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江剑平 、 孙成城 著 / 电子工业出版社 / 2010-07 / 平装
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异质结原理与器件
《异质结原理与器件》简要介绍了异质结的基本概念和基础理论,系统论述了光电子器件的工作原理和模型、异质结构材料及制备工艺方法。全书共14章,包括异质结基本概念、异质结电学特性、异质结能带图、异质结光电特性、异质结制备、位错与弹性应变、宽带隙半导体材料、异质结激光器、超晶格与多量子阱、半导体发光二极管、半导体光检测器、Ⅳ族元素合金应变异质结、半导体太阳能电池和梯度带隙半导体。
《异质结原理与器件》深入浅出,图文并茂,内容翔实,对于从事半导体光电子器件的研究、开发和生产人员有很高的应用价值,同时也可作为高等院校本科生和研究生的教学参考书。
第1章异质结基本概念1.1异质结基本概念1.2异质结基本关系式1.3能带带阶的交换性和传递性1.4反型异质结的主要公式1.5同型异质结的主要公式第2章异质结电学特性2.1突变反型异质结2.1.1影响尖峰势垒高度的因素2.1.2扩散模型2.1.3发射模型2.1.4简单隧道模型2.1.5界面复合模型2.1.6隧道复合模型2.2反型异质结的注入特性2.2.1高注入特性2.2.2超注入特性2.3突变同型异质结2.3.1发射模型2.3.2扩散模型2.3.3双Schottky二极管模型2.4突变异质结电容和电压特性2.4.1突变反型异质结2.4.2突变同型异质结第3章异质结能带图3.1突变反型异质结能带图3.1.1pN异质结能带图3.1.2nP异质结能带图3.2突变同型异质结能带图3.2.1nN异质结能带图3.2.2pP异质结能带图3.3受界面态影响的能带图3.3.1pN异质结能带图3.3.2nP异质结能带图3.3.3nN异质结能带图3.3.4pP异质结能带图3.4缓变异质结能带图3.4.1pN异质结能带图3.4.2nP异质结能带图3.4.3nN异质结能带图3.4.4pP异质结能带图第4章异质结光电特性4.1反型异质结光电特性4.1.1垂直入射异质结4.1.2平行入射异质结4.2同型异质结光电特性4.2.1垂直入射异质结4.2.2平行入射异质结4.3发光辐射跃迁第5章异质结制备5.1晶体结构5.1.1金刚石结构5.1.2闪锌矿结构5.1.3纤锌矿结构5.1.4氯化钠结构5.2基本考虑5.2.1晶格失配5.2.2热失配5.2.3内扩散5.3制备方法5.3.1液相外延(LPE)5.3.2金属有机化学气相淀积(MOCVD)5.3.3分子束外延(MBE)5.3.4化学束外延(CBE)第6章位错与弹性应变6.1位错的概念6.1.1位错概念的提出6.1.2刃型位错6.1.3Burgers矢量6.1.4螺型位错6.1.5混合型位错6.1.6位错密度6.2位错的运动6.2.1位错的滑移6.2.2位错的攀移6.3位错的弹性应变和应力6.3.1应力和应变分量6.3.2位错的应力场6.3.3位错的弹性应变能6.3.4作用在位错上的力6.3.5位错的线张力6.3.6两平行位错间的相互作用6.4实际晶体结构的位错6.4.1实际晶体结构的单位位错6.4.2堆垛层错6.4.3不全位错6.4.4位错反应及扩展位错6.4.5Thompson四面体及记号6.5位错的实验观测第7章宽带隙半导体材料7.1SiC半导体7.1.1SiC的同质多型结构7.1.2SiC的薄层外延7.1.3SiC的掺杂7.1.4SiC的氧化7.1.5SiC的刻蚀7.1.6SiC的欧姆接触7.2Ⅲ族氮化物半导体7.2.1GaN、AlN和InN的基本性质7.2.2Ⅲ族氮化物的能带结构7.2.3Ⅲ族氮化物的三元、四元合金7.2.4Ⅲ族氮化物半导体的极化效应7.2.5Ⅲ族氮化物薄层的外延生长7.2.6外延生长Ⅲ族氮化物所用的衬底7.2.7Ⅲ族氮化物的MOCVD生长7.2.8Ⅲ族氮化物的MBE生长7.2.9缓冲层的生长7.2.10Ⅲ族氮化物的缺陷与掺杂7.2.11Ⅲ族氮化物的欧姆接触7.2.12Ⅲ族氮化物半导体异质结7.3ⅡⅥ族化合物半导体7.3.1ZnSe化合物半导体7.3.2ⅡⅥ族化合物的点缺陷与自补偿现象第8章异质结激光器8.1异质结在激光器中的主要作用8.1.1异质结的超注入效应8.1.2异质结对载流子的限制作用8.1.3异质结对光场的限制作用8.1.4异质结的布拉格反射作用8.1.5异质结的窗口效应8.2激光器的材料8.2.1化合物半导体的波长范围8.2.2ⅢⅤ族二元化合物8.2.3ⅢⅤ族三元化合物8.2.4ⅢⅤ族四元化合物8.2.5ⅣⅥ族化合物8.3激光器的模式和波导8.3.1对称三层介质平板波导8.3.2非对称三层介质平板波导8.3.3光强分布和限制因子8.3.4波导机理分类8.3.5在损耗(增益)介质中的传播8.3.6纵向模式8.3.7模式在端面上的反射率8.4激光器的结构8.4.1激光器条形结构8.4.2增益波导激光器8.4.3折射率波导激光器8.4.4红光半导体激光器8.4.5蓝绿光半导体激光器8.4.6红外半导体激光器8.4.7垂直腔面发射激光器8.5激光器的可靠性8.5.1晶体缺陷的影响8.5.2腔面损伤退化8.5.3欧姆接触退化和焊料变质8.5.4InGaAsP/InP与GaAlAs/GaAs激光器退化因素的差别8.5.5可靠性保证和加速寿命试验第9章超晶格与多量子阱9.1基本概念9.1.1组分超晶格9.1.2掺杂超晶格9.1.3应变超晶格9.2量子阱和超晶格的电子状态9.2.1单量子阱中的电子状态9.2.2二维电子气的态密度9.2.3量子阱中载流子浓度的能量分布9.2.4超晶格中的电子状态9.2.5超晶格中电子的态密度9.2.6超晶格中布里渊区的折叠9.3量子阱和超晶格的光学特性9.3.1量子阱中的跃迁选择定则9.3.2量子阱中的激子效应9.3.3超晶格的吸收光谱特性9.3.4超晶格结构的折射率谱9.3.5单原子层超晶格的光学特性9.4量子阱激光器9.4.1量子阱激光器的结构9.4.2量子阱中载流子的收集与复合9.4.3注入电流与增益9.4.4增益与量子阱宽度的关系9.4.5量子阱激光器的基本特性9.5应变量子阱激光器9.5.1应变量子阱的能带结构9.5.2应变量子阱激光器的增益特性9.5.3应变量子阱激光器9.6新型量子阱激光器9.6.1低维超晶格-量子线、量子点激光器9.6.2量子级联激光器第10章半导体发光二极管10.1半导体LED的工作原理10.1.1电子空穴对的辐射复合10.1.2半导体内的非辐射复合10.1.3半导体表面的非辐射复合10.2半导体LED的基本结构10.2.1同质结构10.2.2异质结构10.3LED的电学特性10.3.1电流电压特性10.3.2异质结构对LED的电学特性的影响10.3.3二极管电压及温度对电学特性的影响10.3.4LED的调制特性10.4半导体LED的光学性质10.4.1LED中的辐射跃迁(复合)10.4.2PI特性和不同定义下的光发射效率10.4.3温度对PI特性的影响10.4.4LED的发射光谱10.4.5LED发射光的逸出锥10.4.6朗伯特(Lambertian)发射图10.5提高LED内量子效率的措施10.5.1采用晶格匹配的双异质结构10.5.2选取适当的有源区掺杂浓度10.5.3选取适当的限制层掺杂浓度10.5.4控制pn结偏移的影响10.5.5降低非辐射复合的影响10.6提高LED光逸出效率的措施10.6.1采用双异质结构10.6.2LED管芯形状的选择10.6.3采用电流扩展层10.6.4采用电流阻挡(blocking)层10.6.5接触电极形状和尺寸的选择10.6.6采用透明衬底工艺10.6.7采用抗反射光学膜10.6.8反射接触和透明接触10.6.9倒装结构10.6.10采用环氧树脂圆拱封装10.6.11采用分布布拉格反射器(DBR)10.7不同材料系的LED10.7.1GaAsP、GaAsP:N材料系LED10.7.2AlGaInP/GaAs材料系LED10.7.3GaInN/GaN材料系LED10.7.4AlGaAs/GaAs材料系LED10.8高亮度LED10.8.1高亮度LED的光学性能10.8.2高亮度LED的电学性能10.9白光LED10.9.1利用LED产生白光的方法10.9.2产生白光用的波长转换材料10.9.3几种不同材料和结构的白光LED10.10有谐振腔的发光二极管(RCLED)10.10.1概述10.10.2RCLED的设计考虑10.10.3发射波长为930nm的RCLED10.10.4发射波长为650nm的RCLED10.10.5大面积光子再利用LED10.11光通信用的LED10.11.1自由空间光通信用的LED10.11.2光纤通信用的LED10.12边发射超辐射LED第11章半导体光检测器11.1半导体光检测器的基本参数11.1.1量子效率η和响应度R11.1.2暗电流和噪声11.1.3响应速度11.2半导体光电导型光检测器11.2.1光电导型光检测器的工作原理11.2.2光电导型光检测器的内部增益11.2.3光电导型光检测器的增益和带宽11.2.4光电导型光检测器中的噪声11.2.5nipi超晶格光电导型光检测器11.3pn结光电二极管11.4pin光电二极管11.4.1pin结构和i层11.4.2pin光电二极管的电流电压特性11.4.3外量子效率和内量子效率11.4.4频率响应11.4.5噪声和信噪比11.4.6异质结和波导型pin光电二极管11.5雪崩光电二极管(APD)11.5.1APD的工作原理与结构11.5.2碰撞离化和离化系数11.5.3雪崩倍增因子11.5.4雪崩倍增和光电流电压特性11.5.5器件的雪崩击穿11.5.6频率响应11.5.7APD的噪声和信噪比11.5.8几种APD的实例11.5.9新型、高性能APD11.6特殊光电检测器11.6.1光晶体管11.6.2调制势垒光电二极管11.6.3具有波长选择性的检测器11.6.4谐振腔增强型光探测器11.7量子结构红外光探测器11.7.1ⅢⅤ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11.7.2量子阱光电探测器的性能11.7.3InAs/Ga1-xInxSb离隙型应变超晶格红外探测器11.7.4Si/Si1-xGex量子阱红外探测器11.7.5量子点红外探测器第12章Ⅳ族元素合金应变异质结12.1引言12.2应变Si1-xGex/Si的基本性质12.2.1应变Si1-xGex层内的应力12.2.2Si1-xGex应变层的临界厚度12.2.3Si1-xGex/Si应变超晶格的应变特性12.3Si1-xGex/Si异质结的电子学性质12.3.1Si1-xGex应变层的带隙和能带结构12.3.2Si1-xGex/Si异质结的能带排列和能带带阶12.3.3SiGe的散射机制和载流子迁移率12.4Si1-xGex应变层的外延生长12.4.1Si1-xGex薄层生长12.4.2Ge的掺入和陡峭性12.4.3含C的Si1-xGex的生长12.5Si1-xGex薄层生长技术12.5.1分子束外延(MBE)12.5.2化学气相沉积(CVD)12.5.3固相外延(SPE)12.6SiGe合金层的掺杂12.6.1MBE生长中的掺杂12.6.2CVD生长时的掺杂12.7Si1-xGex的金属欧姆接触12.7.1SiGe合金的欧姆接触12.7.2AlSiGe、TiSiGe欧姆接触12.7.3SiGeC、GeC和SiC的金属接触12.8Ⅳ族元素二元、三元合金的生长12.8.1Si1-xGex合金的生长12.8.2Si1-yCy合金层生长12.8.3Si1-xyGexCy三元合金的生长12.8.4弛豫SiGe上应变Si的生长12.8.5αSiGe:H的生长12.8.6Ge1-yCy和有关合金生长12.8.7多晶SiGe薄膜的生长12.9Si1-xGex/Si异质结的光电子学应用12.9.1基本原理12.9.2Si1-xGex的折射率12.9.3Si1-xGex合金光电探测器12.9.4量子阱光电二极管12.9.5Si1-xGex发光二极管12.9.6Si1-xGex合金的无源光子器件第13章半导体太阳能电池13.1前言13.2太阳光谱与太阳常数13.2.1太阳光谱13.2.2太阳常数(大气质量数)13.3同质结太阳能电池13.3.1同质结太阳能电池的基本原理13.3.2n/p型和p/n型两种结构的比较13.3.3太阳能电池的伏安特性13.4太阳能电池的性能参数13.5太阳能电池的材料选择和设计考虑13.5.1太阳能电池的材料选择13.5.2太阳能电池的设计考虑13.5.3实际效率的损失及补救措施13.6异质结太阳能电池13.7级联(多带隙结)太阳能电池13.7.1级联太阳能电池的基本原理13.7.2级联太阳能电池的连接结构13.7.3级联太阳能电池的效率13.7.4级联太阳能电池的材料13.8量子阱太阳能电池13.8.1量子阱太阳能电池的设计、材料和工艺13.8.2量子阱太阳能电池的性能13.8.3量子阱太阳能电池的电流电压特性13.9ⅡⅥ族化合物半导体和无定型Si薄膜太阳能电池13.9.1概述13.9.2ⅡⅥ族半导体薄膜太阳能电池13.9.3黄Cu矿半导体薄膜太阳能电池13.9.4无定型Si薄膜太阳能电池13.10带聚光器的太阳能电池13.10.1太阳光聚光器13.10.2太阳光聚光器的类型第14章梯度带隙半导体14.1引言14.2梯度带隙半导体中的准电场和准磁场14.2.1梯度带隙半导体中的准电场14.2.2梯度带隙半导体中的准磁场14.3梯度带隙半导体的物理特征14.3.1梯度带隙半导体的能带图14.3.2梯度带隙半导体的等效态密度和载流子浓度14.3.3梯度带隙半导体中载流子的扩散与漂移14.3.4梯度带隙半导体中非平衡载流子的输运14.3.5梯度带隙半导体中的杂质态14.4梯度带隙半导体的光学性质14.4.1梯度带隙对吸收光谱的影响14.4.2梯度带隙半导体的光荧光特性14.4.3梯度带隙半导体中的再辐射和载流子输运14.4.4梯度带隙半导体的阴极荧光14.4.5梯度带隙半导体中ΔEg对光电导特性的影响14.4.6梯度带隙半导体pn结中的光电现象14.4.7梯度带隙半导体中的光电动势14.4.8梯度带隙半导体中的光电磁效应14.5梯度带隙半导体中载流子注入的特点14.6化合物半导体中不同能谷间的跃迁14.7梯度带隙半导体中的碰撞离化14.8梯度带隙半导体pn结的频率特性14.9梯度带隙半导体器件举例14.9.1梯度带隙半导体太阳能电池14.9.2梯度带隙雪崩光电二极管14.9.3多层梯度带隙结构的碰撞雪崩离化光电二极管14.9.4梯度带隙半导体光发射器件14.9.5梯度带隙半导体像接收器14.9.6梯度带隙半导体晶体管14.9.7梯度带隙发射极的HBT附录A基本物理常数表附录B各种能量表达变换表附录C惯用单位换算表附录D英文缩略词英汉对照表
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图2
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