非简并半导体中费米能级的简单计算及应用

本文基于半导体器件物理的教学实践,从非简并半导体的玻尔兹曼统计规律出发,总结了载流子浓度变化与费米能级之间的简明规律,即室温下当载流子浓度改变1个数量级,则其对应的费米能级改变60 meV.为深入理解该规律,本文通过对非平衡状态下的准费米能级、半导体的功函数、MIS结构的阈值电压及PN结的内建电势等实例,对重要参数进行了分析和计算.该规律有助于学生在学习过程中加深感性认识,培养和提高分析和设计半导体器件的能力.     

Hf、N以不同比例掺杂ZnO的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Hf、N以不同掺杂比例掺杂ZnO(Zn_(16)O_(16))形成Zn_(15)O_(16-x_HfN_x(x=1,2,3,4)体系的结构参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学方面的性质.计算结果表明,掺杂体系晶胞体积不同程度增大;x=1时体系的费米能级上移进入导带使其呈现n型半导体特征,吸收峰和反射峰红移较小,尤其是反射峰,主要表现为强度的变化;但x=2,3,4体系的费米能级均在价带顶附近,且随掺杂比例的增大,掺杂体系的费米能级进入价带的深度逐渐增大,N 2p态的贡献作用也越来越显著,使掺杂体系呈现p型半导体特征,吸收峰和反射峰均有较大的红移,这将有利于ZnO体系在可见光领域的应用.     

Hf、N以不同比例掺杂ZnO的第一性原理计算

基于第一性原理密度泛函理论,计算分析了Hf、N以不同掺杂比例掺杂ZnO（Zn16O16）形成Zn15O16-xHfNx（x=1,2,3,4）体系的结构参数、电子结构、Mulliken电荷布居和光学方面的性质。计算结果表明,掺杂体系晶胞体积不同程度增大;x=1时体系的费米能级上移进入导带使其呈现n型半导体特征,吸收峰和反射峰红移较小,尤其是反射峰,主要表现为强度的变化;但x=2,3,4体系的费米能级均在价带顶附近,且随掺杂比例的增大,掺杂体系的费米能级进入价带的深度逐渐增大,N 2p态的贡献作用也越来越显著,使掺杂体系呈现p型半导体特征,吸收峰和反射峰均有较大的红移,这将有利于ZnO体系在可见光领域的应用。     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数,调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质,给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体,带隙值为0.494eV;Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体,带隙值增加为0.996eV;增加H吸附石墨烯纳米带后,半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.299eV,带隙值相对减小,更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后,石墨烯纳米带中电荷密度发生转移,导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后,在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献;增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,杂化效应使费米能级分裂出一条能带;再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,O-2p在费米能级附近贡献非常强,费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后,明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

基于间接跃迁模型的p+-GaAsSb费米能级研究

重p型掺杂GaAsSb广泛应用于InP HBT基区材料,重掺杂影响GaAsSb材料的带隙和费米能级等重要参数,这些参数对设计高性能HBT起着关键作用。本文通过间接跃迁模型研究了p⁺-GaAsSb材料的荧光性质,以及费米能级与Sb组分的关系。由于费米能级与空穴有效质量m_h和空穴态密度n_h存在函数关系,我们通过荧光测量并计算了空穴有效质量m_h和空穴态密度n_h,研究结果表明m_h和n_h共同主导了费米能级的变化。     

高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格的荧光谱研究

报道用分子束外延(MBE)技术生长的x=0.4,0.8的高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格低温和室温荧光谱研究结果.基态激子跃迁能级荧光谱实验结果显示高组分超晶格中具有高量子效率和高质量光发射.对激子能级随温度的变化进行了详细研究,给出激子跃迁能量的温度系数.激子能级线型的展宽随温度变化关系可用激子-纵向光学声子耦合模型解释.与光调制反射谱实验结果进行了比较.     

B、N单掺杂3C-SiC电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法,计算了未掺杂与B、N单掺杂3C-SiC的电子结构和光学性质.结果表明:掺杂改变了3C-SiC费米面附近的电子结构;B掺杂使得禁带宽度减小,价带顶上移,费米能级进入价带,形成p型半导体;N掺杂使得禁带宽度减小,导带底下移,费米能级进入导带,形成n型半导体.B、N掺杂均提高了3C-SiC在低能区的折射率、消光系数和吸收系数,增强了对红外光谱的吸收.     

简并态锗在大注入下的自发辐射谱模拟

基于费米狄拉克模型模拟了应变、温度以及掺杂对简并态锗的直接带自发辐射谱的影响.随着温度升高,更多的电子被激发到导带中,使得锗自发辐射谱的峰值强度和积分强度随温度的升高而增大.对自发辐射谱峰值强度的m因子进行计算,结果表明张应变可以显著提高锗自发辐射的温度稳定性.在相同应变水平下,由Γ-hh跃迁引起的自发辐射谱峰值强度大于Γ-lh跃迁引起的自发辐射谱峰值强度,但二者的积分强度几乎相等.此外,计算结果还证明了n型掺杂能显著提高锗的自发辐射强度.以上结果对于研究简并态半导体的自发辐射性质有重要的参考意义.     

过渡金属W、Mn、V、Ti掺杂二维材料MoSi2N4的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了W、Mn、V、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的几何结构、电子结构以及光学性质的变化.电子结构分析表明W、Mn、W、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的禁带宽度分别为1.806 e V、1.003 e V、1.218 e V和1.373 e V;四种过渡金属掺杂后MoSi₂N₄的带隙类型没有发生改变,均为间接带隙半导体;W掺杂后的杂质能级靠近价带顶,费米能级靠近价带顶,为p型半导体,杂质能级为受主能级;Mn掺杂后的杂质能级靠近导带底,费米能级靠近导带底,为n型半导体;V和Ti掺杂后杂质能级位于费米能级附近,为复合中心;光学性质分析表明,在2 e V～4 e V的能量区间内,W掺杂结构的吸收波长为336 nm,体系发生红移;Mn、V和Ti替位掺杂后的吸收波长分别为320 nm、358 nm和338 nm,且掺杂体系均发生蓝移.     

基于粒子群算法的半导体激光器温度控制优化

半导体激光器输出波长随温度变化而变化,为了使半导体激光器稳定工作,要保持它的温度稳定,而温度PID控制效果与其比例、积分和微分三个参数密切相关,采用粒子群算法对半导体激光器温度PID控制系统参数进行优化,选取控制误差绝对值时间积分函数（ITAE）作为适宜度函数,并与Ziegler—Nichols算法整定参数进行比较。仿真结果表明,这种优化算法加快了收敛速度,实验中调节时间由150S降到50S,超调量由18％降到4％,有效改善了系统的动态性能。     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法,计算含有锑空位和铝空位的AlSb电子结构,发现空位引起周围原子弛豫,晶体结构发生畸变.在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响,结果表明,铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低,带隙变窄;而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高,带隙变窄,同时,锑化铝的半导体类型由p型变为n型.对光学性质的研究发现,由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化,使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域.     

TiO_2缺陷结构电子性质的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了O空位缺陷、Ti空位缺陷TiO_2的能带结构、总态密度、吸收谱.通过研究发现:与TiO_2超胞结构的能带相比,O空位缺陷体系的价带与导带能量均向低能区域移动,费米能级与导带底交错,呈现出n型半导体,Ti空位缺陷的TiO_2的费米能级与价带顶部的能级交错,为p型半导体材料.对于O空位缺陷TiO_2总态密度与分波态密度在低能区的态密度则主要由O的3s、3p轨道贡献的能量,而在费米能附近的态密度则主要由Ti的4d轨道贡献能量;Ti空位缺陷的态密度总态密度仍然由O的3s、3p和Ti的4d轨道贡献的能量;同时分析吸收光谱发现峰值下移较多的是钛缺陷体系,其原因在于Ti缺陷结构中未成键电子的相互作用.     

强激光照射对2H-SiC晶体电子特性的影响

使用基于密度泛函微扰理论的第一原理赝势法, 计算了纤锌矿结构2H-SiC晶体在强激光照射下的电子特性, 分析了其能带结构和电子态分布. 计算结果表明: 2H-SiC平衡晶格参数a 和c随电子温度T_e的升高逐渐增大; 电子温度在0–2.25 eV范围内时, 2H-SiC仍然是间接带隙的半导体晶体, 当T_e超过2.25 eV达到2.5 eV以上时, 2H-SiC变为直接带隙的半导体晶体; 随着电子温度升高, 导带底和价带顶向高能量或低能量方向发生了移动, 当电子温度T_e大于3.5 eV以后, 价带顶穿越费米能级; 电子温度T_e在0–2.0 eV变化时, 带隙随电子温度升高而增大; T_e在2.0–3.5 eV范围变化时, 带隙随电子温度升高而快速地减少, 表明2H-SiC晶体的金属性随电子温度T_e的继续升高而增强. 在T_e =0, 5.0 eV 处, 计算了2H-SiC晶体总的电子态密度和分波态密度. 电子结构表明T_e =0 eV 时, 2H-SiC 是一个带隙为2.3 eV的半导体; 在T_e =5.0 eV时, 带隙已经消失而呈现出金属特性, 表明当电子温度升高时晶体的共价键变弱、金属键增强, 晶体经历了一个熔化过程, 过渡到金属状态.     

Cu离子注入单晶TiO_2微结构及光学性质的模拟研究

TiO_2是一种新型的第三代半导体材料,具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO_2,可以改善TiO_2对光谱的响应范围,提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO_2结构及其相应光学性质的变化.结果表明,金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献,导带底主要由Ti 3d轨道贡献;掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级;Ti空位使得晶体费米能量降低,在价带顶产生新能级;O空位使得费米能量升高,在导带底产生新能级,表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析,得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.     

轴向磁场对碳纳米管电子性质的影响

用紧束缚法研究了单壁碳纳米管在轴向磁场下费米能级附近电子性质的变化规律.研究发现：能隙随轴向磁场变化的快慢及磁致能隙峰值都与碳纳米管直径有着紧密联系；对于相同直径的碳纳米管，金属性管的磁致能隙峰值最大.具体计算了锯齿型碳纳米管费米能级附近电子态密度随轴向磁场的变化关系,发现所有碳纳米管的电子态密度和能隙变化都体现出周期性.磁场使得碳纳米管发生绝缘体-金属周期性相转变的根本原因是由于在磁场的作用下范霍夫奇异点出现分裂-移动-融合的周期性变化. 关键词： 磁场 碳纳米管 紧束缚法 范霍夫奇异点     

Y、Zr、Nb掺杂ZnS半导体第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Y,Zr,Nb在Zn位掺杂ZnS半导体的能带结构和态密度.研究结果表明:Y,Zr,Nb掺杂体系的价带顶与导带底都在布里渊区的G点,为直接带隙半导体材料,掺杂对带隙宽度影响不大,掺杂结构的导带向低能区移动;Y,Zr,Nb在Zn位掺杂的Zn S的费米能级从价带顶移至导带底,说明掺杂后ZnS半导体材料从p型转变为n型,同时费米能级处出现数条杂质能级;Y,Zr,Nb掺杂体系的总态密度的贡献主要来源于Zn 4s、Y,Zr,Nb的4d 5s以及S 3p相互作用.     

外延石墨烯电导率和费米速度随温度变化规律研究

考虑到原子的非简谐振动和电子-声子相互作用,建立了金属基外延石墨烯的物理模型,用固体物理理论和方法,得到金属基外延石墨烯的电导率和费米速度随温度变化的解析式.以碱金属基底为例,探讨了基底材料和非简谐振动对外延石墨烯电导率和费米速度的影响.结果表明:1)零温情况下,碱金属基外延石墨烯的电导率和费米速度均随基底元素原子序数的增大而增大;2)外延石墨烯的电导率随温度升高而减小,其中,温度较低时时变化较快,而温度较高时则变化很慢,费米速度随温度升高而增大,其变化率随基底材料原子序数的增大而增大;3)原子非简谐振动对外延石墨烯的电导率和费米速度有重要的影响,简谐近似下,费米速度为常数,电导率的温度变化率较大;考虑到原子非简谐项后,费米速度随温度升高而增大,电导率的温度变化率减小;温度愈高,原子振动的非简谐效应愈明显.     

重掺杂硅费米能级和少数载流子浓度的温度特性分析

费米能级和少数载流子浓度是硅半导体的重要物理参数，它们与半导体掺杂杂质种类、掺杂浓度和温度都密切相关，至今尚未有一统一的数学模型，特别是在杂质重掺杂各件下进行定量的计算。本考虑了重掺杂引起的禁带变窄效应，建立了从７７Ｋ到３００Ｋ广为适应的数学模型，着重分析了重掺杂条件下它们的温度特性，获得的计算结果与献数据较好吻合，这为低温半导体器的设计提供了有益的理论基础。     

形变碳纳米管场效应晶体管的电学性质

在紧束缚理论的基础上,推导出轴向拉伸和扭转形变时碳纳米管（CNT）的能带公式.结果显示拉伸和扭转形变都可以改变CNT的导电性质,在金属型和半导体型之间转变,特别是对于锯齿型CNT,根据n 与3的余数关系,在拉伸和扭转中分别显示出三种不同的变化规律.进一步应用场效应晶体管Natori理论模拟计算形变对CNT场效应晶体管的电流-电压特性的影响,锯齿型CNT根据n 与3的余数关系表现出不同的电流变化趋势,而对于扶手椅型CNT轴向拉伸不改变电流;在扭转形变时,CNT电流急剧升高,特别是扶手椅型CNT.锯齿型CNT和扶手椅型CNT的电流随扭转角度和外电压行为明显不同.在某些特定的扭转角度,电流随扭转角度变化非常显著,显示出锯齿型CNT和扶手椅型CNT发生半导体型与金属型之间的转变. 关键词： 碳纳米管 紧束缚理论 费米能级 能带结构     

Agn(n=2～10)团簇的几何结构和电子特性

应用密度泛函理论中B3LYP/LANL2DZ 方法优化计算并分析了Agn(n=2～10)团簇的基态几何结构及电子性质.同时计算和讨论了银团簇的原子化能、能级分布、能级间隙、电子亲和能和电离势,所得理论计算值与实验值符合较好.研究结果表明:银小团簇的结构不同于块体,且随团簇尺寸大小而相应变化,原子化能和电子亲和势随原子尺寸的增加而增加,团簇的费米能级、电子亲和势和电离势随团簇大小变化具有明显的奇偶振荡特性,并对此作了分析.团簇的电子性质和几何结构之间的密切关系及其随团簇尺寸大小变化的规律,可以从理论上确定团簇的最稳定结构,并可对实验观测结果做出解释.