Physical Models of Semiconductor Quantum Devices pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Kluwer Academic Pub

作者:Fu, Ying/ Willander, Magnus

出品人:

页数:272

译者:

出版时间:1999-4

价格:$ 236.17

装帧:HRD

isbn号码:9780792384571

丛书系列:

图书标签:

半导体物理
量子器件
物理模型
模拟仿真
材料科学
电子工程
纳米技术
固态物理
器件物理
计算物理

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具体描述

This detailed book addresses three main areas of solid state electronics, providing an insight into the state of the art in material and device research that will be of interest to all those involved in compound semiconductors.

好的，以下是基于您的要求，为您构思的一份图书简介，内容将聚焦于半导体量子器件的物理模型这一主题，但不包含或涉及您指定的特定书名的任何内容。 --- 探索量子世界：前沿半导体器件的物理建模与仿真导言：迈向下一代电子学的基石在二十一世纪的电子学领域，摩尔定律的持续推进正日益受到传统半导体物理极限的制约。随着器件尺寸的不断缩小，量子效应——如量子隧穿、载流子局域化和波函数干涉——不再是可忽略的次要因素，而是主导器件性能的核心机制。为了设计和优化下一代超高速、低功耗和高集成度的电子与光电子器件，深入理解并精确模拟这些量子行为至关重要。本书旨在为研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面而深入的视角，专注于半导体异质结、低维结构（如量子阱、量子点、纳米线）以及新型拓扑材料中载流子的物理输运和相互作用的精确建模方法。我们不满足于经典的漂移-扩散模型，而是着眼于那些能够捕捉到真正量子特性的计算框架。第一部分：量子尺度下的载流子动力学基础本部分内容从量子力学的基本原理出发，建立起分析半导体纳米结构中电子行为的数学工具箱。第一章：能带结构与有效质量理论的超越在传统半导体物理中，能带结构通过有效质量近似来描述晶格背景下的电子运动。然而，当结构尺寸进入纳米尺度，这种近似的有效性显著下降。本章将深入探讨：第一性原理计算方法（如密度泛函理论，DFT）在精确确定复杂异质结构界面和应变对能带结构影响中的应用。基于薛定谔方程的求解策略：重点讨论如何构建适合二维（2D）和零维（0D）体系的有效哈密顿量。这包括$mathbf{k} cdot mathbf{p}$ 微扰理论的扩展，以准确描述多带耦合效应，特别是在高场或强自旋轨道耦合背景下。量子限制效应的量化：详细分析在极窄量子阱和量子点阵列中，能级的分立化、激子束缚能的增强及其对光学特性的影响。第二章：散射机制的量子修正载流子的输运性能受限于各种散射过程。在量子器件中，传统的声子散射模型需要引入对界面粗糙度、局域缺陷以及波函数重叠的修正。界面散射的精细化处理：如何将原子尺度的界面形貌信息转化为散射势，并将其纳入到玻尔兹曼输运方程（BTE）的求解框架中。我们探讨了不同散射机制（如光学声子、纯弹性散射）对载流子弛豫时间的相对贡献。退相干时间的物理限制：分析电场、磁场以及电磁辐射对载流子波函数相干性的影响。这对于理解隧道结和量子干涉器件的运行速度至关重要。电子-电子相互作用的建模：超越平均场近似，引入更精细的Hartree-Fock或更高级的介观量子输运理论，以描述在高度局域化区域内，费米液体行为的偏离。第二部分：关键量子器件的物理仿真范式本部分将理论框架应用于当前研究热点中的特定器件类型，重点介绍适用于其独特物理机制的仿真方法。第三章：隧道结与势垒传输的量子模拟隧道效应是许多高频器件的核心机制。本书将详细阐述如何精确模拟载流子穿过有限势垒的过程。 WKB近似的局限性与精确解法：讨论在具有梯度变化的势垒结构中（如阶梯势阱或斜坡场区），如何应用转移矩阵法（Transfer Matrix Method, TMM）或Wigner函数方法进行精确求解。非平衡态的耦合效应：当器件处于工作状态时，注入和收集电极的影响使得系统偏离平衡。本章将引入非平衡格林函数（NEGF）方法，用于计算在给定偏压下的电导、微分电导以及隧穿电流谱。讨论如何将电荷累积效应（自洽性）纳入NEGF框架。自旋相关的输运模型：针对自旋电子学应用，探讨如何构建考虑自旋轨道耦合（SOC）的哈密顿量，并将其与NEGF相结合，以模拟自旋霍尔效应和隧道磁阻（TMR）的量子起源。第四章：低维结构中的激子动力学与光电器件在量子点、量子线以及二维材料（如过渡金属硫化物）中，电子和空穴的强库仑吸引力形成了稳定的激子。理解激子的形成、迁移和辐射复合是设计高效LED和激光器的关键。激子态的求解：利用Bethe-Salpeter方程（BSE）在不同维度下的简化形式，精确计算激子束缚能和光学吸收谱。重点关注几何结构（如圆点尺寸、棒状几何）对激子特性的调控。复合速率的物理描述：详细分析辐射复合（光子发射）与非辐射复合（缺陷捕获、俄歇复合）的相对重要性。使用时间依赖性薛定谔方程（TDSE）模拟在泵浦激发下的瞬态行为。载流子注入与界面势垒：在异质结光电器件中，电荷注入效率受限于界面势垒高度和势垒处的载流子俘获。本章提供如何结合经典泊松方程与量子输运模型进行自洽性耦合仿真的流程。第三部分：前沿模型与未来展望第五章：拓扑半导体中的特殊输运现象近年来，拓扑绝缘体和拓扑半金属的发现开辟了全新的物理研究领域。其表面或边缘态的无耗散输运特性对传统半导体模型提出了巨大挑战。狄拉克和外尔费米子理论：介绍描述拓扑材料中低能激发的基本方程，特别是边界态的线性色散关系。手性异常与反常霍尔效应的微观模型：探讨如何在拓扑系统中建模电场和磁场耦合下的无质量狄拉克电子的输运特性，并构建能解释量子反常霍尔效应的输运模型。拓扑量子比特的物理基础：初步探讨基于Majorana零模等准粒子在拓扑超导异质结构中实现的潜力，以及建模其非阿贝尔统计特性的数学工具。第六章：多尺度耦合仿真与器件性能预测真实的半导体器件往往涉及从原子尺度到宏观尺度的物理过程。本章关注如何有效地耦合不同尺度的模型。从量子输运到宏观电荷分布的连接：探讨如何使用口袋模型（Pocket Model）或等效平均模型，将高精度的量子计算结果（如隧穿概率、界面散射率）作为输入参数，嵌入到经典的流体力学或漂移-扩散模型中，以预测器件的整体I-V特性。热效应的整合：在高功率密度下，局部发热对量子限域效应的影响不容忽视。本章介绍如何耦合热力学模型与量子输运模型，模拟温度梯度对能带弯曲和载流子弛豫时间的动态影响。结论与读者指南本书的最终目标是提供一套严谨的、以物理为基础的建模工具集，使用户能够从第一原理出发，构建适用于纳米尺度乃至更小尺度半导体量子器件的精确计算模型。通过这些详尽的案例分析和方法论介绍，读者将能够超越传统半导体器件的经典范式，深入理解并设计出突破当前技术瓶颈的新一代电子和光电器件。本书适合具备固体物理和半导体器件基础知识的研究生及专业工程师阅读和参考。