窄带隙半导体

窄带隙半导体是指带隙小于0.5 eV，或红外吸收截止波长超过2.5微米的半导体材料。更广义的定义包括带隙小于硅（1.1 eV）的所有半导体。^{[1] [2]} 现代太赫兹^[3]、红外^[4] 和热成像^[5] 技术均基于此类半导体。

窄带隙材料应用于红外探测器和红外领域，以实现卫星遥感^[6]、远程通讯的光子集成电路^{[7] [8] [9]} 和无人驾驶车辆的Li-Fi系统^{[10] [11] [12] [13]}。这种半导体材料也是太赫技术的材料基础，其应用包括探测隐藏武器的安全监视系统^{[14] [15] [16]}、太赫兹断层扫描的安全医疗和工业成像系统 ^{[17] [18] [19]}，以及介电尾场加速器^{[20] [21] [22]}。 此外，嵌入窄带隙半导体的热光伏（英语：Thermophotovoltaic energy conversion） 发电可讲传统太阳能发电系统中浪费的部分能量转化为可用电能，该部分能量占据了太阳光谱的49%左右^{[23] [24]}。 航天和深海应用，以及真空物理装置中，常使用窄带隙半导体来实现超低温冷却。^{[25] [26]}

在尖端研发中，窄带隙半导体被制成纳米材料，其强烈的电子空穴耦合会与增加的量子限制效应相互作用^[27]，这给描述和设计带来了特殊的挑战。麻省理工学院的兰克斯提出的“兰克斯模型”扩展了k·p 方法来解决电子能带边缘的非抛物线性问题，但又缺乏精确性^[28]。 使用超级计算机利用密度泛函理论进行第一性原理计算，虽然可以得到更精确的能带曲率，但其对算力和算时的要求都太大。 唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的“唐-崔瑟豪斯理论”^{[29] [30]} 引入了一种低维多带迭代法，以渐进式方法解决了这个问题，并得到了通用汽车的数据支持。^{[31] [32]}

2012年4月12日，麻省理工学院官网以封面新闻报道唐爽和崔瑟豪斯提出的“唐-德雷塞尔豪斯理论”，该理论提出了低维多带迭代法。

窄带隙半导体列表

材料	化学式	族	能隙 (300 K)
Mercury cadmium telluride	Hg1−xCdxTe	II-VI	0 to 1.5 eV
Mercury zinc telluride	Hg1−xZnxTe	II-VI	0.15 to 2.25 eV
Lead selenide	PbSe	IV-VI	0.27 eV
Lead(II) sulfide	PbS	IV-VI	0.37 eV
Lead telluride	PbTe	IV-VI	0.32 eV
Indium arsenide	InAs	III-V	0.354 eV
Indium antimonide	InSb	III-V	0.17 eV
Gallium antimonide	GaSb	III-V	0.67 eV
Cadmium arsenide	Cd3As2	II-V	0.5 to 0.6 eV
Bismuth telluride	Bi2Te3		0.21 eV
Tin telluride	SnTe	IV-VI	0.18 eV
Tin selenide	SnSe	IV-VI	0.9 eV
Silver(I) selenide	Ag2Se		0.07 eV
Magnesium silicide	Mg2Si	II-IV	0.79 eV^[33]

也可以看看

• 半导体材料清单
• 宽带隙半导体

参考

1. Li, Xiao-Hui. Narrwo-Bandgap Materials for Optoelectronics Applications. Frontiers of Physics. 2022, 17: 13304 [2023-08-04]. doi:10.1007/s11467-021-1055-z. （原始内容于2023-08-04）. 
2. Chu, Junhao; Sher, Arden. Physics and Properties of Narrow Gap Semiconductors. Springer. [2023-08-04]. ISBN 9780387747439. （原始内容于2023-08-04）. 
3. Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. National Association of Broadcasters Engineering Handbook. Taylor and Francis. 2007: 7 [2023-08-04]. ISBN 978-1-136-03410-7. （原始内容于2023-08-04）. 
4. Avraham, M.; Nemirovsky, J.; Blank, T.; Golan, G.; Nemirovsky, Y. Toward an Accurate IR Remote Sensing of Body Temperature Radiometer Based on a Novel IR Sensing System Dubbed Digital TMOS. Micromachines. 2022, 13 (5). doi:10.3390/mi13050703  . 
5. Hapke B. Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy. Cambridge University Press. 19 January 2012: 416. ISBN 978-0-521-88349-8. 
6. Lovett, D. R. Semimetals and narrow-bandgap semiconductors; Pion Limited: London, 1977; Chapter 7.
7. Inside Telecom Staff. How Can Photonic Chips Help to Create a Sustainable Digital Infrastructure?. Inside Telecom. 30 July 2022 [20 September 2022]. （原始内容于2023-06-11）. 
8. Awad, Ehab. Bidirectional Mode Slicing and Re-Combining for Mode Conversion in Planar Waveguides. IEEE Access. October 2018, 6 (1): 55937. S2CID 53043619. doi:10.1109/ACCESS.2018.2873278  . 
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33. Nelson, James T. Chicago Section: 1. Electrical and optical properties of MgPSn and Mg₂Si. American Journal of Physics (American Association of Physics Teachers (AAPT)). 1955, 23 (6): 390–390. ISSN 0002-9505. doi:10.1119/1.1934018. 

• 多恩豪斯，R.，尼姆茨，G.，施利希特，B.（1983）。窄带隙半导体。施普林格现代物理学小册子98 ,ISBN 978-3-540-12091-9 （打印）ISBN 978-3-540-39531-7 （在线）