半導體物理學簡明教程 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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孟慶巨 等 著

圖書標籤:

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121226304

版次：01

商品編碼：11467062

包裝：平裝

叢書名： 電子科學與技術專業規劃教材

開本：16開

齣版時間：2014-06-01

頁數：240

正文語種：中文

內容簡介

本書以簡明的形式介紹瞭半導體的基本物理現象、物理性質、物理規律和基本理論。內容包括：晶體結構與晶體結閤、半導體中的電子狀態、載流子的統計分布、電荷輸運現象、非平衡載流子、半導體錶麵、PN結、金屬-半導體接觸、半導體的光學性質等。

作者簡介

孟慶巨，吉林大學電子工程學院教授，博士生導師，現在電子科技大學中山學院任教，教學督導，主要研究領域為電子科學與技術。

目錄

目 錄
第1章 晶體結構與晶體結閤 （1）
1．1 晶體結構 （2）
1．1．1 晶格和晶胞 （2）
1．1．2 原胞 原基矢量 晶格平移矢量 （4）
1．2 晶列與晶麵 （6）
1．2．1 晶嚮指數 （6）
1．2．2 晶麵指數 （7）
1．3 倒格子 （9）
1．4 晶體結閤 （10）
1．4．1 固體的結閤形式和化學鍵 （10）
1．4．2 離子結閤（離子鍵） （11）
1．4．3 共價結閤（共價鍵） （11）
1．4．4 金屬結閤（金屬鍵） （11）
1．4．5 範德瓦爾斯結閤（範德瓦爾斯鍵） （12）
1．5 典型半導體的晶體結構 （12）
1．5．1 金剛石型結構 （12）
1．5．2 閃鋅礦型結構 （14）
1．5．3 縴鋅礦型結構 （14）
思考題與習題 （14）
第2章 半導體中的電子狀態 （16）
2．1 周期性勢場 （16）
2．2 布洛赫（Bloch）定理 （17）
2．2．1 單電子近似 （17）
2．2．2 布洛赫定理 （18）
2．2．3 布裏淵區 （19）
2．3 周期性邊界條件（玻恩馮-卡曼Born．von-Karman邊界條件） （21）
2．4 能帶 （24）
2．4．1 周期性勢場中電子的能量譜值 （24）
2．4．2 能帶圖及其畫法 （26）
2．5 外力作用下電子的加速度 有效質量 （28）
2．5．1 外力作用下電子運動狀態的改變 （29）
2．5．2 有效質量 （31）
2．6 等能麵、主軸坐標係 （35）
2．7 金屬、半導體和絕緣體的區彆 （36）
2．8 導帶電子和價帶空穴 （38）
2．9 矽、鍺、砷化鎵的能帶結構 （40）
2．9．1 導帶能帶圖 （40）
2．9．2 價帶能帶圖 （41）
2．10 半導體中的雜質和雜質能級 （43）
2．10．1 替位式雜質和間隙式雜質 （43）
2．10．2 施主雜質和施主能級 N型半導體 （44）
2．10．3 受主雜質和受主能級 P型半導體 （44）
2．10．4 III-V族化閤物中的雜質能級 （45）
2．10．5 等電子雜質 等電子陷阱 （46）
2．11 類氫模型 （47）
2．12 深能級 （48）
2．13 缺陷能級 （50）
2．14 寬禁帶半導體的自補償效應 （50）
思考題與習題 （51）
第3章 載流子的統計分布 （53）
3．1 能態密度 （53）
3．1．1 導帶能態密度 （53）
3．1．2 價帶能態密度 （54）
3．2 分布函數 （55）
3．2．1 費米-狄拉剋(Fermi-Dirac)分布與費米能級 （55）
3．2．2 玻耳茲曼分布 （56）
3．3 能帶中的載流子濃度 （58）
3．3．1 導帶電子濃度 （58）
3．3．2 價帶空穴濃度 （59）
3．4 本徵半導體 （61）
3．5 雜質半導體中的載流子濃度 （64）
3．5．1 雜質能級上的載流子濃度 （64）
3．5．2 N型半導體 （65）
3．5．3 P型半導體 （66）
3．6 雜質補償半導體 （68）
3．7 簡並半導體 （70）
3．7．1 簡並半導體雜質能級和能帶的變化 （70）
3．7．2 簡並半導體的載流子濃度 （71）
思考題與習題 （72）
第4章 電荷輸運現象 （74）
4．1 格波與聲子 （74）
4．1．1 格波 （74）
4．1．2 聲子 （76）
4．2 載流子的散射 （77）
4．2．1 平均自由時間與弛豫時間 （78）
4．2．2 散射機構 （79）
4．3 漂移運動 遷移率 電導率 （81）
4．3．1 平均漂移速度與遷移率 （81）
4．3．2 漂移電流 電導率 （84）
4．4 多能榖情況下的電導現象 （86）
4．5 電流密度和電流 （89）
4．5．1 擴散流密度與擴散電流 （89）
4．5．2 漂移流密度與漂移電流 （89）
4．5．3 電流密度與電流 （90）
4．6 非均勻半導體中的內建電場 （90）
4．6．1 半導體中的靜電場和勢 （90）
4．6．2 愛因斯坦關係 （91）
4．6．3 非均勻半導體中的內建電場 （92）
4．7 霍爾（Hall）效應 （94）
4．7．1 霍爾係數 （95）
4．7．2 霍爾角 （96）
思考題與習題 （98）
第5章 非平衡載流子 （100）
5．1 非平衡載流子的産生與復閤 （100）
5．1．1 非平衡載流子的産生 （100）
5．1．2 非平衡載流子的復閤 （101）
5．1．3 非平衡載流子的壽命 （102）
5．2 直接復閤 （104）
5．3 通過復閤中心的復閤 （106）
5．3．1 載流子通過復閤中心的産生和復閤過程 （106）
5．3．2 淨復閤率 （107）
5．3．3 小信號壽命公式―肖剋利-瑞德公式 （108）
5．3．4 金在矽中的復閤作用 （109）
5．4 錶麵復閤和錶麵復閤速度 （111）
5．5 陷阱效應 （112）
5．6 準費米能級 （113）
5．6．1　準費米能級 （113）
5．6．2　修正歐姆定律 （114）
5．7 連續性方程 （115）
5．8 電中性條件 介電弛豫時間 （118）
5．9 擴散長度與擴散速度 （119）
5．10 半導體中的基本控製方程 （122）
思考題與習題 （122）
第6章 半導體錶麵 （124）
6．1 錶麵態和錶麵空間電荷區 （124）
6．2 錶麵電場效應 （125）
6．2．1 錶麵空間電荷區的形成 （125）
6．2．2 錶麵勢與能帶彎麯 （126）
6．3 載流子積纍、耗盡和反型 （127）
6．3．1 載流子積纍 （128）
6．3．2 載流子耗盡 （128）
6．3．3 載流子反型 （129）
6．4 理想MOS電容 （133）
6．5 實際MOS電容的C-V特性 （139）
6．5．1 功函數差的影響 （139）
6．5．2 界麵陷阱和氧化物電荷的影響 （141）
6．5．3 實際MOS的C-V麯綫和閾值電壓 （143）
思考題與習題 （144）
第7章 PN結 （146）
7．1 熱平衡PN結 （148）
7．1．1 PN結空間電荷區 （148）
7．1．2 電場分布與電勢分布 （149）
7．2 偏壓PN結 （153）
7．2．1　PN結的單嚮導電性 （153）
7．2．2 少數載流子的注入與輸運 （154）
7．3 理想PN結二極管的直流電流-電壓（I-V）特性 （157）
7．4 空間電荷區復閤電流和産生電流 （162）
7．4．1 正偏復閤電流 （162）
7．4．2 反偏産生電流 （163）
7．5　隧道電流 （164）
7．6 PN結電容 （165）
7．6．1 耗盡層電容 （166）
7．6．2 擴散電容 （167）
7．7 PＮ結擊穿 （170）
7．8 異質結 （172）
7．8．1 熱平衡異質結 （172）
7．8．2 加偏壓的異質結 （174）
思考題與習題 （175）
第8章 金屬-半導體接觸 （178）
8．1 理想的金屬-半導體整流接觸 肖特基勢壘 （178）
8．2 界麵態對勢壘高度的影響 （182）
8．3 歐姆接觸 （183）
8．4 鏡像力對勢壘高度的影響―肖特基效應 （184）
8．5 理想肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性 （186）
思考題與習題 （189）
第9章 半導體的光學性質 （191）
9．1 半導體的光學常數 （191）
9．2 本徵吸收 （192）
9．2．1 直接躍遷 （193）
9．2．2 間接躍遷 （195）
9．3 激子吸收 （197）
9．4 其他光吸收過程 （198）
9．4．1 自由載流子吸收 （198）
9．4．2 雜質吸收 （199）
9．5 PN結的光生伏打效應 （200）
9．6 半導體發光 （202）
9．6．1 直接輻射復閤 （202）
9．6．2 間接輻射復閤 （203）
9．6．3 淺能級和主帶之間的復閤 （204）
9．6．4 施主-受主對（D-A對）復閤 （204）
9．6．5 通過深能級的復閤 （205）
9．6．6 激子復閤 （205）
9．6．7 等電子陷阱復閤 （205）
9．7 非輻射復閤 （207）
9．7．1 多聲子躍遷 （208）
9．7．2 俄歇（Auger）過程 （208）
9．7．3 錶麵復閤 （209）
9．8 發光二極管（LED） （209）
9．9 高效率的半導體發光材料 （211）
思考題與習題 （211）
模擬試捲（一） （213）
模擬試捲（二） （214）
模擬試捲（三） （216）
附錄A 單位製、單位換算和通用常數 （224）
附錄B 半導體材料物理性質錶 （225）
參考文獻

前言/序言

《光電效應與量子器件基礎》 內容概要： 本書深入探討瞭光與物質相互作用的基礎物理原理，重點闡述瞭光電效應的微觀機製、理論模型及其在現代電子學和光學器件中的應用。全書結構嚴謹，邏輯清晰，旨在為讀者建立一個堅實的理論框架，並引導他們理解當前光電器件前沿技術的發展方嚮。 第一章：電磁波與物質的相互作用基礎 本章首先迴顧瞭經典電磁場理論，重點介紹瞭光的波動性質，包括光的傳播、反射和摺射定律。隨後，引入瞭光與物質相互作用的量子化概念，初步探討瞭光子模型。我們將詳細分析光在介質中傳播時的吸收、散射和輻射過程，為後續章節深入討論光電效應打下基礎。本章內容強調瞭電磁波的能流密度和動量特性，並引入瞭玻爾茲摩爾茲曼分布在描述熱平衡狀態下光子數密度中的應用。我們還將討論等離子體中光的行為，為理解半導體等載流子密集係統的光學特性做鋪墊。 第二章：光電效應的量子力學詮釋 本章是全書的核心之一，聚焦於愛因斯坦光電效應的精確理論描述。我們將從愛因斯坦的經驗定律齣發，結閤普朗剋的量子假設，推導齣光電子的能量分布方程。隨後，引入費米能級（Fermi Level）的概念，並結閤能帶理論，詳盡分析瞭光子如何激發價帶電子躍遷至導帶，産生光生載流子對。本章將詳細區分光電發射（Photoemission）和光電導（Photoconductivity）的物理機製，並討論光電流的飽和現象和閾值頻率。我們還將分析不同金屬材料的功函數（Work Function）對光電響應的影響，並探討接觸電位差在光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）工作原理中的關鍵作用。 第三章：半導體能帶結構與光學躍遷 為瞭更深入地理解光電器件，本章將聚焦於晶體材料的能帶理論。我們將復習布洛赫定理和周期性邊界條件，推導有效質量的概念。重點分析直接帶隙（Direct Bandgap）和間接帶隙（Indirect Bandgap）半導體的能帶結構差異，及其對光吸收和光發射效率的決定性影響。本章詳細闡述瞭電子在能帶中垂直躍遷和非垂直躍遷的概率計算，並引入瞭微擾理論來量化光子誘導躍遷的強度。此外，我們將討論晶格振動（聲子）在間接帶隙材料中對光吸收過程的輔助作用，包括吸收和發射過程中動量守恒的實現方式。本章還會涉及吸收係數（Absorption Coefficient）的頻率依賴性，以及它如何決定器件的有效吸收深度。 第四章：光伏效應與太陽能電池基礎 本章將光電效應的應用拓展至能源領域，詳細剖析瞭光伏效應（Photovoltaic Effect）的物理機製。我們將從P-N結的構建開始，分析內建電場（Built-in Electric Field）的形成及其在分離光生載流子中的核心作用。本章將建立一個基礎的光伏模型，推導開路電壓（$V_{oc}$）、短路電流密度（$J_{sc}$）和填充因子（Fill Factor, FF）的錶達式。對於實際太陽能電池，本章將深入討論復閤機製（復閤、俄歇復閤等），並分析這些機製如何限製開路電壓的提升。此外，還將介紹不同類型的太陽能電池結構，如背接觸電池（IBC）和疊層電池（Tandem Cells），並評估其性能指標，如效率的極限（Shockley-Queisser Limit）。 第五章：光電探測器：從光電二極管到雪崩光電二極管 本章係統地介紹瞭基於光電效應的各類光探測器件。首先討論簡單的光電二極管（Photodiode），分析其響應速度、噪聲特性和量子效率（Quantum Efficiency, QE）。隨後，重點深入研究雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode, APD），詳細闡述載流子倍增效應（Impact Ionization）的物理過程，並建立倍增因子M的理論模型。我們將分析雪崩倍增帶來的增益，以及與之相伴的噪聲（如散粒噪聲）的增加。本章還涵蓋瞭PIN光電二極管的結構優勢，尤其是在高速通信中的應用，以及如何通過優化吸收層厚度和漂移層設計來平衡響應速度和量子效率。 第六章：發光二極管（LED）與光通信中的電緻發光 本章轉嚮電緻發光現象，聚焦於LED的工作原理。我們將從載流子的注入、復閤和輻射躍遷過程進行分析。詳細討論瞭PN結反嚮偏置與正嚮偏置下輻射復閤的差異。重點分析瞭材料選擇對發光顔色和效率的影響，特彆是直接帶隙半導體（如GaAs, GaN）在高效發光中的核心地位。本章將引入復閤速率方程，區分輻射復閤和非輻射復閤對發光效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）的貢獻。最後，本章將討論LED的串聯電阻、熱效應以及如何通過調製電流驅動LED以實現光通信中的信息傳輸。 第七章：光電導現象與傳感器應用 本章專門討論光電導效應，即光照引起材料電導率增加的現象。我們將從能帶角度解釋光生載流子對的産生和傳輸，推導光電導增益的來源，特彆是對於具有較長載流子壽命的材料。本章詳細介紹瞭硫化鎘（CdS）等材料在光敏電阻（LDR）中的應用，並分析瞭LDR的非綫性特性和遲滯現象。在傳感器應用方麵，本章將討論光電導材料在圖像傳感器（如CCD和CMOS的前身模型）中的作用，以及如何利用其光照敏感性設計環境光傳感器和光開關。 第八章：高級光電效應：載流子輸運與熱載流子 本章探索瞭更復雜的載流子輸運過程和高能光子效應。我們將討論載流子在強電場下的非平衡輸運，包括漂移速度的飽和現象。隨後，引入熱載流子（Hot Carriers）的概念，分析高能光子激發産生的載流子如何通過弛豫過程將能量傳遞給晶格（聲子）。本章還將探討載流子溫度（Carrier Temperature）的概念，以及它對器件光譜響應和電壓-電流特性的影響。最後，對光電導材料中的陷阱態（Trap States）和錶麵態如何捕獲載流子，從而影響器件的響應速度和穩定性進行瞭深入探討。 全書的理論推導力求嚴謹，並在關鍵概念處配有詳盡的物理圖像解釋，旨在為讀者提供一個全麵、深入且注重實踐的現代光電物理學基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和細節處理體現瞭齣版方對讀者的尊重。紙張的質感很好，不易反光，長時間閱讀後眼睛的疲勞感明顯減輕。更重要的是，公式的編號和引用係統做得非常規範，這在查閱特定公式或前後關聯的推導步驟時，提供瞭極大的便利。很多技術書籍的公式經常寫得密密麻麻，或者符號定義前後不一緻，極大地乾擾瞭閱讀節奏。但此書的公式排版清晰，關鍵符號都有明確的界定，這使得迴顧和自學過程異常順暢。此外，書後附帶的習題設計也極具匠心。它們並非簡單的數字代入題，而是巧妙地結閤瞭理論推導和工程應用場景，迫使讀者必須真正理解背後的物理意義纔能得齣正確答案。完成這些習題後，那種豁然開朗的感覺，遠勝於死記硬背公式本身，這本書真正做到瞭學以緻用。

評分☆☆☆☆☆

這本書簡直是為那些想踏入半導體理論殿堂卻又被傳統教科書的艱深晦澀嚇退的人量身定做的。我剛拿到手的時候，心裏其實是忐忑的，因為我對量子力學和固體物理的背景知識不算紮實，很多復雜的數學推導和抽象概念總是讓我望而卻步。然而，這本教材的開篇就給瞭我極大的信心。它沒有上來就拋齣一堆復雜的晶格振動或布洛赫定理，而是非常巧妙地從宏觀現象入手，比如電阻率隨溫度的變化，然後逐步引入能帶理論的必要性。作者的敘述邏輯極其清晰，仿佛有一位經驗豐富、耐心十足的導師在你身邊，一步步引導你剝開問題的本質。尤其是對費米能級概念的闡述，簡直達到瞭化繁為簡的境界。它用類比的方式，將一個原本抽象的量子統計概念，描繪成一個清晰的“能量分界綫”，讓我一下子就抓住瞭核心。對於初學者來說，這種由淺入深、注重物理圖像構建的教學方法，遠比那些上來就堆砌公式的教材有效得多。這本書真正做到瞭“簡明”，它在保持科學嚴謹性的同時，極大地降低瞭初學者的入門門檻，讓人在閱讀過程中充滿探索的樂趣，而不是挫敗感。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格我個人非常欣賞，它有一種老派學者特有的沉穩和精確，但又完全沒有那種故作高深的架子。行文流暢自然，雖然是技術性很強的材料，但讀起來並不覺得枯燥乏味。它似乎預料到瞭讀者可能在哪些地方産生睏惑，並提前在腳注或者旁白中給齣瞭額外的解釋或者曆史背景。舉個例子，在討論晶體管的載流子注入和復閤機製時，作者不僅給齣瞭速率方程，還穿插瞭對早期肖特基等前輩在這一領域探索的簡短迴顧。這種“有血有肉”的敘述方式，讓冰冷的物理定律變得生動起來，仿佛能感受到科學發展過程中的那些“啊哈！”時刻。對於想要將半導體物理學作為自己研究領域的人來說，這種對知識體係的宏觀把握和對曆史脈絡的尊重是至關重要的。它教給我的不僅僅是公式，更是一種嚴謹的科學態度和深入探究的精神。

評分☆☆☆☆☆

相對而言，這本書在某些前沿交叉領域的覆蓋上略顯保守，這或許是其“簡明”定位帶來的必然取捨。它非常紮實地鞏固瞭經典半導體物理的核心知識，包括MOSFET的基本操作理論、雙極性晶體管的Ebers-Moll模型等，這些內容無疑是絕對精髓。然而，如果你期待看到關於新型二維材料（比如石墨烯、過渡金屬硫化物）的載流子行為，或者深度探討量子點、納米結構中的量子限製效應，那麼這本書可能無法提供足夠深入的分析。它更像是一份堅實的地基藍圖，而不是一棟高聳入雲的摩天大樓的全景圖。不過，從教學的角度來看，這種聚焦是明智的。它確保瞭讀者在沒有被太多新穎但復雜的前沿概念分散注意力的情況下，先掌握好那套“不變的”基礎理論框架。在我看來，隻有打下瞭極其牢固的傳統矽基半導體基礎，纔能更有效率地去理解那些新興材料帶來的新挑戰和新機遇。

評分☆☆☆☆☆

我必須得說，這本書在講解半導體器件工作原理的部分，展現瞭極高的工程實用價值。很多理論書要麼過於偏重基礎物理的推導，對實際應用一帶而過；要麼就是純粹的器件手冊，缺乏對底層物理機製的深入剖析。而這本教材完美地找到瞭那個平衡點。它詳細地分析瞭PN結的形成過程，從能帶彎麯到內建電場的建立，每一個細節都交代得非常透徹。更讓我印象深刻的是，作者在講解載流子輸運機製時，將漂移和擴散現象結閤在瞭一起，並清晰地展示瞭它們在不同偏置電壓下的相對貢獻。讀完這部分內容，我感覺自己像是第一次真正“看到”瞭晶體管內部是如何運作的，而不是僅僅停留在“它是一個開關”的錶層認知上。書中配有的插圖質量非常高，特彆是那些能帶圖和電流密度矢量圖，簡直是教科書級彆的範例，極大地輔助瞭空間想象力的構建。對於一個正在進行畢業設計或者剛接觸集成電路設計的人來說，這種將物理原理與器件性能直接掛鈎的講解方式，無疑是效率最高的學習路徑。

評分☆☆☆☆☆

不錯，活動時買的，京東圖書活動一如既往給力。

評分☆☆☆☆☆

經典教材！！！！！！

評分☆☆☆☆☆

好

評分☆☆☆☆☆

質量很好，第二次買瞭，很不錯。

評分☆☆☆☆☆

經典教材！！！！！！

評分☆☆☆☆☆

不錯，活動時買的，京東圖書活動一如既往給力。

評分☆☆☆☆☆

好

評分☆☆☆☆☆

好

評分☆☆☆☆☆

好