异质结原理与器件PDF电子书下载

第1章　异质结基本概念 1

1.1　异质结基本概念 1

1.2　异质结基本关系式 2

1.3　能带带阶的交换性和传递性 3

1.4　反型异质结的主要公式 3

1.5　同型异质结的主要公式 4

第2章　异质结电学特性 6

2.1　突变反型异质结 6

2.1.1　影响尖峰势垒高度的因素 7

2.1.2　扩散模型 7

2.1.3　发射模型 9

2.1.4　简单隧道模型 9

2.1.5　界面复合模型 10

2.1.6　隧道复合模型 11

2.2　反型异质结的注入特性 12

2.2.1 高注入特性 12

2.2.2　超注入特性 12

2.3　突变同型异质结 13

2.3.1　发射模型 13

2.3.2　扩散模型 14

2.3.3　双Schottky二极管模型 14

2.4　突变异质结电容和电压特性 15

2.4.1　突变反型异质结 15

2.4.2　突变同型异质结 16

第3章　异质结能带图 17

3.1　突变反型异质结能带图 17

3.1.1　pN异质结能带图 17

3.1.2　nP异质结能带图 19

3.2　突变同型异质结能带图 21

3.2.1　nN异质结能带图 21

3.2.2　pP异质结能带图 23

3.3　受界面态影响的能带图 25

3.3.1　pN异质结能带图 25

3.3.2　nP异质结能带图 26

3.3.3　nN异质结能带图 27

3.3.4　pP异质结能带图 28

3.4　缓变异质结能带图 28

3.4.1　pN异质结能带图 28

3.4.2　nP异质结能带图 29

3.4.3　nN异质结能带图 29

3.4.4　pP异质结能带图 29

第4章　异质结光电特性 31

4.1　反型异质结光电特性 31

4.1.1　垂直入射异质结 31

4.1.2　平行入射异质结 35

4.2　同型异质结光电特性 35

4.2.1　垂直入射异质结 37

4.2.2　平行入射异质结 38

4.3　发光辐射跃迁 39

第5章　异质结制备 41

5.1　晶体结构 41

5.1.1　金刚石结构 41

5.1.2　闪锌矿结构 42

5.1.3　纤锌矿结构 42

5.1.4　氯化钠结构 44

5.2　基本考虑 45

5.2.1 晶格失配 45

5.2.2　热失配 46

5.2.3　内扩散 47

5.3　制备方法 47

5.3.1　液相外延（LPE） 47

5.3.2　金属有机化学气相淀积（MOCVD） 54

5.3.3　分子束外延（MBE） 57

5.3.4　化学束外延（CBE） 60

第6章　位错与弹性应变 62

6.1　位错的概念 62

6.1.1　位错概念的提出 62

6.1.2　刃型位错 63

6.1.3　Burgers矢量 64

6.1.4　螺型位错 66

6.1.5　混合型位错 67

6.1.6　位错密度 68

6.2　位错的运动 69

6.2.1　位错的滑移 69

6.2.2　位错的攀移 71

6.3　位错的弹性应变和应力 71

6.3.1　应力和应变分量 72

6.3.2　位错的应力场 73

6.3.3　位错的弹性应变能 75

6.3.4　作用在位错上的力 76

6.3.5　位错的线张力 77

6.3.6　两平行位错间的相互作用 78

6.4　实际晶体结构的位错 79

6.4.1　实际晶体结构的单位位错 79

6.4.2　堆垛层错 81

6.4.3　不全位错 81

6.4.4　位错反应及扩展位错 83

6.4.5　Thompson四面体及记号 84

6.5　位错的实验观测 85

第7章　宽带隙半导体材料 87

7.1　SiC半导体 87

7.1.1　SiC的同质多型结构 87

7.1.2　SiC的薄层外延 89

7.1.3　SiC的掺杂 90

7.1.4　SiC的氧化 90

7.1.5　SiC的刻蚀 90

7.1.6　SiC的欧姆接触 91

7.2 Ⅲ族氮化物半导体 92

7.2.1　GaN、AlN和InN的基本性质 92

7.2.2　Ⅲ族氮化物的能带结构 94

7.2.3 Ⅲ族氮化物的三元、四元合金 94

7.2.4 Ⅲ族氮化物半导体的极化效应 97

7.2.5　Ⅲ族氮化物薄层的外延生长 97

7.2.6　外延生长Ⅲ族氮化物所用的衬底 98

7.2.7　Ⅲ族氮化物的MOCVD生长 100

7.2.8　Ⅲ族氮化物的MBE生长 101

7.2.9　缓冲层的生长 103

7.2.10 Ⅲ族氮化物的缺陷与掺杂 104

7.2.11　Ⅲ族氮化物的欧姆接触 105

7.2.12 Ⅲ族氮化物半导体异质结 107

7.3 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体 109

7.3.1　ZnSe化合物半导体 109

7.3.2　Ⅱ-Ⅵ族化合物的点缺陷与自补偿现象 111

第8章　异质结激光器 114

8.1　异质结在激光器中的主要作用 114

8.1.1　异质结的超注入效应 115

8.1.2　异质结对载流子的限制作用 115

8.1.3　异质结对光场的限制作用 115

8.1.4　异质结的布拉格反射作用 115

8.1.5　异质结的窗口效应 116

8.2　激光器的材料 116

8.2.1　化合物半导体的波长范围 116

8.2.2 Ⅲ-Ⅴ族二元化合物 117

8.2.3 Ⅲ-Ⅴ族三元化合物 118

8.2.4 Ⅲ-Ⅴ族四元化合物 122

8.2.5　Ⅳ-Ⅵ族化合物 126

8.3　激光器的模式和波导 128

8.3.1　对称三层介质平板波导 129

8.3.2　非对称三层介质平板波导 133

8.3.3　光强分布和限制因子 135

8.3.4　波导机理分类 136

8.3.5　在损耗（增益）介质中的传播 138

8.3.6　纵向模式 140

8.3.7　模式在端面上的反射率 141

8.4　激光器的结构 142

8.4.1　激光器条形结构 143

8.4.2　增益波导激光器 144

8.4.3　折射率波导激光器 145

8.4.4　红光半导体激光器 149

8.4.5　蓝绿光半导体激光器 152

8.4.6　红外半导体激光器 154

8.4.7　垂直腔面发射激光器 158

8.5　激光器的可靠性 161

8.5.1　晶体缺陷的影响 162

8.5.2　腔面损伤退化 162

8.5.3　欧姆接触退化和焊料变质 163

8.5.4　InGaAsP/InP与GaAlAs/GaAs激光器退化因素的差别 163

8.5.5　可靠性保证和加速寿命试验 163

第9章　超晶格与多量子阱 167

9.1　基本概念 167

9.1.1　组分超晶格 167

9.1.2　掺杂超晶格 170

9.1.3　应变超晶格 171

9.2　量子阱和超晶格的电子状态 177

9.2.1　单量子阱中的电子状态 177

9.2.2　二维电子气的态密度 179

9.2.3　量子阱中载流子浓度的能量分布 180

9.2.4　超晶格中的电子状态 181

9.2.5　超晶格中电子的态密度 181

9.2.6　超晶格中布里渊区的折叠 182

9.3　量子阱和超晶格的光学特性 182

9.3.1　量子阱中的跃迁选择定则 182

9.3.2　量子阱中的激子效应 184

9.3.3　超晶格的吸收光谱特性 186

9.3.4　超晶格结构的折射率谱 187

9.3.5　单原子层超晶格的光学特性 188

9.4　量子阱激光器 189

9.4.1　量子阱激光器的结构 189

9.4.2　量子阱中载流子的收集与复合 190

9.4.3　注入电流与增益 191

9.4.4　增益与量子阱宽度的关系 192

9.4.5　量子阱激光器的基本特性 193

9.5　应变量子阱激光器 198

9.5.1　应变量子阱的能带结构 198

9.5.2　应变量子阱激光器的增益特性 202

9.5.3　应变量子阱激光器 203

9.6　新型量子阱激光器 204

9.6.1　低维超晶格－量子线、量子点激光器 204

9.6.2　量子级联激光器 206

第10章　半导体发光二极管 210

10.1　半导体LED的工作原理 210

10.1.1　电子－空穴对的辐射复合 210

10.1.2　半导体内的非辐射复合 212

10.1.3　半导体表面的非辐射复合 213

10.2　半导体LED的基本结构 213

10.2.1　同质结构 214

10.2.2　异质结构 214

10.3 LED的电学特性 215

10.3.1　电流－电压特性 215

10.3.2　异质结构对LED的电学特性的影响 217

10.3.3　二极管电压及温度对电学特性的影响 217

10.3.4　LED的调制特性 218

10.4　半导体LED的光学性质 220

10.4.1　LED中的辐射跃迁（复合） 220

10.4.2　P-I特性和不同定义下的光发射效率 220

10.4.3　温度对P-I特性的影响 222

10.4.4　LED的发射光谱 223

10.4.5　LED发射光的逸出锥 225

10.4.6　朗伯特（Lambertian）发射图 226

10.5 提高LED内量子效率的措施 227

10.5.1　采用晶格匹配的双异质结构 228

10.5.2　选取适当的有源区掺杂浓度 228

10.5.3　选取适当的限制层掺杂浓度 228

10.5.4　控制pn结偏移的影响 229

10.5.5　降低非辐射复合的影响 230

10.6 提高LED光逸出效率的措施 230

10.6.1　采用双异质结构 230

10.6.2　LED管芯形状的选择 230

10.6.3　采用电流扩展层 231

10.6.4　采用电流阻挡（blocking）层 233

10.6.5　接触电极形状和尺寸的选择 233

10.6.6　采用透明衬底工艺 234

10.6.7　采用抗反射光学膜 234

10.6.8　反射接触和透明接触 235

10.6.9　倒装结构 235

10.6.10　采用环氧树脂圆拱封装 235

10.6.11　采用分布布拉格反射器（DBR） 235

10.7 不同材料系的LED 237

10.7.1　GaAsP、GaAsP:N材料系LED 237

10.7.2 AlGaInP/GaAs材料系LED 238

10.7.3 GaInN/GaN材料系LED 239

10.7.4　AlGaAs/GaAs材料系LED 241

10.8 高亮度LED 241

10.8.1　高亮度LED的光学性能 242

10.8.2　高亮度LED的电学性能 242

10.9 白光LED 243

10.9.1　利用LED产生白光的方法 244

10.9.2　产生白光用的波长转换材料 244

10.9.3　几种不同材料和结构的白光LED 245

10.10　有谐振腔的发光二极管（RCLED） 246

10.10.1　概述 246

10.10.2　RCLED的设计考虑 247

10.10.3　发射波长为930nm的RCLED 247

10.10.4　发射波长为650nm的RCLED 249

10.10.5　大面积光子再利用LED 249

10.11 光通信用的LED 250

10.11.1 自由空间光通信用的LED 250

10.11.2　光纤通信用的LED 250

10.12　边发射超辐射LED 252

第11章　半导体光检测器 255

11.1　半导体光检测器的基本参数 255

11.1.1　量子效率η和响应度R 256

11.1.2　暗电流和噪声 256

11.1.3　响应速度 257

11.2　半导体光电导型光检测器 257

11.2.1　光电导型光检测器的工作原理 257

11.2.2　光电导型光检测器的内部增益 258

11.2.3　光电导型光检测器的增益和带宽 259

11.2.4　光电导型光检测器中的噪声 260

11.2.5　n-i-p-i超晶格光电导型光检测器 261

11.3　pn结光电二极管 262

11.4　pin光电二极管 263

11.4.1　pin结构和i层 263

11.4.2　pin光电二极管的电流－电压特性 265

11.4.3　外量子效率和内量子效率 266

11.4.4　频率响应 267

11.4.5　噪声和信噪比 269

11.4.6　异质结和波导型pin光电二极管 271

11.5　雪崩光电二极管（APD） 272

11.5.1　APD的工作原理与结构 272

11.5.2　碰撞离化和离化系数 273

11.5.3　雪崩倍增因子 275

11.5.4　雪崩倍增和光电流－电压特性 277

11.5.5　器件的雪崩击穿 277

11.5.6　频率响应 279

11.5.7　APD的噪声和信噪比 280

11.5.8　几种APD的实例 281

11.5.9　新型、高性能APD 285

11.6　特殊光电检测器 287

11.6.1　光晶体管 287

11.6.2　调制势垒光电二极管 289

11.6.3　具有波长选择性的检测器 291

11.6.4　谐振腔增强型光探测器 292

11.7　量子结构红外光探测器 293

11.7.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体量子阱内的子带间跃迁的长波长红外探测器 293

11.7.2　量子阱光电探测器的性能 294

11.7.3　InAs/Ga1-xInxSb离隙型应变超晶格红外探测器 295

11.7.4　Si/Si1-xGex量子阱红外探测器 296

11.7.5　量子点红外探测器 296

第12章　Ⅳ族元素合金应变异质结 300

12.1 引言 300

12.2　应变Si1-xGex/Si的基本性质 300

12.2.1　应变Si1-xGex层内的应力 300

12.2.2　Si1-xGex应变层的临界厚度 302

12.2.3　Si1-xGex/Si应变超晶格的应变特性 303

12.3　Si1-xGex/Si异质结的电子学性质 304

12.3.1　Si1-xGex应变层的带隙和能带结构 304

12.3.2　Si1-xGex/Si异质结的能带排列和能带带阶 306

12.3.3　SiGe的散射机制和载流子迁移率 308

12.4　Si1-xGex应变层的外延生长 309

12.4.1　Si1-xGex薄层生长 309

12.4.2　Ge的掺入和陡峭性 311

12.4.3 含C的Si1-xGex的生长 311

12.5 Si1-xGex薄层生长技术 311

12.5.1　分子束外延（MBE） 311

12.5.2　化学气相沉积（CVD） 312

12.5.3　固相外延（SPE） 312

12.6　SiGe合金层的掺杂 313

12.6.1　MBE生长中的掺杂 313

12.6.2　CVD生长时的掺杂 314

12.7　Si1-xGex的金属欧姆接触 314

12.7.1　SiGe合金的欧姆接触 314

12.7.2 Al-SiGe、Ti-SiGe欧姆接触 315

12.7.3 SiGeC、GeC和SiC的金属接触 315

12.8　Ⅳ族元素二元、三元合金的生长 316

12.8.1　Si1-xGex合金的生长 316

12.8.2　Si1-yCy合金层生长 316

12.8.3　Si1-xyGexCy三元合金的生长 317

12.8.4　弛豫SiGe上应变Si的生长 317

12.8.5 α-SiGe:H的生长 318

12.8.6　Ge1-yCy和有关合金生长 318

12.8.7　多晶SiGe薄膜的生长 318

12.9　Si1-xGex/Si异质结的光电子学应用 319

12.9.1　基本原理 319

12.9.2　Si1-xGex的折射率 319

12.9.3 Si1-xGex合金光电探测器 320

12.9.4　量子阱光电二极管 321

12.9.5　Si1-xGex发光二极管 322

12.9.6　Si1-xGex合金的无源光子器件 323

第13章　半导体太阳能电池 327

13.1　前言 327

13.2　太阳光谱与太阳常数 327

13.2.1　太阳光谱 327

13.2.2　太阳常数（大气质量数） 328

13.3 同质结太阳能电池 328

13.3.1　同质结太阳能电池的基本原理 328

13.3.2　n/p型和p/n型两种结构的比较 329

13.3.3　太阳能电池的伏安特性 330

13.4　太阳能电池的性能参数 332

13.5　太阳能电池的材料选择和设计考虑 333

13.5.1　太阳能电池的材料选择 333

13.5.2　太阳能电池的设计考虑 335

13.5.3　实际效率的损失及补救措施 336

13.6　异质结太阳能电池 339

13.7　级联（多带隙结）太阳能电池 341

13.7.1　级联太阳能电池的基本原理 341

13.7.2　级联太阳能电池的连接结构 342

13.7.3　级联太阳能电池的效率 343

13.7.4　级联太阳能电池的材料 343

13.8　量子阱太阳能电池 345

13.8.1　量子阱太阳能电池的设计、材料和工艺 346

13.8.2　量子阱太阳能电池的性能 347

13.8.3　量子阱太阳能电池的电流－电压特性 348

13.9 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体和无定型Si薄膜太阳能电池 348

13.9.1　概述 348

13.9.2 Ⅱ-Ⅵ族半导体薄膜太阳能电池 349

13.9.3　黄Cu矿半导体薄膜太阳能电池 351

13.9.4　无定型Si薄膜太阳能电池 352

13.10　带聚光器的太阳能电池 353

13.10.1　太阳光聚光器 353

13.10.2　太阳光聚光器的类型 354

第14章　梯度带隙半导体 357

14.1　引言 357

14.2　梯度带隙半导体中的准电场和准磁场 358

14.2.1　梯度带隙半导体中的准电场 358

14.2.2　梯度带隙半导体中的准磁场 359

14.3　梯度带隙半导体的物理特征 360

14.3.1　梯度带隙半导体的能带图 360

14.3.2　梯度带隙半导体的等效态密度和载流子浓度 360

14.3.3　梯度带隙半导体中载流子的扩散与漂移 362

14.3.4　梯度带隙半导体中非平衡载流子的输运 362

14.3.5　梯度带隙半导体中的杂质态 363

14.4　梯度带隙半导体的光学性质 364

14.4.1　梯度带隙对吸收光谱的影响 364