什么是壓電效應(yīng) 壓阻效應(yīng)

發(fā)布時間：2025-09-30 | 來源：互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)載和整理

壓阻效應(yīng)

壓阻效應(yīng)是指材料在外力的作用下引起電阻率的改變。壓阻系數(shù)（ ）定義如下： 其中 是原始半導(dǎo)體樣品的電阻 , 表示電阻的改變， 是外加應(yīng)力。 與 的比率可以如下表示：

公式（2）等號右側(cè)的前三項描述樣品在應(yīng)力誘導(dǎo)下的幾何尺寸改變，最后一項是電阻率對于應(yīng)力的依賴項。對于大部分的半導(dǎo)體，壓力誘導(dǎo)的電阻率的改變是幾何尺寸誘導(dǎo)的電阻率變化的幾個數(shù)量級大。所以壓力誘導(dǎo)的電阻率的變化主要是由壓阻因子決定的。

通常條件下電阻率 是是二階張量，應(yīng)力 也是二階張量。電阻率的改變 與應(yīng)力通過一個四階張量，壓阻張量 聯(lián)系起來。在線性區(qū)域有如下關(guān)系： 求和遍歷 。

沿著講應(yīng)力的思路，將寫成矢量的形式 ，其中 。我們可以將公式（3）改寫為

其中 是一個 的矩陣。對于立方結(jié)構(gòu)，由于對稱性，只有三個獨立的元素

這三個獨立的系數(shù)， 描述了在沿著晶體主軸外力作用下晶體主軸對應(yīng)的壓阻效應(yīng)， 描述了在沿著垂直晶體主軸外力作用下晶體主軸對應(yīng)的壓阻效應(yīng)， 描述了平面內(nèi)的剪切應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生的平面內(nèi)電流發(fā)生改變，最終導(dǎo)致平面外電場變化的壓阻效應(yīng)。

壓電效應(yīng)

不同于壓阻效應(yīng)，壓電效應(yīng)來源于應(yīng)力誘導(dǎo)的無中心反演對稱的晶體中電荷的極化。所以壓電效應(yīng)在Si,Ge等金剛石結(jié)構(gòu)元素半導(dǎo)體中并不存在。閃鋅礦半導(dǎo)體是擁有這類特性的最簡單的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。極化與應(yīng)力通過壓電張量 聯(lián)系起來：

其中 是極化矢量， 是包含六個分量的應(yīng)變矢量。所以壓電張量是一個 的矩陣。對于閃鋅礦半導(dǎo)體，壓電張量只有一個非零元素， 。應(yīng)變誘導(dǎo)的極化如下：

對于閃鋅礦的半導(dǎo)體，例如沿著[001]方向生長的GaAs，雙軸應(yīng)力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)沿著[111]軸最大。這是由于陽離子和陰離子沿著[111]堆疊排列，沿著[111]方向的應(yīng)力會改變陽離子和陰離子之間的距離。GaAs的壓電常數(shù)可以由測量或者理論計算得到，目前被大家廣泛接受的是 。

另一方面外加的電場施加到這些壓電材料也會引起應(yīng)變的產(chǎn)生。壓電應(yīng)變張量 和壓電張量有著相同的形式。對于閃鋅礦半導(dǎo)體，唯一的非零元素 ，與 的關(guān)系如下

對于GaAs, 普遍接受的數(shù)值為 。

對于III-V族半導(dǎo)體， 和的符號是負(fù)的。如果晶體沿著[111]方向拉伸，陽離子面帶負(fù)電。這是不同于II-VI族半導(dǎo)體的。

對于其他的缺少中心反演對稱的半導(dǎo)體，壓電張量會有更多的非零元素。在纖鋅礦半導(dǎo)體，例如GaN，有三個非零元素： 和 。在這類半導(dǎo)體中，壓電效應(yīng)會在電子輸運方面扮演著重要角色。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中，即使在不摻雜的情況下，自發(fā)極化和壓電效應(yīng)可以誘導(dǎo)出非常多的電子。在沿著[111]方向生長的GaAs/InGaAs超晶格，壓電效應(yīng)可以導(dǎo)致能帶彎曲，這可以極大的改變勢場形貌，從而影響電荷分布和輸運性質(zhì)。

有關(guān)半導(dǎo)體中應(yīng)力的基礎(chǔ)到這就全部講完了。這些內(nèi)容是我們后續(xù)深入討論應(yīng)力對光電性質(zhì)影響的基礎(chǔ)。應(yīng)力調(diào)控在半導(dǎo)體中有著深遠(yuǎn)的影響。對于我們半導(dǎo)體工業(yè)中常用的Si-Ge金剛石結(jié)構(gòu)，III-V族和II-VI族這三類半導(dǎo)體，應(yīng)力的表現(xiàn)形式又有所不同。這會導(dǎo)致完全不相同的現(xiàn)象。