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1、II-V族半导体纳米晶体材料小组成员：徐映嵩、王哲飞、任会权简介II-V族半导体是由第二副族元素(Zn,Cd)与第五主族元素(N,P,As等)形成的化合物.II-V半导体纳米晶体(亦称量子点)具有禁带窄、Bohr半径大、电子有效质量小、通过改变量子点尺寸,能够实现宽波段发光,较II-VI材料,其具有更多的共价键成分,性质稳定等优点,是应用于太阳能电池、生物标记及LED的理想材料.先给大家介绍下单电子学的相关知识单电子学现象要真正的了解单电子器件的相关原理,必须从单电子的最基本最普通的现象,单电子遂穿现象来出发，首先来看单电子结的模型以MIM
2、模型为例,图示（见下页）对于MIM来说,单电子遂穿就是单个电子由金属区经过绝缘区义进入金属区的过程。由于单电子的这种遂穿效应,也使得单电子结具有非常独特的现象。这方面的研究也已经有几十年的历史了（a）MIM单电子结的略图（b）单电子结的示意图纳米结构中的量子效应量子效应是指当粒子或半导体器件的尺寸下降到某一值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象,纳米粒子或半导体器件中存在不连续的被占据的最高分子轨道能级,同时,能隙变宽,由此导致的纳米粒子或半导体器件的微观特性和宏观性质表现出与宏观体材料(器件)显著的不同。当半导体器件的尺寸减小
3、到纳米数量级(0.1～100nm)时,器件的尺寸与电子的德布罗意波长相当,根据量子力学的观点电子的输运具有波粒二象性,这时其载流子的输运表现出明显的量子力学特性,这时,以前在半导体中采用的以电子浓度和迁移率这样的宏观量的半经典理论就不在适用,而需要采用量子力学来解释。量子尺寸效应当材料或者器件的尺寸很小,与电子或空穴的德布罗意波长相当时,载流子(主要指电子或空穴)的运动被局限在一个小的晶格范围内,类似于盒子中的粒子,这是一种新的物质状态,它既有别于块状固体中大晶体内电子的运动状态,又有别于分子、原子的运动状态。相对于块状固体中的晶体内电子,
4、在这种局限运动状态下,电子的动能增加,原本连续的导带和价带能级发生分裂,形成一些分立的能级,禁带宽度随着尺寸的减小而增加,这种效应称为量子尺寸效应。量子隧穿效应电子与某一势垒相碰撞时,只有当势垒的厚度减薄到电子的量子力学波长时,电子才能穿过势垒,这种现象称为量子隧穿效应。这一效应与量子尺寸效应一起,确定了为微电子器件进一步微型化的极限。电子在能量小于势垒时仍能贯穿势垒的现象,称为隧穿现象。好比一个人没有足够的力气到达山顶,他仍然能够翻过山出现在山的另一侧。在微观世界里,要用概率来描述,我们只能说电子在空间某处出现的概率是多少。单电子在空间各
5、处都是有存在的概率的,只是在不同的地方概率不同。只要是势垒不是无限高,那么电子总是会有一定的概率出现在势垒的另一侧,只是出现的概率要比没有势垒时低得多。如果从不确定性原理来考虑的话,有这样的式子:能量的不确定性乘以时间的不确定性大于等于普朗克常量/4。因此只要时间确定性很高的话,物体的能量就可以有很大的不确定度,也就是说能量可以达到很高或者很低的值,所以不管原来电子的能量是否高过势垒,它都有一定几率传过去。在两层金属导体之间夹一薄绝缘层,就构成一个电子的隧道结。实验发现,单个电子可以在很弱的外力下通过隧道结,即电子可以穿过绝缘层形成的势垒注
6、入电中性的导体(通常称之为岛)中,这便是隧道效应。外电极-隧道结-岛之间形成一个隧道结电容器。库仑阻塞效应库仑阻塞效应是20世纪80年代微观领域所发现的极其重要的物理现象之一。利用微细加工技术,人们可以制备处于两个隧道结之间的导体孤岛,这个孤岛的体积可以做的很小,隧道结电容可达到10-5F,在这个孤岛上增加一个电子将导致其库仑能增加△E=e2/(2C)超过电子热涨落能量KBT。这样当一个电子隧穿进这个孤岛时,引起孤岛相当大的电势变化,以至于下一个电子难以达到,这就阻碍了下一个电子的进入,只有当外加电压使其两端能量差大于△E时,下一个电子才能
7、隧穿进入,这种现象称为库仑阻塞现象。这个孤岛可以认为是一个量子点(库仑岛),如果用电容耦合方式在量子点外加栅电极,并通过栅电极来控制库仑岛上电子的能级,形成单电子晶体管,基于单电子隧穿效应和库仑阻塞效应,随着栅电极电压的变化,改变量子点的电荷,进而可以控制器件的电流电压特性。序言半导体纳米晶体(nanocrystals,简称NCs),也称之为胶体纳米晶体(colloidalnanocrystals)或量子点(quantumdots,简称QDs),是一种介于分子与块体材料的亚稳态晶体,它的电子结构不同于分子的离散能级,也不同于体材料的连续能带
8、结构,而是介于两者之间的特殊的能带结构.右图给出半导体能带结构随晶体颗粒尺寸的变化示意图.一般来说,当半导体晶体的颗粒尺寸减小至1~20nm时,即:半导体纳米晶体的尺寸比其材料的
