本書較全面地論述了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)。全書共13章，主要內(nèi)容為：半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)；雜質(zhì)和缺陷能級(jí)；載流子的統(tǒng)計(jì)分布；載流子的散射及電導(dǎo)問題；非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；pn結(jié)；金屬和半導(dǎo)體的接觸；半導(dǎo)體表面及MIS結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象和非晶態(tài)半導(dǎo)體。本書提供配套的教學(xué)大綱、電子課件PPT等教學(xué)資源。本書可作為高等學(xué)校集成電路科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生半導(dǎo)體物理等相關(guān)課程的教材，也可供相關(guān)專業(yè)的科技人員參考。
劉恩科，西安交通大學(xué)教授﹑博士生導(dǎo)師，一直從事教學(xué)及科研工作。對(duì)本科生講授過普通物理學(xué)、原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、半導(dǎo)體物理與器件、半導(dǎo)體器件工藝、半導(dǎo)體物理與工藝實(shí)驗(yàn)。對(duì)碩士生講授過太陽電池物理、半導(dǎo)體集成光學(xué)。對(duì)博士生講授過半導(dǎo)體光電子學(xué)和光集成等課程。
目 錄
第1章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1
1.1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)1
1.1.1 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵1
1.1.2 閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵2
1.1.3 纖鋅礦型結(jié)構(gòu)3
1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶4
1.2.1 原子的能級(jí)和晶體的能帶4
1.2.2 半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶6
1.2.3 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶10
1.3 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)———有效質(zhì)量11
1.3.1 半導(dǎo)體中E（k）與k的關(guān)系［3］ 11
1.3.2 半導(dǎo)體中電子的平均速度12
1.3.3 半導(dǎo)體中電子的加速度12
1.3.4 有效質(zhì)量的意義13
1.4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)———空穴［3］ 14
1.5 回旋共振［4］ 16
1.5.1 k空間等能面16
1.5.2 回旋共振18
1.6 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)19
1.6.1 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)19
1.6.2 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu)22
1.7�、�-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)［7］ 24
1.7.1 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu)24
1.7.2 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)［8］ 25
1.7.3 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu)25
1.7.4 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)25
★1.8�、�-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)26
★1.8.1 二元化合物的能帶結(jié)構(gòu)26
★1.8.2 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)27
★1.9 Si1－xGex合金的能帶27
★1.10 寬禁帶半導(dǎo)體材料29
★1.10.1 GaN、AlN的晶格結(jié)構(gòu)和能帶［18］ 30
★1.10.2 SiC的晶格結(jié)構(gòu)和能帶32
習(xí)題35
參考資料35
第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)37
2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)37
2.1.1 替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)37
2.1.2 施主雜質(zhì)、施主能級(jí)38
2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級(jí)39
2.1.4 淺能級(jí)雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算［2，3］ 41
2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用41
2.1.6 深能級(jí)雜質(zhì)42
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)45
★2.3 氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級(jí)50
2.4 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)52
2.4.1 點(diǎn)缺陷52
2.4.2 位錯(cuò)53
習(xí)題54
參考資料55
第3章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布56
3.1 狀態(tài)密度［1，2］ 56
3.1.1 k空間中量子態(tài)的分布56
3.1.2 狀態(tài)密度57
3.2 費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布59
3.2.1 費(fèi)米分布函數(shù)59
3.2.2 玻耳茲曼分布函數(shù)60
3.2.3 導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度61
3.2.4 載流子濃度乘積n0p0 64
3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度64
3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度67
3.4.1 雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴67
3.4.2 n型半導(dǎo)體的載流子濃度68
3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布76
3.6 簡并半導(dǎo)體［2，5］ 81
3.6.1 簡并半導(dǎo)體的載流子濃度81
3.6.2 簡并化條件82
3.6.3 低溫載流子凍析效應(yīng)83
3.6.4 禁帶變窄效應(yīng)85
3.7 電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的概率［2，6，7］ 86
3.7.1 電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)概率的討論86
3.7.2 求解統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)88
習(xí)題89
參考資料90
第4章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性92
4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率92
4.1.1 歐姆定律92
4.1.2 漂移速度和遷移率93
4.1.3 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率93
4.2 載流子的散射94
4.2.1 載流子散射的概念94
4.2.2 半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)［1］ 95
4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系102
4.3.1 平均自由時(shí)間和散射概率的關(guān)系102
4.3.2 電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時(shí)間的關(guān)系102
4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系104
4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系108
4.4.1 電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系108
4.4.2 電阻率隨溫度的變化110
★4.5 玻耳茲曼方程［11］、電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論110
★4.5.1 玻耳茲曼方程111
★4.5.2 弛豫時(shí)間近似112
★4.5.3 弱電場近似下玻耳茲曼方程的解113
★4.5.4 球形等能面半導(dǎo)體的電導(dǎo)率114
4.6 強(qiáng)電場下的效應(yīng)［12］、熱載流子115
4.6.1 歐姆定律的偏離115
★4.6.2 平均漂移速度與電場強(qiáng)度的關(guān)系116
★4.7 多能谷散射、耿氏效應(yīng)120
★4.7.1 多能谷散射、體內(nèi)負(fù)微分電導(dǎo)120
★4.7.2 高場疇區(qū)及耿氏振蕩122
習(xí)題123
參考資料125
第5章 非平衡載流子126
5.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合126
5.2 非平衡載流子的壽命127
5.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)129
5.4 復(fù)合理論130
5.4.1 直接復(fù)合131
5.4.2 間接復(fù)合132
5.4.3 表面復(fù)合137
5.4.4 俄歇復(fù)合139
5.5 陷阱效應(yīng)141
5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)143
5.7 載流子的漂移擴(kuò)散、愛因斯坦關(guān)系式147
5.8 連續(xù)性方程式149
5.9 硅的少數(shù)載流子壽命與擴(kuò)散長度153
習(xí)題154
參考資料155
第6章 pn結(jié)156
6.1 pn結(jié)及其能帶圖156
6.1.1 pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分布［13］ 156
6.1.2 空間電荷區(qū)157
6.1.3 pn結(jié)能帶圖158
6.1.4 pn結(jié)接觸電勢(shì)差159
6.1.5 pn結(jié)的載流子分布160
6.2 pn結(jié)電流-電壓特性161
6.2.1 非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)161
6.2.2 理想pn結(jié)模型及其電流-電壓方程［4］ 164
6.2.3 影響pn結(jié)電流-電壓特性偏離理想方程的各種因素［1，2，5］ 167
6.3 pn結(jié)電容［1，2，6］ 171
6.3.1 pn結(jié)電容的來源171
6.3.2 突變結(jié)的勢(shì)壘電容173
6.3.3 線性緩變結(jié)的勢(shì)壘電容177
6.3.4 擴(kuò)散電容180
6.4 pn結(jié)擊穿［1，2，8，9］ 181
6.4.1 雪崩擊穿181
6.4.2 隧道擊穿（齊納擊穿）［10］ 181
6.4.3 熱電擊穿183
6.5 pn結(jié)隧道效應(yīng)［1，10］ 183
習(xí)題186
參考資料186
第7章 金屬和半導(dǎo)體的接觸187
7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖187
7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)187
7.1.2 接觸電勢(shì)差188
7.1.3 表面態(tài)對(duì)接觸勢(shì)壘的影響190
7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論192
7.2.1 擴(kuò)散理論193
7.2.2 熱電子發(fā)射理論195
7.2.3 鏡像力和隧道效應(yīng)的影響197
7.2.4 肖特基勢(shì)壘二極管199
7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸200
7.3.1 少數(shù)載流子的注入200
7.3.2 歐姆接觸201
習(xí)題203
參考資料203
第8章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)204
8.1 表面態(tài)204
8.2 表面電場效應(yīng)［5，6］ 207
8.2.1 空間電荷層及表面勢(shì)207
8.2.2 表面空間電荷層的電場、電勢(shì)和電容209
8.3 MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性216
8.3.1 理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性［5，7］ 216
8.3.2 金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響［5］ 220
8.3.3 絕緣層中電荷對(duì)MIS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響［7］ 221
8.4 硅—二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)［7］ 223
8.4.1 二氧化硅層中的可動(dòng)離子［8］ 223
8.4.2 二氧化硅層中的固定表面電荷［7］ 225
8.4.3 在硅—二氧化硅界面處的快界面態(tài)［5］ 226
8.4.4 二氧化硅層中的電離陷阱電荷［7］ 228
8.5 表面電導(dǎo)及遷移率228
8.5.1 表面電導(dǎo)［1］ 228
8.5.2 表面載流子的有效遷移率229
★8.6 表面電場對(duì)pn結(jié)特性的影響［7］ 230
★8.6.1 表面電場作用下pn結(jié)的能帶圖230
★8.6.2 表面電場作用下pn結(jié)的反向電流232
★8.6.3 表面電場對(duì)pn結(jié)擊穿特性的影響234
★8.6.4 表面純化235
習(xí)題235
參考資料236
第9章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)237
9.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖［79］ 237
9.1.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖237
9.1.2 突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢(shì)差及勢(shì)壘區(qū)寬度243
9.1.3 突變反型異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘電容［48］ 245
9.1.4 突變同型異質(zhì)結(jié)的若干公式246
9.2 半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流-電壓特性及注入特性246
9.2.1 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流—電壓特性［7，17］ 247
9.2.2 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性［17］ 250
9.3 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)與特性252
9.3.1 半導(dǎo)體調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱252
9.3.2 雙異質(zhì)結(jié)間的單量子阱結(jié)構(gòu)254
9.3.3 雙勢(shì)壘單量子阱結(jié)構(gòu)及共振隧穿效應(yīng)［23］ 258
★9.4 半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)259
★9.4.1 應(yīng)變異質(zhì)結(jié)260
★9.4.2 應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)變層材料能帶的改性261
★9.5 GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)262
★9.5.1 GaN、AlGaN和InGaN的極化效應(yīng)262
★9.5.2 AlxGa1－xN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的形成264
★9.5.3 InxGa1－xN／GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)266
9.6 半導(dǎo)體超晶格267
習(xí)題270
參考資料271
第10章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象273
10.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)273
10.1.1 折射率和吸收系數(shù)273
10.1.2 反射系數(shù)和透射系數(shù)275
10.2 半導(dǎo)體的光吸收［1，2］ 276
10.2.1 本征吸收276
10.2.2 直接躍遷和間接躍遷277
10.2.3 其他吸收過程280
10.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)［6，7］ 283
10.3.1 附加電導(dǎo)率284
10.3.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程284
10.3.3 光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益286
10.3.4 復(fù)合和陷阱效應(yīng)對(duì)光電導(dǎo)的影響287
10.3.5 本征光電導(dǎo)的光譜分布288
10.3.6 雜質(zhì)光電導(dǎo)290
10.4 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)［8］ 290
10.4.1 pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)290
10.4.2 光電池的電流電壓特性291
10.5 半導(dǎo)體發(fā)光［9，10］ 292
10.5.1 輻射躍遷292
10.5.2 發(fā)光效率295
10.5.3 電致發(fā)光激發(fā)機(jī)構(gòu)296
10.6 半導(dǎo)體激光［1114］ 297
10.6.1 自發(fā)輻射和受激輻射297
10.6.2 分布反轉(zhuǎn)298
10.6.3 pn結(jié)激光器原理299
10.6.4 激光材料302
10.7 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用302
10.7.1 單異質(zhì)結(jié)激光器302
10.7.2 雙異質(zhì)結(jié)激光器303
10.7.3 大光學(xué)腔激光器304
習(xí)題304
參考資料305
第11章 半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)307
11.1 熱電效應(yīng)的一般描述307
11.1.1 塞貝克效應(yīng)307
11.1.2 珀耳帖效應(yīng)307
11.1.3 湯姆遜效應(yīng)308
11.1.4 塞貝克系數(shù)、珀耳帖系數(shù)和湯姆遜系數(shù)間的關(guān)系308
11.2 半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率310
11.2.1 一種載流子的熱力學(xué)溫度電動(dòng)勢(shì)率310
11.2.2 兩種載流子的溫差電動(dòng)勢(shì)率312
11.2.3 兩種材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率313
11.3 半導(dǎo)體的珀耳帖效應(yīng)314
11.4 半導(dǎo)體的湯姆遜效應(yīng)315
11.5 半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率316
11.5.1 載流子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)317
11.5.2 聲子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)［1］ 318
11.6 半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的應(yīng)用319
習(xí)題320
參考資料320
第12章 半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)321
12.1 霍耳效應(yīng)321
12.1.1 一種載流子的霍耳效應(yīng)321
12.1.2 載流子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)323
12.1.3 兩種載流子的霍耳效應(yīng)325
12.1.4 霍耳效應(yīng)的應(yīng)用327
12.2 磁阻效應(yīng)328
12.2.1 物理磁阻效應(yīng)328
12.2.2 幾何磁阻效應(yīng)330
12.2.3 磁阻效應(yīng)的應(yīng)用［8，9，10］331
★12.3 磁光效應(yīng)332
★12.3.1 朗道（Landau）能級(jí)［11］ 332
★12.3.2 帶間磁光吸收334
★12.4 量子化霍耳效應(yīng)335
12.5 熱磁效應(yīng)337
12.5.1 愛廷豪森效應(yīng)337
12.5.2 能斯脫效應(yīng)338
12.5.3 里吉—勒迪克效應(yīng)338
12.6 光磁電效應(yīng)339
12.6.1 光擴(kuò)散電勢(shì)差339
12.6.2 光磁電效應(yīng)［15］ 340
12.7 壓阻效應(yīng)342
12.7.1 壓阻系數(shù)343
12.7.2 液體靜壓強(qiáng)作用下的效應(yīng)345
12.7.3 單軸拉伸或壓縮下的效應(yīng)346
12.7.4 壓阻效應(yīng)的應(yīng)用348
習(xí)題349
參考資料350
第13章 非晶態(tài)半導(dǎo)體352
13.1 非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)352
13.2 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)［3］ 355
13.2.1 無序體系中電子態(tài)的定域化355
13.2.2 遷移率邊356
13.2.3 非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型357
13.2.4 非晶態(tài)半導(dǎo)體的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)358
13.3 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)359
13.3.1 四面體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷和隙態(tài)360
13.3.2 硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體的缺陷與缺陷定域態(tài)361
13.3.3�、糇逶胤蔷B(tài)半導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)364
13.4 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)365
13.4.1 非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理365
13.4.2 非晶態(tài)半導(dǎo)體的漂移遷移率368
13.4.3 非晶態(tài)半導(dǎo)體的彌散輸運(yùn)過程369
13.5 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的光學(xué)性質(zhì)371
13.5.1 非晶態(tài)半導(dǎo)體的光吸收371
13.5.2 非晶態(tài)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)373
13.6 a-Si：H 的pn結(jié)與金—半接觸特性375
參考資料376
附錄A 常用物理常數(shù)和能量表達(dá)變換表377
附錄B 半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)表378
附錄C 主要參數(shù)符號(hào)表384
參考文獻(xiàn)388
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