半导体异质结构的应用知识

半导体异质结构的应用知识

(图a、b) 串珠状碳纳米管－半导体纳米球异质结构；(图c) 利用单根异质结构制作的Schottky二极管

(1)发光组件(light emitting devices, LED)：

因为半导体异质结构能将电子与电洞局限在中间层内，电子与电洞的复合率因而增加，所以发光的效率较大；同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率，所以现今的半导体发光组件，大都是由异质结构所组成的。半导体异质结构发光组件，相较其它发光组件，具有高效率、省电、耐用等优点，因此广泛应用于剎车灯、交通号志灯、户外展示灯等。值得一提的是在1993年，日本的科学家研发出蓝色光的半导体组件，使得光的三原色红、绿、蓝，皆可用半导体制作，因此各种颜色都可用半导体发光组件得到，难怪大家预测家庭用的灯炮、日光灯，即将被半导体发光组件所取代。

(2)雷射二极管：

半导体雷射二极管的基本构造，与上述的发光组件极为类似，只不过是雷射二极管必须考虑到受激发光(stimulated emission)与共振的条件。使用半导体异质结构，因电子与电洞很容易掉到中间层，因此载子数目反转(population inversion)较易达成，这是具有受激发光的必要条件，而且电子与电洞因被局限在中间层内，其结合率较大。此外，两旁夹层的折射率与中间层不同，因而可以将光局限在中间层，致使光不会流失，而增加雷射强度，是故利异质结构制作雷射，有很大的优点。第一个室温且连续发射的半导体异质结构雷射，是在1970年由阿法洛夫领导的研究群所制作出来的，而克拉姆则在1963年发展了有关半导体异质结构雷射的原理。半导体雷射二极管的应用范围亦相当广泛，如雷射唱盘（如图4所示），高速光纤通讯、激光打印机、雷射笔等。

 

(3)异质结构双极晶体管：(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半导体异质结构中，中间层有较低的能带，因此电子很容易就由旁边的夹层注入，是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流，就可以大为提高，晶体管的放大倍率也为之增加；同时基极的厚度可以减小，其掺杂浓度可以增加，因而反应速率变大，所以异质结构得以制作快速晶体管。利用半导体异质结构作成晶体管的建议与其特性分析，是由克接拉姆在1957提出的。半导体异质结构双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点，因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话等。

(4)高速电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)

高速电子迁移率晶体管，就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点，因此电子得以有很高的迁移率。在此结构中，改变闸极(gate)的电压，就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流，而达到放大的目的。因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点，因此广泛应用于无限与太空通讯（如图5所示），以及天文观测。

 

(5)其它应用：

半导体异质结构除了用于上述组件外，亦大量使用于其它光电组件，如光侦测器、太阳电池、标准电阻或是光电调制器．．．等。又因为长晶技术的进展，单层原子厚度的薄膜已能控制，因此半导体异质结构提供了高质量的低维度系统，让科学家能满足探求低维度现象的要求。除了在二度空间观测到量子与分数量子霍尔效应外，科学家已进一步在探求异质结构中的一维与零维的电子行为，预期将来还会陆续有新奇的现象被发掘，也会有更多新颖的异质结构组件出现。