目錄
序
前言
第1章 概述 1
1.1 窄禁帶半導(dǎo)體 1
1.2 現(xiàn)代紅外光電子物理 6
1.2.1 紅外材料平臺 6
1.2.2 紅外物理規(guī)律 7
1.2.3 紅外功能器件 8
1.2.4 紅外技術(shù)應(yīng)用 9
參考文獻(xiàn) 10
第2章 晶體 12
2.1 晶體生長的基本理論 12
2.1.1 引言 12
2.1.2 晶體生長熱力學(xué)問題 15
2.1.3 晶體生長動力學(xué)問題 18
2.1.4 相圖在晶體生長中的應(yīng)用 21
2.1.5 分凝系數(shù) 29
2.1.6 凝固過程 33
2.2 體材料生長的主要方法 38
2.2.1 提拉法 38
2.2.2 布里奇曼方法 44
2.2.3 半熔法和Te溶劑法 49
2.2.4 固態(tài)再結(jié)晶方法 52
2.3 液相外延薄膜的生長 54
2.3.1 Hg1-xCdxTe液相外延生長條件 55
2.3.2 液相外延的生長程序 60
2.3.3 不同方式液相外延的比較 67
2.3.4 影響Hg1-xCdxTe液相外延層質(zhì)量的幾個因素 69
2.4 分子束外延薄膜生長 71
2.4.1 分子束外延生長過程 71
2.4.2 反射式高能電子衍射原位檢測技術(shù)(RHEED) 75
2.4.3 生長溫度的監(jiān)控 77
2.4.4 組分控制 82
2.5 晶體完整性 86
2.5.1 X射線雙晶衍射 86
2.5.2 形貌相 94
2.5.3 Hg1-xCdxTe外延薄膜中的沉淀相 96
2.5.4 Hg空位 100
參考文獻(xiàn) 103
第3章 能帶結(jié)構(gòu) 108
3.1 能帶結(jié)構(gòu)的簡要描述 108
3.1.1 能帶理論的基本方法 108
3.1.2 窄禁帶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)的簡要描述 110
3.2 k·p表象和本征方程 116
3.2.1 k·p表象 116
3.2.2 本征方程 118
3.2.3 選擇定則 122
3.3 能帶結(jié)構(gòu)計算 130
3.3.1 k0=0的解 130
3.3.2 k·p一級微擾 131
3.3.3 k·p一級微擾和(U×P)·σ一級微擾 132
3.3.4 Φiα、Φiβ之間的二級微擾 136
3.3.5 Hkso(k線性項)的貢獻(xiàn) 138
3.4 能帶參數(shù) 141
3.4.1 禁帶寬度 141
3.4.2 導(dǎo)帶電子有效質(zhì)量 155
3.4.3 動量矩陣元P和重空穴有效質(zhì)量mhh 160
參考文獻(xiàn) 162
第4章 光學(xué)性質(zhì) 165
4.1 光學(xué)常數(shù)和介電函數(shù) 165
4.1.1 一般概念 165
4.1.2 Kramerg-Kronig關(guān)系和光學(xué)常數(shù) 167
4.1.3 折射系數(shù)的色散 170
4.1.4 電場和磁場對光學(xué)常數(shù)的影響 174
4.2 帶間光躍遷的理論和實驗 178
4.2.1 直接帶間光躍遷的理論 178
4.2.2 帶間光躍遷的實驗研究 185
4.2.3 帶間的間接躍遷 192
4.3 本征吸收光譜的表達(dá)式 195
4.3.1 吸收邊的規(guī)律 195
4.3.2 本征吸收帶的解析表達(dá)式 199
4.3.3 本征吸收系數(shù)的其他表達(dá)式 204
4.4 光學(xué)常數(shù)的直接測量 211
4.4.1 引言 211
4.4.2 橢圓偏振光譜方法基本原理 213
4.4.3 實際工作模式 217
4.4.4 Hg1-xCdxTe光學(xué)常數(shù)的紅外橢圓偏振光譜研究 220
4.4.5 實時檢測碲鎘汞的組分 223
4.5 自由載流子的光學(xué)效應(yīng) 229
4.5.1 Burstein-Moss效應(yīng) 230
4.5.2 自由載流子吸收的一般理論 239
4.5.3 碲鎘汞外延薄膜的自由載流子吸收 243
4.5.4 自由載流子的磁光效應(yīng) 253
4.6 材料的光學(xué)表征 260
4.6.1 用紅外光吸收法測定Hg1-xCdxTe組分 261
4.6.2 Hg1-xCdxTe組分x的橫向均勻性 265
4.6.3 Hg1-xCdxTe外延薄膜的縱向組分分布 268
4.6.4 利用紅外透射光譜確定MBE 的HgCdTe/CdTe/GaAs多層結(jié)構(gòu)的參數(shù) 273
參考文獻(xiàn) 278
第5章 輸運性質(zhì) 283
5.1 載流子濃度和費米能級 283
5.1.1 載流子統(tǒng)計規(guī)律 283
5.1.2 本征載流子濃度ni 285
5.1.3 補(bǔ)償半導(dǎo)體中的載流子濃度和費米能級 295
5.2 電導(dǎo)率和遷移率 304
5.2.1 玻爾茲曼方程和電導(dǎo)率 304
5.2.2 Hg1-xCdxTe的電子遷移率的實驗結(jié)果 308
5.2.3 n-Hg1-xCdxTe的電子遷移率的表達(dá)式 313
5.2.4 p-HgCdTe空穴遷移率的表達(dá)式 316
5.3 磁場下的輸運現(xiàn)象 317
5.3.1 電導(dǎo)率張量 317
5.3.2 霍爾效應(yīng) 321
5.3.3 磁阻效應(yīng) 325
5.3.4 磁輸運測試方法和系統(tǒng) 329
5.4 多種載流子體系的遷移率譜 331
5.4.1 多種載流子體系的電導(dǎo)率張量 331
5.4.2 多種載流子擬合方法 333
5.4.3 遷移率譜分析方法 337
5.4.4 定量遷移率譜分析 340
5.5 量子效應(yīng) 349
5.5.1 磁阻振蕩 349
5.5.2 n-InSb的縱向磁阻振蕩 355
5.5.3 n-Hg1-xCdxTe的磁阻振蕩 361
5.6 熱電子效應(yīng) 366
5.6.1 熱電子 366
5.6.2 HgCdTe的熱電子效應(yīng) 368
附錄 遷移率譜的求解 375
參考文獻(xiàn) 377
第6章 晶格振動 380
6.1 聲子譜 380
6.1.1 一維原子鏈的聲子譜 380
6.1.2 聲子譜的實驗測量 383
6.1.3 聲子譜的理論計算 386
6.2 晶格反射光譜 397
6.2.1 晶格振動的雙模行為 397
6.2.2 晶格振動的多振子模型 400
6.2.3 等離子振蕩量子-LO聲子耦合效應(yīng) 405
6.2.4 HgCdTe遠(yuǎn)紅外光學(xué)常數(shù) 410
6.3 晶格吸收光譜 412
6.3.1 晶格吸收譜 412
6.3.2 雙聲子吸收 415
6.3.3 Hg1-xCdxTe混晶的低頻吸收帶 419
6.3.4 聲子譜的特征估計 422
6.4 聲子Raman散射 424
6.4.1 電極化率 424
6.4.2 散射截面 430
6.4.3 選擇定則的應(yīng)用 438
6.4.4 HgCdTe的Raman散射 447
參考文獻(xiàn) 453
第7章 雜質(zhì)缺陷 456
7.1 雜質(zhì)缺陷的導(dǎo)電性和電離能 456
7.1.1 缺陷 456
7.1.2 雜質(zhì)缺陷的化學(xué)分析和導(dǎo)電性 460
7.1.3 摻雜行為 465
7.1.4 雜質(zhì)能級的理論估算方法 471
7.1.5 雜質(zhì)缺陷的實驗測量方法 481
7.2 淺雜質(zhì) 492
7.2.1 引言 492
7.2.2 淺施主雜質(zhì) 495
7.2.3 淺受主雜質(zhì)缺陷 499
7.3 深能級 507
7.3.1 HgCdTe的深能級瞬態(tài)譜 507
7.3.2 HgCdTe的深能級導(dǎo)納譜 516
7.4 共振缺陷態(tài) 521
7.4.1 共振缺陷態(tài)的電容譜測量方法 522
7.4.2 理論模型 525
7.4.3 陽離子替位雜質(zhì)引起的共振態(tài) 527
7.5 雜質(zhì)缺陷的光致發(fā)光譜 529
7.5.1 引言 529
7.5.2 光致發(fā)光的物理基礎(chǔ) 530
7.5.3 Sb摻雜HgCdTe的紅外光致發(fā)光 542
7.5.4 As摻雜HgCdTe薄膜的紅外光致發(fā)光 546
7.5.5 Fe雜質(zhì)在HgCdTe中的行為 551
參考文獻(xiàn) 557
第8章 復(fù)合 562
8.1 復(fù)合機(jī)制和壽命 562
8.1.1 復(fù)合機(jī)制 562
8.1.2 連續(xù)性方程和壽命 564
8.1.3 碲鎘汞中復(fù)合機(jī)制和壽命的簡要描述 566
8.2 俄歇復(fù)合 572
8.2.1 俄歇復(fù)合過程的類型 572
8.2.2 俄歇壽命 572
8.3 Shockley-Read復(fù)合 581
8.3.1 單能級復(fù)合中心 581
8.3.2 復(fù)雜情況下壽命的分析 585
8.4 輻射復(fù)合 589
8.4.1 半導(dǎo)體中的輻射復(fù)合過程 589
8.4.2 輻射復(fù)合的壽命 590
8.4.3 p型HgCdTe材料的輻射復(fù)合 593
8.5 少數(shù)載流子壽命的測量 596
8.5.1 光調(diào)制紅外吸收方法 596
8.5.2 微波反射法研究半導(dǎo)體少子壽命 605
8.5.3 掃描光致發(fā)光在壽命均勻性測量中的應(yīng)用 607
8.5.4 HgCdTe少數(shù)載流子壽命的實驗研究 612
8.6 表面復(fù)合 618
8.6.1 表面復(fù)合效應(yīng) 618
8.6.2 表面復(fù)合速度 623
8.6.3 表面固定電荷對Hg1-xCdxTe光導(dǎo)探測器性能的影響 625
參考文獻(xiàn) 630
第9章 表面二維電子氣 632
9.1 MIS結(jié)構(gòu) 632
9.1.1 MIS的經(jīng)典理論 632
9.1.2 量子效應(yīng) 638
9.2 子能帶結(jié)構(gòu)的理論模型 639
9.2.1 引言 639
9.2.2 自洽計算理論模型 642
9.3 子能帶結(jié)構(gòu)的實驗研究 649
9.3.1 子能帶結(jié)構(gòu)的量子電容譜模型 649
9.3.2 非量子限情況下的量子電容譜 657
9.3.3 HgCdTe表面二維電子氣的實驗研究 660
9.3.4 InSb表面二維電子氣的實驗研究 666
9.4 色散關(guān)系和朗道能級 671
9.4.1 色散關(guān)系和朗道能級 671
9.4.2 子能帶電子的波函數(shù)混合和有效g*因子 677
9.5 表面積累層 682
9.5.1 n-Hg1-xCdxTe表面積累層的理論模型 683
9.5.2 n-Hg1-xCdxTe表面積累層的理論計算結(jié)果 685
9.5.3 n-Hg1-xCdxTe表面積累層的實驗結(jié)果 687
9.5.4 SdH測量結(jié)果 689
9.6 表面界面 695
9.6.1 表面對Hg1-xCdxTe光導(dǎo)器件性能的影響 695
9.6.2 表面對HgCdTe光導(dǎo)器件的磁阻特性的影響 701
9.6.3 表面對Hg1-xCdxTe磁阻振蕩的影響 706
9.6.4 表面對Hg1-xCdxTe光導(dǎo)器件的電阻率-溫度關(guān)系的影響 708
參考文獻(xiàn) 710
第10章 超晶格和量子阱 713
10.1 半導(dǎo)體低維系統(tǒng) 713
10.1.1 能帶的色散關(guān)系 713
10.1.2 態(tài)密度函數(shù) 718
10.1.3 光學(xué)躍遷與選擇定則 720
10.2 低維結(jié)構(gòu)的能帶理論 723
10.2.1 體材料能帶結(jié)構(gòu)的回顧 723
10.2.2 異質(zhì)結(jié)包絡(luò)函數(shù)理論 727
10.2.3 HgTe量子阱的特殊性質(zhì) 734
10.3 低維結(jié)構(gòu)的輸運特性 736
10.3.1 二維電子氣系統(tǒng) 736
10.3.2 Drude模型 738
10.3.3 垂直磁場下的Landau能級 740
10.3.4 Landau能級展寬 742
10.3.5 2DEG的Shubnikov-de Hass振蕩 743
10.3.6 量子霍爾效應(yīng) 745
10.4 HgTe/HgCdTe超晶格量子阱的實驗結(jié)果 750
10.4.1 HgTe/HgCdTe超晶格量子阱的光躍遷 750
10.4.2 典型的SdH振蕩和整數(shù)量子霍爾效應(yīng) 755
10.4.3 n型HgTe量子阱中的Rashba自旋軌道耦合作用 758
參考文獻(xiàn) 766
第11章 器件物理 770
11.1 HgCdTe光電導(dǎo)探測器 770
11.1.1 引言 770
11.1.2 光電導(dǎo)器件工作原理簡介 771
11.1.3 器件性能參數(shù) 775
11.1.4 噪聲 779
11.1.5 漂移和擴(kuò)散對光導(dǎo)器件的影響 785
11.2 光伏型紅外探測器 791
11.2.1 光伏器件簡介 791
11.2.2 p-n結(jié)光電二極管的電流-電壓特性 794
11.2.3 p-n結(jié)中的光電流 807
11.2.4 光伏型紅外探測器的噪聲機(jī)制 811
11.2.5 響應(yīng)率、噪聲等效功率和探測率 815
11.3 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體紅外探測器 819
11.3.1 MIS紅外探測器工作原理 819
11.3.2 MIS器件中的暗電流 825
11.4 低維系統(tǒng)紅外探測器 831
11.4.1 引言 831
11.4.2 量子阱紅外探測器的基本原理 833
11.4.3 束縛態(tài)-連續(xù)態(tài)躍遷型量子阱紅外探測器 838
11.4.4 微帶超晶格量子阱紅外探測器 845
11.4.5 多波長量子阱紅外探測器 848
11.4.6 量子點紅外探測器 850
11.5 低維系統(tǒng)紅外激光器 857
11.5.1 引言 857
11.5.2 子帶間級聯(lián)激光器的基本原理 859
11.5.3 子帶間級聯(lián)激光器的基本結(jié)構(gòu) 863
11.5.4 含銻半導(dǎo)體中紅外激光器 874
11.5.5 帶間級聯(lián)激光器 877
11.5.6 量子級聯(lián)激光器的應(yīng)用 883
11.6 單光子紅外探測器 884
11.6.1 引言 884
11.6.2 APD基本原理 886
11.6.3 APD基本結(jié)構(gòu) 891
11.6.4 單光子雪崩二極管基本工作原理 895
11.6.5 單光子紅外探測器實例 901
參考文獻(xiàn) 907
附錄A 不同組分的Hg1-xCdxTE的物理量關(guān)系表 913
A1 禁帶寬度Eg(單位：eV) 913
A2 禁帶寬度對應(yīng)波長λEg(單位：μm) 918
A3 光電導(dǎo)響應(yīng)的峰值波長λpeak和截止波長λco(單位：μm)，樣品厚度d=10μm 922
A4 本征載流子濃度ni(單位：cm-3) 927
A5 導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量*m0 /m0 930
附錄B 簡要公式 933
B1 Hg1-xCdxTe的禁帶寬度 933
B2 Hg1-xCdxTe光導(dǎo)器件峰值波長λpeak 933
B3 Hg1-xCdxTe光導(dǎo)器件截止波長λco 933
B4 Hg1-xCdxTe本征載流子濃度 933
B5 Hg1-xCdxTe電子遷移率 934
B6 Hg1-xCdxTe介電常數(shù) 934
B7 Hg1-xCdxTe吸收系數(shù) 934
B8 Hg1-xCdxTe導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量 934