Antimonide-Related Strained-Layer Heterostructures (Optoelectronic Properties of Semiconductors and

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出版者:CRC
作者:M. O. Manasreh
出品人:
页数:501
译者:
出版时间:1997-12-23
价格:USD 189.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9789056995447
丛书系列:
图书标签:
  • Antimonides
  • Strained-layer heterostructures
  • Semiconductor optoelectronics
  • Superlattices
  • Materials science
  • Thin films
  • Quantum wells
  • Band structure
  • Optical properties
  • Heterojunctions
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具体描述

本书深入探讨了具有独特应变层结构的锑化物(Antimonide)相关半导体异质结,重点关注其光电性能。在半导体物理和超晶格器件领域,应变工程作为一种强大的材料调控手段,已经深刻地改变了我们设计和制造高性能光电器件的能力。通过在半导体材料中引入人为的应变,可以有效地改变材料的能带结构、载流子迁移率以及光吸收和发射特性,从而开发出超越传统材料极限的新型器件。 锑化物家族,特别是砷化镓-锑化铟(GaAs-InSb)及其相关合金(如GaSb, InAs, AlSb),因其优异的光电性能而备受关注。这些材料的带隙可调范围广,能够覆盖从近红外到中红外甚至太赫兹频段,使其在光通信、红外探测、激光器和高效太阳能电池等领域具有巨大的应用潜力。将锑化物材料构建成异质结和超晶格结构,并通过引入应变层,可以进一步优化其量子限制效应和光电转换效率。 本书的研究重点包括: 1. 应变层异质结的材料设计与生长: 应变工程的原理: 详细阐述了晶格失配引起的应变如何在异质结界面产生,以及应变对半导体能带结构(如价带顶和导带底的位置、能隙大小、载流子质量等)的影响。我们将介绍不同的应变引入方式,例如通过选择不同晶格常数的材料进行外延生长,或者利用生长技术(如分子束外延MOCVD、MBE)精确控制生长参数来诱导应变。 锑化物体系的应变异质结生长: 重点介绍了在生长锑化物异质结时的挑战与解决方案。例如,如何选择合适的衬底(如GaAs, InP, GaSb)来最大化应变,以及如何通过过渡层或缓冲层来缓解由于晶格失配过大而引起的位错和缺陷。我们将深入探讨生长温度、源组分、生长速率等关键参数对异质结质量和性能的影响。 量子点和量子线的构筑: 讨论了如何利用自组装技术在锑化物基底上生长应变诱导的量子点和量子线。这些低维结构由于其尺寸量子化效应,表现出独特的发光和吸收特性,对于开发新型激光器、探测器和量子计算器件至关重要。 2. 应变对锑化物异质结光电特性的影响: 能带结构调控: 深入分析了在不同应变状态下,锑化物异质结的能带结构如何发生变化。例如,张应变可能导致导带底向上移动,而压应变则可能向下移动,从而影响器件的击穿电压、阈值电压等。价带的重空穴和轻空穴的有效质量变化,对载流子输运和光学增益有显著影响。 光学吸收与发射: 详细研究了应变如何影响材料的吸收边和发射峰。例如,在GaAs/AlGaAs系统中,通过在 GaAs 中引入应变,可以降低其带隙,使其能够吸收更长波长的光,或者改变其发光波长。在锑化物体系中,精确控制应变可以实现对中红外波段(例如2-5微米,5-8微米)的精确调控,这对于红外成像、气体传感等应用至关重要。 载流子输运与动力学: 讨论了应变对载流子迁移率、复合速率以及激子束缚能的影响。应变可以降低载流子的有效质量,提高其迁移率,从而提高器件的响应速度和电流驱动能力。同时,应变也会影响载流子的弛豫过程和复合机制,这对于理解和优化器件效率至关重要。 3. 基于应变锑化物异质结的光电器件应用: 中红外光电器件: 重点介绍了如何利用应变锑化物异质结来构建高性能的中红外探测器(如光电导探测器、光电二极管、量子阱红外光电探测器 QWIP)、中红外激光器(如量子阱激光器 QCL、量子级联激光器)和中红外光电探测器。这些器件在国防安全(如目标识别、导弹预警)、环境监测(如污染物检测)和医疗诊断(如生物分子传感)等领域具有广泛的应用前景。 近红外和可见光光电器件: 讨论了应变锑化物异质结在近红外和可见光领域的应用,例如用于高速光通信的激光器和光电探测器、高性能太阳能电池(如多结太阳能电池,其中锑化物层可以作为吸收特定波长范围的太阳光谱的组成部分),以及LED等。 太赫兹器件: 探讨了利用具有较低带隙的锑化物材料(如InSb)构建太赫兹(THz)光电器件的可能性,以及应变对其能带和输运特性的调控作用,从而为开发太赫兹源和探测器提供新的途径。 本书将结合大量的实验数据和理论计算结果,为读者提供对锑化物相关应变层异质结光电性能的全面深入的理解。无论是材料科学家、器件工程师还是对半导体光电子学感兴趣的研究人员,本书都将是宝贵的参考资料。我们将力求以清晰的逻辑和严谨的学术态度,呈现最新的研究成果和前沿技术,激发读者在这一充满活力的研究领域的进一步探索。

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基于书名,这本书很可能在“Optoelectronic Properties”这一部分,对多种具体的半导体光电器件进行深入的案例分析。例如,锑化物材料因其优异的红外性能,非常适合用于制造红外光电探测器,包括短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)探测器。书中可能会详细介绍基于锑化物应变层异质结构和超晶格的PN结探测器、PIN探测器、雪崩光电二极管(APD)以及量子阱红外光电探测器(QWIP)等器件的结构设计、工作原理以及性能优化策略。此外,锑化物材料在激光器和LED领域也有着广泛的应用前景,书中可能会分析基于这些材料的室温量子级联激光器(QCL)和量子点激光器(QDL)等。

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总而言之,这本书的书名《Antimonide-Related Strained-Layer Heterostructures (Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices)》本身就描绘了一个复杂而引人入胜的研究领域。它不仅仅是关于某种材料的介绍,更是关于如何通过精巧的结构设计和材料工程来突破性能极限,实现先进光电器件的科学探索。我期待这本书能够提供一个关于锑化物应变层异质结构和超晶格在光电领域应用的全面、深入且前沿的视角。它应该能够指导未来的研究方向,激发新的器件概念,并为半导体光电子学的发展贡献重要的理论和实验基础。这本书不仅仅是知识的汇集,更是一种思维的启迪,它鼓励读者在微观世界中寻找解决宏观问题的创新方案。

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“Strained-Layer Heterostructures”所带来的应变效应,我推测书中会深入探讨其物理机制。应变不仅仅是简单地改变晶格常数,它还能显著影响材料的电子结构,包括改变有效质量(Effective Mass)、带隙能量(Bandgap Energy)以及载流子散射率。例如,张应变(Tensile Strain)和压应变(Compressive Strain)对不同能谷(Valley)的电子能级有着不同的影响,从而改变载流子的输运特性。在光电器件中,这种应变诱导的能带工程可以用来优化光的吸收和发射效率,甚至实现一些传统材料无法实现的量子现象,例如激子(Excitons)的形成和跃迁。书中可能还会讨论如何通过理论计算,如紧束缚模型(Tight-Binding Model)或k·p微扰理论(k·p Perturbation Theory),来精确预测应变对材料能带结构的影响。

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“Superlattices”这个概念的出现,预示着这本书不仅仅停留在单层的异质结构,而是将目光投向了更复杂的周期性结构。超晶格的出现,意味着量子限制(Quantum Confinement)效应和能带工程(Band Engineering)将成为核心议题。通过控制周期性层厚,可以改变电子和空穴的能量量子化能级,从而实现对器件光学性质的精确调控。例如,通过改变超晶格的周期和组分,可以实现窄带隙、可调谐的光吸收和发射,这对于开发高性能的光电探测器、激光器和调制器具有至关重要的意义。书中可能还会讨论超晶格中的布里渊区折叠(Brillouin Zone Folding)效应,以及它如何影响电子的有效质量和输运行为。对于超晶格的光电性能,我猜测书中会重点关注其在量子阱(Quantum Wells)、量子丝(Quantum Wires)和量子点(Quantum Dots)等低维结构中的应用。

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“Antimonide-Related”这个关键词也暗示了书中可能涉及多种锑化物材料体系。除了InSb和GaSb,可能还会讨论InAs、AlSb、GaInSb、AlGaSb等一系列相关的化合物以及它们的固溶体。这些材料的选择和组合对于构建具有特定带隙和应变条件的异质结构至关重要。例如,通过掺杂不同的元素,可以精确地调节材料的导电类型(p型或n型)和费米能级,进而影响载流子的注入和输运。书中可能还会分析不同锑化物材料体系的优势和劣势,以及它们在不同光电器件应用中的适用性。例如,对于长波红外探测器,通常需要窄带隙材料,InSb就是一种重要的候选材料;而对于量子级联激光器,则可能需要具有特定能带结构的超晶格。我预期书中会提供丰富的材料参数表,方便读者进行器件设计和仿真。

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书名中的“Strained-Layer Heterostructures”让我联想到书中必然会涉及到复杂的材料生长技术。为了实现精确的应变控制,通常需要采用外延生长(Epitaxial Growth)技术,例如分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)。这些技术能够以原子层级的精度控制材料的成分、厚度和界面质量,从而精确地引入所需的应变。因此,我推测这本书会详细介绍这些生长技术在制备锑化物应变层异质结构中的应用,包括生长参数的优化、晶体质量的控制、以及如何避免失配位错(Misfit Dislocations)的产生。失配位错是由于不同材料之间晶格常数不匹配而产生的缺陷,它们会严重损害器件的性能,因此,控制和避免失配位错是实现高质量异质结构的关键。这本书很可能提供了丰富的实验数据和生长曲线,帮助研究人员掌握制备高质量材料的诀窍。此外,对于“Superlattices”,其周期性结构意味着需要精确控制每一层的厚度和成分,这对手艺的要求极高。可能书中会详细阐述不同组分和厚度搭配所形成的超晶格的能带结构,以及它们如何影响载流子的输运和光子的相互作用。

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考虑到这本书的专业性,我预计它会包含大量的数学公式、物理模型和理论推导。对于应变层异质结构和超晶格的能带结构计算,可能需要用到薛定谔方程(Schrödinger Equation)的求解,以及密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)等第一性原理计算方法。书中可能会提供这些计算方法的简介,以及如何将其应用于锑化物材料体系。对于光电器件的性能分析,可能还会涉及半导体器件物理中的各种方程,例如泊松方程(Poisson's Equation)、连续性方程(Continuity Equation)和载流子扩散方程(Drift-Diffusion Equation)等。我期待书中能够清晰地展示这些理论框架,帮助读者理解实验结果背后的物理原理,并能够利用这些理论工具进行更深入的研究和创新。

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进一步展开对书名的解读,“Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices”则明确了这本书探讨的学科范畴和研究对象。光电性质(Optoelectronic Properties)直接指向的是半导体材料与光相互作用时表现出的各种现象,包括光吸收、光发射、光电转换等,这些是构建光电器件的基础。而“Semiconductors and Superlattices”则将研究对象进一步具体化。在经典半导体材料研究的基础上,这本书很可能花了大量篇幅来阐述超晶格(Superlattices)的概念和特性。超晶格是由周期性重复的两种或多种不同半导体材料薄层构成的宏观上看起来均匀的材料,由于其量子尺寸效应和周期性势垒结构,能够展现出许多传统块体材料所不具备的独特电子和光学性质,例如可调谐的光谱响应、增强的光吸收效率等。将锑化物与应变层异质结构以及超晶格的概念结合起来,这本书无疑是在探索一个前沿且极具挑战性的研究方向。它可能涵盖了从材料生长、器件制备到性能表征、理论分析的整个链条,为读者提供一个全面而深入的视角,去理解如何利用这些先进的材料体系来开发下一代高性能光电器件。

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从“Optoelectronic Properties”这一部分,我能预见到书中会对各种光学和电学测量技术进行深入的讨论。例如,对于光学性质的表征,拉曼光谱(Raman Spectroscopy)和X射线衍射(XRD)可以用来分析材料的晶格应变和晶体结构;光致发光(Photoluminescence, PL)和电致发光(Electroluminescence, EL)则是研究材料发光效率和光谱特性的重要手段;吸收光谱(Absorption Spectroscopy)则能揭示材料的光吸收特性。在电学性能方面,霍尔效应测量(Hall Effect Measurements)可以确定载流子的浓度和迁移率,而I-V特性曲线(Current-Voltage Characteristics)和C-V特性曲线(Capacitance-Voltage Characteristics)则是评估器件性能的基础。特别是对于超晶格结构,可能会涉及到更复杂的量子输运测量,例如朗道能级(Landau Levels)的观测,以揭示其独特的量子效应。我期望书中会提供清晰的实验装置示意图、测量方法介绍以及对测量结果的详细解读,这对于读者理解理论预测与实验观测之间的联系至关重要。

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这本书的书名,"Antimonide-Related Strained-Layer Heterostructures (Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices)",本身就充满了科学的严谨和深度,让人立刻联想到一个在半导体物理和光电子领域潜心研究的学者所创作的学术专著。我设想这不仅仅是一本书,更像是一扇通往微观世界奥秘的大门,为那些对利用独特材料特性实现高性能光电器件充满好奇的科研人员、研究生甚至资深工程师提供了宝贵的知识体系。从书名中“Antimonide-Related”这个词组,我能推断出这本书的核心内容很可能聚焦于锑化物(Antimonide)这一类特殊的半导体材料。锑化物,如InSb、GaSb及其相关的化合物,以其独特的带隙结构和高载流子迁移率而闻名,尤其在红外探测、高速电子学等领域展现出巨大的应用潜力。然而,单纯的锑化物材料往往在性能上存在局限,因此,“Strained-Layer Heterostructures”这一部分就显得尤为关键。这表明书中会深入探讨如何通过生长包含应变(Strain)的层状异质结构(Heterostructures)来巧妙地调控半导体材料的电子能带结构,进而优化其光电性能。这种应变工程(Strain Engineering)是现代半导体器件设计中的核心技术之一,它能够改变材料的晶格常数,从而影响其光学吸收、发射特性以及载流子动力学,为设计出超越经典极限的器件提供了可能。

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