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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LED237

10.7.1　GaAsP、GaAsP:N材料系LED237

10.7.2 AlGaInP/GaAs材料系LED238

10.7.3 GaInN/GaN材料系LED239

10.7.4　AlGaAs/GaAs材料系LED241

10.8 高亮度LED241

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LED243

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LED245

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RCLED247

10.10.4　发射波长为650nm的RCLED249

10.10.5　大面积光子再利用LED249

10.11 光通信用的LED250

10.11.1 自由空间光通信用的LED250

10.11.2　光纤通信用的LED250

10.12　边发射超辐射LED252

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R256

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APD285

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