Electronic States and Optical Transitions in Semiconductor Heterostructures pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer

作者:Fedor T. Vasko

出品人:

页数:410

译者:

出版时间:1998-12-7

价格:USD 119.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387985671

丛书系列:

图书标签:

半导体
异质结构
电子态
光学跃迁
固态物理
材料科学
量子力学
光谱学
纳米材料
半导体物理

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具体描述

The theoretical basis and the relevant experimental knowledge underlying our present understanding of the electrical and optical properties of semiconductor heterostructures. Although such structures have been known since the 1940s, it was only in the 1980s that they moved to the forefront of research. The resulting structures have remarkable properties not shared by bulk materials. The text begins with a description of the electronic properties of various types of heterostructures, including discussions of complex band-structure effects, localised states, tunnelling phenomena, and excitonic states. The focus of the remainder of the book is on optical properties, including intraband absorption, luminescence and recombination, Raman scattering, subband optical transitions, nonlinear effects, and ultrafast optical phenomena. The concluding chapter presents an overview of some of the applications that make use of the physics discussed. Appendices provide background information on band structure theory, kinetic theory, electromagnetic modes, and Coulomb effects.

《半导体异质结中的电子态与光学跃迁》内容提要本书深入探讨了半导体异质结领域的核心物理概念，系统阐述了在这些复杂结构中电子能带的形成、量子限域效应（Quantum Confinement Effects）以及由此引发的各种光学过程。全书聚焦于从理论基础到实验应用的过渡，为研究人员和高级学生提供了一个全面且深入的参考框架。第一部分：理论基础与能带结构本书的开篇奠定了理解半导体异质结物理的基础。首先，详细回顾了单组分半导体的能带理论，包括晶格结构、布里渊区概念以及有效质量近似（Effective Mass Approximation）。随后，重点转向异质结体系，阐述了两种不同半导体材料界面处的能带失配（Band Offsets）。这部分内容详述了如何利用肖特基-莫特规则（Schottky-Mott Rule）和晶体化学模型来预测界面处的能带弯曲和势垒的形成。核心章节集中讨论了能带工程（Bandgap Engineering）。通过精确控制不同材料的组分和厚度，可以人为设计出具有特定电子特性的微结构。书中详细分析了由界面电场诱导的斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE），并解释了如何通过调节内建电场来调控器件的光学响应。此外，对准二维电子气（2DEG）的形成机制进行了深入剖析，包括其在莫特（Mott）或赫特（Hertz）势阱中的形成，以及如何通过掺杂和界面势垒控制2DEG的密度和迁移率。第二部分：量子限域效应与载流子行为本部分深入探讨了量子力学在纳米尺度结构中的体现。异质结的厚度若达到纳米量级，材料的电子态将不再遵循体相半导体的描述，而是表现出强烈的量子限域效应。书中详细推导了无限深方势阱模型（Infinite Square Well Model）在理解最简单的量子阱（Quantum Well, QW）能级结构中的应用，并逐步过渡到更实际的有限深势阱模型，考虑了波函数穿透势垒的隧道效应。对于更复杂的结构，如多量子阱（MQW）和超晶格（Superlattices），本书提供了系统的分析工具。在超晶格部分，重点介绍了布洛赫（Bloch）电子理论在周期性势场中的应用，推导了超晶格的有效质量和能带的形成，包括“迷你布里渊区”的概念。载流子的动力学在光电器件中至关重要。本部分详细分析了电子和空穴在异质结能带中的输运机制，包括热激发、界面散射（如声子散射和缺陷散射）以及载流子在势阱间的耦合与转移（如交叉弛豫）。对载流子弛豫时间的计算方法，结合实验光谱数据进行拟合的案例分析，为读者提供了实用的分析手段。第三部分：光学跃迁与光电子特性异质结最引人注目的特性在于其独特的光吸收和光发射行为。本部分从量子力学的基础出发，详细阐述了电子从价带跃迁至导带的过程——光学跃迁。书中引入了跃迁概率的概念，并基于费米黄金定则（Fermi's Golden Rule）推导了异质结的吸收系数随能量的函数关系。重点研究了直接跃迁和间接跃迁的相对重要性，并解释了如何通过选择合适的异质结材料（如GaAs/AlGaAs与Si/Ge）来优化器件的发光效率。对于本征吸收（Intrinsic Absorption）和掺杂吸收（Impurity Absorption），进行了对比分析。在发射特性方面，本书详尽分析了光致发光（Photoluminescence, PL）和电致发光（Electroluminescence, EL）在异质结研究中的应用。通过分析PL谱线的能量、宽度和温度依赖性，可以精确判断量子阱的组分、缺陷密度以及载流子复合率。书中详细讨论了室温下光电器件的效率滚降（Efficiency Droop）现象，并将其归因于异质结界面处的非辐射复合机制。此外，对调制掺杂（Modulation Doping）如何提高载流子浓度和器件性能的物理机制进行了深入阐述。第四部分：关键异质结器件应用本书的最后一部分将理论与实际工程应用紧密结合，探讨了异质结在现代半导体器件中的关键作用。 1. 激光二极管（LD）与发光二极管（LED）：阐述了如何利用异质结的波导效应（Waveguiding）和光限制效应（Optical Confinement）来提高光的输出效率。详细分析了阈值电流密度的决定因素，以及如何通过优化量子阱结构来降低工作电压和提高调制速度。 2. 高电子迁移率晶体管（HEMT）：深入解释了HEMT如何依赖于异质结界面形成的2DEG来实现超高频率工作。重点分析了界面势垒对空穴散射的有效抑制，以及如何通过界面质量控制来提高器件的跨导。 3. 光电探测器（Photodetectors）：讨论了PIN结构和雪崩光电二极管（APD）中异质结的应用，特别是如何利用不同的带隙材料来设计对特定波长敏感的吸收层。全书贯穿了大量的数学推导和物理图像，旨在使读者不仅理解“是什么”，更要洞悉“为什么”。通过对关键实验数据的引用和分析，本书力求成为研究和开发基于半导体异质结的新一代光电器件的权威性参考资料。