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第1章 概述 1

1.1 窄禁带半导体 1

1.2 现代红外光电子物理 6

1.2.1 红外材料平台 6

1.2.2 红外物理规律 7

1.2.3 红外功能器件 8

1.2.4 红外技术应用 9

参考文献 10

第2章 晶体 12

2.1 晶体生长的基本理论 12

2.1.1 引言 12

2.1.2 晶体生长热力学问题 15

2.1.3 晶体生长动力学问题 18

2.1.4 相图在晶体生长中的应用 21

2.1.5 分凝系数 29

2.1.6 凝固过程 33

2.2.1 提拉法 38

2.2 体材料生长的主要方法 38

2.2.2 布里奇曼方法 44

2.2.3 半熔法和Te溶剂法 49

2.2.4 固态再结晶方法 52

2.3 液相外延薄膜的生长 54

2.3.1 Hg1-xCdxTe液相外延生长条件 55

2.3.2 液相外延的生长程序 60

2.3.3 不同方式液相外延的比较 67

2.3.4 影响Hg1-xCdxTe液相外延层质量的几个因素 69

2.4 分子束外延薄膜生长 71

2.4.1 分子束外延生长过程 71

2.4.2 反射式高能电子衍射原位检测技术(RHEED) 75

2.4.3 生长温度的监控 77

2.4.4 组分控制 82

2.5 晶体完整性 86

2.5.1 X射线双晶衍射 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

参考文献 103

第3章 能带结构 108

3.1 能带结构的简要描述 108

3.1.1 能带理论的基本方法 108

3.1.2 窄禁带半导体的能带结构的简要描述 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 选择定则 122

3.3 能带结构计算 130

3.3.1 k0＝0的解 130

3.3.2 k·p一级微扰 131

3.3.3 k·p一级微扰和(？U×P)·σ一级微扰 132

3.3.4 ？a、？β之间的二级微扰 136

3.3.5 Hkso(k线性项)的贡献 138

3.4 能带参数 141

3.4.1 禁带宽度 141

3.4.2 导带电子有效质量 155

3.4.3 动量矩阵元P和重空穴有效质量mhh 160

参考文献 162

第4章 光学性质 165

4.1 光学常数和介电函数 165

4.1.1 一般概念 165

4.1.2 Kramerg-Kronig关系和光学常数 167

4.1.3 折射系数的色散 170

4.1.4 电场和磁场对光学常数的影响 174

4.2.1 直接带间光跃迁的理论 178

4.2 带间光跃迁的理论和实验 178

4.2.2 带间光跃迁的实验研究 185

4.2.3 带间的间接跃迁 192

4.3 本征吸收光谱的表达式 195

4.3.1 吸收边的规律 195

4.3.2 本征吸收带的解析表达式 199

4.3.3 本征吸收系数的其他表达式 204

4.4.1 引言 211

4.4 光学常数的直接测量 211

4.4.2 椭圆偏振光谱方法基本原理 213

4.4.3 实际工作模式 217

4.4.4 Hg1-xCdxTe光学常数的红外椭圆偏振光谱研究 220

4.4.5 实时检测碲镉汞的组分 223

4.5 自由载流子的光学效应 229

4.5.1 Burstein-Moss效应 230

4.5.2 自由载流子吸收的一般理论 239

4.5.3 碲镉汞外延薄膜的自由载流子吸收 243

4.5.4 自由载流子的磁光效应 253

4.6 材料的光学表征 260

4.6.1 用红外光吸收法测定Hg1-xCdxTe组分 261

4.6.2 Hg1-xCdxTe组分x的横向均匀性 265

4.6.3 Hg1-xCdxTe外延薄膜的纵向组分分布 268

4.6.4 利用红外透射光谱确定MBE的HgCdTe/CdTe/GaAs多层结构的参数 273

参考文献 278

5.1.1 载流子统计规律 283

5.1 载流子浓度和费米能级 283

第5章 输运性质 283

5.1.2 本征载流子浓度n1 285

5.1.3 补偿半导体中的载流子浓度和费米能级 295

5.2 电导率和迁移率 304

5.2.1 玻尔兹曼方程和电导率 304

5.2.2 Hg1-xCdxTe的电子迁移率的实验结果 308

5.2.3 n-Hg1-xCdxTe的电子迁移率的表达式 313

5.2.4 p-HgCdTe空穴迁移率的表达式 316

5.3.1 电导率张量 317

5.3 磁场下的输运现象 317

5.3.2 霍尔效应 321

5.3.3 磁阻效应 325

5.3.4 磁输运测试方法和系统 329

5.4 多种载流子体系的迁移率谱 331

5.4.1 多种载流子体系的电导率张量 331

5.4.2 多种载流子拟合方法 333

5.4.3 迁移率谱分析方法 337

5.4.4 定量迁移率谱分析 340

5.5 量子效应 349

5.5.1 磁阻振荡 349

5.5.2 n-InSb的纵向磁阻振荡 355

5.5.3 n-Hg1-xCdxTe的磁阻振荡 361

5.6 热电子效应 366

5.6.1 热电子 366

5.6.2 HgCdTe的热电子效应 368

附录 迁移率谱的求解 375

参考文献 377

第6章 晶格振动 380

6.1 声子谱 380

6.1.1 一维原子链的声子谱 380

6.1.2 声子谱的实验测量 383

6.1.3 声子谱的理论计算 386

6.2 晶格反射光谱 397

6.2.1 晶格振动的双模行为 397

6.2.2 晶格振动的多振子模型 400

6.2.3 等离子振荡量子-LO声子耦合效应 405

6.2.4 HgCdTe远红外光学常数 410

6.3 晶格吸收光谱 412

6.3.1 晶格吸收谱 412

6.3.2 双声子吸收 415

6.3.3 Hg1-xCdxTe混晶的低频吸收带 419

6.3.4 声子谱的特征估计 422

6.4 声子Raman散射 424

6.4.1 电极化率 424

6.4.2 散射截面 430

6.4.3 选择定则的应用 438

6.4.4 HgCdTe的Raman散射 447

参考文献 453

第7章 杂质缺陷 456

7.1 杂质缺陷的导电性和电离能 456

7.1.1 缺陷 456

7.1.2 杂质缺陷的化学分析和导电性 460

7.1.3 掺杂行为 465

7.1.4 杂质能级的理论估算方法 471

7.1.5 杂质缺陷的实验测量方法 481

7.2 浅杂质 492

7.2.1 引言 492

7.2.2 浅施主杂质 495

7.2.3 浅受主杂质缺陷 499

7.3 深能级 507

7.3.1 HgCdTe的深能级瞬态谱 507

7.3.2 HgCdTe的深能级导纳谱 516

7.4 共振缺陷态 521

7.4.1 共振缺陷态的电容谱测量方法 522

7.4.2 理论模型 525

7.4.3 阳离子替位杂质引起的共振态 527

7.5 杂质缺陷的光致发光谱 529

7.5.1 引言 529

7.5.2 光致发光的物理基础 530

7.5.3 Sb掺杂HgCdTe的红外光致发光 542

7.5.4 As掺杂HgCdTe薄膜的红外光致发光 546

7.5.5 Fe杂质在HgCdTe中的行为 551

参考文献 557

第8章 复合 562

8.1 复合机制和寿命 562

8.1.1 复合机制 562

8.1.2 连续性方程和寿命 564

8.1.3 碲镉汞中复合机制和寿命的简要描述 566

8.2.2 俄歇寿命 572

8.2.1 俄歇复合过程的类型 572

8.2 俄歇复合 572

8.3 Shockley-Read复合 581

8.3.1 单能级复合中心 581

8.3.2 复杂情况下寿命的分析 585

8.4 辐射复合 589

8.4.1 半导体中的辐射复合过程 589

8.4.2 辐射复合的寿命 590

8.4.3 p型HgCdTe材料的辐射复合 593

8.5.1 光调制红外吸收方法 596

8.5 少数载流子寿命的测量 596

8.5.2 微波反射法研究半导体少子寿命 605

8.5.3 扫描光致发光在寿命均匀性测量中的应用 607

8.5.4 HgCdTe少数载流子寿命的实验研究 612

8.6 表面复合 618

8.6.1 表面复合效应 618

8.6.2 表面复合速度 623

8.6.3 表面固定电荷对Hg1-xCdxTe光导探测器性能的影响 625

参考文献 630

第9章 表面二维电子气 632

9.1 MIS结构 632

9.1.1 MIS的经典理论 632

9.1.2 量子效应 638

9.2 子能带结构的理论模型 639

9.2.1 引言 639

9.2.2 自洽计算理论模型 642

9.3.1 子能带结构的量子电容谱模型 649

9.3 子能带结构的实验研究 649

9.3.2 非量子限情况下的量子电容谱 657

9.3.3 HgCdTe表面二维电子气的实验研究 660

9.3.4 InSb表面二维电子气的实验研究 666

9.4 色散关系和朗道能级 671

9.4.1 色散关系和朗道能级 671

9.4.2 子能带电子的波函数混合和有效g＊因子 677

9.5 表面积累层 682

9.5.1 n-Hg1-xCdxTe表面积累层的理论模型 683

9.5.2 n-Hg1-xCdxTe表面积累层的理论计算结果 685

9.5.3 n-Hg1-xCdxTe表面积累层的实验结果 687

9.5.4 SdH测量结果 689

9.6 表面界面 695

9.6.1 表面对Hg1-xCdxTe光导器件性能的影响 695

9.6.2 表面对HgCdTe光导器件的磁阻特性的影响 701

9.6.3 表面对Hg1-xCdxTe磁阻振荡的影响 706

9.6.4 表面对Hg1-xCdxTe光导器件的电阻率-温度关系的影响 708

参考文献 710

10.1.1 能带的色散关系 713

10.1 半导体低维系统 713

第10章 超晶格和量子阱 713

10.1.2 态密度函数 718

10.1.3 光学跃迁与选择定则 720

10.2 低维结构的能带理论 723

10.2.1 体材料能带结构的回顾 723

10.2.2 异质结包络函数理论 727

10.2.3 HgTe量子阱的特殊性质 734

10.3.1 二维电子气系统 736

10.3 低维结构的输运特性 736

10.3.2 Drude模型 738

10.3.3 垂直磁场下的Landau能级 740

10.3.4 Landau能级展宽 742

10.3.5 2DEG的Shubnikov-de Hass振荡 743

10.3.6 量子霍尔效应 745

10.4 HgTe/HgCdTe超晶格量子阱的实验结果 750

10.4.1 HgTe/HgCdTe超晶格量子阱的光跃迁 750

10.4.2 典型的SdH振荡和整数量子霍尔效应 755

10.4.3 n型HgTe量子阱中的Rashba自旋轨道耦合作用 758

参考文献 766

第11章 器件物理 770

11.1 HgCdTe光电导探测器 770

11.1.1 引言 770

11.1.2 光电导器件工作原理简介 771

11.1.3 器件性能参数 775

11.1.4 噪声 779

11.1.5 漂移和扩散对光导器件的影响 785

11.2.1 光伏器件简介 791

11.2 光伏型红外探测器 791

11.2.2 p-n结光电二极管的电流-电压特性 794

11.2.3 p-n结中的光电流 807

11.2.4 光伏型红外探测器的噪声机制 811

11.2.5 响应率、噪声等效功率和探测率 815

11.3 金属-绝缘体-半导体红外探测器 819

11.3.1 MIS红外探测器工作原理 819

11.3.2 MIS器件中的暗电流 825

11.4.1 引言 831

11.4 低维系统红外探测器 831

11.4.2 量子阱红外探测器的基本原理 833

11.4.3 束缚态-连续态跃迁型量子阱红外探测器 838

11.4.4 微带超晶格量子阱红外探测器 845

11.4.5 多波长量子阱红外探测器 848

11.4.6 量子点红外探测器 850

11.5 低维系统红外激光器 857

11.5.1 引言 857

11.5.2 子带间级联激光器的基本原理 859

11.5.3 子带间级联激光器的基本结构 863

11.5.4 含锑半导体中红外激光器 874

11.5.5 带间级联激光器 877

11.5.6 量子级联激光器的应用 883

11.6 单光子红外探测器 884

11.6.1 引言 884

11.6.2 APD基本原理 886

11.6.3 APD基本结构 891

11.6.4 单光子雪崩二极管基本工作原理 895

11.6.5 单光子红外探测器实例 901

参考文献 907

附录A 不同组分的HG1-xCDxTe的物理量关系表 913

A1 禁带宽度Eg(单位：eV) 913

A2 禁带宽度对应波长λEg(单位：μm) 918

A3 光电导响应的峰值波长λpeak和截止波长λco(单位：μm)，样品厚度d=10μm 922

A4 本征载流子浓度n1(单位：cm-3) 927

A5 导带底电子有效质量m0＊/m0 930

B3 Hg1-xCdxTe光导器件截止波长λco 933

B4 Hg1-xCdxTe本征载流子浓度 933

附录B 简要公式 933

B2 Hg1-xCdxTe光导器件峰值波长λpeak 933

B1 Hg1-xCdxTe的禁带宽度 933

B5 Hg1-xCdxTe电子迁移率 934

B6 Hg1-xCdxTe介电常数 934

B7 Hg1-xCdxTe吸收系数 934

B8 Hg1-xCdxTe导带底电子有效质量 934