半导体多层膜中的电子和声子（第二版）（英文影印版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[英] 里德利（B. K. Ridley） 著

图书标签:

• 半导体
• 多层膜
• 电子
• 声子
• 材料科学
• 物理学
• 固态物理
• 薄膜技术
• 英文影印版
• 第二版

出版社： 北京大学出版社

ISBN：9787301245149

版次：1

商品编码：11550154

包装：平装

丛书名： 中外物理学精品书系

开本：16开

出版时间：2014-08-01

用纸：胶版纸

页数：428

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最重要的研究领域。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，一定会给这一领域的研究者以很大的收获。

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
Introduction 1
1 Simple Models of the Electron-Phonon Interaction 9
1.1 General Remarks 9
1.2 Early Models of Optical-Phonon Confinement 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 Interaction of 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 in 2D 27
1.3.4 The 2D Rates 29
1.3.5 The 1D Rates 34
1.4 The Interaction with Model Confined Phonons 35
2 Quantum Confinement of Carriers 42
2.1 The Effective-Mass Equation 42
2.1.1 Introduction 42
2.1.2 The Envelope-Function Equation 44
2.1.3 The Local Approximation 46
2.1.4 The Effective-Mass Approximation 48
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 Introduction 67
3.2 Linear-Chain Models 69
3.2.1 Bulk Solutions 69
3.2.2 Interface between Nearly Matched Media 71
3.2.3 Interface between Mismatched Media 75
3.2.4 Free Surface 75
3.2.5 Summary 76
3.3 The Envelope Function 76
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 Approximation 94
4 Bulk Vibrational Modes in an Isotropic 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 in a Quantum Well 119
5.1 Non-Polar Material 119
5.2 Polar Material 122
5.3 Barrier Modes: Optical-Phonon Tunnelling 127
5.4 The Effect of Dispersion 137
5.5 Quantization of Hybrid Modes 137
6 Superlattice Modes 141
6.1 Superlattice Hybrids 141
6.2 Superlattice Dispersion 144
6.3 General Features 148
6.4 Interface Polaritons in a Superlattice 154
6.5 The Role of LO and TO Dispersion 155
6.6 Acoustic Phonons 157
7 Optical Modes in Various Structures 160
7.1 Introduction 160
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 Phonon Interaction in a Quantum Well 182
8.1 Introduction 182
8.2 Scattering Rate 183
8.3 Scattering Potentials for Hybrids 184
8.4 Matrix Elements for an Indefinitely 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 in an Indefinitely Deep Well 197
8.9.1 Intrasubband Rates 197
8.9.2 Intersubband Rates 198
8.10 Comparison with Simple Models 199
8.11 The Interaction in a Superlattice 202
8.12 The Interaction in an Alloy 205
8.13 Phonon Resonances 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 Introduction 217
9.1.2 The Coulomb Scattering Rate 220
9.1.3 Scattering by Single Charges 221
9.1.4 Scattering by Fluctuations in a Donor Array 223
9.1.5 An Example 225
9.2 Interface-Roughness Scattering 227
9.3 Alloy Scattering 230
9.4 Electron-Electron Scattering 231
9.4.1 Basic Formulae for the 2D Case 231
9.4.2 Discussion 234
9.4.3 Electron-Hole Scattering 236
9.5 Phonon Scattering 236
9.5.1 Phonon-Phonon Processes 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 Introduction 244
10.2 The Density Matrix 245
10.3 The Dielectric Function 248
10.4 The 3D Dielectric Function 250
10.5 The Quasi-2D Dielectric Function 252
10.6 The Quasi-1D Dielectric Function 259
10.7 Lattice Screening 265
10.8 Image Charges 266
10.9 The Electron-Plasma/Coupled-Mode Interaction 268
10.10 Discussion 272
11 The Electron Distribution Function 275
11.1 The Boltzmann Equation 275
11.2 Net Scattering Rate by Bulk Polar-Optical Phonons 276
11.3 Optical Excitation 278
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 Discussion 289
11.5 Acoustic-Phonon Scattering 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 Discussion 296
11.7 Acoustic-Phonon Scattering in a Degenerate Gas 300
11.7.1 Introduction 300
11.7.2 Energy- and Momentum-Relaxation Rates 300
11.7.3 Low-Temperature Approximation 304
11.7.4 The Electron Temperature 306
11.7.5 The High-Temperature Approximation 306
12 Spin Relaxation 311
12.1 Introduction 311
12.2 The Elliot-Yafet process 313
12.3 The D'yakonov-Perel Process 317
12.3.1 The DP Mechanism in a 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 in the 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 Polarization 346
Appendix 1 Symmetry 347
14 Nitride Heterostructures 349
14.1 Single Heterostructures 349
14.2 Piezoelectric Polarization 351
14.3 Polarization Model of Passivated HFET with Field Plate 354
14.4 The Polarization Superlattice 358
14.4.1 Strain 358
14.4.2 Deformation Potentials 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 Introduction 369
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 in a 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 Diffusion 388
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-Relaxation Time in a
2D Degenerate Gas 393
Appendix 2 Electron/Polar Optical Phonon Scattering Rates in
a Spherical Cosine Band 395
References 397
Index 406

前言/序言

深入探索量子世界：半导体多层膜中的电子与声子（第二版） 本书第二版，以其详实的论述和前沿的研究视角，旨在为读者深入揭示半导体多层膜这一复杂而迷人的微观领域。多层膜结构，作为现代电子学和光子学器件的核心，其性能的优化与突破，很大程度上取决于其中电子与声子相互作用的精确理解与调控。本版在继承第一版坚实学术基础之上，对现有理论进行了更新，并纳入了近年来在该领域取得的最新研究成果与技术进展，力求为研究人员、工程师及相关领域的研究生提供一本不可或缺的参考指南。 核心聚焦：电子与声子的交织 本书的灵魂在于其对半导体多层膜中电子与声子两大基本载流子之间相互作用的细致剖析。电子，作为信息传递与电荷传输的载体，其在固体材料中的行为受到量子力学规律的严格约束。而声子，则代表了晶格振动的能量量子，它们在材料内部的传播与散射，直接影响着电子的动量、能量以及材料的导热性能。在多层膜这种特殊的纳米尺度结构中，由于界面效应、量子限制以及不同材料的耦合，电子与声子的相互作用呈现出更为丰富和复杂的现象。 本书将从基础概念出发，系统阐述电子在周期势场中的运动，包括布里渊区、能带结构、有效质量等关键概念。在此基础上，深入讨论晶格振动的量子化，介绍声子的色散关系、分类及其与宏观热学性质的联系。核心章节将聚焦于电子-声子耦合的理论框架，涵盖各种主要的耦合机制，如声学声子散射、光学声子散射、极性耦合等。理解这些耦合机制，是设计高性能半导体器件的关键。例如，在微电子器件中，过度的电子-声子散射会导致载流子迁移率下降，器件性能恶化；而在热电器件中，声子散射的抑制则是提高能量转换效率的重中之重。 多层膜的独特视角 将电子与声子的研究置于半导体多层膜的背景下，是本书的一大亮点。多层膜结构，如超晶格、量子阱、量子丝等，打破了块体材料的对称性，并引入了大量的界面。这些界面不仅是不同材料的边界，更是电子和声子行为发生显著改变的区域。 本书将详细探讨界面对电子能带结构的影响，如能带偏移、界面态的形成，以及这些界面态如何改变电子的局域化和输运特性。同时，界面对声子的传播也提出了挑战，例如声子反射、透射、散射以及界面声子模式的存在。这些界面效应会显著改变电子-声子耦合的强度和性质，从而影响器件的电学和热学性能。 本书还将深入研究不同类型的半导体多层膜结构，包括但不限于： 超晶格 (Superlattices)：由周期性排列的两种或多种不同材料薄层构成，其电子和声子特性表现出准周期性，能够产生新颖的能带结构和声子谱。 量子阱 (Quantum Wells)：由薄层势阱夹在较高势垒层之间形成，其中的电子被限制在一个维度上，表现出二维输运特性，其电子-声子相互作用与块体材料存在显著差异。 量子点 (Quantum Dots)：零维量子限制结构，电子和声子被完全限制，展现出离散能级和独特的量子效应。 异质结 (Heterojunctions)：两种不同半导体材料的界面，其电子-声子耦合对界面处的载流子行为至关重要。 理论工具与研究方法 为了全面理解这些复杂的现象，本书将介绍多种重要的理论工具和研究方法。 量子力学方法：包括密度泛函理论 (DFT) 、紧束缚模型 (Tight-binding model)、格林函数方法 (Green's function method) 等，用于计算电子能带结构、电子-声子耦合强度以及各种输运性质。 声子计算方法：如力场法 (Force-field method)、第一性原理声子计算 (Ab initio phonon calculations) 等，用于获得精确的声子色散关系和声子态密度。 输运理论：介绍Boltzmann方程、Landauer-Büttiker公式等，用于模拟和理解电子和声子在纳米结构中的输运过程。 光谱学技术：如拉曼散射 (Raman scattering)、红外光谱 (Infrared spectroscopy)、光致发光 (Photoluminescence) 等，以及其在探测电子-声子相互作用和材料结构方面的应用。 瞬态测量技术：如飞秒瞬态吸收光谱 (Femtosecond transient absorption spectroscopy) 等，用于研究载流子动力学和电子-声子能量弛豫过程。 应用前景与前沿研究 半导体多层膜中电子与声子的深入理解，对于推动多个前沿科技领域的发展至关重要。本书的讨论将贯穿这些重要的应用方向： 高性能微电子器件：包括高迁移率晶体管、低功耗逻辑电路，以及用于先进通信和计算的器件。理解和控制电子-声子散射，是实现更高速度、更低能耗的关键。 光电子学器件：如激光器、LED、光探测器、调制器等。电子-声子相互作用影响着光激发、载流子复合和光发射效率。 热电器件：用于能量收集和制冷。降低声子导热是提高热电优值 (ZT) 的核心，而电子-声子耦合则在其中扮演着复杂而关键的角色。 量子信息处理：在量子计算和量子通信中，超导量子比特、量子点等作为潜在的量子信息载体，其稳定性很大程度上取决于与声子的相互作用，需要对其进行精确控制。 新型传感器：利用电子-声子相互作用对外界环境变化的敏感性，开发高灵敏度、高选择性的传感器。 本书第二版将对以下前沿研究领域进行重点更新和扩展： 狄拉克材料与拓扑半导体中的电子-声子耦合：探讨在这些新颖材料中，电子-声子耦合如何影响其独特的电子性质和拓扑保护的输运。 二维材料与范德华异质结中的电子-声子相互作用：如石墨烯、过渡金属硫化物等二维材料，其微观结构和界面特性带来了新的电子-声子耦合模式，对柔性电子、光电器件等具有重要意义。 光致声子学 (Phononics) 与声子工程 (Phonon Engineering)：如何通过调控材料结构和界面来控制声子的传播，实现声子的定向传输、过滤和存储，从而开发新型的声子器件。 机器学习在电子-声子计算中的应用：介绍如何利用机器学习算法加速第一性原理计算，预测材料的电子-声子耦合性质，从而加速新材料的设计和发现。 非平衡态电子-声子动力学：研究在强激光激发或快速输运条件下，电子和声子系统如何脱离热平衡态，以及由此产生的非线性动力学行为。 读者对象 本书适合的读者群体广泛，包括但不限于： 研究生和博士生：深入学习半导体物理、凝聚态物理、材料科学、微电子学、光电子学等专业的学生。 研究人员：在半导体材料、器件物理、纳米技术、固体物理等领域进行研究的学者。 工程师：从事半导体器件设计、开发和制造的工程师，需要理解材料微观性质如何影响宏观器件性能。 对前沿物理和材料科学感兴趣的读者：渴望了解当前最活跃的研究领域和最具潜力的技术方向。 结语 《半导体多层膜中的电子和声子（第二版）》不仅仅是一本教科书，更是一扇通往理解和操控物质微观世界的窗户。通过对电子与声子在复杂多层膜结构中交织关系的深入探讨，本书将为读者提供坚实的理论基础和广阔的研究视野，激发读者在该领域进行创新性研究和技术突破的热情。第二版的更新内容，将确保其在瞬息万变的科学研究领域始终保持其前沿性和权威性。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我留下的最深刻印象之一，便是其严谨的学术态度和一丝不苟的科学精神。作者在论证每一个观点时，都引用了大量的原始研究文献，并且对数据的来源和分析方法进行了详尽的说明。这使得书中的结论具有极强的说服力，也为读者提供了进一步深入研究的线索。在细节的处理上，作者也做得十分到位，无论是公式的推导，还是图表的绘制，都力求精确无误。这种对科学的敬畏之心，体现在书的每一个字里行间，也深深地感染了我，让我更加坚定了自己追求真理的信念。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的阅读门槛确实不低，它需要读者具备扎实的物理学和材料学基础。在阅读过程中，我常常需要时不时地暂停，回顾一些基础知识，或者查阅相关的文献。作者的行文风格严谨而专业，对于初学者来说，可能需要一些耐心和毅力去消化。然而，正是这种“挑战性”，也使得这本书的价值更加凸显。它不是那种可以轻松“扫读”的书籍，而是需要你沉下心来，深入思考，反复咀嚼。一旦你克服了最初的困难，你会发现，这本书所带来的知识回报是巨大的，它能够让你对半导体多层膜的理解达到一个新的高度。

评分☆☆☆☆☆

这本书的印刷质量实在是令人称道，纸张的触感温润厚实，拿在手里就能感受到那种沉甸甸的专业感。封面设计简约而不失格调，传递出一种严谨的学术气息，很容易让人联想到那些陈列在大学图书馆古籍区的经典著作。打开书页，排版清晰，字体大小适中，即使长时间阅读也不会感到疲劳。页眉页脚的设计也很人性化，方便读者定位章节和页面。更值得一提的是，装订工艺非常牢固，即便是频繁翻阅，书页也不会出现松动或脱落的迹象，这对于一本需要反复查阅的参考书来说至关重要。很多时候，一本好书不仅仅是内容的价值，其物理形态也承载着一种阅读体验，而这本书在这方面无疑做得非常出色，让人赏心悦目，爱不释手，仿佛能感受到印刷厂工匠们一丝不苟的精神。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我仿佛经历了一场奇妙的科学探索之旅。作者以极其精妙的语言，将深奥的物理学概念娓娓道来，仿佛一位经验丰富的向导，引领我穿越了半导体多层膜的复杂世界。那些抽象的理论，在作者的笔下变得具体而生动，每一个公式，每一个图表，都蕴含着深刻的洞察力。我尤其喜欢作者在解释关键概念时所使用的类比和举例，它们非常贴切，能够帮助我快速理解那些原本难以捉摸的原理。书中的逻辑结构也非常清晰，每一章都像是前一章的自然延伸，层层递进，引人入胜。阅读过程中，我时常会停下来，回味作者的论述，那种醍醐灌顶的时刻，是学习中最令人欣喜的体验。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的最大惊喜在于其前沿性与实践性的完美结合。作者在深入探讨理论的同时，并没有忽视这些理论在实际应用中的价值。书中穿插了大量的实例分析和实验数据，让我能够清晰地看到理论是如何指导实践，又如何被实践所验证的。特别是关于材料选择、器件设计以及性能优化的部分，提供了非常宝贵的参考。对于我这样从事相关领域研究的人来说，这本书无疑是一座宝藏，它不仅扩展了我的理论视野，更提供了解决实际问题的思路和方法。每次翻阅，都能从中获得新的启发，让我对未来的研究方向更加明确。