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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mhh160

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n1285

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=10μm922

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＊/m0930

B3 Hg1-xCdxTe光导器件截止波长λco933

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λpeak933

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