半導體異質結構的應用知識

(圖a、b) 串珠狀碳納米管－半導體納米球異質結構；(圖c) 利用單根異質結構制作的Schottky二極管

(1)發光組件(light emitting devices, LED)：

因為半導體異質結構能將電子與電洞局限在中間層內，電子與電洞的復合率因而增加，所以發光的效率較大；同時改變量子井的寬度亦可以控制發光的頻率，所以現今的半導體發光組件，大都是由異質結構所組成的。半導體異質結構發光組件，相較其它發光組件，具有高效率、省電、耐用等優點，因此廣泛應用于剎車燈、交通號志燈、戶外展示燈等。值得一提的是在1993年，日本的科學家研發出藍色光的半導體組件，使得光的三原色紅、綠、藍，皆可用半導體制作，因此各種顏色都可用半導體發光組件得到，難怪大家預測家庭用的燈炮、日光燈，即將被半導體發光組件所取代。

(2)雷射二極管：

半導體雷射二極管的基本構造，與上述的發光組件極為類似，只不過是雷射二極管必須考慮到受激發光(stimulated emission)與共振的條件。使用半導體異質結構，因電子與電洞很容易掉到中間層，因此載子數目反轉(population inversion)較易達成，這是具有受激發光的必要條件，而且電子與電洞因被局限在中間層內，其結合率較大。此外，兩旁夾層的折射率與中間層不同，因而可以將光局限在中間層，致使光不會流失，而增加雷射強度，是故利異質結構制作雷射，有很大的優點。第一個室溫且連續發射的半導體異質結構雷射，是在1970年由阿法洛夫領導的研究群所制作出來的，而克拉姆則在1963年發展了有關半導體異質結構雷射的原理。半導體雷射二極管的應用范圍亦相當廣泛，如雷射唱盤（如圖4所示），高速光纖通訊、激光打印機、雷射筆等。

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(3)異質結構雙極晶體管：(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半導體異質結構中，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過基極到集極的電流，就可以大為提高，晶體管的放大倍率也為之增加；同時基極的厚度可以減小，其摻雜濃度可以增加，因而反應速率變大，所以異質結構得以制作快速晶體管。利用半導體異質結構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。半導體異質結構雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優點，因而廣泛應用于人造衛星通訊或是行動電話等。

(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，就是利用半導體異質結構中雜質與電子在空間能被分隔的優點，因此電子得以有很高的遷移率。在此結構中，改變閘極(gate)的電壓，就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流，而達到放大的目的。因該組件具有很高的向應頻率(600GHz)且低噪聲的優點，因此廣泛應用于無限與太空通訊（如圖5所示），以及天文觀測。

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(5)其它應用：

半導體異質結構除了用于上述組件外，亦大量使用于其它光電組件，如光偵測器、太陽電池、標準電阻或是光電調制器．．．等。又因為長晶技術的進展，單層原子厚度的薄膜已能控制，因此半導體異質結構提供了高質量的低維度系統，讓科學家能滿足探求低維度現象的要求。除了在二度空間觀測到量子與分數量子霍爾效應外，科學家已進一步在探求異質結構中的一維與零維的電子行為，預期將來還會陸續有新奇的現象被發掘，也會有更多新穎的異質結構組件出現。