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书名：窄禁带半导体物理学
定价：298.0
ISBN：9787030144140
作者：褚君浩
版次：1
出版时间：2005-03
内容提要：
本书主要讨论窄禁带半导体的基本物理性质，包括晶体生长，能带结构，光学性质，晶格振动，自由载流子的激发、运输和复合，杂质缺陷，表面界面，二维电子气，超晶格和量子阱，器件物理和应用等方面的基本物理现象、效应和规律以及近年来的主要研究进展。在窄禁带半导体物理研究过程中建立的新型实验方法及器件应用也在书中有所介绍。
目录：
目录
序
前言
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 体材料生长的主要方法 38
2.2.1 提拉法 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 Φiα、Φiβ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mhh 160
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 带间光跃迁的理论和实验 178
4.2.1 直接带间光跃迁的理论 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 光学常数的直接测量 211
4.4.1 引言 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
第5章 输运性质 283
5.1 载流子浓度和费米能级 283
5.1.1 载流子统计规律 283
5.1.2 本征载流子浓度ni 285
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 磁场下的输运现象 317
5.3.1 电导率张量 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 俄歇复合 572
8.2.1 俄歇复合过程的类型 572
8.2.2 俄歇寿命 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 少数载流子寿命的测量 596
8.5.1 光调制红外吸收方法 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 子能带结构的实验研究 649
9.3.1 子能带结构的量子电容谱模型 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
第10章 超晶格和量子阱 713
10.1 半导体低维系统 713
10.1.1 能带的色散关系 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 低维结构的输运特性 736
10.3.1 二维电子气系统 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 光伏型红外探测器 791
11.2.1 光伏器件简介 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 低维系统红外探测器 831
11.4.1 引言 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=10μm 922
A4 本征载流子浓度ni(单位：cm-3) 927
A5 导带底电子有效质量*m0 /m0 930
附录B 简要公式 933
B1 Hg1-xCdxTe的禁带宽度 933
B2 Hg1-xCdxTe光导器件峰值波长λpeak 933
B3 Hg1-xCdxTe光导器件截止波长λco 933
B4 Hg1-xCdxTe本征载流子浓度 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
在线试读：
第1章 概述
1.1 窄禁带半导体
窄禁带半导体属于半导体范畴，是一类禁带宽度较窄的半导体。一般认为禁带宽度Eg小于0.5eV的半导体材料就为窄禁带半导体，或禁带宽度对应于响应波长2μm以上红外波段的半导体材料都是窄禁带半导体材料(汤定元1976，Long1973)。从能带特征上来看，窄禁带半导体的导带具有较强的非抛物带性质，其自旋轨道裂距远大于禁带宽度，远大于波矢与动量矩阵元的乘积。窄禁带半导体的能带电子态以1957年Kane提出的InSb半导体能带模型为理论基础(Kane1957,Kane1966)。HgCdTe、InSb是*典型的窄禁带半导体材料，这类材料电子有效质量小，电子迁移率高，载流子寿命长,是优良的红外光电信息功能材料(Kruse1981)。窄禁带半导体*重要特征之一是禁带宽度对应于红外波段，因而是制备红外探测器的功能材料。对于本征红外探测器来说，红外辐射把半导体价带顶部附近的电子激发到导带底部附近的一些电子态上去，产生非平衡电子-空穴对，从而改变材料的电学性质。对于光导器件，则电导率增大，对于光伏器件，则产生光生电压。因此，窄禁带半导体物理的发展离不开红外探测器的发展。红外探测器是现代红外技术的核心，对红外探测器的需求和研制，促进了窄禁带半导体材料制备和物理研究的发展。
窄禁带半导体物理的发展经历了三个阶段。第*个阶段是从20世纪40年代开始的。当时红外探测器主要为PbS、PbSe及PbTe探测器，到50年代开始用InSb、InAs及Ge∶Hg材料。在实验上，由于InSb材料的制备与研究的发展，在理论上Ge、Si能带结构研究已经取得明确结果。在此基础上，1957年，E. O. Kane利用k·p微扰理论计算了InSb能带，提出了窄禁带半导体的能带模型。这一理论可以很好地描述窄禁带半导体InSb在K空间布里渊区Γ点附近能量-波矢色散关系，成为描述载流子输运、光电子跃迁等各种过程的基础，从而奠定了窄禁带半导体物理研究的理论基础。这一阶段以建立窄禁带半导体能带理论为主要标志。
第二阶段从20世纪60年代开始，这一阶段主要是找到*好的窄禁带半导体材料，并进行全面研究的阶段。当初人们分别采用PbS、InSb、Ge∶Hg制作的红外探测器，应用于波长1~3μm，3~5μm，8~14μm三个“大气透明窗口”的红外探测。按照黑体辐射光谱分布规律，室温物体的热辐射主要分布在8~14μm波段。InSb工作在3~5μm，因此对于室温目标的辐射探测利用率较低。Ge∶Hg杂质光电导型探测器工作在8~14μm，很有利于室温目标物体热成像，但它工作在38K温度以下，使用不便，而且其截止波长位置还不是*佳截止波长。因而人们希望寻找在较高温度下工作在8~14μm波段的本征光电导或光伏探测器材料。为了能在8~14μm大气窗口范围有*好的响应，这样的探测材料必须是禁带宽度约为0.09eV左右的半导体。但是，自然界并不现存这样禁带宽度的元素半导体或二元化合物半导体。因此有必要人工合成一种合金半导体材料，通过调整合金组分,使其禁带宽度约为0.1eV。HgCdTe半导体就是这样一种理想的本征型红外辐射探测材料。HgCdTe可看成(HgTe)和(CdTe)的赝二元半导体。图1.1表示了部分化合物半导体材料的禁带宽度Eg与晶格常数a的关系。从图中可以看出，都为闪锌矿结构的II-VI族半金属化合物HgTe(Eg=-0.3eV)和宽禁带半导体化合物CdTe(Eg=1.6eV)，它们的晶格常数很接近，Δa/a=0.3%，使HgTe、CdTe能以各种配比形成连续固溶体(HgTe)1-x(CdTe)x赝二元系，即Hg1-xCdxTe序列。根据不同的Cd组分，合金可以具有像HgTe那样的半金属结构，也可以具有像CdTe那样的半导体结构。禁带宽度Eg=E(Γ6)-E(Γ8)，在4.2K温度下，当x=0时，为-0.3eV，当x=1时，为1.6eV,随着x变化，禁带宽度在-0.3到1.6eV之间连续变化。在4.2K温度下，当组分x=0.161时，Eg=0。Hg1-xCdxTe材料其禁带宽度随组分x连续变化，可以覆盖了整个红外波段，是制备红外探测器的重要材料。由于它的禁带宽度可以调节，因此在应用上这种材料不仅可用来替代Ge∶Hg，制作响应波长8~14μm波段并在77K工作的探测器；同时也用来替代PbS和InSb，制作1~3μm和3~5μm波段并在室温下工作的红外探测器。通过适当调节组分，这种材料还可以用于制造光纤通信用的1.3μm和1.55μm的PIN型和雪崩型Hg1-xCdxTe探测器，成为覆盖1~30μm宽光谱范围的红外辐射探测材料(Long1973,Stelzer1969)。同时在基础问题的研究上，这种材料可用来研究能带结构的连续改变对输运过程，光学性质及磁光效应等的影响，以及研究其晶格振动特征，而具有特别重要的意义。
图1.1 化合物半导体材料的禁带宽度Eg与晶格常数a的关系
1959年Lawson与他的合作者们首先发表了碲镉汞HgCdTe研究的结果。但由于材料制备的困难，一直到70年代由于熔体制备晶体能力和外延技术的进展，HgCdTe材料、物理及器件研究工作开始有较大的发展。在我国汤定元在1967年起倡导了对碲镉汞材料器件的全面研究(汤定元1976，1974)。20世纪80年代后HgCdTe材料已用于单元、多元、线列及焦平面列阵红外探测器研制。这一阶段的发展表明，HgCdTe材料是一种较为理想的红外探测器材料(Long1973)。它是一种直接带隙半导体材料，制成的红外探测器为本征型探测器，对应光学过程为能带间的本征跃迁过程，从根本上避免了杂质型红外探测器的缺点。HgCdTe材料用于研制红外探测器主要有以下优点：可调节禁带宽度覆盖整个红外波段；材料具有大的光吸收系数，使在10~15μm厚的器件芯片中，产生的内量子效率接近100%；电子、空穴迁移率高；本征复合机制产生长载流子寿命及较低的热产生率，允许器件在较高温度工作；CdTe/HgTe晶格匹配好，可制备高质量外延异质结构；剩余杂质浓度可低于1014cm-3；可掺杂质使之成为p型、n型半导体；表面可钝化等。但是HgCdTe也存在一些缺点，如Hg-Cd键较弱，在一般温度下，也会出现Hg空位，必须加以控制。同时，Te沉淀问题也较严重，需要解决杂质缺陷、均匀性、提高工作温度、优化器件性能以及器件研制中出现的问题。近20年来它已广泛地应用于制备红外探测器，一直是研究工作的热点。在材料生长方面，除了传统的体晶生长外，人们开始采用外延生长技术与方法，使材料性能进一步提高。在器件方面，早在1967年已见法国关于HgCdTe元器件的广告，到20世纪70年代末第*代单元HgCdTe红外探测器已较为成熟(Chapman1979)，到20世纪80年代第二代线列探测器和小规模面阵器件(Elliott1981)和后来第三代长线列和大规模焦平面列阵器件都研制成功(Arias1989)。这一阶段由于碲镉汞材料的发现，人们对窄禁带半导体材料、器件和物理的研究取得了系统的进展(Dornhaus1983,Lovett1977,汤定元1991)。
窄禁带半导体物理发展的第三阶段从20世纪90年代开始。在这一阶段窄禁带半导体碲镉汞薄膜材料和第三代长线列和大规模焦平面列阵红外探测器的研究越来越受到重视，对窄禁带半导体物理的研究也越来越深入。除体材料生长以外(Micklethwaite1981)，液相外延(LPE)(Schmit1979)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)(Irvine,Mullin1981)和分子束外延(MBE)(Faurie1982)等方法制备的碲镉汞薄膜材料成功应用于制备红外焦平面列阵。人们掌握碲镉汞薄膜材料生长中的组分控制、电学参数控制、掺杂控制等规律和方法；提出碲镉汞薄膜材料表征的手段；并要解决大面积薄膜的关键参数及其均匀性的测量与控制；材料设计、器件设计和物理研究进一步深入。材料生长与物理研究的结合、器件制备与物理研究的结合日趋紧密。人们研究HgCdTe薄膜离子束改性成结的科学规律、直接掺杂成结的科学规律；研究HgCdTe中的若干重要杂质缺陷态的操控方法和光电行为及其对材料器件性能的影响；研究HgCdTe中p-n结的空间结构、光电过程、实际器件结构、表面界面电子态、能带结构、异质结界面二维电子气以及光生载流子的动力学输运过程规律及其对HgCdTe器件的影响。在这些研究工作的基础上进一步完善窄禁带半导体红外焦平面列阵物理模型和器件制备的技术规范。当前512×512元和1024×1024元的大规模HgCdTe红外焦平面列阵已相继问世。同时，人们努力进一步探索光电转换、电光转换、光光转换的新效应及其在红外焦平面列阵和新型光电器件上的创新应用。
同时半导体学科本身的发展对窄禁带半导体的研究不断提出新的要求。围绕窄禁带半导体中光电转化过程的研究，有许多问题仍然吸引人们关注。例如：窄禁带半导体在红外辐射作用下，红外光子与电子、声子相互作用激发转化及其动力学过程的微观机制和规律；窄禁带半导体表面界面、异质结构、超晶格量子阱、低维结构等量子体系中的电子态、子能带结构和自旋电子态，以及低维电子的光电跃迁规律及其隧穿输运规律，低维电子在强磁场深低温下的量子输运和磁光共振行为等。在窄禁带半导体的研究工作中，采用了多种光学和电学的实验手段，其中包括了先进的实验手段，如红外荧光光谱、红外磁光光谱、红外椭圆偏振光谱、微区光谱、平带电容谱、定量迁移率谱研究方法等，以及深低温、强磁场下输运特性测量。
近十多年来由于半导体学科发展及红外器件研制的需要，窄禁带半导体的研究获得迅猛发展。窄禁带半导体学科的发展，一方面有其自身的规律，它属于半导体学科；另一方面窄能隙的特征又赋予它许多新的特点，人们在对它的研究中不断发现新的现象、效应和规律；同时它的发展又与红外光学和光电子科学技术及其应用(包括航天航空红外遥感、军事应用及各类高科技民用领域)的发展紧密相连。研究工作的积累推动了以HgCdTe为代表的“窄禁带半导体物理学”这一新分支学科的形成和发展。
窄禁带半导体除HgCdTe、InSb以外，还有α-Sn、HgSe、HgCdSe、HgSxSe1-x、Hg1-xMnxTe、Hg1-xZnxTe、PbS、PbSe、PbTe、PbSnSe、PbSnTe、InAs、InAs1-xSb1-x以及与它们相关的四元系材料等。同时半导体超晶格量子阱、量子线、量子点等低维结构在一定条件下也会形成窄禁带系统。窄禁带半导体和半导体低维结构窄禁带材料系统其用途除红外探测器以外，还用于红外光发射、红外非线性元件、红外传输元件，以及磁场传感器等。
在过去40年中HgCdTe成为在中远红外(3~30μm)红外探测的*重要的半导体材料。人们总在希望寻找能够取代HgCdTe的材料。例如HgZnTe、HgMnTe、PbSnTe、PbSnSe、InAsSb以及含Tl或Bi的III-V族半导体和低维固体。取代HgCdTe的主要动机是想克服HgCdTe材料在制备器件时技术上的困难。由于Hg-Te键结合较弱，导致材料体内、表面以及界面的不稳定性以及非均匀性。尽管如此目前HgCdTe还是占主导地位，主要是由于HgCdTe具备一系列优良材料特性。同时易于剪裁适应制备不同波段的红外探测器，以及双色或多色红外探测器。当前人们在新型器件制备时需要制备具有复杂能带结构的异质结构，而HgCdTe在改变组分调节探测器波段时，晶格常数改变很小，从CdTe到Hg0.8Cd0.2Te晶格常数仅改变0.2%。如果掺少量Zn，或者掺少数的Se，可以使Hg1-x(CdZn)xTe或Hg1-xCdx(Te1-ySey)的晶格常数在调节组分x时几乎不改变，这就非常适合于异质结构，适应新型红外探测器的需要。当然，由于HgCdTe半导体材料在含汞方面的缺点，人们对新的窄禁带半导体材料的探索研究经久不衰，不断丰富着人们对窄禁带半导体的认识。
以上所有的研究工作，在科学上都基于窄禁带半导体的基本物理性质，包括晶体生长，能带结构，光学性质，晶格振动，载流子的激发、输运和复合，杂质缺陷，非线性光学性质，表面界面，二维电子气，超晶格和量子阱，器件物理等方面的新现象，效应和规律。这些内容正是本书所要讨论的主题。
关于窄禁带半导体物理读者还可以参考英国科学家D. R. Lovett(1977),“Semimetals & Narrow-bandgap Semiconductors”(London)；德国科学家R. Dornhaus and G. Nimtz(1983)，“ThePropertiesandApplicationsoftheHgCdTeAlloySystem,inNarrowGapSemiconductors”(SpringerTractsinModernPhysicsVol.98,p119)；美国科学家SemiconductorsandSemimetalsVol.18中关于HgCdTe材料器件的评述性论文集(Willardson,Beer1981)；中国科学家汤定元、童斐明(1991)的“窄禁带半导体红外探测器”(王守武主编，半导体器件研究与进展，北京：科学出版社，1~107)；以及1994年英国科学家Capper汇编出版的“Properties of Cd-based Compouands”,其中有关于HgCdTe窄禁带半导体有关物理和化学性质的多篇文章。同时德国再版的“Landolt-B？rnstein：Numrical Data and Functional Relationships in Science and Technology III/41BSemiconductors：II-VI and I-VII Compounds; Semimagnetic Compounds”(R？ssler1999)中有关于HgCdTe的数据和基本关系式。以上文献系统地讨论和评述了窄禁带半导体的基本物理性质和材料器件的理论和实验，并提供了丰富的Cd基半导体材料性质的数据及有关资料。这些著作是HgCdTe研究的重要参考文献。
1.2 现代红外光电子物理
窄禁带半导体物理研究是现代红外光电子物理的一个部分。从整个现代红外光电子领域涉及的内容，可以更清楚地知道窄禁带半导体在现代红外光电子学中地位和意义。
21世纪人类逐步进入光子时代。一方面人们对光的认识更为深入，另一方面人们对物质形态的认识及控制能力不断增强。这一背景促进光电子物理及其应用的蓬勃发展，也推动红外光电子物理和应用在深度和广度上不断拓展。窄禁带半导体是现代红外光电子技术发展的一个重要因素。
当代红外光电子物理研究存在若干重要问题。由于工艺技术的突飞猛进，基础性规律研究与高技术应用的间距越来越短，高技术应用对于基础性规律研究也提出越来越迫切的需求。日益增加的应用需求是红外光电子学科发展的主要驱动力。从学科发展来看，新世纪红外光电子物理要深入研究红外辐射在物质中的激发、传输及接收，特别是要进一步研究物质中红外光到电的转化过程、电到红外光的转化过程，以及红外光之间、红外光与可见光之间的相互转化及其微观机制。当前人们对物质形态的认识大大深化，特别是对物质形态的控制能力大大增强，物质中光电、电光、光光转化过程呈现出越来越丰富的内容，提供给人类越来越方便的应用。人们对物质中红外辐射与其他运动形态的转化的研究，不仅增加了人类的知识积累，同时将大大推动高技术应用。
1.2.1 红外材料平台
具有特定结构的物质系统是红外辐射与其他运动形态转化的平台。这些物质系统既包括天然物质材料，如半导体、氧化物、聚合物材料等，也包括人工设计的物质材料，如纳米材料、薄膜、半导体低维结构、异质结、量子阱、量子线、量子点，无论是天然材料，还是人工物质材料，它们的设计、控制、制备以及表征和特性研究，都成为红外光电子物理研究的*重要的基础。窄禁带半导体HgCdTe、InSb、PbTe、InAsSb、PbEuTe，III-V族半导体量子阱、量子线、量子点，氧化物铁电薄膜，PZT、SBT、BST，以及红外窗口材料、红外辐射材料、红外镀膜材料，都是具有红外功能的物质系统。
红外功能材料制备是*根本的问题。当代*主要的红外辐射探测材料仍然是以HgCdTe为代表的窄禁带半导体。目前人们对HgCdTe材料生长及物理的研究日益深入。HgCdTe体材料晶体生长，薄膜材料的液相外延生长、分子束外延生长以及金属有机化合物气相淀积生长都取得良好进展。特别是液相外延HgCdTe和分子束外延HgCdTe受到人们特别重视。为了符合大规模红外焦平面列阵研究
定价：298.0
ISBN：9787030144140
作者：褚君浩
版次：1
出版时间：2005-03
内容提要：
本书主要讨论窄禁带半导体的基本物理性质，包括晶体生长，能带结构，光学性质，晶格振动，自由载流子的激发、运输和复合，杂质缺陷，表面界面，二维电子气，超晶格和量子阱，器件物理和应用等方面的基本物理现象、效应和规律以及近年来的主要研究进展。在窄禁带半导体物理研究过程中建立的新型实验方法及器件应用也在书中有所介绍。
目录：
目录
序
前言
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 体材料生长的主要方法 38
2.2.1 提拉法 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 Φiα、Φiβ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mhh 160
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 带间光跃迁的理论和实验 178
4.2.1 直接带间光跃迁的理论 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 光学常数的直接测量 211
4.4.1 引言 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
第5章 输运性质 283
5.1 载流子浓度和费米能级 283
5.1.1 载流子统计规律 283
5.1.2 本征载流子浓度ni 285
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 磁场下的输运现象 317
5.3.1 电导率张量 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 俄歇复合 572
8.2.1 俄歇复合过程的类型 572
8.2.2 俄歇寿命 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 少数载流子寿命的测量 596
8.5.1 光调制红外吸收方法 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 子能带结构的实验研究 649
9.3.1 子能带结构的量子电容谱模型 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
第10章 超晶格和量子阱 713
10.1 半导体低维系统 713
10.1.1 能带的色散关系 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 低维结构的输运特性 736
10.3.1 二维电子气系统 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 光伏型红外探测器 791
11.2.1 光伏器件简介 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 低维系统红外探测器 831
11.4.1 引言 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=10μm 922
A4 本征载流子浓度ni(单位：cm-3) 927
A5 导带底电子有效质量*m0 /m0 930
附录B 简要公式 933
B1 Hg1-xCdxTe的禁带宽度 933
B2 Hg1-xCdxTe光导器件峰值波长λpeak 933
B3 Hg1-xCdxTe光导器件截止波长λco 933
B4 Hg1-xCdxTe本征载流子浓度 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
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第1章 概述
1.1 窄禁带半导体
窄禁带半导体属于半导体范畴，是一类禁带宽度较窄的半导体。一般认为禁带宽度Eg小于0.5eV的半导体材料就为窄禁带半导体，或禁带宽度对应于响应波长2μm以上红外波段的半导体材料都是窄禁带半导体材料(汤定元1976，Long1973)。从能带特征上来看，窄禁带半导体的导带具有较强的非抛物带性质，其自旋轨道裂距远大于禁带宽度，远大于波矢与动量矩阵元的乘积。窄禁带半导体的能带电子态以1957年Kane提出的InSb半导体能带模型为理论基础(Kane1957,Kane1966)。HgCdTe、InSb是*典型的窄禁带半导体材料，这类材料电子有效质量小，电子迁移率高，载流子寿命长,是优良的红外光电信息功能材料(Kruse1981)。窄禁带半导体*重要特征之一是禁带宽度对应于红外波段，因而是制备红外探测器的功能材料。对于本征红外探测器来说，红外辐射把半导体价带顶部附近的电子激发到导带底部附近的一些电子态上去，产生非平衡电子-空穴对，从而改变材料的电学性质。对于光导器件，则电导率增大，对于光伏器件，则产生光生电压。因此，窄禁带半导体物理的发展离不开红外探测器的发展。红外探测器是现代红外技术的核心，对红外探测器的需求和研制，促进了窄禁带半导体材料制备和物理研究的发展。
窄禁带半导体物理的发展经历了三个阶段。第*个阶段是从20世纪40年代开始的。当时红外探测器主要为PbS、PbSe及PbTe探测器，到50年代开始用InSb、InAs及Ge∶Hg材料。在实验上，由于InSb材料的制备与研究的发展，在理论上Ge、Si能带结构研究已经取得明确结果。在此基础上，1957年，E. O. Kane利用k·p微扰理论计算了InSb能带，提出了窄禁带半导体的能带模型。这一理论可以很好地描述窄禁带半导体InSb在K空间布里渊区Γ点附近能量-波矢色散关系，成为描述载流子输运、光电子跃迁等各种过程的基础，从而奠定了窄禁带半导体物理研究的理论基础。这一阶段以建立窄禁带半导体能带理论为主要标志。
第二阶段从20世纪60年代开始，这一阶段主要是找到*好的窄禁带半导体材料，并进行全面研究的阶段。当初人们分别采用PbS、InSb、Ge∶Hg制作的红外探测器，应用于波长1~3μm，3~5μm，8~14μm三个“大气透明窗口”的红外探测。按照黑体辐射光谱分布规律，室温物体的热辐射主要分布在8~14μm波段。InSb工作在3~5μm，因此对于室温目标的辐射探测利用率较低。Ge∶Hg杂质光电导型探测器工作在8~14μm，很有利于室温目标物体热成像，但它工作在38K温度以下，使用不便，而且其截止波长位置还不是*佳截止波长。因而人们希望寻找在较高温度下工作在8~14μm波段的本征光电导或光伏探测器材料。为了能在8~14μm大气窗口范围有*好的响应，这样的探测材料必须是禁带宽度约为0.09eV左右的半导体。但是，自然界并不现存这样禁带宽度的元素半导体或二元化合物半导体。因此有必要人工合成一种合金半导体材料，通过调整合金组分,使其禁带宽度约为0.1eV。HgCdTe半导体就是这样一种理想的本征型红外辐射探测材料。HgCdTe可看成(HgTe)和(CdTe)的赝二元半导体。图1.1表示了部分化合物半导体材料的禁带宽度Eg与晶格常数a的关系。从图中可以看出，都为闪锌矿结构的II-VI族半金属化合物HgTe(Eg=-0.3eV)和宽禁带半导体化合物CdTe(Eg=1.6eV)，它们的晶格常数很接近，Δa/a=0.3%，使HgTe、CdTe能以各种配比形成连续固溶体(HgTe)1-x(CdTe)x赝二元系，即Hg1-xCdxTe序列。根据不同的Cd组分，合金可以具有像HgTe那样的半金属结构，也可以具有像CdTe那样的半导体结构。禁带宽度Eg=E(Γ6)-E(Γ8)，在4.2K温度下，当x=0时，为-0.3eV，当x=1时，为1.6eV,随着x变化，禁带宽度在-0.3到1.6eV之间连续变化。在4.2K温度下，当组分x=0.161时，Eg=0。Hg1-xCdxTe材料其禁带宽度随组分x连续变化，可以覆盖了整个红外波段，是制备红外探测器的重要材料。由于它的禁带宽度可以调节，因此在应用上这种材料不仅可用来替代Ge∶Hg，制作响应波长8~14μm波段并在77K工作的探测器；同时也用来替代PbS和InSb，制作1~3μm和3~5μm波段并在室温下工作的红外探测器。通过适当调节组分，这种材料还可以用于制造光纤通信用的1.3μm和1.55μm的PIN型和雪崩型Hg1-xCdxTe探测器，成为覆盖1~30μm宽光谱范围的红外辐射探测材料(Long1973,Stelzer1969)。同时在基础问题的研究上，这种材料可用来研究能带结构的连续改变对输运过程，光学性质及磁光效应等的影响，以及研究其晶格振动特征，而具有特别重要的意义。
图1.1 化合物半导体材料的禁带宽度Eg与晶格常数a的关系
1959年Lawson与他的合作者们首先发表了碲镉汞HgCdTe研究的结果。但由于材料制备的困难，一直到70年代由于熔体制备晶体能力和外延技术的进展，HgCdTe材料、物理及器件研究工作开始有较大的发展。在我国汤定元在1967年起倡导了对碲镉汞材料器件的全面研究(汤定元1976，1974)。20世纪80年代后HgCdTe材料已用于单元、多元、线列及焦平面列阵红外探测器研制。这一阶段的发展表明，HgCdTe材料是一种较为理想的红外探测器材料(Long1973)。它是一种直接带隙半导体材料，制成的红外探测器为本征型探测器，对应光学过程为能带间的本征跃迁过程，从根本上避免了杂质型红外探测器的缺点。HgCdTe材料用于研制红外探测器主要有以下优点：可调节禁带宽度覆盖整个红外波段；材料具有大的光吸收系数，使在10~15μm厚的器件芯片中，产生的内量子效率接近100%；电子、空穴迁移率高；本征复合机制产生长载流子寿命及较低的热产生率，允许器件在较高温度工作；CdTe/HgTe晶格匹配好，可制备高质量外延异质结构；剩余杂质浓度可低于1014cm-3；可掺杂质使之成为p型、n型半导体；表面可钝化等。但是HgCdTe也存在一些缺点，如Hg-Cd键较弱，在一般温度下，也会出现Hg空位，必须加以控制。同时，Te沉淀问题也较严重，需要解决杂质缺陷、均匀性、提高工作温度、优化器件性能以及器件研制中出现的问题。近20年来它已广泛地应用于制备红外探测器，一直是研究工作的热点。在材料生长方面，除了传统的体晶生长外，人们开始采用外延生长技术与方法，使材料性能进一步提高。在器件方面，早在1967年已见法国关于HgCdTe元器件的广告，到20世纪70年代末第*代单元HgCdTe红外探测器已较为成熟(Chapman1979)，到20世纪80年代第二代线列探测器和小规模面阵器件(Elliott1981)和后来第三代长线列和大规模焦平面列阵器件都研制成功(Arias1989)。这一阶段由于碲镉汞材料的发现，人们对窄禁带半导体材料、器件和物理的研究取得了系统的进展(Dornhaus1983,Lovett1977,汤定元1991)。
窄禁带半导体物理发展的第三阶段从20世纪90年代开始。在这一阶段窄禁带半导体碲镉汞薄膜材料和第三代长线列和大规模焦平面列阵红外探测器的研究越来越受到重视，对窄禁带半导体物理的研究也越来越深入。除体材料生长以外(Micklethwaite1981)，液相外延(LPE)(Schmit1979)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD)(Irvine,Mullin1981)和分子束外延(MBE)(Faurie1982)等方法制备的碲镉汞薄膜材料成功应用于制备红外焦平面列阵。人们掌握碲镉汞薄膜材料生长中的组分控制、电学参数控制、掺杂控制等规律和方法；提出碲镉汞薄膜材料表征的手段；并要解决大面积薄膜的关键参数及其均匀性的测量与控制；材料设计、器件设计和物理研究进一步深入。材料生长与物理研究的结合、器件制备与物理研究的结合日趋紧密。人们研究HgCdTe薄膜离子束改性成结的科学规律、直接掺杂成结的科学规律；研究HgCdTe中的若干重要杂质缺陷态的操控方法和光电行为及其对材料器件性能的影响；研究HgCdTe中p-n结的空间结构、光电过程、实际器件结构、表面界面电子态、能带结构、异质结界面二维电子气以及光生载流子的动力学输运过程规律及其对HgCdTe器件的影响。在这些研究工作的基础上进一步完善窄禁带半导体红外焦平面列阵物理模型和器件制备的技术规范。当前512×512元和1024×1024元的大规模HgCdTe红外焦平面列阵已相继问世。同时，人们努力进一步探索光电转换、电光转换、光光转换的新效应及其在红外焦平面列阵和新型光电器件上的创新应用。
同时半导体学科本身的发展对窄禁带半导体的研究不断提出新的要求。围绕窄禁带半导体中光电转化过程的研究，有许多问题仍然吸引人们关注。例如：窄禁带半导体在红外辐射作用下，红外光子与电子、声子相互作用激发转化及其动力学过程的微观机制和规律；窄禁带半导体表面界面、异质结构、超晶格量子阱、低维结构等量子体系中的电子态、子能带结构和自旋电子态，以及低维电子的光电跃迁规律及其隧穿输运规律，低维电子在强磁场深低温下的量子输运和磁光共振行为等。在窄禁带半导体的研究工作中，采用了多种光学和电学的实验手段，其中包括了先进的实验手段，如红外荧光光谱、红外磁光光谱、红外椭圆偏振光谱、微区光谱、平带电容谱、定量迁移率谱研究方法等，以及深低温、强磁场下输运特性测量。
近十多年来由于半导体学科发展及红外器件研制的需要，窄禁带半导体的研究获得迅猛发展。窄禁带半导体学科的发展，一方面有其自身的规律，它属于半导体学科；另一方面窄能隙的特征又赋予它许多新的特点，人们在对它的研究中不断发现新的现象、效应和规律；同时它的发展又与红外光学和光电子科学技术及其应用(包括航天航空红外遥感、军事应用及各类高科技民用领域)的发展紧密相连。研究工作的积累推动了以HgCdTe为代表的“窄禁带半导体物理学”这一新分支学科的形成和发展。
窄禁带半导体除HgCdTe、InSb以外，还有α-Sn、HgSe、HgCdSe、HgSxSe1-x、Hg1-xMnxTe、Hg1-xZnxTe、PbS、PbSe、PbTe、PbSnSe、PbSnTe、InAs、InAs1-xSb1-x以及与它们相关的四元系材料等。同时半导体超晶格量子阱、量子线、量子点等低维结构在一定条件下也会形成窄禁带系统。窄禁带半导体和半导体低维结构窄禁带材料系统其用途除红外探测器以外，还用于红外光发射、红外非线性元件、红外传输元件，以及磁场传感器等。
在过去40年中HgCdTe成为在中远红外(3~30μm)红外探测的*重要的半导体材料。人们总在希望寻找能够取代HgCdTe的材料。例如HgZnTe、HgMnTe、PbSnTe、PbSnSe、InAsSb以及含Tl或Bi的III-V族半导体和低维固体。取代HgCdTe的主要动机是想克服HgCdTe材料在制备器件时技术上的困难。由于Hg-Te键结合较弱，导致材料体内、表面以及界面的不稳定性以及非均匀性。尽管如此目前HgCdTe还是占主导地位，主要是由于HgCdTe具备一系列优良材料特性。同时易于剪裁适应制备不同波段的红外探测器，以及双色或多色红外探测器。当前人们在新型器件制备时需要制备具有复杂能带结构的异质结构，而HgCdTe在改变组分调节探测器波段时，晶格常数改变很小，从CdTe到Hg0.8Cd0.2Te晶格常数仅改变0.2%。如果掺少量Zn，或者掺少数的Se，可以使Hg1-x(CdZn)xTe或Hg1-xCdx(Te1-ySey)的晶格常数在调节组分x时几乎不改变，这就非常适合于异质结构，适应新型红外探测器的需要。当然，由于HgCdTe半导体材料在含汞方面的缺点，人们对新的窄禁带半导体材料的探索研究经久不衰，不断丰富着人们对窄禁带半导体的认识。
以上所有的研究工作，在科学上都基于窄禁带半导体的基本物理性质，包括晶体生长，能带结构，光学性质，晶格振动，载流子的激发、输运和复合，杂质缺陷，非线性光学性质，表面界面，二维电子气，超晶格和量子阱，器件物理等方面的新现象，效应和规律。这些内容正是本书所要讨论的主题。
关于窄禁带半导体物理读者还可以参考英国科学家D. R. Lovett(1977),“Semimetals & Narrow-bandgap Semiconductors”(London)；德国科学家R. Dornhaus and G. Nimtz(1983)，“ThePropertiesandApplicationsoftheHgCdTeAlloySystem,inNarrowGapSemiconductors”(SpringerTractsinModernPhysicsVol.98,p119)；美国科学家SemiconductorsandSemimetalsVol.18中关于HgCdTe材料器件的评述性论文集(Willardson,Beer1981)；中国科学家汤定元、童斐明(1991)的“窄禁带半导体红外探测器”(王守武主编，半导体器件研究与进展，北京：科学出版社，1~107)；以及1994年英国科学家Capper汇编出版的“Properties of Cd-based Compouands”,其中有关于HgCdTe窄禁带半导体有关物理和化学性质的多篇文章。同时德国再版的“Landolt-B？rnstein：Numrical Data and Functional Relationships in Science and Technology III/41BSemiconductors：II-VI and I-VII Compounds; Semimagnetic Compounds”(R？ssler1999)中有关于HgCdTe的数据和基本关系式。以上文献系统地讨论和评述了窄禁带半导体的基本物理性质和材料器件的理论和实验，并提供了丰富的Cd基半导体材料性质的数据及有关资料。这些著作是HgCdTe研究的重要参考文献。
1.2 现代红外光电子物理
窄禁带半导体物理研究是现代红外光电子物理的一个部分。从整个现代红外光电子领域涉及的内容，可以更清楚地知道窄禁带半导体在现代红外光电子学中地位和意义。
21世纪人类逐步进入光子时代。一方面人们对光的认识更为深入，另一方面人们对物质形态的认识及控制能力不断增强。这一背景促进光电子物理及其应用的蓬勃发展，也推动红外光电子物理和应用在深度和广度上不断拓展。窄禁带半导体是现代红外光电子技术发展的一个重要因素。
当代红外光电子物理研究存在若干重要问题。由于工艺技术的突飞猛进，基础性规律研究与高技术应用的间距越来越短，高技术应用对于基础性规律研究也提出越来越迫切的需求。日益增加的应用需求是红外光电子学科发展的主要驱动力。从学科发展来看，新世纪红外光电子物理要深入研究红外辐射在物质中的激发、传输及接收，特别是要进一步研究物质中红外光到电的转化过程、电到红外光的转化过程，以及红外光之间、红外光与可见光之间的相互转化及其微观机制。当前人们对物质形态的认识大大深化，特别是对物质形态的控制能力大大增强，物质中光电、电光、光光转化过程呈现出越来越丰富的内容，提供给人类越来越方便的应用。人们对物质中红外辐射与其他运动形态的转化的研究，不仅增加了人类的知识积累，同时将大大推动高技术应用。
1.2.1 红外材料平台
具有特定结构的物质系统是红外辐射与其他运动形态转化的平台。这些物质系统既包括天然物质材料，如半导体、氧化物、聚合物材料等，也包括人工设计的物质材料，如纳米材料、薄膜、半导体低维结构、异质结、量子阱、量子线、量子点，无论是天然材料，还是人工物质材料，它们的设计、控制、制备以及表征和特性研究，都成为红外光电子物理研究的*重要的基础。窄禁带半导体HgCdTe、InSb、PbTe、InAsSb、PbEuTe，III-V族半导体量子阱、量子线、量子点，氧化物铁电薄膜，PZT、SBT、BST，以及红外窗口材料、红外辐射材料、红外镀膜材料，都是具有红外功能的物质系统。
红外功能材料制备是*根本的问题。当代*主要的红外辐射探测材料仍然是以HgCdTe为代表的窄禁带半导体。目前人们对HgCdTe材料生长及物理的研究日益深入。HgCdTe体材料晶体生长，薄膜材料的液相外延生长、分子束外延生长以及金属有机化合物气相淀积生长都取得良好进展。特别是液相外延HgCdTe和分子束外延HgCdTe受到人们特别重视。为了符合大规模红外焦平面列阵研究