半导体多层膜中的电子和声子 9787301245149 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[英] 里德利（B. K. Ridley） 著

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出版社： 北京大学出版社

ISBN：9787301245149

商品编码：29650189309

包装：平装

出版时间：2014-08-01

图书基本信息
图书名称	半导体多层膜中的电子和声子	作者	里德利（B. K. Ridley）
定价	78.00元	出版社	北京大学出版社
ISBN	9787301245149	出版日期	2014-08-01
字数		页码	428
版次	1	装帧	平装
开本	16开	商品重量	0.4Kg

内容简介

纳米技术的发展催生了只有几个分子厚度的半导体结构，这给该结构中电子和声子的物理带来了重要影响。《半导体多层膜中的电子和声子(第二版)（英文影印版）》阐述了量子阱和量子线中的电子和声子囚禁对半导体特性的影响。第二版中加入了电子自旋弛豫、六角纤锌晶格、氮化物结构和太赫兹源等方面的内容。本书独特之处在于对光学声子的微观理论的阐述，其由囚禁引起的径向性质改变以及与电子的相互作用等。 　　本书适合半导体物理领域的研究者和研究生阅读。

作者简介

(英) 里德利（B. K. Ridley），英国埃塞克斯大学教授。

目录

Preface page xi Introductio1 1 Simple Models of the Electron-PhonoInteractio9 1.1 General Remarks 9 1.2 Early Models of Optical-PhonoConfinement 10 1.2.1 The Dielectric-Continuum (DC) Model 11 1.2.2 The Hydrodynamic (HD) Model 16 1.2.3 The Reformulated-Mode (RM) Model 18 1.2.4 Hybrid Modes 21 1.3 The Interactioof Electrons with Bulk Phonons 22 1.3.1 The Scattering Rate 22 1.3.2 The Coupling Coefficients 24 1.3.3 The Overlap Integral i2D 27 1.3.4 The 2D Rates 29 1.3.5 The 1D Rates 34 1.4 The Interactiowith Model Confined Phonons 35 2 Quantum Confinement of Carriers 42 2.1 The Effective-Mass Equatio42 2.1.1 Introductio42 2.1.2 The Envelope-FunctioEquatio44 2.1.3 The Local Approximatio46 2.1.4 The Effective-Mass Approximatio48 2.2 The Confinement of Electrons 49 2.3 The Confinement of Holes 53 2.4 Angular Dependence of Matrix Elements 62 2.5 Non-Parabolicity 64 2.6 Band-Mixing 66 3 Quasi-Continuum Theory of Lattice Vibrations 67 3.1 Introductio67 3.2 Linear-ChaiModels 69 3.2.1 Bulk Solutions 69 3.2.2 Interface betweeNearly Matched Media 71 3.2.3 Interface betweeMismatched Media 75 3.2.4 Free Surface 75 3.2.5 Summary 76 3.3 The Envelope Functio76 3.4 Non-Local Operators 78 3.5 Acoustic and Optical Modes 80 3.6 Boundary Conditions 83 3.7 Interface Model 85 3.8 Summary 91 Appendix: The Local Approximatio94 4 Bulk Vibrational Modes iaIsotropic Continuum 97 4.1 Elasticity Theory 97 4.2 Polar Material 104 4.3 Polar Optical Waves 105 4.4 Energy Density 107 4.5 Two-Mode Alloys 114 5 Optical Modes ia Quantum Well 119 5.1 Non-Polar Material 119 5.2 Polar Material 122 5.3 Barrier Modes: Optical-PhonoTunnelling 127 5.4 The Effect of Dispersio137 5.5 Quantizatioof Hybrid Modes 137 6 Superlattice Modes 141 6.1 Superlattice Hybrids 141 6.2 Superlattice Dispersio144 6.3 General Features 148 6.4 Interface Polaritons ia Superlattice 154 6.5 The Role of LO and TO Dispersio155 6.6 Acoustic Phonons 157 7 Optical Modes iVarious Structures 160 7.1 Introductio160 7.2 Monolayers 160 7.2.1 Single Monolayer 162 7.2.2 Double Monolayer 166 7.3 Metal-Semiconductor Structures 170 7.4 Slab Modes 173 7.5 Quantum Wires 176 7.6 Quantum Dots 181 8 Electron-Optical PhonoInteractioia Quantum Well 182 8.1 Introductio182 8.2 Scattering Rate 183 8.3 Scattering Potentials for Hybrids 184 8.4 Matrix Elements for aIndefinitely Deep Well 185 8.5 Scattering Rates for Hybrids 187 8.6 Threshold Rates 189 8.7 Scattering by Barrier LO Modes 192 8.8 Scattering by Interface Polaritons 194 8.9 Summary of Threshold Rates iaIndefinitely Deep Well 197 8.9.1 Intrasubband Rates 197 8.9.2 Intersubband Rates 198 8.10 Comparisowith Simple Models 199 8.11 The Interactioia Superlattice 202 8.12 The InteractioiaAlloy 205 8.13 PhonoResonances 206 8.14 Quantum Wire 208 8.15 The Sum-Rule 209 Appendix: Scalar and Vector Potentials 212 9 Other Scattering Mechanisms 217 9.1 Charged-Impurity Scattering 217 9.1.1 Introductio217 9.1.2 The Coulomb Scattering Rate 220 9.1.3 Scattering by Single Charges 221 9.1.4 Scattering by Fluctuations ia Donor Array 223 9.1.5 AExample 225 9.2 Interface-Roughness Scattering 227 9.3 Alloy Scattering 230 9.4 Electron-ElectroScattering 231 9.4.1 Basic Formulae for the 2D Case 231 9.4.2 Discussio234 9.4.3 Electron-Hole Scattering 236 9.5 PhonoScattering 236 9.5.1 Phonon-PhonoProcesses 236 9.5.2 Charged-Impurity Scattering 239 9.5.3 Alloy Fluctuations and Neutral Impurities 240 9.5.4 Interface-Roughness Scattering 241 10 Quantum Screening 244 10.1 Introductio244 10.2 The Density Matrix 245 10.3 The Dielectric Functio248 10.4 The 3D Dielectric Functio250 10.5 The Quasi-2D Dielectric Functio252 10.6 The Quasi-1D Dielectric Functio259 10.7 Lattice Screening 265 10.8 Image Charges 266 10.9 The Electron-Plasma/Coupled-Mode Interactio268 10.10 Discussio272 11 The ElectroDistributioFunctio275 11.1 The BoltzmanEquatio275 11.2 Net Scattering Rate by Bulk Polar-Optical Phonons 276 11.3 Optical Excitatio278 11.4 Transport 281 11.4.1 The 3D Case 284 11.4.2 The 2D Case 286 11.4.3 The 1D Case 288 11.4.4 Discussio289 11.5 Acoustic-PhonoScattering 290 11.5.1 The 3D Case 291 11.5.2 The 2D Case 293 11.5.3 The 1D Case 294 11.5.4 Piezoelectric Scattering 296 11.6 Discussio296 11.7 Acoustic-PhonoScattering ia Degenerate Gas 300 11.7.1 Introductio300 11.7.2 Energy- and Momentum-RelaxatioRates 300 11.7.3 Low-Temperature Approximatio304 11.7.4 The ElectroTemperature 306 11.7.5 The High-Temperature Approximatio306 12 SpiRelaxatio311 12.1 Introductio311 12.2 The Elliot-Yafet process 313 12.3 The D'yakonov-Perel Process 317 12.3.1 The DP Mechanism ia Quantum Well 322 12.3.2 Quantum Wires 324 12.4 The Rashba Mechanism 326 12.5 The Bir-Aranov-Pikus Mechanism 326 12.6 Hyperfine Coupling 329 Appendix 1 332 Appendix 2 333 Appendix 3 335 13 Electrons and Phonons ithe Wurtzite Lattice 336 13.1 The Wurtzite Lattice 336 13.2 Energy Band Structure 338 13.3 Eigenfunctions 340 13.4 Optical Phonons 343 13.5 Spontaneous Polarizatio346 Appendix 1 Symmetry 347 14 Nitride Heterostructures 349 14.1 Single Heterostructures 349 14.2 Piezoelectric Polarizatio351 14.3 PolarizatioModel of Passivated HFET with Field Plate 354 14.4 The PolarizatioSuperlattice 358 14.4.1 Strai358 14.4.2 DeformatioPotentials 359 14.4.3 Fields 359 14.5 The AlN/GaN Superlattice 360 14.6 The Quantum-Cascade Laser 366 Appendix Airy Functions 368 15 Terahertz Sources 369 15.1 Introductio369 15.2 Bloch Oscillations 370 15.3 Negative-Mass NDR 373 15.3.1 The Esaki-Tsu Approach 375 15.3.2 Lucky Drift 376 15.3.3 The Hydrodynamic Model 377 15.4 Ballistic Transport 378 15.4.1 Optical-Phonon-Determined Transit-Time Oscillations 379 15.4.2 Transit-Time Oscillations ia Short Diode 379 15.4.3 Negative-Mass NDR 380 15.4.4 Bloch Oscillations 383 15.5 Femtosecond Generators 387 15.5.1 Optical Non-Linear Rectification. 387 15.5.2 Surge Current 388 15.5.3 Dember Diffusio388 15.5.4 Coherent Phonons 389 15.5.5 Photoconductive Switch 389 15.6 CW Generators 389 15.6.1 Photomixing 389 15.6.2 Quantum-Cascade Lasers 390 Appendix 392 Appendix 1 The Polar-Optical Momentum-RelaxatioTime ia 2D Degenerate Gas 393 Appendix 2 Electron/Polar Optical PhonoScattering Rates in a Spherical Cosine Band 395 References 397 Index 406

编辑推荐

《半导体多层膜中的电子和声子(第二版)（英文影印版）》是影印版英文专著，原书由剑桥大学出版社于2009年出版。半导体科学与技术是当代重要的研究领域。因之催生的各种应用数不胜数。半导体多层膜则是纳米技术发展的产物，具有重要的科研价值和巨大的应用潜力。本书作为研究其中电子和声子的学术专著，会给这一领域的研究者以很大的收获。

文摘

序言

深度探索：物质世界的微观脉动与能量流转 在浩瀚的物质世界中，存在着一类精妙绝伦的结构——多层膜。它们如同微观的建筑，层层叠叠，精密构建，在其中潜藏着丰富的物理现象。特别是在半导体材料领域，多层膜的应用已经渗透到我们生活的方方面面，从高速运行的电子器件到精密的光学设备，无不闪耀着它们的身影。而要真正理解这些多层膜的奇妙性能，深入探究其内部电子与声子的行为至关重要。 本书并非仅仅是对“半导体多层膜中的电子和声子”这一特定主题的简单罗列，而是力求勾勒出一幅更为广阔的科学图景，揭示这些微观粒子在复杂结构中的相互作用如何塑造宏观世界的科技进步。我们将从基础理论出发，循序渐进地带领读者走进这个迷人的微观领域，理解其中蕴含的深刻物理原理，并展望其在未来科技发展中的无限可能。 第一章：物质世界的基石——量子力学的视角 理解半导体多层膜中的电子行为，首先需要回归到量子力学的基本框架。在本章中，我们将一同回顾量子力学中最核心的概念，例如波粒二象性，它解释了电子为何不再是我们传统认知中的点状粒子，而是同时展现出波动和粒子的双重属性。我们将深入探讨薛定谔方程，这个方程如同物理世界的“圣经”，能够描述电子在特定势场中的状态演化。 在此基础上，我们将聚焦于多层膜这种特殊的几何结构。在宏观世界中，物质的性质往往由其整体结构决定，但在微观尺度下，纳米级别的尺寸效应变得尤为显著。多层膜的特性，其关键在于层与层之间的界面，这些界面如同微观的“屏障”或“桥梁”，深刻影响着电子的运动。我们将介绍布洛格定理，它为理解周期性结构（如晶格）中电子的传播提供了理论基础。在多层膜中，虽然并非严格的周期性，但层与层之间形成的势垒和势阱，以及由此产生的量子限制效应，将是本章的重点。 我们将通过引入“能带理论”来阐释电子在固体材料中的能量分布。从自由电子模型到晶格振动对电子的散射，我们将逐步构建起对电子如何在半导体材料中传输的理解。特别是在多层膜结构中，不同材料的电子亲和势和功函数差异，会在界面处形成复杂的势垒，限制电子的自由运动，甚至导致电子的量子隧穿现象。这些微观行为，正是构成半导体器件功能的核心。 第二章：微观世界的韵律——声子的起源与传播 与电子的运动相伴相生的，是另一种至关重要的微观粒子——声子。声子并非独立存在的粒子，而是晶体中原子集体振动的量子化激发。在本章中，我们将深入探讨声子的概念。从经典力学的晶格振动模型出发，我们将理解原子之间通过化学键相互作用，在受到扰动时会产生集体振动。 我们将介绍声子的色散关系，它描述了声子的频率与波矢之间的关系，这如同音乐中的音阶，决定了声波在晶体中的传播特性。不同的材料，其原子质量、键强等差异，会产生截然不同的色散关系，进而影响声子的频率和传播速度。 在多层膜中，声子的行为同样会受到界面效应的显著影响。层与层之间的边界会引起声波的反射、透射和散射。我们将探讨“界面声子”的概念，这些声子仅存在于界面的附近，其行为与块体声子存在差异。当不同材料的声学特性（如声速、密度）不同时，在界面处会形成“声阻抗失配”，导致声波的传输效率降低，甚至发生局域化。 声子的传播，是物质内能量传递的重要机制。在半导体材料中，声子不仅是热量的载体，还扮演着至关重要的角色：它会散射电子，从而影响电子的迁移率和器件的性能；同时，电子与声子的相互作用，也是许多重要的物理现象（如压电效应、热电效应）的根源。理解声子在多层膜中的行为，对于控制热量在器件中的分布，以及实现能量的有效转换，具有不可估量的价值。 第三章：微妙的共舞——电子与声子的协同作用 在前面的章节中，我们分别探讨了电子和声子各自在多层膜中的行为。然而，在真实的物理环境中，它们并非孤立存在，而是时刻发生着精妙的相互作用。本章将深入剖析电子与声子之间的“共舞”，揭示它们如何相互影响，共同塑造多层膜的整体性能。 最直接的相互作用便是“散射”。声子，作为晶格振动的量子，会不断地“撞击”电子，改变电子的运动方向和能量。这种散射是影响电子迁移率的主要因素之一，尤其在高温环境下，声子密度增加，散射效应愈发显著，导致电子器件的性能下降。在多层膜中，界面处的声子散射效应，由于界面原子排列的无序性以及不同材料的声学特性差异，往往比块体材料更为复杂和强烈。 此外，电子与声子的相互作用还可能引发更为复杂的现象。例如，“电子-声子耦合”是许多量子现象的基础。在一些特殊的材料体系中，电子的能量变化会引起声子的产生或吸收，反之亦然。这种耦合机制，可能导致材料出现新的电子态或声子态，从而赋予材料全新的功能。 更进一步，我们将探讨这种相互作用在能量转换过程中的作用。在热电材料中，电子与声子的平衡分布是实现高效热电转换的关键。声子散射影响着材料的热导率，而电子的输运则决定了电导率。如何通过调控多层膜结构，优化电子与声子的相互作用，以期提升热电转换效率，是当前材料科学领域的研究热点。 第四章：结构的智慧——多层膜设计与性能调控 理解了电子和声子在多层膜中的基本行为及其相互作用，我们便有了调控这些行为的钥匙。本章将转向多层膜的实际设计与制备，以及如何利用其结构特性来优化电子和声子的性能。 我们将详细介绍构建多层膜的各种先进技术，例如分子束外延（MBE）、原子层沉积（ALD）等。这些技术能够实现对薄膜厚度和成分的精确控制，从而构建出原子层级别的结构。我们将分析不同制备工艺对薄膜质量、界面平整度以及原子排列的影响，这些都会直接作用于电子和声子的传输。 重点在于“结构工程”——如何通过巧妙设计多层膜的厚度、层数、材料组合以及界面特性，来达到预期的性能目标。例如，通过引入量子阱结构，可以限制电子的运动，改变其能级分布，从而提高载流子浓度或改变输运特性。通过设计声子反射层，可以有效地抑制热量在器件中的传播，降低器件的工作温度。 我们将深入探讨“量子尺寸效应”和“界面效应”在多层膜设计中的具体体现。例如，当薄膜厚度达到纳米级别时，电子的能级会发生量子化，产生离散的能级，这对于设计量子器件至关重要。界面处的缺陷、应力以及电子态密度分布，都会显著影响电子和声子的散射以及耦合强度。 此外，我们还将介绍一些具有代表性的多层膜结构及其应用案例，例如超晶格（Superlattice）、量子阱（Quantum Well）、量子线（Quantum Wire）等。这些结构并非简单的材料堆叠，而是通过精妙的设计，展现出远超单个材料的优异性能，它们是现代电子、光电子、声学以及热电学器件的核心组成部分。 第五章：展望未来——多层膜科学的无限可能 在对半导体多层膜中的电子和声子进行了深入的理论探讨和结构分析之后，本章将目光投向未来，展望这一领域在科技发展中的无限可能。 我们将讨论当前研究中仍面临的挑战，例如如何更精确地控制界面质量、如何理解和利用更为复杂的电子-声子耦合机制、如何设计更高效的热管理材料等。这些挑战的解决，将为新一代高性能器件的诞生奠定基础。 我们还将重点介绍多层膜科学在多个前沿领域的应用前景。例如，在下一代半导体器件方面，高性能的半导体多层膜将是实现更高集成度、更低功耗、更快速度的关键，包括 FinFET、GSOI（GeSi-on-insulator）等技术。在新能源领域，高效的太阳能电池、热电器件以及能量存储器件，都离不开对多层膜结构中电子和声子行为的精妙调控。 量子计算作为未来科技的颠覆性力量，其核心的量子比特的实现，往往依赖于对微观粒子（如电子）的精细控制，而多层膜结构为此提供了重要的平台。在传感与探测领域，基于多层膜的光学、声学、电学传感器，能够实现前所未有的高灵敏度和高精度。 此外，我们将探讨人工智能与机器学习在材料科学中的应用，如何利用大数据和算法来加速新型多层膜材料的发现和设计，预测其性能，从而大大缩短研发周期。 最后，本书将强调跨学科合作的重要性。半导体多层膜的研究，不仅仅是物理学家的领域，更需要化学家、材料科学家、工程师以及计算机科学家的共同努力。通过整合不同领域的知识和技术，我们才能更深刻地理解这些微观世界的奥秘，并将其转化为造福人类的实际应用。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，去理解半导体多层膜中电子和声子的微妙世界。我们希望通过严谨的理论推导、翔实的分析以及对前沿应用的展望，激发读者对这一迷人领域的兴趣，并为相关的研究和开发提供有益的启示。

评分☆☆☆☆☆

从更广阔的视角来看，这本书的价值不仅仅停留在对现有半导体物理现象的阐述上，它更像是一块“跳板”，引导读者思考未来器件的发展方向。作者在最后的几章中，大胆地预测了在超晶格结构中如何通过精确控制层间耦合来设计具有特定输运特性的新材料。特别是关于二维材料异质结中范德华相互作用对电子轨道叠加的影响，这部分内容虽然相对前沿，但作者的论述逻辑严密，给出了清晰的实验验证思路。这对我正在进行的新型热电材料研究具有极大的启发性。它让我认识到，传统的体材料物理理论在描述这些超薄、高度界面化的体系时已经力不从心，我们必须引入新的量子场论工具和界面物理模型。这本书没有给我“现成的答案”，但它为我指明了那些最值得投入精力去探索的“未知领域”，其价值在于它激活了我的研究兴趣和创新思维的边界。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量令人赞赏，这对于一本需要反复查阅的专业书籍来说至关重要。纸张的质地很好，即使用高亮笔做了大量的标记，纸张也不会显得过于软塌或油腻。最值得称道的是图表的绘制精度。在涉及复杂的能带结构图、晶格常数与温度依赖关系图时，线条清晰，坐标轴标注详尽无误。我记得有一张关于面内和面外载流子有效质量各向异性的对比图，如果分辨率不够高，那些细微的差别很容易被忽略，但在这本书里，即便是最细微的梯度变化也体现得淋漓尽致。这种对细节的关注，体现了出版方和作者对学术严谨性的最高标准。在我的案头，这本书已经成了我进行器件结构优化设计时的“标准参考件”，它不仅仅提供理论，更提供了一种经过验证的、可信赖的参考基准，避免了我在设计初期就因为依赖不准确的经验数据而走弯路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，说实话，对读者的基础要求是相当高的。它绝不是那种可以轻松翻阅的科普读物，更像是为研究生和资深研发工程师准备的专业手册。我的体会是，如果你对傅里叶变换、矩阵代数以及量子力学的基本假设不够熟悉，那么在阅读中期涉及波导理论和态密度计算的部分时，会感到相当吃力。不过，对于那些已经具备扎实背景的读者来说，这本书的价值就体现出来了。作者在处理复杂问题时展现出的那种严谨性和逻辑的连贯性，是其他一些翻译质量参差不齐的国外教材所不具备的。我特别喜欢作者在推导过程中对符号定义的坚持，每引入一个新的物理量，都会在脚注或括号中给出其精确的物理意义和单位，这大大减少了我在对照公式时出错的概率。它帮助我建立了一种“自洽”的物理思维模型，让我不再仅仅满足于“知道是什么”，而是深究“为什么会是这样”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度确实超出了我最初的预期。我原本以为它会侧重于某一个特定的半导体材料体系，比如硅基或III-V族化合物，但它展现出的是一种更加宏观和普适的物理视野。我印象最深的是关于声子散射机制的分析部分，那段内容详实得令人惊叹。作者不仅仅罗列了声子与电子、声子与声子之间的各种耦合模式，还深入探讨了这些微观过程如何影响材料的热导率和载流子迁移率。我在阅读时，常常需要放慢速度，反复咀ட்ட那些关于晶格振动和电子能量交换的描述。有一段关于界面声学不匹配对热阻增加的论述，作者引入了非平衡态格林函数的方法进行理论建模，虽然数学上颇具挑战性，但其背后的物理图像却异常清晰。这让我意识到，要真正理解高性能半导体器件的工作原理，就必须将热学效应和电学效应结合起来进行多物理场耦合分析。这本书为我提供了一个极好的理论框架，让我能够跳出单纯的电子传输视角，去更全面地审视半导体异质结的设计极限。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调，配上简洁的几何图形，立刻让人联想到高精尖的科学领域。我是在一个偶然的机会下接触到这本书的，当时我正在为我的毕业设计寻找一些深入的理论支撑，毕竟理论基础不扎实，后续的实验模拟和数据分析都会显得苍白无力。这本书的作者显然在材料物理和凝聚态物理方面有着深厚的造诣，从第一章开始，他就以一种近乎讲故事的方式，循序渐进地引导读者进入到半导体薄膜这个复杂的世界。特别是他对能带结构演变的细腻描绘，让我这个初学者也能抓住核心脉络。我记得其中有一段关于量子尺寸效应的讨论，作者没有仅仅停留在教科书式的公式推导，而是结合了实际的实验结果，用非常形象的比喻解释了界面势垒和载流子限制是如何深刻地改变材料的宏观电学性质的。这不仅仅是一本堆砌公式的参考书，更像是一位经验丰富的导师，带着你一步步解开隐藏在纳米尺度下的物理奥秘。我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“思考与探索”环节，它极大地激发了我主动去查阅更多前沿文献的兴趣，而不是被动地接受既有知识。