2022-2023学年高二物理竞赛课件：晶体及其概念的延伸+

晶体及其概念的延伸2晶体及其概念的延伸原子或分子有序排列形成的晶体在微观范围，原子有规律地排列形成的物质称为晶体，如天然或人工晶体。晶体的结构可用晶体的几何理论――点阵理论来描述，共分为七大晶系，十四种布拉菲点阵。晶体中原子、分子之间的作用力（键）有：离子键、共价键、金属键、氢键、范德华键。

3晶体及其概念的延伸21、原子或分子有序排列形成的晶体可将用于微电子工业的天然或人工晶体称为电子晶体，或传统晶体，如半导体。半导体的原子势场呈周期性排列。电子在半导体中传播时，电子与原子周期势场的相互作用（布拉格散射）使得电子会形成能带结构，如价带与导带，带与带之间有带隙，即禁带。电子的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。4晶体及其概念的延伸32、介观或宏观物质有序排列形成的晶体在介观范围：点阵由a)人造原子，如纳米粒子构成——人造原子组成的晶体；b)几个原子或纳米厚度的不同物质的薄膜交替排列——超晶格材料。在宏观范围，人造复合材料组成的晶体：光子晶体——由两种具有不同介电常数的介质组成的复合材料，阵点由通常为球、杆、板等。声子晶体——由高密度材料，通常为球、杆等为阵点封密于柔软材料，如硅胶、树脂内组成的复合材料。5晶体及其概念的延伸43、各种晶体的区别点阵的组元和点阵常数不同：电子晶体：微观的原子或分子；超晶格等：介观的纳米颗粒或薄膜；光子和声子晶体：宏观（或介观）的球、杆或板等。成分不同：电子晶体由一种材料构成；超晶格和光子、声子晶体由两种或两种以上的材料构成，是复合材料。

超晶格:Esaki和Tsu（江崎和朱兆祥）在1969年提出了超晶格概念，设想将两种不同组分或不同掺杂的半导体超薄层A和B交替叠合生长在衬底上，使在外延生长方向形成附加的晶格周期性。当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。导带中电子的能量可表示为:E=E(kz)+ħ2/2m(kx2+ky2)在xy平面内电子的动能是连续的，z方向附加周期势场使电子的能量分裂为一系列子能带。不连续点的kz值满足:kz=±n/D，D为超晶格周期。AB超晶格和量子阱的一般描述6超晶格多量子阱能带结构示意图多量子阱能带图E2E1超晶格能带图EcAEvAEcBEvBEgBEgA∆Ec∆EvE2E1多量子阱和超晶格的本质差别在于势垒的宽度：当势垒很宽时电子不能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱之间没有相互耦合，此为多量子阱的情况；当势垒足够薄使得电子能从一个量子阱隧穿到相邻的量子阱，即量子阱相互耦合，此为超晶格的情况。7超晶格分类（1）组分调制超晶格（2）掺杂调制超晶格（3）应变超晶格（4）多维超晶格（5）非晶态半导体的超晶格（6）半磁超晶格（7）渐变能隙超晶格(锯齿状)超晶格能带结构来源于两种材料禁带的变化，存在内界面。8（1）组分调制超晶格

在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成，则称为组分超晶格。在组分超晶格中，由于构成超晶格的材料具有不同的禁带宽度，在异质界面处将发生能带的不连续。9

按异质结中两种材料导带和价带的对准情况，江崎把异质结分为三类：Ⅰ型异质结:窄带材料的禁带完全落在宽带材料的禁带中，ΔEc和ΔEv的符号相反。不论对电子还是空穴，窄带材料都是势阱，宽带材料都是势垒，即电子和空穴被约束在同一材料中。载流子复合发生在窄带材料一侧。GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都属于这一种。10Ⅱ型异质结（ΔEc和ΔEv的符号相同），分两种：*ⅡA类超晶格：材料1的导带和价带都比材料2的低，禁带是错开的。材料1是电子的势阱，材料2是空穴的势阱。电子和空穴分别约束在两材料中。超晶格具有间接带隙的特点，跃迁几率小，如