半导体物理学简明教程（第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈治明，雷天民，马剑平 编

图书标签:

• 半导体物理学
• 半导体
• 物理学
• 电子工程
• 材料科学
• 固体物理
• 教程
• 教材
• 高等教育
• 电子器件

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111516286

版次：2

商品编码：11853518

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材

开本：16开

出版时间：2016-01-01

用纸：胶版纸

页数：255

内容简介

编者根据使用情况和评审意见对原书作了适当修改，力图以简明扼要的方式全面、准确介绍半导体物理学的基础知识及其新进展，内容包括半导体的物质结构和能带结构、杂质和缺陷、载流子的统计分布及其运动规律、非热平衡态半导体、pn结、金属-半导体接触、异质结、半导体表面、以及主要的半导体效应。

目录

前言
绪论
第1章半导体的物质结构和能带
结构
1.1半导体的原子结合与晶体结构
1.1.1元素的电负性与原子的结合力
1.1.2共价结合与正四面体结构
1.1.3主要半导体的晶体结构
1.2半导体的电子状态和能带
1.2.1能级与能带
1.2.2零势场与周期势场中的电子
状态
1.2.3能带的填充与晶体的导电性及
空穴的概念
1.3半导体中载流子的有效质量
1.3.1能带极值附近的E(k)函数
1.3.2电子和空穴的有效质量
1.3.3各向异性半导体中载流子的有效
质量
1.4半导体中的杂质和缺陷能级
1.4.1杂质的施、受主作用及其能级
1.4.2深能级杂质
1.4.3缺陷的施、受主作用及其能级
1.5典型半导体的能带结构
1.5.1能带结构的基本内容及其表征
1.5.2主要半导体的能带结构
1.6半导体能带工程概要
1.6.1半导体固溶体
1.6.2利用固溶体技术剪裁能带结构
1.6.3能带结构的量子尺寸效应
习题
第2章半导体中的载流子及其输运
性质
2.1载流子的漂移运动与半导体的
电导率
2.1.1欧姆定律的微分形式
2.1.2半导体的电导率
2.2热平衡状态下的载流子统计
2.2.1热平衡状态下的电子和空穴
2.2.2费米分布函数与费米能级
2.2.3费米分布函数与玻耳兹曼分布
函数
2.2.4非简并半导体的载流子密度
2.2.5本征半导体的载流子密度
2.3载流子密度对杂质和温度的依赖性
2.3.1杂质电离度
2.3.2非简并半导体载流子密度随温度
的变化
2.3.3简并半导体
2.4载流子迁移率
2.4.1恒定电场下载流子漂移运动的微观
描述
2.4.2决定载流子迁移率的物理因素
2.4.3有效质量各向异性时的载流子
迁移率
2.5载流子散射及其对迁移率的影响
2.5.1散射的物理本质
2.5.2电离杂质散射及其对迁移率的
影响
2.5.3晶格振动散射及其对迁移率的
影响
2.5.4其他散射机构
2.6半导体的电阻率及其与掺杂浓度和
温度的关系
2.6.1半导体的电阻率
2.6.2电阻率与掺杂浓度的关系
2.6.3电阻率与温度的关系
2.7强电场中的载流子输运
2.7.1强电场效应
2.7.2热电子与速度饱和
2.7.3负微分迁移率
2.7.4耿氏效应及其应用
2.7.5强电场下的速度过冲和准弹道
输运
2.8半导体的热导率
2.8.1热导率的定义
2.8.2半导体中的导热机构
2.8.3维德曼-弗兰茨定律
习题
第3章非热平衡状态下的半导体
3.1半导体的非热平衡状态
3.1.1额外载流子的产生与复合
3.1.2额外载流子的寿命
3.1.3准费米能级
3.2复合理论
3.2.1直接辐射复合
3.2.2通过单一复合中心的间接复合
3.2.3表面复合
3.2.4俄歇复合
3.2.5陷阱效应及其对复合的影响
3.3额外载流子的运动
3.3.1额外载流子的扩散与扩散方程
3.3.2扩散方程在不同边界条件下
的解
3.3.3电场中的额外载流子运动
3.3.4爱因斯坦关系
3.4电流连续性方程及其应用
3.4.1电流连续性方程
3.4.2稳态电流连续性方程及其解
3.4.3连续性方程的应用
3.5半导体的光吸收
3.5.1吸收系数及相关光学常数
3.5.2半导体的本征吸收
3.5.3其他吸收过程
3.6半导体的光电导和光致发光
3.6.1半导体的光电导
3.6.2半导体的光致发光
习题
第4章PN结
4.1PN结的形成及其平衡态
4.1.1PN结的形成及其杂质分布
4.1.2热平衡状态下的PN结
4.2PN结的伏安特性
4.2.1广义欧姆定律
4.2.2理想状态下的PN结伏安特性
方程
4.2.3PN结伏安特性对理想方程的
偏离
4.3PN结电容
4.3.1PN结势垒区的电场及电势
分布
4.3.2势垒电容
4.3.3扩散电容
4.3.4用电容-电压法测量半导体的杂质
浓度
4.4PN结击穿
4.4.1雪崩击穿
4.4.2隧道击穿
4.4.3热电击穿
4.5PN结的光伏效应
4.5.1光生电动势原理
4.5.2光照PN结的电流-电压方程
4.5.3光照PN结的特征参数
4.6PN结发光
4.6.1发光原理
4.6.2半导体激光器原理
习题
第5章金属-半导体接触
5.1金属-半导体接触及其平衡状态
5.1.1金属和半导体的功函数
5.1.2有功函数差的金属-半导体
接触
5.1.3表面态对接触电势差的影响
5.1.4欧姆接触
5.2金属-半导体接触的非平衡状态
5.2.1不同偏置状态下的肖特基势垒
5.2.2正偏肖特基势垒区中的费米
能级
5.2.3厚势垒金属-半导体接触的伏安
特性
5.2.4薄势垒金属-半导体接触的伏安
特性
5.2.5金属-半导体接触的少子注入
问题
5.2.6非平衡态肖特基势垒接触的特点
及其应用
习题
第6章异质结和纳米结构
6.1异质结的构成及其能带
6.1.1异质结的构成与类型
6.1.2理想异质结的能带结构
6.1.3界面态对异质结能带结构的
影响
6.2异质结特性及其应用
6.2.1伏安特性
6.2.2注入特性
6.2.3光伏特性
6.2.4异质结的应用
6.3半导体量子阱和超晶格
6.3.1量子阱和超晶格的结构与种类
6.3.2量子阱和超晶格中的电子状态
6.3.3量子阱效应和超晶格效应
习题
第7章半导体表面与MIS结构
7.1半导体表面与表面态
7.1.1理想晶体表面模型及其解
7.1.2实际半导体表面
7.1.3Si�睸iO2系统的性质及其优化
处理
7.2表面电场效应与MIS结构
7.2.1表面电场的产生与应用
7.2.2理想MIS结构及其表面电场
效应
7.2.3理想MIS结构的空间电荷层与
表面势
7.3MIS结构的电容-电压特性

7.3.1理想MIS结构的电容-电压
特性
7.3.2实际MIS结构的电容-电压
特性
7.4表面电导与表面迁移率
7.4.1表面电导
7.4.2表面散射与表面载流子的有效迁
移率
7.4.3影响表面迁移率的主要因素
7.4.4表面迁移率模型与载流子的表面
饱和漂移速度
习题
第8章半导体效应
8.1热电效应
8.1.1塞贝克效应
8.1.2珀耳帖效应
8.1.3汤姆逊效应
8.1.4塞贝克系数、珀耳帖系数和汤姆
逊系数间的关系
8.2霍尔效应
8.2.1霍尔效应原理
8.2.2霍尔迁移率
8.2.3霍尔系数
8.3磁阻与压阻效应
8.3.1磁阻效应
8.3.2压阻效应
习题
参考文献

前言/序言

本书是参照教育部高等学校电子科学与技术专业教学指导分委员会提出的电子科学与技术专业和微电子学专业人才培养目标及其对基本课程设置和教学内容的建议，在多年从事半导体物理教学活动的基础上，汇集多位前辈师长的呕心之作编写而成。“半导体物理学”在我国高校独立设课已有半个多世纪，作为半导体与微电子技术这个新兴学科的一门重要基础理论课程，为学科建设和人才培养做出了巨大贡献。就这门课程的教材而言，前有黄昆、谢希德二位大师的开山经典，后有叶良修、刘恩科诸师诠释经典、传承薪火的鸿篇巨制，以及施敏、Neamen等海外名师及时反映学界最新成就的煌煌名著，讲授此课，自可博采众长，以最容易让学生接受的方式去理解和掌握深奥的理论，为学好后续课程打下坚实基础。
进入新世纪以来，随着我国教育、教学改革的深化和电子与信息产业的迅猛发展，高级专业人才的培养更加侧重素质教育，知识结构开始向多元化方向发展，包括半导体物理学在内，一些传统专业基础课程的学时不得不大幅度削减，而半导体物理的新知识、新理论却在不断涌现，越来越厚的教科书与越来越少的学时形成一种难以化解的冲突。因此，我们不揣冒昧，在多年来讲授半导体物理学时以本书参考文献中所列12本教材或专著作为主要参考文献而编写的讲义基础上，加工完善而成这本简明教程。本书在编写时除考虑学时外，更多地还考虑到主要授课对象为高等学校工科高年级学生。
本书是在第1版的基础上修订而成，基本保持了传统半导体物理学教材的篇章结构，但有所突破。例如，将半导体光学性质及其应用的一些主要内容合并入讲述非热平衡态半导体的第3章等。这样做，主要是为了适应不同计划学时的需要。大体上，讲完全书至少需要80学时。学时不足50的情况下可只讲前3章或前4章，学时稍有富余则可依次后延。
本书第4、5、8章由西安电子科技大学雷天民教授编写；西安理工大学马剑平教授编写了第3、7章；陈治明教授编写了绪论及第1、2、6章，并负责策划和全书的统稿。
本书的作者们满怀敬意向参考文献中所列12本主要参考与引用书籍的作者和出版社表示最诚挚的感谢，并向为本书选编了大部分习题的西安理工大学杨莺副教授和认真校阅书稿并协助绘制插图的林生晃、刘文涛表示感谢。
编者

《半导体物理学简明教程（第2版）》图书简介 前言 在这个日益依赖电子器件的时代，理解半导体物理学的基本原理至关重要。从我们手中的智能手机到庞大的数据中心，从精密的医疗设备到新能源的驱动技术，半导体材料和器件都扮演着不可或缺的角色。它们构成了现代电子学的基础，也深刻地影响着我们生活的方方面面。 《半导体物理学简明教程（第2版）》旨在为广大读者，特别是高等院校本科生、研究生以及相关领域的研究和工程技术人员，提供一个清晰、系统、深入的学习平台。本教程在原有的基础上，吸纳了近年来半导体科学与技术领域的新进展，对内容进行了更新与完善，力求以最简明扼要的方式，揭示半导体物理学的核心概念、重要模型和关键理论。我们希望通过本书，帮助读者建立扎实的理论基础，培养解决实际问题的能力，并激发对这一迷人学科的进一步探索热情。 本书特色与内容概述 《半导体物理学简明教程（第2版）》秉持“化繁为简，突出重点，注重应用”的编写原则，力求将深奥的物理概念以易于理解的语言和直观的图示呈现出来。全书内容循序渐进，逻辑清晰，从基础的晶体结构和能带理论入手，逐步深入到载流子的产生与复合、输运现象、PN结、以及各种半导体器件的工作原理。 第一部分：半导体基础 晶体结构与键合（Crystal Structure and Bonding）: 任何半导体材料的特性都与其原子排列方式和原子间的相互作用密切相关。本部分将详细介绍常见的半导体晶体结构，如金刚石立方结构（Diamond Cubic Structure）和闪锌矿结构（Zincblende Structure），并阐述共价键、离子键等键合方式在半导体材料中的体现。理解这些基本结构和键合特征，是理解后续能带理论和载流子行为的前提。 能带理论（Energy Band Theory）: 这是半导体物理学的核心理论之一。我们将从量子力学的角度出发，解释电子在周期性晶体势场中的运动是如何形成能带的。重点阐述价带（Valence Band）、导带（Conduction Band）和带隙（Band Gap）的概念，以及它们如何决定材料是导体、绝缘体还是半导体。同时，也会介绍有效质量（Effective Mass）等重要概念，它描述了电子或空穴在晶格中的运动行为。 本征半导体（Intrinsic Semiconductors）: 在纯净的半导体材料中，电子和空穴的浓度相等。本部分将讲解本征载流子浓度（Intrinsic Carrier Concentration）的温度依赖性，以及其与带隙能量的关系。通过对本征半导体的分析，为理解杂质半导体打下基础。 第二部分：杂质与载流子 杂质半导体（Extrinsic Semiconductors）: 现实中的半导体材料几乎都含有少量杂质原子，这些杂质的引入可以极大地改变半导体的导电性能。本部分将详细介绍N型半导体（N-type Semiconductor）和P型半导体（P-type Semiconductor）的形成机理。阐述施主（Donor）和受主（Acceptor）杂质的能级位置，以及它们如何分别提供多余的电子或空穴作为多数载流子。 载流子浓度（Carrier Concentration）: 理解载流子浓度及其分布规律是分析半导体器件性能的关键。我们将推导不同温度和掺杂浓度下，电子和空穴浓度的表达式，并引入费米能级（Fermi Level）的概念，它决定了电子在不同能级上的占据概率。 载流子产生与复合（Carrier Generation and Recombination）: 在半导体材料中，载流子并非固定不变，它们会不断产生和复合。本部分将介绍不同类型的载流子产生机制，如热激发（Thermal Excitation）和光激发（Photoexcitation）。更重要的是，将深入探讨载流子复合的几种主要方式，包括辐射复合（Radiative Recombination）和非辐射复合（Non-radiative Recombination），以及它们对材料性能的影响。 第三部分：载流子输运 载流子输运现象（Carrier Transport Phenomena）: 载流子的定向运动构成了电流。本部分将详细讲解两种主要的载流子输运机制：漂移（Drift）和扩散（Diffusion）。漂移是载流子在外加电场作用下的定向运动，其与迁移率（Mobility）密切相关。扩散是由于载流子浓度梯度引起的随机运动，其与扩散系数（Diffusion Coefficient）相关。 欧姆定律与迁移率（Ohm's Law and Mobility）: 欧姆定律在半导体材料中的体现，即电流与电压成正比，其比例系数与材料的电导率（Conductivity）有关。我们将深入分析迁移率的物理意义，并探讨影响迁移率的因素，如温度、杂质散射和晶格振动散射。 扩散方程（Diffusion Equation）: 描述载流子浓度随时间和空间变化的数学方程。本部分将介绍如何建立和求解一维、稳态以及非稳态的扩散方程，这是分析PN结和器件内部载流子行为的基础。 连续性方程（Continuity Equation）: 结合了载流子的产生、复合以及输运过程，描述了载流子浓度在空间和时间上的演变。我们将推导并讲解连续性方程，它是分析动态过程和非稳态特性的重要工具。 第四部分：PN结理论 PN结的形成与平衡状态（PN Junction Formation and Equilibrium）: PN结是几乎所有半导体器件的核心结构。本部分将详细讲解P型和N型半导体接触后，载流子会发生扩散，形成一个耗尽区（Depletion Region），并产生一个内建电场（Built-in Electric Field）和内建电势（Built-in Potential）。在平衡状态下，漂移和扩散电流相互抵消。 PN结的伏安特性（Current-Voltage Characteristics of PN Junction）: 这是PN结最重要的特性。我们将深入分析PN结在外加正向偏压（Forward Bias）和反向偏压（Reverse Bias）下的电流-电压关系。重点讲解正向电流的主要来源（扩散电流），以及反向漏电流（Reverse Leakage Current）的来源（漂移电流）。 PN结的电容效应（Capacitance Effects in PN Junction）: PN结在交变电信号作用下会表现出电容特性。本部分将介绍结电容（Junction Capacitance）和扩散电容（Diffusion Capacitance）的概念，以及它们在不同偏压下的变化规律。 第五部分：半导体器件 二极管（Diodes）: 作为最基本的半导体器件，二极管的构成和工作原理是学习其他复杂器件的基础。本部分将介绍各种类型的二极管，如PN结二极管、齐纳二极管（Zener Diode）、肖特基二极管（Schottky Diode）和发光二极管（LED）等，并分析它们各自的特性和应用。 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistors, BJTs）: BJT是重要的放大和开关器件。本部分将详细讲解NPN型和PNP型BJT的结构、工作原理，以及其放大作用的物理机制。分析CE、CB、CC三种接法的特性，并介绍BJT的伏安特性曲线。 场效应晶体管（Field-Effect Transistors, FETs）: FET是一类重要的电压控制型器件，在数字集成电路中应用广泛。本部分将介绍结型场效应晶体管（JFET）和MOS场效应晶体管（MOSFET）的结构和工作原理。重点阐述MOSFET的栅极电压如何通过改变沟道中的载流子浓度来控制漏极电流，并介绍其三种工作模式：截止区、线性区和饱和区。 集成电路基础（Introduction to Integrated Circuits）: 简要介绍集成电路的基本概念，包括其构成、制造工艺以及在现代电子产品中的重要性。 附录与参考文献 本书还包含重要的物理常数表、常见的半导体材料参数，以及推荐的进一步阅读文献，以帮助读者深入学习和拓展知识。 致谢 本书的完成离不开众多同仁和读者的支持与鼓励。在此，我们向所有为本书付出辛勤努力的编辑、审稿人以及曾经给予我们指导和启发的学者们表示衷心的感谢。 结语 半导体物理学是一门充满活力和挑战的学科，它不断推动着科技的进步。希望《半导体物理学简明教程（第2版）》能够成为您踏入半导体世界的一扇窗口，为您开启一段精彩的求知之旅。我们期待着在未来，看到您运用所学知识，为半导体技术的发展做出贡献。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉，就像是为我量身定制的一位耐心的老师。我之前接触过一些半导体物理的书，但总感觉要么太过于抽象，要么就直接跳到很难理解的部分。这本书的叙述方式非常吸引人，它循序渐进，从最基础的原子结构和晶体结构讲起，逐步引入了量子力学的概念，然后再将这些概念应用到半导体的能带结构上。每一步的过渡都很自然，让我感觉自己是在一步步地构建对半导体世界的理解，而不是被动地接受一堆信息。我喜欢它在讲解每一个新的概念时，都会先给出一个直观的物理图像，然后再进行数学推导。这种“先形象，后理论”的方式，让我能够更快地抓住问题的核心。而且，书的整体结构也非常合理，章节划分清晰，目录也做得非常详细，方便我查找和复习。我还在书中看到了一些有趣的思考题，它们不是简单的计算题，而是需要我运用所学知识去分析和解决问题，这对于培养我的独立思考能力很有帮助。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的第一印象是它的“简明”二字做得很到位。我并不是半导体专业科班出身，之前对这块的了解可以说是一片空白，但又因为工作需要，不得不快速入门。在朋友的推荐下，我选择了这本《半导体物理学简明教程（第2版）》。事实证明，这个选择非常明智。作者的写作风格非常平易近人，语言通俗易懂，避免了过多的专业术语堆砌，即使是初学者也能很快理解。它不像某些入门书籍那样，上来就讲一堆晦涩难懂的公式和概念，而是从最基本的半导体概念讲起，一点一点地深入。我尤其喜欢书中的一些类比和比喻，它们将抽象的物理现象形象化，让我更容易将理论与实际联系起来。而且，它还在很多关键概念的讲解后，附带了相关的习题，这对于巩固学习成果非常有帮助。我试着做了几道，感觉题目设计得很巧妙，能够检验我对知识点的掌握程度，也让我能够发现自己理解上的盲点。

评分☆☆☆☆☆

作为一个在半导体行业摸爬滚打多年的工程师，我深知理论与实践相结合的重要性。有时候，即便是经验丰富的工程师，也会在面对一些新的问题时，需要回顾基础理论。《半导体物理学简明教程（第2版）》对我来说，就像一本“常备查阅手册”。虽然我早已过了学习基础知识的阶段，但每次重读，总能发现一些之前被忽略的细节，或者对某些概念有了更深层次的理解。这本书的优点在于，它没有为了追求“简明”而牺牲掉关键的物理细节，反而在“简明”的基础上，做得更加深入和透彻。我尤其欣赏它在讲解某些器件原理时，会追溯到其最根本的物理机制，这种层层剥离的讲解方式，对于理解现代复杂半导体器件的工作原理非常有启发。而且，这本书的更新迭代做得也很好，第二版相比第一版，肯定在内容上有所补充和完善，这一点对于快速发展的半导体行业来说尤为重要。

评分☆☆☆☆☆

我是一名正在准备考研的学子，半导体物理是我的重点科目之一。在选择复习资料时，我非常谨慎。《半导体物理学简明教程（第2版）》是我在众多教材中挑选出来的。这本书在学术严谨性上做得非常出色，它不仅涵盖了半导体物理学的核心概念，例如能带理论、载流子输运、PN结等，而且在内容的深度和广度上都恰到好处。对于一些复杂的高级概念，作者也处理得非常得当，能够让有一定基础的读者理解其精髓，又不至于让初学者望而却步。我注意到书中的插图质量非常高，很多示意图都非常精确，有助于我们理解复杂的物理过程。另外，我还在书的扉页看到作者的简介，感觉他对半导体领域有深入的研究和丰富的教学经验，这让我对这本书的专业性和权威性更加信任。我对这本书抱有很高的期望，相信它能为我的考研复习打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就给我一种非常扎实的感觉，不是那种花里胡哨的，而是沉甸甸的学术感。我当时在书店里翻了翻，排版清晰，图文并茂，而且很多公式的推导都写得非常详细，这对于我这种想深入理解半导体物理底层逻辑的人来说，简直是福音。我之前也看过一些其他版本的教材，有些讲得太过于理论化，离实际应用有点远，让我觉得学习起来有些枯燥。而这本《半导体物理学简明教程（第2版）》似乎在这方面做得很好，它在理论讲解的基础上，还穿插了不少与现代半导体器件和工艺相关的例子，让我能更直观地感受到这些理论知识的价值。虽然我还没有深入学习完，但从初步的浏览来看，这本书的知识体系构建得很完整，逻辑性也很强，每一章的内容都像是为下一章打下坚实基础，循序渐进，不会让人感到跳跃式学习的困难。我特别看重这一点，因为半导体物理本身就是一个非常庞杂的领域，如果知识点之间衔接不好，很容易让人迷失方向。