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窄帶隙半導體

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窄帶隙半導體是指帶隙小於0.5 eV，或紅外吸收截止波長超過2.5微米的半導體材料。更廣義的定義包括帶隙小於矽（1.1 eV）的所有半導體。[1] [2] 現代太赫茲[3]、紅外[4] 和熱成像[5] 技術均基於此類半導體。

窄帶隙材料應用於紅外探測器和紅外領域，以實現衛星遙感[6]、遠程通訊的光子集成電路[7] [8] [9] 和無人駕駛車輛的Li-Fi系統[10] [11] [12] [13]。這種半導體材料也是太赫技術的材料基礎，其應用包括探測隱藏武器的安全監視系統[14] [15] [16]、太赫茲斷層掃描的安全醫療和工業成像系統 [17] [18] [19]，以及介電尾場加速器[20] [21] [22]。 此外，嵌入窄帶隙半導體的熱光伏（英語：Thermophotovoltaic energy conversion） 發電可講傳統太陽能發電系統中浪費的部分能量轉化為可用電能，該部分能量佔據了太陽光譜的49%左右[23] [24]。 航天和深海應用，以及真空物理裝置中，常使用窄帶隙半導體來實現超低溫冷卻。[25] [26]

在尖端研發中，窄帶隙半導體被製成納米材料，其強烈的電子空穴耦合會與增加的量子限制效應相互作用[27]，這給描述和設計帶來了特殊的挑戰。麻省理工學院的蘭克斯提出的「蘭克斯模型」擴展了k·p 方法來解決電子能帶邊緣的非拋物線性問題，但又缺乏精確性[28]。 使用超級計算機利用密度泛函理論進行第一性原理計算，雖然可以得到更精確的能帶曲率，但其對算力和算時的要求都太大。 唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的「唐-崔瑟豪斯理論」[29] [30] 引入了一種低維多帶迭代法，以漸進式方法解決了這個問題，並得到了通用汽車的數據支持。[31] [32]

2012年4月12日，麻省理工學院官網以封面新聞報道唐爽和崔瑟豪斯提出的「唐-德雷塞爾豪斯理論」，該理論提出了低維多帶迭代法。

窄帶隙半導體列表

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材料 化學式 族 能隙 (300 K)
碲化汞鎘（英語：Mercury cadmium telluride） Hg1−xCdxTe II-VI 0 to 1.5 eV
碲化汞鋅（英語：Mercury zinc telluride） Hg1−xZnxTe II-VI 0.15 to 2.25 eV
硒化鉛 PbSe IV-VI 0.27 eV
硫化鉛 PbS IV-VI 0.37 eV
碲化鉛 PbTe IV-VI 0.32 eV
砷化銦 InAs III-V 0.354 eV
銻化銦 InSb III-V 0.17 eV
銻化鎵 GaSb III-V 0.67 eV
砷化鎘 Cd3As2 II-V 0.5 to 0.6 eV
碲化鉍 Bi2Te3 0.21 eV
碲化亞錫 SnTe IV-VI 0.18 eV
硒化亞錫 SnSe IV-VI 0.9 eV
硒化銀 Ag2Se 0.07 eV
矽化鎂 Mg2Si II-IV 0.79 eV[33]

相關條目

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參考

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  • 多恩豪斯，R.，尼姆茨，G.，施利希特，B.（1983）。窄帶隙半導體。施普林格現代物理學小冊子98 ,ISBN 978-3-540-12091-9 （打印）ISBN 978-3-540-39531-7 （在線）
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