特性10.4超晶格的光譜特性

光譜特性是研究半導(dǎo)體材料(包括體材料和量子阱材料)中電子能帶結(jié)構(gòu)的有力工具。

吸收光譜是改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)測(cè)量樣品的透過率，由吸收峰的位置和強(qiáng)度探測(cè)電子能級(jí)的位置和相對(duì)的密度；

熒光光譜是用一種能量較大的固定波長(zhǎng)的光（h?>Eg）照射樣品，并測(cè)量所發(fā)出的熒光的光譜，穩(wěn)態(tài)的熒光光譜反映了帶邊或者雜質(zhì)能級(jí)的分布情況，時(shí)間分辨的熒光光譜還可以反映出載流子的弛豫過程；

激發(fā)光譜則是改變激發(fā)光的波長(zhǎng)，而測(cè)量某一固定波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度。37ppt課件10.4超晶格的光譜特性10.4.1吸收光譜實(shí)驗(yàn)早在1975年Dingle就用光吸收實(shí)驗(yàn)清晰地演示了由多量子阱向超晶格的過渡過程。圖10.39(a)為8個(gè)單量子阱結(jié)構(gòu)的吸收光譜。吸收光譜上在1.615和1.637eV處出現(xiàn)的兩個(gè)峰正好相當(dāng)于量子阱中n=1的重空穴和輕空穴子帶分別向n=1的電子的子帶的躍遷。圖的下方標(biāo)出的黑白兩個(gè)長(zhǎng)方條是理論計(jì)算出的峰值位置，黑色代表重空穴，白色代表輕空穴。38ppt課件10.4.1吸收光譜實(shí)驗(yàn)早在1975年Di10.4.1吸收光譜實(shí)驗(yàn)圖10.39(b)是六個(gè)周期的雙量子阱的GaAs-Al0.19Ga0.81As結(jié)構(gòu)的吸收光譜。從圖上可以明顯看出兩個(gè)勢(shì)阱之間電子能級(jí)的藕合。n=1的電子和空穴能級(jí)都產(chǎn)生了分裂，在吸收光譜上看到了四個(gè)峰。圖10.39(c)則是三個(gè)勢(shì)阱的吸收光譜。39ppt課件10.4.1吸收光譜實(shí)驗(yàn)圖10.39(10.4.2激子光譜和體材料相比，量子阱的激子光譜有以下幾個(gè)明顯不同的特征:（1）在低溫下量子阱的光譜中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位，圖10.40是GaAs-Al0.3Ga0.7As多量子阱結(jié)構(gòu)的低溫(1.8K)激發(fā)光譜、吸收光譜和熒光光譜的測(cè)量結(jié)果。40ppt課件10.4.2激子光譜和體材料相比，量子阱10.4.2激子光譜在吸收光譜和激發(fā)光譜上的兩個(gè)很銳的峰相當(dāng)于n=1的e-hh和e-lh子帶間的自由激子的躍遷。在熒光光譜相當(dāng)?shù)奈恢蒙系膬蓚€(gè)峰則是自由激子復(fù)合產(chǎn)生的熒光。

造成量子阱中自由激子的吸收和熒光占主導(dǎo)地位的原因主要是激子的二維性。41ppt課件10.4.2激子光譜在吸收光譜和激發(fā)光譜10.4.2激子光譜在帶間躍遷過程中要遵守?ni=0的選擇定則，在量子阱的光譜中出現(xiàn)某些?ni≠0的激子躍遷。圖10.40中，在1e-1lh和2e-2hh激子峰之間看到一個(gè)禁戒的躍遷。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還表明，能看到1e-3hh，2e-4hh，3e-1hh和4e-2hh的禁戒躍遷。42ppt課件10.4.2激子光譜在帶間躍遷過程中要遵10.4.2激子光譜43ppt課件10.4.2激子光譜43ppt課件10.4.2激子光譜44ppt課件10.4.2激子光譜44ppt課件10.4.2激子光譜

(4)在一般體材料中只能在極低溫度下看到激子吸收峰。但是，室溫下在量子阱吸收光譜中也能看到很強(qiáng)和很銳的激子吸收峰。圖10.42是GaAs-Al0.28Ga0.72As量子阱的室溫吸收光譜，兩個(gè)峰相當(dāng)于重空穴和輕空穴的自由激子吸收。出現(xiàn)這一特點(diǎn)的原因是量子阱中激子的束縛能較大，離帶邊吸收較遠(yuǎn)，溫度升高光學(xué)聲子散射會(huì)使激子峰展寬，但展寬的程度和體材料中相應(yīng)的展寬相差不多，因而仍能使激子峰明顯地表現(xiàn)出來。45ppt課件10.4.2激子光譜(4)在一般體材料中只能在極低溫度10.4.3激子的飽和吸收當(dāng)光強(qiáng)比較小的時(shí)候，一般物體的光吸收系數(shù)和光強(qiáng)無關(guān)，稱之為線性光學(xué)吸收。當(dāng)光強(qiáng)較大的時(shí)候，吸收系數(shù)可能隨著光強(qiáng)的增加而減小，出現(xiàn)了光吸收的飽和現(xiàn)象，稱為非線性光學(xué)吸收。產(chǎn)生飽和吸收的原因有多種。

在兩能級(jí)系統(tǒng)中強(qiáng)光激發(fā)引起低能級(jí)電子的耗盡會(huì)造成吸收的飽和，半導(dǎo)體的帶間躍遷也會(huì)產(chǎn)生類似的飽和吸收，但這些非線性光吸收將在光強(qiáng)很高時(shí)才發(fā)生。在量子阱結(jié)構(gòu)中，在光強(qiáng)比體材料中小幾個(gè)量級(jí)時(shí)就可觀察到自由激子吸收線的飽和。46ppt課件10.4.3激子的飽和吸收當(dāng)光強(qiáng)比較小的10.4.4室溫?zé)晒馓匦詧D10.44是GaAs(55?)–Al0.33Ga0.67As(170?)量子阱的熒光譜。對(duì)熒光峰的本質(zhì)有兩種不同的意見一種認(rèn)為室溫下量子阱中的復(fù)合也是以自由激子的復(fù)合為主，兩個(gè)熒光峰值相應(yīng)于輕重空穴激子的復(fù)合。依據(jù)是這兩個(gè)峰值的位置與激發(fā)光譜上看到的兩個(gè)激子吸收峰((1.534和1.512eV)符合得很好。47ppt課件10.4.4室溫?zé)晒馓匦詧D10.44是10.4.4室溫?zé)晒馓匦粤硪环N意見則認(rèn)為，室溫下的光熒光不是激子復(fù)合而主要是子帶間自由載流子復(fù)合產(chǎn)生的。48ppt課件10.4.4室溫?zé)晒馓匦粤硪环N意見則認(rèn)為10.4.5其他光譜特性垂直方向的電場(chǎng)對(duì)量子阱的熒光光譜的影響也是一個(gè)有興趣的研究方向。主要表現(xiàn)在隨電場(chǎng)的增加，熒光峰位置移動(dòng)，并且強(qiáng)度減弱，甚至淬滅，如圖10.47所示。初步研究表明，造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)，一是電場(chǎng)使量子阱中的電子和空穴向不同的方向偏離，改變了激子的束縛能，并且減少了電子和空穴在空間的覆蓋區(qū)域而降低了激子的躍遷概率。49ppt課件10.4.5其他光譜特性垂直方向的電場(chǎng)對(duì)10.4.5其他光譜特性另一個(gè)是電場(chǎng)對(duì)量子阱勢(shì)場(chǎng)的影響增加了載流子以隧道方式穿出阱外的概率，從而使熒光淬滅。電場(chǎng)對(duì)量子阱的激子吸收光譜也有類似的影響。50ppt課件10.4.5其他光譜特性另一個(gè)是電場(chǎng)對(duì)量10.5超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅在物理研究上開拓了一個(gè)新的領(lǐng)域，而且在新器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用上也具有重大的意義，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些超晶格和量子阱的新型器件。

光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件可能成為全光邏輯和計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵元件。發(fā)展半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件的目標(biāo)是小型化(約lμm)、快速(約1ns)、低功率(約1μW)和高溫(300K)工作。51ppt課件10.5超晶格和量子阱器件超晶格和量子阱結(jié)10.5超晶格和量子阱器件D.A.B.Miller等人提出了一種新型的混合的光雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)器件，它可在更小的光功率下工作，稱為自電光效應(yīng)器件(SEED)。將這種器件按圖10.53所示聯(lián)在外電路中將成為很好的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。52ppt課件10.5超晶格和量子阱器件D.A.10.5超晶格和量子阱器件工作原理如下:選取入射光的波長(zhǎng)在量子阱室溫激子吸收線附近，外加電路為反偏壓。當(dāng)入射光強(qiáng)很小時(shí)SEED中光電流很小，外電路電壓都集中在器件上，在量子阱上有一個(gè)較大的電場(chǎng)，因而激子吸收線離開入射光的波長(zhǎng)向低能方向移動(dòng)。所以，整個(gè)器件的光吸收并不強(qiáng)，有較大的光功率從輸出端射出。53ppt課件10.5超晶格和量子阱器件工作原理如下:選取入射光的波長(zhǎng)10.5超晶格和量子阱器件逐漸增加人射光功率，器件上的光電流也在逐步增加，光電流的增加使器件上的阻抗相對(duì)于串聯(lián)電阻R降低，而使電壓降主要落到R上，因而量子阱中外加電場(chǎng)的下降使激子吸收線返回到它原來的位置，立刻造成了人射光的較強(qiáng)的吸收，使輸出端光功率迅速降低，器件關(guān)斷。54ppt課件10.5超晶格和量子阱器件逐漸增加人射光功率，器件上的光10.6量子阱和超晶格的近期發(fā)展

10.6.1量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）10.6.2超晶格子能帶的電學(xué)研究10.6.3量子阱超晶格光電接收器10.6.4Wannier-Stark效應(yīng)10.6.5超晶格紅外級(jí)聯(lián)激光器55ppt課件10.6量子阱和超晶格的近期發(fā)展10.6.1量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）在量子阱上加偏壓時(shí)，量子阱的能帶圖會(huì)傾斜。導(dǎo)帶勢(shì)阱中的電子和價(jià)帶勢(shì)阱中的空穴會(huì)各自偏向一邊，如圖10.55所示。雖然電子和空穴各自偏向勢(shì)阱的一邊，但它們的波函數(shù)在空間上仍然重疊。此時(shí)吸收系數(shù)的帶邊能量E比不加電場(chǎng)時(shí)的帶邊能量，也就是禁帶寬度Eg要小，有一個(gè)紅移。這一紅移的多少隨外加電場(chǎng)的大小而變化。這就是量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。這一效應(yīng)在研制量子阱的光電調(diào)制器時(shí)被廣泛地應(yīng)用。56ppt課件10.6.1量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）10.6.2超晶格子能帶的電學(xué)研究Rauch等人發(fā)展的用隧道熱電子晶體管三端器件研究超晶格子能帶的方法。57ppt課件10.6.2超晶格子能帶的電學(xué)研究Rau10.6.2超晶格子能帶的電學(xué)研究測(cè)量時(shí)，采取共基極線路如圖所示，而發(fā)射極對(duì)基極加負(fù)電壓。電子注人時(shí)的能量由外加電壓來調(diào)節(jié)，電子隧穿過勢(shì)壘。實(shí)驗(yàn)表明，75%以上的注入電子是以彈射(ballistic)的方式越過的基區(qū)，穿過漂移區(qū)后到達(dá)超晶格。凡是能量和超晶格子能帶相匹配的電子就能隧穿過去到達(dá)集電極，形成集電極電流。而能量不能和超晶格子能帶相匹配的電子就不能到達(dá)集電極。因而，測(cè)量IC/I