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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 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,該部分能量占據了太陽光譜的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]
材料 | 化學式 | 族 | 能隙 (300 K) |
---|---|---|---|
碲化汞鎘 | Hg1−xCdxTe | II-VI | 0 to 1.5 eV |
碲化汞鋅 | 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] |
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