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郭维廉著 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030237262

商品编码：29692620381

包装：平装

出版时间：2009-06-01

基本信息

书名:共振隧穿器件及其应用

定价：70.00元

售价：47.6元,便宜22.4元,折扣68

作者:郭维廉著

出版社：科学出版社

出版日期：2009-06-01

ISBN：9787030237262

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.581kg

编辑推荐

内容提要

本书是一本全面、系统地讲述共振隧穿器件及其应用的著作。全书共10章，～3章为共振隧穿二极管的物理基础、器件模型和模拟以及器件设计、制造与参数测量；第4～6章为各种类型的共振隧穿二极管、晶体管以及共振隧穿型光电器件；第7～9章为共振隧穿器件在模拟电路、数字电路和光电集成中的应用；0章论述了共振隧穿器件及其应用的发展趋势。
本书可作为微电子专业本科生或研究生选修课程的教材或主要参考书，也可供从事新型半导体器件、高频和高速化合物半导体器件、纳米量子器件及其集成技术领域研究的科研人员参考。

目录

作者介绍

文摘

序言

《共振隧穿器件及其应用》图书简介 前言： 在信息爆炸的时代，对信息处理速度和功能的需求呈指数级增长。半导体技术的进步，尤其是对量子力学现象的深入理解和巧妙利用，为我们打开了全新的器件设计思路。本书《共振隧穿器件及其应用》，正是聚焦于这样一种极具潜力的微观电子学器件——共振隧穿器件（Resonant Tunneling Device, RTD）。它凭借其独特的负微分电导特性，为开发新一代高性能电子器件提供了理论基础和实践指导。本书旨在系统地介绍共振隧穿器件的物理原理、器件结构、制造工艺、特性表征以及在各个领域的创新应用，为相关领域的科研人员、工程师和研究生提供一份详实而前沿的参考。 第一章：量子隧穿效应基础 本章将从宏观的经典物理世界跃升至微观的量子领域，为理解共振隧穿器件奠定坚实的理论基础。我们将深入探讨量子隧穿效应的本质，解释粒子在经典力学中被认为是无法逾越的势垒，但在量子力学中却能够以一定的概率穿过的奇妙现象。 1.1 量子力学基本原理回顾： 波粒二象性：回顾德布罗意波长概念，理解电子作为波的性质是隧穿效应的根源。 薛定谔方程：介绍时间无关薛定谔方程及其在描述粒子在势场中运动状态中的作用。 波函数与概率密度：解释波函数的物理意义，即波函数模方代表粒子在空间中出现的概率密度。 势垒的概念：定义一维和三维势垒，以及其高度和宽度对隧穿概率的影响。 1.2 隧穿概率的计算： 有限宽度势垒的隧穿：详细推导或介绍计算有限宽度势垒下粒子隧穿概率的方法，例如WKB近似法（Wentzel-Kramers-Brillouin approximation）。 隧穿概率与势垒参数的关系：分析势垒高度、宽度以及粒子能量对隧穿概率的定量影响。 隧道结的形成：阐述在半导体材料中如何通过外延生长等工艺形成具有隧穿特性的薄膜结构。 1.3 量子反射与透射： 界面反射：解释当粒子从一种介质进入另一种介质时，由于阻抗失配产生的反射现象。 透射系数：定义透射系数，并分析其与反射系数的关系。 费米黄金定则：简要介绍其在描述跃迁过程中的应用，为理解隧穿过程的动力学提供思路。 第二章：共振隧穿二极管（RTD）的物理机制 本章将聚焦于共振隧穿二极管（RTD）的核心——共振隧穿现象。我们将深入剖析其工作原理，解释负微分电导（Negative Differential Conductance, NDC）这一关键特性的起源，并介绍不同类型的RTD结构。 2.1 共振隧穿的产生： 量子阱的概念：介绍量子阱的形成，即在两层势垒之间形成一个能量较低的区域，能够束缚粒子。 量子态的形成：解释在量子阱中形成的离散的量子能级。 能量匹配与共振：当入射电子的能量与量子阱中的某个离散能级精确匹配时，隧穿概率会急剧增加，这就是共振隧穿。 势阱宽度和势垒厚度的影响：分析这些结构参数如何影响量子阱能级的位置和宽度，进而影响共振隧穿的特性。 2.2 负微分电导（NDC）的起源： I-V特性曲线的形成：详细描述RTD在施加电压变化时，电流随电压变化的轨迹。 峰值电流（Peak Current, Ip）与谷值电流（Valley Current, Iv）：解释I-V曲线上关键点的物理含义。 负微分电导区的形成：当电压升高，量子阱的能级与入射电子能量的匹配性减弱，隧穿概率下降，导致电流减小，从而产生负微分电导。 不同类型的NDC：区分了宏观NDC（如S型和N型）与微观NDC（如基于共振隧穿的NDC）。 2.3 RTD的典型结构： 双势垒（Double Barrier）结构：介绍最基本、最常见的RTD结构，通常由两层薄的势垒材料夹一层量子阱材料构成，例如AlGaAs/GaAs/AlGaAs。 多势垒（Multiple Barrier）结构：介绍由多个势垒和势阱串联组成的结构，可以实现更复杂的I-V特性和功能。 异质结（Heterojunction）与同质结（Homojunction）RTD：讨论不同材料组合对RTD性能的影响。 器件材料的选择：分析不同半导体材料（如GaAs、InGaAs、GaN等）及其合金在构建RTD中的优势和劣势。 2.4 影响RTD特性的因素： 量子阱宽度与能级：分析其对共振能量和隧穿效率的影响。 势垒厚度与高度：分析其对隧穿概率和漏电流的影响。 材料的电子有效质量：解释其对量子态能量的影响。 温度效应：分析温度对RTD的I-V特性和共振峰宽的影响。 第三章：共振隧穿器件的制造工艺 本章将详细介绍制造高性能共振隧穿器件所需的关键技术和工艺流程，重点关注分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）等先进的外延生长技术。 3.1 外延生长技术： 分子束外延（MBE）：详细介绍MBE的原理、设备组成、生长过程（如元素源、基底、温度控制、生长速率监控），以及其在制备超薄、高质量异质结结构方面的优势。 金属有机化学气相沉积（MOCVD）：介绍MOCVD的原理、反应机理、载气选择、前驱体、以及其在工业化生产中的应用前景，强调其对材料成分和厚度控制的精确性。 外延层厚度与成分控制：讨论如何精确控制生长层的厚度（原子层级别）和材料成分，以实现预期的量子阱能级和势垒参数。 3.2 器件制备流程： 晶圆制备与清洗：介绍衬底材料的选择（如GaAs、Si等）以及其表面处理和清洗的重要性。 光刻技术：介绍光刻在定义器件结构、图案化掩膜等方面的应用。 干法刻蚀与湿法腐蚀：讨论如何选择合适的刻蚀技术来定义器件的侧壁、接触电极等。 金属化工艺：介绍用于形成欧姆接触和电极的金属材料（如AuGeNi、Ti/Pt/Au等）及其蒸镀、退火工艺。 钝化与封装：介绍表面钝化和器件封装技术，以提高器件的稳定性和可靠性。 3.3 材料选择与性能优化： III-V族化合物半导体：重点介绍GaAs、AlGaAs、InGaAs等材料体系及其合金在RTD中的应用，分析其能带结构和材料特性。 II-VI族化合物半导体：简要提及一些可能的应用。 硅基RTD：介绍硅基RTD的研究进展和挑战。 表面粗糙度与界面质量：强调界面质量对共振隧穿特性的关键影响，以及如何通过优化生长工艺来降低界面散射。 第四章：共振隧穿器件的特性表征 本章将介绍用于表征共振隧穿器件电学和结构特性的主要技术手段，帮助读者理解如何评估器件的性能和质量。 4.1 电学特性测量： 直流（DC）I-V特性测量：介绍使用参数测试仪（Parameter Analyzer）进行电流-电压特性的精确测量，以及如何提取峰值电流、谷值电流、峰谷比（Peak-to-Valley Current Ratio, PVCR）、负微分电导等关键参数。 交流（AC）特性测量：介绍阻抗分析仪（Impedance Analyzer）用于测量器件的频率响应、寄生参数等。 温度依赖性测量：分析温度变化对I-V特性的影响，以评估器件的稳定性。 4.2 结构与材料表征： X射线衍射（XRD）：用于确定晶体结构、晶面取向和材料组分。 透射电子显微镜（TEM）：用于观察器件的横截面微结构，精确测量层厚、界面质量和晶格缺陷。 原子力显微镜（AFM）：用于表征器件表面的形貌和粗糙度。 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：用于分析材料的晶格振动，判断材料的相和应力。 4.3 性能评估指标： 峰谷比（PVCR）：是衡量RTD性能的重要指标，代表了负微分电导的程度。 峰值电流密度（Peak Current Density）：与器件的速度和驱动能力相关。 响应速度：由器件的寄生电容和串联电阻等因素决定。 稳定性与可靠性：评估器件在不同工作条件下的长期稳定性。 第五章：共振隧穿器件的应用 本章将展示共振隧穿器件在众多前沿技术领域的广泛应用，重点突出其利用负微分电导特性实现的高速、高集成度功能。 5.1 高频电子学应用： 高频振荡器：利用RTD的NDC特性构建自激振荡电路，实现高频信号的产生，可应用于雷达、通信系统等。 混频器：RTD的非线性特性使其成为优良的混频器元件，可用于信号的频率转换。 高速逻辑门：利用RTD的NDC特性设计具有超快速开关特性的逻辑门，可用于开发超高速计算单元。 毫米波与太赫兹器件：RTD在这些频段具有极低的寄生效应和优异的性能，是开发新型毫米波和太赫兹器件的关键。 5.2 存储器和逻辑器件： 多值逻辑：RTD的非线性I-V特性允许实现多值逻辑，可显著提高信息存储密度和逻辑运算效率。 动态随机存取存储器（DRAM）：研究利用RTD的隧道结特性实现新型高密度、低功耗的DRAM。 自旋电子器件：结合自旋输运的研究，开发基于共振隧穿的自旋电子器件，有望实现新一代信息存储和处理技术。 5.3 光电子学应用： 光电探测器：利用共振隧穿效应实现对特定波长光的选择性探测。 量子级联激光器（QCL）：虽然QCL通常基于堆叠的多个量子阱，但共振隧穿的概念是其工作原理的重要组成部分。 光调制器：利用外电场控制共振隧穿条件，实现对光信号的调制。 5.4 生物传感与微系统应用： 高灵敏度传感器：利用RTD对微弱电信号的放大作用，构建高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子。 微机电系统（MEMS）：将RTD集成到MEMS器件中，开发具有更高集成度和更强功能的新型微系统。 第六章：未来发展趋势与挑战 本章将展望共振隧穿器件的未来发展方向，探讨面临的技术挑战，并对下一代器件的可能形态进行推测。 6.1 新材料与新结构： 二维材料（如石墨烯、TMDs）在RTD中的应用：探索新型二维材料在构建高性能RTD方面的潜力。 拓扑材料与量子点：研究将拓扑材料和量子点集成到RTD结构中，以实现更丰富的量子物理现象和器件功能。 三维集成：探讨如何实现RTD的三维堆叠和集成，以提高器件密度和计算能力。 6.2 性能提升与功耗降低： 提高峰谷比与响应速度：通过材料设计和结构优化，进一步提升RTD的关键性能参数。 实现低功耗运行：设计低电压驱动的RTD，以满足移动设备和大规模集成电路对功耗的要求。 宽温区运行：开发能够在更宽温度范围内稳定工作的RTD。 6.3 前沿应用探索： 量子计算：探索RTD在构建量子比特和量子门中的潜在作用。 人工智能硬件：开发基于RTD的类脑计算硬件，以实现更高效的人工智能算法。 高性能射频与太赫兹系统：继续推动RTD在通信、成像、传感等领域的应用。 6.4 技术挑战与展望： 制造工艺的精度与成本：如何实现更低成本、更高良率的RTD批量生产。 器件的稳定性和可靠性：提升器件在实际应用中的长期稳定性和环境适应性。 理论模型的完善：发展更精确的理论模型，以指导器件的设计和优化。 结论： 共振隧穿器件作为一种基于量子力学原理的微观电子器件，以其独特的负微分电导特性，在微电子学、光电子学、信息科学等众多领域展现出巨大的应用潜力。本书系统地阐述了共振隧穿器件的物理基础、器件结构、制造工艺、特性表征及广泛的应用前景，旨在为读者提供一个全面深入的了解。随着半导体技术的不断发展和对量子现象认识的深化，我们有理由相信，共振隧穿器件将在未来的科技革命中扮演越来越重要的角色。 参考文献： （此处将列出本书引用的相关学术文献、期刊文章、会议论文等，以供读者深入研究。） 附录： （此处可包含一些辅助性的内容，如常用材料的物理参数表、关键公式推导的详细步骤等。）

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排结构非常精妙，它没有固守传统的线性叙事模式，而是采用了模块化和交叉引用的方式，使得读者可以根据自己的兴趣点进行深入挖掘。我最喜欢它在讨论“器件性能优化”那一块的论述，它不是简单地堆砌公式，而是引入了一种系统性的设计思维框架。作者提出了一个多维度参数空间搜索的策略，将电学性能、热学性能和机械性能放在一个统一的优化矩阵中进行权衡。这种跨学科的视角非常新颖，它提醒我不能只关注电子迁移率，而必须同时考虑器件的热稳定性以及在长期工作条件下的可靠性问题。书中对可靠性工程的介绍，特别是对电迁移和击穿机制的寿命预测模型，非常具有前瞻性，这对于当前追求超小型化和高集成度的半导体行业来说，是亟需解决的关键挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文气势磅礴，仿佛带领读者进行了一次横跨理论与工程的史诗级旅程。其中关于器件制造工艺的章节，读起来让人热血沸腾，仿佛置身于无尘室之中。作者对薄膜沉积技术，特别是原子层沉积（ALD）和分子束外延（MBE）的描述，细致到连温度控制和腔室压力的微小波动都会对最终器件的质量产生决定性影响。我尤其关注了其中关于刻蚀技术的比较分析，它清晰地对比了湿法刻蚀和干法刻蚀在选择性、侧壁粗糙度等关键参数上的优劣，并给出了在不同材料体系下的最佳实践建议。这种深入到“如何做”层面的讲解，极大地拓宽了我对集成电路制造流程的理解。如果说理论部分是骨架，那么这些工程实践的描述就是赋予血肉，让整个知识体系变得立体而生动。

评分☆☆☆☆☆

阅读过程中，我发现作者在讲解核心概念时，展现出一种对物理直觉的培养能力，这远超出了教科书的范畴。比如，在讨论波函数的叠加与干涉效应时，作者并非仅仅使用薛定谔方程的数学形式，而是巧妙地运用了类比和视觉化的图表，将抽象的量子行为具象化。我特别欣赏它对实验技术的介绍，那部分写得极其详实，简直像是一份手把手的实验室指南。从高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像的解读，到扫描隧道显微镜（STM）在原子尺度的成像原理，作者都没有放过。更难能可贵的是，书中对测量误差的分析也做了深入探讨，指出在微纳尺度下，环境因素（如温度漂移、电噪声）对测量结果的干扰有多么剧烈，这种“反面教材”式的讨论，对于指导我设计更可靠的实验方案至关重要。总而言之，这本书的实践指导意义非常强，不是纸上谈兵。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常吸引人，采用了深邃的蓝色调，配以抽象的光线和几何图形，给人一种既专业又充满未来感的印象。我原本是抱着学习基础半导体物理知识的目的翻开它的，没想到它在开篇就迅速切入了前沿领域，让我眼前一亮。作者在导论部分对于材料科学的概述非常精辟，特别是对新型二维材料的结构和电子特性分析，简直像是在进行一次高水平的学术报告。我印象最深的是关于材料缺陷如何影响器件性能的讨论，那部分内容逻辑严密，引用了大量近期的研究成果，甚至涉及到一些我之前在其他教材中未曾见过的复杂晶格模型。这本书的叙述风格非常严谨，每一个公式的推导都清晰可见，绝不是那种只罗列结果而不深究过程的“填鸭式”教学。对于初学者来说，可能需要一定的物理基础来跟上它的节奏，但对于有一定背景的研究人员，这本书无疑是一本极好的参考资料，特别是对那些希望将理论知识与实际器件设计结合起来的读者，它提供的框架非常具有启发性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格带着一种沉稳的学术魅力，阅读它需要高度的专注力，但回报是巨大的知识增量。我发现作者在解释一些复杂的物理现象时，总是能够找到一个恰到好处的切入点，既不失深度，又能避免掉入过于晦涩的数学泥潭。例如，书中对量子限制效应的阐述，结合了从零维到二维体系的演变过程，非常具有启发性，帮助我理解为什么特定维度的材料能够展现出突破性的性能。此外，书中对未来发展趋势的预测，虽然基于现有数据，但分析得相当审慎和客观，没有过度夸大其词。它没有给出任何立竿见影的“灵丹妙药”，而是引导读者去思考当前技术瓶颈的根本原因，并鼓励创新性的解决方案。总而言之，这是一部需要反复研读、才能真正领会其中深意的力作。