半导体科学与技术丛书：低维量子器件物理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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彭英才，赵新为，傅广生 著

图书标签:

• 半导体
• 量子器件
• 低维结构
• 物理
• 电子学
• 材料科学
• 纳米技术
• 固体物理
• 器件物理
• 半导体物理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030338495

版次：1

商品编码：12161606

包装：精装

丛书名： 半导体科学与技术丛书

开本：16开

出版时间：2012-04-01

用纸：胶版纸

页数：185

字数：234000

正文语种：中文

内容简介

　　低维量子器件是微纳电子技术研究的核心，低维量子器件物理是现代半导体器件物理的一个重要组成部分，它的主要研究对象是低维量子器件的设计制作、器件性能与载流子输运动力学等内容。
　　《半导体科学与技术丛书：低维量子器件物理》主要以异质结双极晶体管、高电子迁移率晶体管、共振隧穿电子器件、单电子输运器件、量子结构激光器、量子结构红外探测器和量子结构太阳电池为主，比较系统地分析与讨论了它们的工作原理与器件特性，并对自旋电子器件、单分子器件和量子计算机等内容进行了简单介绍。
　　《半导体科学与技术丛书：低维量子器件物理》可作为高等院校相关专业研究生的专业课教学用书，也可供高年级本科生和相关领域的科技工作者阅读和参考。

作者简介

　　彭英才，河北大学电子信息工程学院教授，博士生导师，日本东京理科大学客座教授。多次赴日本丰桥技术科学大学、广岛大学和东京理科大学进行访问研究。长期承担半导体与微电子技术专业的研究生和本科生教学工作。主要从事纳米半导体光电信息薄膜材料的制备、结构表征、光电特性与器件应用的研究，在国内外期刊上发表学术论文150余篇；作为第1编著者，出版学术专著3部：《纳米光电子器件》、《纳米太阳电池技术》和《：硅基纳米光电子技术》，研究生教材2部：《低维量子器件物理》和《低维半导体物理》。
　　
　　赵新为，1988年获日本东京大学工学博士学位。现任日本东京理科大学教授，博士生导师，物理系主任。兼任法国路易帕斯特大学特聘教授，天津大学特约教授，日本东洋大学、河北大学、四川大学和西华大学客座教授。长期从事纳米半导体材料、纳米磁性材料、光磁半导体材料、太阳能电池、超低温和超强磁场物理等领域的研究。主持和参与了包括日本文部科学省和中国科学院“百人计划”在内的科研基金课题多项。在国际期刊上发表论文100余篇，在国际会议上发表论文100余篇，获技术专利15项，出版学术专著6部。
　　
　　傅广生，教授，博士生导师，河北省管专家，燕赵学者，享受国务院特殊津贴，现任河北工业大学校长。长期从事光与物质相互作用和光电信息材料领域的研究与教学工作，在Physical Review Letters、Applied Physics Letters、《科学通报》和《中国科学》等国内外学术期刊发表论文150余篇，研究成果多次被国内外同行引用。1991年获得国家“做出突出贡献的中国博士／硕士学位获得者”荣誉称号，并获多项河北省科技进步奖和教学成果奖。兼任中国物理学会理事、中国光学学会理事、国家教育部科学技术委员会数理学部委员与河北省物理学会理事长。

内页插图

目录

前言/序言

　　1969年半导体超晶格概念的提出，揭开了低维半导体材料制备与物理性质研究的序幕。基于能带工程设计，人们制备了各类低维材料与结构，从而为设计和制作各种新型半导体器件开辟了广阔的发展前景，基于量子力学原理，人们揭示了各类低维材料所呈现的许多新颖物理性质，从而大大丰富了凝聚态物理的研究内容，进一步深化了现代半导体物理的研究内涵。1980年高电子迁移率晶体管的诞生，又开辟了低维量子器件研究的新领域，其后，各类低维电子输运器件和光电子器件应运而生，其中，异质结双极晶体管、共振隧穿电子器件、量子阱激光器与量子阱红外探测器就是其中的几个典型范例。1990年纳米科学技术的兴起，使以量子点为主的纳米半导体材料与物理的研究，成为继半导体超晶格之后又一个新的热点课题，尤其是量子点自组织化生长技术的日渐成熟，为各类量子点单电子器件和量子点激光器的研制奠定了重要物质基础，进入21世纪以来，自旋电子器件、单分子器件、单光子器件和光子晶体器件的研究，又把低维量子器件的发展继续推向深入。
　　毫无疑问，各类低维量子器件及其集成电路将会在21世纪的光通信技术、计算机技术、新能源技术和电子对抗技术中具有十分重要的潜在应用，迄今，人们在深入研究低维半导体物理的同时，已设计和制作了各类低维量子器件，并取得了丰硕成果。但是，目前国内外尚未出版体系比较完善和内容比较系统的有关介绍与论述低维量子器件物理的专著或教材，为了弥补这一不足，以促进我国低维量子器件的研究与发展，我们在长期从事科研和研究生教学的实践中，逐渐积累了这方面的大量相关专业知识，并数易其稿编写了本书。
　　本书内容大体分为两大类：第一类为低维电子输运器件；第二类为低维光电子器件。其具体内容安排如下：第1章简要回顾低维量子器件的发展历史，作为低维量子器件的物理基础，第2章简要介绍低维量子结构的能带特征、电子状态、输运性质和光学性质；第3～6章主要介绍四种电子输运器件的工作原理与器件特性，其中包括异质结双极晶体管、高电子迁移率晶体管、共振隧穿电子器件和单电子输运器件；而第7～9章则主要讨论三种光电子器件的工作原理与器件性质，其中包括量子结构激光器、量子结构红外探测器和量子结构太阳电池；最后，第10章扼要介绍其他几种低维量子效应器件，如自旋电子器件、单分子器件以及量子计算机等。
　　本书可作为高等学校与科研院所相关学科专业研究生的专业课教材，也可供高等学校相关专业的高年级本科生阅读，同时也可供从事各类低维半导体材料与物理，尤其是从事器件物理研究的相关科技工作者参考阅读。
　　由于作者水平有限，书中不妥之处恳请批评指正。

半导体科学与技术丛书：低维量子器件物理 前言 人类对微观世界的探索从未停止。从原子、分子的奇妙结构，到固体内电子的量子行为，物理学的发展不断揭示着自然界深刻的奥秘。而半导体材料，作为连接宏观世界与微观量子世界的关键桥梁，更是孕育了信息革命的土壤。在这一广阔的领域中，随着技术的进步，我们对半导体器件的理解已不再局限于宏观的电学特性，而是深入到其内在的量子机制。本书《半导体科学与技术丛书：低维量子器件物理》正是聚焦于这一前沿领域，旨在系统阐述低维量子结构如何重塑我们对半导体器件的认知，并为下一代创新器件的设计与实现奠定坚实的理论基础。 第一章 绪论：迈向量子器件的新纪元 本章将为读者勾勒出低维量子器件的宏大图景。我们首先回顾半导体技术的发展历程，强调从体材料到二维（2D）、一维（1D）乃至零维（0D）纳米结构的演变，及其带来的性能飞跃。在此基础上，我们将深入探讨“低维”这一概念的物理意义，解析尺寸效应在微观尺度上如何打破宏观物理定律的束缚，催生出全新的量子现象。例如，量子尺寸效应会导致材料能带结构发生改变，形成离散的能级；表面和界面效应在低维结构中占据主导地位，深刻影响载流子的输运和器件性能。 我们将介绍量子器件的基本构成要素，包括量子阱（Quantum Well）、量子线（Quantum Wire）和量子点（Quantum Dot）等典型的低维结构，并初步阐述它们在电子和光子学领域的潜在应用。本章还将引导读者认识到，理解这些低维结构中的量子效应，需要引入量子力学的概念，如波粒二象性、量子叠加、量子纠缠等。最后，本章将展望低维量子器件的未来发展趋势，包括其在量子计算、量子通信、高性能传感器以及新型光电器件等领域的颠覆性潜力，激发读者对本书后续内容的兴趣。 第二章 量子力学基础：理解微观世界的语言 要深入理解低维量子器件的物理原理，扎实的量子力学基础是必不可少的。本章将系统梳理与低维量子器件直接相关的量子力学核心概念。我们将从薛定谔方程入手，介绍其在描述微观粒子状态演化中的核心地位。随后，我们将详细讲解波函数及其概率诠释，以及算符、本征值和本征态等基本概念，理解它们如何描述量子系统的可观测量。 本章的重点之一将是能量的量子化。我们将通过分析粒子在有限深势阱（对应量子阱）、无限深势阱（对应量子线）、以及球形势阱（对应量子点）中的运动，直观地展示能量在这些限制条件下的离散化过程，并推导出相应的能级表达式。此外，我们还将深入探讨量子隧穿效应，阐释电子如何克服势垒，这一现象在许多低维器件（如隧道结）中扮演着至关重要的角色。 对于多粒子系统，我们将引入泡利不相容原理，解释其在半导体材料中电子填充能级时的重要性，并讨论电子气模型在描述体材料和低维结构中载流子行为时的适用性。本章还可能触及角动量量子化、自旋以及量子纠缠等概念，为后续章节中涉及更复杂的量子现象和器件行为打下基础。 第三章 低维半导体材料的制备技术 器件的性能与其材料的制备工艺息息相关。本章将深入探讨制备高质量低维半导体结构的关键技术。我们将首先介绍分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）和金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）这两种主流的晶体生长技术。详细阐述它们的工作原理、生长环境要求、以及如何精确控制材料的组分、厚度和生长速率，从而实现原子层级的精确堆叠，构建出具有特定量子结构的异质结。 在提及自组装技术时，我们将重点介绍量子点和量子线的形成机制，例如利用材料在特定衬底上的生长不匹配性所产生的应力诱导的自发成核与生长。我们将讨论如何通过选择合适的衬底材料、生长温度和组分，来调控自组装过程，获得尺寸、形状和分布均匀的量子纳米结构。 此外，本章还将介绍光刻、电子束光刻以及聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）等微纳加工技术。这些技术在定义器件的宏观结构和实现低维结构的电学连接方面至关重要。我们将讨论它们的分辨率限制，以及如何与更底层的量子结构制备技术相结合，形成完整的器件制造流程。最后，本章将简要介绍一些新兴的低维材料（如二维材料石墨烯、过渡金属硫化物等）的制备方法，并展望未来更先进、更高效的制备技术。 第四章 量子阱器件：光电转换的基石 量子阱作为最基础的低维量子结构之一，是许多高性能光电器件的核心。本章将聚焦于量子阱器件的物理原理及其应用。我们将从量子阱的能带结构出发，深入分析在有限深势阱中电子和空穴的能量量子化特性，推导出其能级及其空间分布。我们将讨论量子限制激子（Quantum-Confined Exciton, QCE）的形成和性质，以及其在光吸收和光发射过程中的关键作用。 本章将详细介绍量子阱的输运特性。我们将分析载流子在阱内的动量空间分布，以及量子限制对载流子迁移率的影响。我们将探讨阱内和阱间的载流子弛豫过程，例如声子散射和电子-电子散射。 在应用层面，本章将重点阐述量子阱在激光器和发光二极管（LED）中的应用。我们将深入剖析量子阱激光器的增益机制、阈值电流和激射原理，解释为什么量子阱结构能够实现更低的阈值电流和更高的量子效率。对于LED，我们将探讨量子阱如何影响其发光波长、光谱宽度和器件效率。此外，我们还将介绍量子阱探测器的工作原理，以及如何利用其优异的光电转换特性来构建高性能光电探测设备。 第五章 量子线器件：载流子输运的新模式 量子线，顾名思义，是一种限制载流子在两个维度上退化的纳米结构，使其在剩下的一维方向上表现出类金属的输运特性。本章将深入探讨量子线器件的物理学。我们将首先分析量子线的能带结构，解释其一维化的能级展宽和密度 of states 的奇异性（如狄拉克尖峰）。我们将讨论载流子在量子线内的动量空间受限，以及这将如何影响其输运行为。 本章将着重分析量子线中的量子输运现象。我们将介绍弹道输运（Ballistic Transport）的概念，并分析量子线如何支持无散射的载流子输运，从而实现极高的迁移率。我们将探讨量子线的电导特性，并分析其是否会呈现出量子化的电导（例如，通过量子点的串联）。 在应用方面，我们将介绍量子线在高性能晶体管中的潜力，例如提高开关比和降低功耗。我们还将探讨量子线在新型光电器件中的应用，例如用于提高发光效率和实现特定波长输出的量子线LED和激光器。此外，本章还将触及量子线的传感器应用，利用其对外部环境高度敏感的特性来构建高灵敏度的探测器。 第六章 量子点器件：人造原子与量子信息载体 量子点，也被称为“人造原子”，是纳米尺度下能够将载流子在三个维度上同时限制的零维结构。本章将深入剖析量子点的物理学以及其在器件中的应用。我们将从量子点的形成机制开始，回顾 MBE、MOCVD 和自组装技术如何形成不同尺寸、形状和组分的量子点。我们将详细分析量子点中离散的能级结构，以及其类比于原子能级的特点。 本章将重点研究量子点的光电特性。我们将探讨量子点如何通过吸收和发射光子来产生色彩，并解释其光谱与尺寸、形状和环境的依赖关系。我们将深入讨论激子在其量子点中的行为，以及如何通过库仑相互作用来调控激子态。 量子点在信息技术领域具有革命性的潜力，本章将重点关注其在量子计算中的应用。我们将探讨如何利用量子点的自旋或电荷状态来编码量子比特（qubit）。我们将分析如何通过电学或光学方法来对量子比特进行初始化、操控和读出。此外，本章还将介绍量子点在高效发光器件（如量子点LED）和太阳能电池中的应用，以及如何利用其可调谐的光谱特性来提升器件性能。 第七章 量子隧穿器件：电子的量子跳跃 量子隧穿效应是量子力学中一个反直觉但至关重要的现象，它使得粒子能够穿过经典力学所不允许的势垒。本章将聚焦于基于量子隧穿效应的器件。我们将首先深入理解量子隧穿的物理机制，包括隧穿概率的计算以及影响隧穿概率的因素，如势垒的高度、宽度和粒子的能量。 本章将重点阐述几种典型的量子隧穿器件。首先是 the Esaki（隧道）二极管，我们将分析其负微分电导特性，并探讨其在高速电子电路中的应用。接着，我们将讨论 the resonant tunneling diode (RTD)，重点分析其在高电流密度下的共振隧穿机制，以及如何利用其快速的开关特性来实现高速振荡器和逻辑门。 本章还将介绍 the single-electron transistor (SET) 作为一种极具潜力的纳米电子器件。我们将分析 SET 的工作原理，以及它如何通过库仑阻塞效应来精确控制单个电子的隧穿。最后，本章将简要介绍其他基于隧穿效应的器件，如 the magnetic tunnel junction (MTJ) 在磁性存储器中的应用，以及新兴的量子隧穿器件在纳米传感器和量子信息处理中的前景。 第八章 低维量子器件的输运理论 本章将深入探讨低维量子器件中载流子输运的理论基础。我们将从经典输运理论出发，介绍其在描述宏观尺度下的局限性，并引出量子输运理论的必要性。我们将详细讲解 Landauer-Büttiker 理论，理解其如何通过电子的散射矩阵来描述电导，并解释量子线和量子点中的弹道输运和散射输运。 本章的重点之一将是微扰理论在计算输运系数中的应用。我们将讨论如何利用费米黄金定则来计算散射率，并分析不同散射机制（如声子散射、杂质散射、表面粗糙度散射）对载流子输运的影响。我们还将介绍玻尔兹曼方程及其在描述半导体中载流子动量分布函数演化中的作用。 在更复杂的低维结构中，我们将讨论多体效应（many-body effects）对输运的影响。例如，电子-电子相互作用在量子点和量子线中会产生重要的屏蔽效应和库仑阻塞现象。本章还将简要介绍非平衡格林函数（Nonequilibrium Green's Function, NEGF）方法，这是一种强大的理论工具，能够处理复杂量子器件中的非平衡输运问题。 第九章 低维量子器件中的量子相干性与退相干 量子相干性是实现量子计算和量子信息处理的核心。本章将聚焦于低维量子器件中量子相干性的产生、维持和保护。我们将首先回顾量子相干性的概念，并解释它在量子比特操作中的重要性。 本章将深入探讨导致量子相干性损失的退相干机制。我们将分析与环境的相互作用，如声子耦合、电场噪声、磁场波动等，以及它们如何导致量子态的叠加和纠缠态的破坏。我们将介绍朗道-齐纳（Landau-Zener）理论，理解其在描述量子系统穿越简并点时发生的绝热近似失效。 为了维持和保护量子相干性，我们将介绍一些重要的技术和策略。例如，在量子计算中，我们将讨论量子纠错码（Quantum Error Correction Codes）的设计原理，以及如何利用冗余来保护量子信息。我们还将探讨利用量子态的“弱测量”技术来监测量子系统的状态而不破坏其相干性。本章还将介绍量子绝热计算（Adiabatic Quantum Computing）的概念，以及其如何利用量子绝热定理来执行复杂的计算任务。 第十章 低维量子器件的先进应用与未来展望 在本书的最后一章，我们将对低维量子器件的最新进展和未来发展进行展望。我们将回顾前几章所介绍的各种低维量子器件，并探讨它们在各个领域的集成应用。 在量子计算领域，我们将深入探讨不同的量子比特实现方案，包括基于量子点、量子线、超导电路以及拓扑量子比特的优势和挑战。我们将讨论量子计算机的硬件架构和可扩展性问题，以及如何构建大规模量子计算系统。 在量子通信领域，我们将介绍量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）的原理，以及如何利用低维量子器件（如单光子源和单光子探测器）来实现安全的通信。我们将展望量子网络和量子互联网的构建，以及其对未来信息基础设施的影响。 此外，本章还将讨论低维量子器件在其他前沿领域的应用，例如： 新型传感器： 利用量子点和量子线的独特量子效应，开发高灵敏度、高选择性的生物传感器、化学传感器和物理传感器。 自旋电子学： 探索利用电子的自旋自由度来存储和处理信息，并介绍自旋注入、自旋输运和自旋操控等技术在低维结构中的实现。 太赫兹（THz）器件： 利用低维结构的优异电学和光学特性，开发高性能的太赫兹辐射源、探测器和调制器，满足在成像、通信和安全检查等领域的应用需求。 集成光电子器件： 将低维量子器件与现有半导体技术相结合，实现更高效、更小巧的光电器件，例如高性能光通信模块和集成光子芯片。 最后，本章将对低维量子器件未来的研究方向进行预测，包括对新材料的探索（如二维半导体、拓扑材料），对新型量子现象的挖掘，以及对更复杂量子系统的理论建模和实验验证。本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解低维量子器件的科学原理、制备技术和广泛应用，并激发读者在这一充满活力的领域中进行进一步的探索和创新。

评分☆☆☆☆☆

这本《低维量子器件物理》的封面设计着实吸引人，深邃的蓝色背景搭配流动的线条，仿佛是在描绘量子世界的神秘与活力。拿到手中，纸张的质感很好，印刷也相当清晰，翻阅起来有一种沉甸甸的厚重感，预示着内容必然是扎实且深入的。虽然我并非直接研究低维量子器件的专家，但平日里对物理学的各个分支都抱有浓厚的兴趣，尤其对于那些能够颠覆我们认知、开启全新技术可能性的前沿领域，更是充满了好奇。低维材料，尤其是那些具有量子特性的，如量子点、量子线、二维材料等，在近些年来的科技进展中扮演着越来越重要的角色，从高性能计算到超导材料，再到新型传感器，它们的应用前景广阔得令人惊叹。这本书的书名就点明了核心，将“低维”与“量子器件”以及“物理”这两个关键词紧密结合，这让我对书中将如何系统地阐述这些材料的微观行为、如何构建功能性的器件，以及背后蕴含的物理原理充满了期待。我猜想，这本书会是一扇窗，引领我深入了解这些微观世界的奇妙运作，从而更好地理解当前和未来科技发展的驱动力。

评分☆☆☆☆☆

在浏览图书信息时，《低维量子器件物理》这个书名瞬间吸引了我的目光。我对半导体物理和凝聚态物理领域始终保持着浓厚的兴趣，尤其是那些能够解释微观世界奇妙现象，并最终孕育出颠覆性技术的理论书籍。低维材料，因其独特的物理性质，在近年来成为了科研热点，而“量子器件”更是代表着未来的发展方向。我非常好奇这本书将如何系统地阐述低维材料中的量子行为，以及这些行为如何被转化为实际的器件功能。例如，书中是否会深入探讨量子限制效应如何改变材料的电子能带结构，从而赋予其与块体材料不同的特性？又是否会介绍量子点、量子线、二维材料（如石墨烯、MoS2等）在器件设计中的应用，以及它们在自旋电子学、量子计算、光电器件等领域的潜力？我期待这本书能够提供一套严谨的理论框架，帮助我理解低维量子器件的物理机制，从而更好地把握半导体科技发展的脉搏，理解那些正在塑造我们未来的技术突破。

评分☆☆☆☆☆

我对《低维量子器件物理》这本书的封面和书名，立刻联想到了当前半导体科技发展中最令人兴奋的几个方向。低维材料，特别是那些具有显著量子效应的材料，无疑是下一代电子器件和量子技术的基石。作为一名对前沿科技有持续关注的读者，我对书中如何系统性地阐述这些低维结构中的量子现象，以及如何将这些现象转化为实际的器件功能，充满了好奇。我特别希望书中能够深入探讨诸如量子点、量子线、石墨烯、过渡金属硫化物等低维材料在物理性质上的独特性，以及这些特性如何被巧妙地利用来构建具有突破性性能的器件。比如，书中是否会介绍如何通过尺寸调控和维度控制来改变材料的能带结构，从而实现对载流子行为的精确操控？又或者，书中会如何解释量子囚禁效应、库仑相互作用在低维系统中的表现，以及这些效应如何影响器件的电学和光学特性？我期待这本书能提供一个清晰的框架，帮助我理解从微观的量子世界到宏观的器件应用之间的联系。

评分☆☆☆☆☆

在我个人的阅读清单中，物理学教材和专著占据了相当大的比例，尤其是那些能够触及学科前沿，并且对未来技术发展有着指导意义的书籍。《低维量子器件物理》这本书的书名，直接点出了其关注的焦点：在极小的尺度下，物质的量子行为如何支配着器件的功能。我曾接触过一些关于量子信息、纳米材料以及半导体物理的基础知识，但始终觉得对于“低维”这个概念在量子器件中的具体作用，以及由此衍生的独特物理现象，理解还不够深入。这本书的出现，无疑为我提供了一个绝佳的学习机会。我猜想，它应该会从基础的量子力学原理出发，结合低维材料的特性，系统地介绍各种低维量子器件的设计、制备和工作原理。例如，可能会涉及量子点激光器、量子线晶体管、拓扑量子计算的某些基础概念，甚至是更前沿的二维材料异质结器件等。这本书的出现，让我看到了一个连接基础研究与实际应用的桥梁，也让我对未来半导体技术的发展方向有了更清晰的认知。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对量子力学和固体物理的交叉领域都情有独钟，而《低维量子器件物理》这本书的书名恰好戳中了我的兴趣点。我特别关注的是书中如何处理“量子”这个概念在“低维”材料中的体现，以及这些特性的量子化如何转化为实际的“器件”功能。例如，我很好奇书中是否会深入探讨如量子隧穿效应、量子限制效应、激子（excitons）在低维结构中的行为、以及自旋电子学（spintronics）等概念，并且是如何与材料的维度（一维、二维、零维）联系起来的。对于一个对微纳电子学的发展脉络感兴趣的读者来说，理解低维材料如何突破传统二维平面器件的物理极限，实现更高的集成度、更低的功耗以及全新的量子信息处理能力，是至关重要的。这本书的定位似乎非常精准，它不是一本泛泛而谈的科普读物，而是更侧重于基础理论和物理机制的阐释，这正是我所需要的。我期待能够从中获得对这些复杂概念的清晰解读，以及对未来量子器件设计和应用方向的深刻洞察。