前　　言

宗旨與目標(biāo)
出版本書第四版的目的在于將有關(guān)半導(dǎo)體器件的特性、工作原理及其局限性的基礎(chǔ)知識介紹給讀者。要想更好地理解這些基礎(chǔ)知識，就必須對半導(dǎo)體材料物理知識進(jìn)行全面的了解。本書有意將量子力學(xué)、固體量子理論、半導(dǎo)體材料物理和半導(dǎo)體器件物理綜合在一起，因為所有這些理論對了解當(dāng)今半導(dǎo)體器件的工作原理及其未來的發(fā)展是非常重要的。
在這本教科書中所包含的物理知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了許多半導(dǎo)體器件入門書籍中所涵蓋的內(nèi)容。盡管本書覆蓋面很廣，但作者堅信：一旦透徹理解了這些入門知識和材料物理知識，那么對半導(dǎo)體器件物理的理解就會水到渠成，而且會理解得更快，學(xué)習(xí)效率更高。本書對基礎(chǔ)物理知識的不惜篇幅，將有助于讀者更好地理解甚至可能開發(fā)出新型的半導(dǎo)體器件。
既然本書的目的在于為讀者奉獻(xiàn)一部有關(guān)半導(dǎo)體器件理論的入門書籍，因此許多深奧的理論并未涉及，同時也未對半導(dǎo)體的制造工藝做仔細(xì)描述。雖然本書對諸如擴散和離子注入等制造工藝有所涉獵并進(jìn)行了一般性討論，但僅局限于那些對器件特性有直接影響的工藝和場合。
預(yù)備知識
由于本書針對的是電氣工程領(lǐng)域大學(xué)三年級和大學(xué)大四級的學(xué)生，因此假設(shè)讀者已經(jīng)掌握了微分方程、大學(xué)物理和電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識。當(dāng)然，了解現(xiàn)代物理知識更好，但這并不必需。預(yù)先修完電子線路基礎(chǔ)課程對閱讀本書會更有幫助。
章節(jié)安排
本書分為三部分：第一部分介紹量子力學(xué)初步知識和半導(dǎo)體材料物理；第二部分介紹半導(dǎo)體器件物理的基本知識；第三部分介紹專用半導(dǎo)體器件，包括光器件、微波器件和功率器件。
第一部分包括第1章至第6章。第1章先從固體晶格結(jié)構(gòu)開始，然后過渡到理想單晶半導(dǎo)體材料。第2章和第3章介紹量子力學(xué)和固體量子理論，這些都是必須掌握的基礎(chǔ)物理知識。第4章到第6章覆蓋了半導(dǎo)體材料物理知識。其中，第4章討論熱平衡半導(dǎo)體物理，第5章討論半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子輸運現(xiàn)象。非平衡過剩載流子是第6章的主要內(nèi)容，理解半導(dǎo)體中的過剩載流子行為對于理解器件物理至關(guān)重要。
第二部分包括第7章到第13章。第7章主要討論pn結(jié)電子學(xué)；第8章討論pn結(jié)電流-電壓特性；第9章討論整流及非整流金屬半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)；第10章和第11章闡述MOS場效應(yīng)晶體管理論；第12章探討雙極型晶體管；第13章闡述結(jié)型場效應(yīng)管。在詳盡介紹pn結(jié)理論后，關(guān)于這三種基本晶體管類型的章節(jié)，讀者可不必按順序閱讀，因為這些章節(jié)彼此之間是相互獨立的。
第三部分包括第14章和第15章。第14章介紹光器件，如太陽能電池和發(fā)光二極管；第15章介紹半導(dǎo)體微波器件和半導(dǎo)體功率器件。
本書末尾是8個附錄。附錄A是符號列表，以幫助讀者了解各種符號及其含義。附錄B包含單位轉(zhuǎn)換表與常數(shù)表。附錄H 給出了部分習(xí)題的答案，有助于學(xué)生檢查自身的學(xué)習(xí)情況。
使用說明
本書可作為本科生第三學(xué)期或第四學(xué)期一個學(xué)期的教材。和許多課本一樣，本書的內(nèi)容不可能在一個學(xué)期內(nèi)全部講授完。這就給授課老師提供了一定的自由空間，授課老師可根據(jù)教學(xué)目的對教材內(nèi)容進(jìn)行取舍。下文給出了兩種可供選擇的安排，但本書不是百科全書。對于可以略過而又不會影響全書連貫性的章節(jié)，我們在目錄和對應(yīng)章節(jié)中用*號予以標(biāo)記。這些章節(jié)盡管在半導(dǎo)體器件物理的發(fā)展中很重要，但可以推遲講授。新墨西哥大學(xué)電子工程專業(yè)大三學(xué)生的一門課程廣泛使用了本書中的材料。建議用略小于半個學(xué)期的時間學(xué)習(xí)前六章；剩余的時間用于學(xué)習(xí)pn結(jié)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管。其他的一些主題可考慮在學(xué)期末學(xué)習(xí)。
盡管MOS晶體管先于雙極型晶體管或結(jié)型場效應(yīng)晶體管闡述，但描述三種基本晶體管類型之一的各個章節(jié)都是彼此獨立的，任何一種類型都可以先講。
注意事項
本書引入了有關(guān)半導(dǎo)體材料和器件物理等理論知識。雖然許多電子工程系的學(xué)生更樂于制作電子電路和計算機編程，而不是去學(xué)習(xí)有關(guān)半導(dǎo)體器件的理論，但是本書的內(nèi)容對于理解諸如微處理器等電子器件的局限性是至關(guān)重要的。
數(shù)學(xué)的應(yīng)用貫穿全書，這看起來很枯燥，但最后的結(jié)論是其他手段無法獲得。盡管有些描述工藝的數(shù)學(xué)模型看起來很抽象，但它們描述和預(yù)言物理過程方向的能力已完全經(jīng)受住了時間的考驗。
作者鼓勵讀者經(jīng)常研讀每一章的開始部分，以便深刻領(lǐng)會每章或每個主題的目的。這種不斷的復(fù)習(xí)對學(xué)習(xí)前五章尤為重要，因為它們講述的是基礎(chǔ)物理知識。
還應(yīng)注意的是，盡管有些章節(jié)可以略過且不會影響連貫性，但有些教師還是會選擇這些章節(jié)。因此，標(biāo)*號的章節(jié)并不意味著不重要。
有些問題可能到課程結(jié)束時也得不到解答，理解這一點也很重要。雖然作者不喜歡它可以這樣講之類的說法，但書中有些概念的推導(dǎo)確實超出了本書的范圍。本書對這一科目僅具導(dǎo)論性質(zhì)。對那些修完課程后還沒有解決的問題，我們鼓勵讀者記下這些問題，或許在后續(xù)課程中這些問題就能得到解答。
教學(xué)順序
對于教學(xué)順序，每位教師都有自己的選擇，但通常有兩種方案。第一種方案稱為MOSFET方案，是在講授雙極型晶體管之前講授MOS晶體管。讀者會注意到本書中的MOSFET內(nèi)容放到了pn 結(jié)二極管之后的第10章和第11章。
第二種方案稱為雙極型方案，也稱為傳統(tǒng)方案，是在討論pn結(jié)二極管后立即介紹雙極型晶體管。由于MOSFET 留在學(xué)期末講授，因此到時可能沒有足夠的時間來講授這一重要主題。
遺憾的是，由于時間限制，將每一章中的所有內(nèi)容在一個學(xué)期內(nèi)都講完是不可能的。余下的內(nèi)容可以留到下一個學(xué)期講授或留給讀者自學(xué)。
MOSFET 方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學(xué)和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運現(xiàn)象
第6章非平衡過剩載流子選講
第7章pn結(jié)
第10章、第11章MOS晶體管
第8章pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡介
第12章雙極型晶體管，其他選講內(nèi)容

雙極型方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學(xué)和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運現(xiàn)象
第6章非平衡態(tài)特性選講
第7章、第8章pn結(jié)和pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡介
第12章雙極型晶體管
第10章、第11章MOS晶體管，其他選講內(nèi)容

第四版新內(nèi)容
排列順序：關(guān)于MOSFET的兩章移到了雙極型晶體管一章的前面。這一改變強調(diào)了MOS晶體管的重要性。
半導(dǎo)體微波器件：第15章中添加了一小節(jié)關(guān)于三種專用半導(dǎo)體微波器件的內(nèi)容。
新附錄：添加了關(guān)于有效質(zhì)量概念的附錄F。教材的許多計算中使用了兩個有效質(zhì)量。該附錄給出了每種有效質(zhì)量的理論知識，并討論了何時在特定計算中使用哪一種有效質(zhì)量。
預(yù)習(xí)小節(jié)：每章以簡介開始，然后以項目列表的形式給出預(yù)習(xí)內(nèi)容。每個預(yù)習(xí)項均給出了該章的一個特殊目標(biāo)。
練習(xí)題：添加了超過100道練習(xí)題，每道例題后面均提供一道練習(xí)題。練習(xí)題類似于例題，以便讀者即時測試對剛講內(nèi)容的理解程度。每道練習(xí)題均提供有答案。
測試?yán)斫忸}：每章主要小節(jié)末尾添加了約40%的新測試?yán)斫忸}。通常，這些練習(xí)題比每個例題后的練習(xí)題更全面。這些習(xí)題將有助于讀者在學(xué)習(xí)新內(nèi)容前理解所學(xué)內(nèi)容。
章末習(xí)題：添加了330多道章尾習(xí)題，即這一版中有約48%的章末習(xí)題是全新的。
第四版特色
數(shù)學(xué)知識更為嚴(yán)密：保留了清晰理解半導(dǎo)體材料和器件物理基本數(shù)學(xué)知識的嚴(yán)密性。
例題：書中列舉了大量的例子來強化涉及的理論概念，這種做法貫穿全書。這些例子覆蓋了所有分析和設(shè)計的細(xì)節(jié)，因此讀者不必自行補充其忽略的步驟。
小結(jié)：每一章的末尾提供了小結(jié)部分，它總結(jié)了該章得出的結(jié)論并復(fù)習(xí)所描述的基本概念。
重要術(shù)語解釋：每章的小結(jié)之后列出了重要術(shù)語解釋，這部分定義并總結(jié)了該章所討論的重要術(shù)語。
知識點：指出了學(xué)習(xí)該章應(yīng)該達(dá)到的目的及讀者應(yīng)該獲得的能力。在轉(zhuǎn)到后續(xù)章節(jié)前，這些知識可以用來幫助評估學(xué)習(xí)的進(jìn)展。
復(fù)習(xí)題：每章末有一系列復(fù)習(xí)題，可用于自測，以讓讀者了解自己對該章概念的掌握程度。
章末習(xí)題：按照每章中專題出現(xiàn)的順序，給出了大量的習(xí)題。
小結(jié)和復(fù)習(xí)題：小結(jié)和復(fù)習(xí)節(jié)中的一些習(xí)題是開放式的設(shè)計習(xí)題，在多數(shù)章的末尾給出。
參考文獻(xiàn)：每章后都附有參考文獻(xiàn)，其中那些難度高于本書的參考書用星號標(biāo)明。
部分習(xí)題答案：最后的附錄給出了部分習(xí)題的答案。了解答案會有助于解題。
聯(lián)機資源
本書的配套網(wǎng)站為www.mhhe.com/neamen。網(wǎng)站上包含有適用于教師的習(xí)題解答手冊和圖像庫。教師也可以訪問這一版本的完整聯(lián)機解答手冊組織系統(tǒng)，以生成試題并布置作業(yè)、生成定制內(nèi)容、編輯提供的習(xí)題和解答。
致謝
幾年來，我的許多學(xué)生幫助我改進(jìn)了本書的第四版，當(dāng)然也包括前幾版。在此，對他們的工作表示衷心的感謝，感謝他們的熱情與建設(shè)性的批評。
感謝McGraw-Hill公司的許多員工，感謝他們的大力支持。特別要感謝策劃編輯Peter Massart 和責(zé)任編輯Lora Neyens，感謝他們的鼓勵、支持和對細(xì)節(jié)的關(guān)注。還要感謝項目經(jīng)理們在本書出版的最后階段提供的指導(dǎo)。
感謝那些審讀過本書前三版手稿并提出過建設(shè)性意見的所有人員，還要感謝那樣仔細(xì)校對新習(xí)題解答的人員。最后，感謝本書新版本出版前審閱過本書的人員，他們的貢獻(xiàn)和建議對于提升本書很有價值。
第四版的審閱人員
特別感謝如下審閱人員對本書第四版提出的建設(shè)性意見與建議：
Sandra Selmic，路易斯安那工學(xué)院
Terence Brown，密歇根州立大學(xué)
Timothy Wilson，俄克拉荷馬州立大學(xué)
Lili He，圣何塞州立大學(xué)
Michael Stroscio，伊利諾伊-芝加哥大學(xué)
Andrei Sazonov，滑鐵盧大學(xué)

緒論　半導(dǎo)體和集成電路

我們經(jīng)常聽說我們生活在信息時代。譬如，我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)從千里之外獲得大量信息，而正是基于數(shù)字與模擬電子系統(tǒng)的信息技術(shù)和晶體管與集成電路（IC）的發(fā)展使之成為可能。IC產(chǎn)品已滲透到我們?nèi)粘Ｉ�活的每一個方面，包括CD播放器、傳真機、零售店的激光掃描儀和移動電話在內(nèi)的電子設(shè)備，均要使用IC。IC技術(shù)最明顯的例子之一是數(shù)字計算機，與幾