半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用知識(shí)

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用知識(shí)

(圖a、b) 串珠狀碳納米管－半導(dǎo)體納米球異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(圖c) 利用單根異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作的Schottky二極管

(1)發(fā)光組件(light emitting devices, LED)：

因?yàn)榘雽?dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能將電子與電洞局限在中間層內(nèi)，電子與電洞的復(fù)合率因而增加，所以發(fā)光的效率較大；同時(shí)改變量子井的寬度亦可以控制發(fā)光的頻率，所以現(xiàn)今的半導(dǎo)體發(fā)光組件，大都是由異質(zhì)結(jié)構(gòu)所組成的。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光組件，相較其它發(fā)光組件，具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于剎車燈、交通號(hào)志燈、戶外展示燈等。值得一提的是在1993年，日本的科學(xué)家研發(fā)出藍(lán)色光的半導(dǎo)體組件，使得光的三原色紅、綠、藍(lán)，皆可用半導(dǎo)體制作，因此各種顏色都可用半導(dǎo)體發(fā)光組件得到，難怪大家預(yù)測(cè)家庭用的燈炮、日光燈，即將被半導(dǎo)體發(fā)光組件所取代。

(2)雷射二極管：

半導(dǎo)體雷射二極管的基本構(gòu)造，與上述的發(fā)光組件極為類似，只不過(guò)是雷射二極管必須考慮到受激發(fā)光(stimulated emission)與共振的條件。使用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因電子與電洞很容易掉到中間層，因此載子數(shù)目反轉(zhuǎn)(population inversion)較易達(dá)成，這是具有受激發(fā)光的必要條件，而且電子與電洞因被局限在中間層內(nèi)，其結(jié)合率較大。此外，兩旁?shī)A層的折射率與中間層不同，因而可以將光局限在中間層，致使光不會(huì)流失，而增加雷射強(qiáng)度，是故利異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作雷射，有很大的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)室溫且連續(xù)發(fā)射的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雷射，是在1970年由阿法洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究群所制作出來(lái)的，而克拉姆則在1963年發(fā)展了有關(guān)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雷射的原理。半導(dǎo)體雷射二極管的應(yīng)用范圍亦相當(dāng)廣泛，如雷射唱盤(pán)（如圖4所示），高速光纖通訊、激光打印機(jī)、雷射筆等。

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(3)異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管：(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，中間層有較低的能帶，因此電子很容易就由旁邊的夾層注入，是故在晶體管中由射極經(jīng)過(guò)基極到集極的電流，就可以大為提高，晶體管的放大倍率也為之增加；同時(shí)基極的厚度可以減小，其摻雜濃度可以增加，因而反應(yīng)速率變大，所以異質(zhì)結(jié)構(gòu)得以制作快速晶體管。利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)作成晶體管的建議與其特性分析，是由克接拉姆在1957提出的。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星通訊或是行動(dòng)電話等。

(4)高速電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)

高速電子遷移率晶體管，就是利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)與電子在空間能被分隔的優(yōu)點(diǎn)，因此電子得以有很高的遷移率。在此結(jié)構(gòu)中，改變閘極(gate)的電壓，就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流，而達(dá)到放大的目的。因該組件具有很高的向應(yīng)頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于無(wú)限與太空通訊（如圖5所示），以及天文觀測(cè)。

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(5)其它應(yīng)用：

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)除了用于上述組件外，亦大量使用于其它光電組件，如光偵測(cè)器、太陽(yáng)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻或是光電調(diào)制器．．．等。又因?yàn)殚L(zhǎng)晶技術(shù)的進(jìn)展，單層原子厚度的薄膜已能控制，因此半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了高質(zhì)量的低維度系統(tǒng)，讓科學(xué)家能滿足探求低維度現(xiàn)象的要求。除了在二度空間觀測(cè)到量子與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)外，科學(xué)家已進(jìn)一步在探求異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一維與零維的電子行為，預(yù)期將來(lái)還會(huì)陸續(xù)有新奇的現(xiàn)象被發(fā)掘，也會(huì)有更多新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)組件出現(xiàn)。