半导体量子尺寸效应对其能带的影响

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1、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

2、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

3、～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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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