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半導(dǎo)體物理學(xué)(第7版)
本書以正確闡述物理概念為主,輔以必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo),理論分析有一定深度,但又不是把基本物理概念淹沒在繁瑣的數(shù)學(xué)運算中,使讀者通過學(xué)習(xí),達到對半導(dǎo)體中的各種基本物理現(xiàn)象有一全面正確的概念,建立起清晰的半導(dǎo)體物理圖像,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí),研究工作的開展,理解各種半導(dǎo)體器件,集成電路的工作機理打下良好的基礎(chǔ)。
再版前言 本教材第1版于1979年12月由國防工業(yè)出版社出版。以后,被推薦列入原電子工業(yè)部教材辦公室組織編導(dǎo)的19821985年、19861990年、19911995年年度的高等學(xué)校工科電子類專業(yè)教材編審出版規(guī)劃,并由《電子材料與固體器件》教材編審委員會《半導(dǎo)體物理與器件》編審組負責(zé)編審、推薦出版。此后,再次被推薦為國家級重點教材,并列入電子工業(yè)部的19962000年全國電子信息類專業(yè)教材編審出版規(guī)劃,由微電子技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會負責(zé)編審、推薦出版。2006年納入普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材,修訂出版。2012年入圍十二五普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材,2014年被教育部評選為普通高等教育精品教材。 按照各次教材規(guī)劃的要求,本教材第2版于1984年5月由上?茖W(xué)技術(shù)出版社出版,并于1987年12月獲電子工業(yè)部19771985年年度工科電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎,1988年1月獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎。第3版于1989年5月由國防工業(yè)出版社出版,并于1992年1月獲第二屆機械電子工業(yè)部電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎,1992年11月獲第二屆普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材全國特等獎。第4版于1994年4月由國防工業(yè)出版社出版,第5版于1998年10月由西安交通大學(xué)出版社出版。第6版于2003年8月由電子工業(yè)出版社出版,第7版于2008年5月由電子工業(yè)出版后,于2013年3月進行改版修訂,印刷12次,印數(shù)8萬多冊。本次是在2013年改版的基礎(chǔ),再次修訂。依據(jù)當(dāng)前教學(xué)需求再次改版。 本教材共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;載流子的統(tǒng)計分布;載流子的散射及電導(dǎo)問題;非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合及其運動規(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。各章后都附有習(xí)題和參考資料供教師、學(xué)生選用。本教材由西安交通大學(xué)劉恩科擔(dān)任主編。 第7版修訂由劉恩科,朱秉升,羅晉生進行。劉恩科負責(zé)第1.1~1.8節(jié)、第4章、第7章、第10.1~10.5節(jié)、 第11章、第12章節(jié)及附錄;朱秉升負責(zé)第1.9節(jié)、1.10節(jié)、第2章、 第3章、 第6章、10.6節(jié)、10.7節(jié);羅晉生負責(zé)第5、第8、第9、第13章。修訂主要做了以下一些工作: (1)為了便于讀者閱讀其他有關(guān)科技書籍、文獻資料,將波數(shù)矢量的大小定義為 k =2/ λ ,并將與之有關(guān)的所有公式做了相應(yīng)的修改; (2)電場改用 E 表示,其中黑體 E 表示矢量,非黑體 E 表示標(biāo)量,與之相應(yīng)的公式均做了 修改; (3)常用的一些參數(shù)數(shù)據(jù)盡可能參閱近年來有關(guān)的文獻資料并做了一定的更新,附錄是按2004年美國出版由Madelung O.主編《Semiconductors:Data Book,3 rd edition》整理的; (4)為便于理解GaN、AlN的能帶,第1章增加了具有六方對稱的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的布里 淵區(qū); (5)第2章增加了GaN、AlN、SiC中的雜質(zhì)能級; (6)第3章將載流子占據(jù)雜質(zhì)能級的概率改用簡并因子 g 表示的普遍公式; (7)第4章簡要地介紹了少數(shù)載流子遷移率的概念; (8)第5章增加了硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度一節(jié); (9)第9章增加了GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu),介紹了極化效應(yīng)及AlGaN/GaN和InGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特性; (10)將原第9章中的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用一節(jié)移到第10章; (11)由于羅晉生教授一絲不茍的作風(fēng),對第6版中不少錯誤進行了訂正,期望經(jīng)過這次修訂盡可能將書中存在的錯誤降至最少。 使用本教材時,主要以前9章為主,第10章至第13章視各校情況選用。教學(xué)中第1章的1.1~1.4節(jié)視學(xué)生是否學(xué)習(xí)過固體物理學(xué)中的能帶論酌情處理,第6章pn結(jié),著重在物理過程的分析,輔以必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo),至于與生產(chǎn)實際聯(lián)系密切的內(nèi)容是屬于晶體管原理課程所解決的問題。同時,為了便于教學(xué),依據(jù)近年來教學(xué)知識體系及教學(xué)學(xué)時數(shù)的調(diào)整,以及眾多學(xué)校使用本教材后反饋的信息,本次改版對全書的知識體系進行了分層。除主修內(nèi)容外,將各校視需要而選修的內(nèi)容,以及研究生階段參考的理論證明,加深、拓展的內(nèi)容分別以*和 ★ 標(biāo)出,供各學(xué)校教學(xué)參考。 半導(dǎo)體物理學(xué)作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的骨干課程之一,理論性和系統(tǒng)性均較強。為了幫助學(xué)生掌握并深刻理解課程中涉及的概念、理論和方法,以及增強解決實際問題的能力,又為本課程配套編寫了《半導(dǎo)體物理學(xué)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)及習(xí)題詳解》一書(電子工業(yè)出版社出版)。同時,復(fù)旦大學(xué)蔣玉龍教授根據(jù)多年的教學(xué)體會,為本書開發(fā)了同步教學(xué)多媒體課件,需要的讀者可以到華信教育資源網(wǎng)(www.hxedu.com.cn)申請。 本教材由劉恩科編寫第1章的1.1~1.8節(jié),第4、第7和第11、第12章及第10章的室溫激子部分;朱秉升編寫第2、第3、第6章及第1章的1.9節(jié)和1.10節(jié),5.4節(jié)中的俄歇復(fù)合,以及第9章的9.1節(jié)、9.6節(jié),第10章的10.6節(jié)、10.7節(jié);羅晉生編寫第8、第13章,第4章4.2節(jié)中的合金散射,第5章的5.9節(jié),第9章的9.2~9.5節(jié);屠善潔編寫第10章的10.1~10.6節(jié);亢潤民編寫第5章的5.1~5.8節(jié)和第7章;附錄由劉恩科、亢潤民整理。 在各次修訂時,主審和《半導(dǎo)體物理與器件》教材編審組全體委員及電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會全體委員,以及使用本教材的各院校教師,都為本書提出許多寶貴意見。本次修訂,部分院校的授課教師及電子工業(yè)出版社的陳曉莉編審提供了很寶貴的意見,在此表示誠摯的感謝! 由于編者水平有限,書中難免還存在一些缺點和錯誤,殷切希望廣大讀者批評指正。 編者 2017年6 于西安交通大學(xué) 西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院微電子學(xué)系教授﹑博士生導(dǎo)師,一直從事教學(xué)及科研工作。對本科生講授過《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)體物理與工藝實驗》。對碩士生講授過《太陽電池物理》﹑《半導(dǎo)體集成光學(xué)》。對博士生講授過《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 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 1.1.1 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵 1.1.2 閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵 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 原子的能級和晶體的能帶 4 1.2.2 半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶 1.2.3 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶 1.3 半導(dǎo)體中電子的運動 有效質(zhì)量 1.3.1 半導(dǎo)體中 E(k)與k 的關(guān)系[3] 1.3.2 半導(dǎo)體中電子的平均速度 1.3.3 半導(dǎo)體中電子的加速度 1.3.4 有效質(zhì)量的意義 1.4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)空穴 [3] 1.5 回旋共振[4] 1.5.1 k 空間等能面 1.5.2 回旋共振 1.6 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) 1.6.1 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 1.6.2 硅和鍺的價帶結(jié)構(gòu) 1.7 ⅢⅤ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) [7] 1.7.1 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu) 1.7.2 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) [8] 1.7.3 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu) 1.7.4 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu) ★1.8 ⅡⅥ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ★1.8.1 二元化合物的能帶結(jié)構(gòu) ★1.8.2 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu) ★1.9 Si 1- x Ge x 合金的能帶 ★1.10 寬禁帶半導(dǎo)體材料 ★1.10.1 GaN、AlN的晶格結(jié)構(gòu)和能帶 [18] ★1.10.2 SiC的晶格結(jié)構(gòu)與能帶 習(xí)題 參考資料 第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 2.1.2 施主雜質(zhì)、施主能級 2.1.3 受主雜質(zhì)、受主能級 39 2.1.4 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計算 [2,3] 2.1.5 雜質(zhì)的補償作用 2.1.6 深能級雜質(zhì) 2.2 ⅢⅤ族化合物中的雜質(zhì)能級 ★2.3 氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質(zhì)能級 0 2.4 缺陷、位錯能級 2.4.1 點缺陷 2.4.2 位錯 3 習(xí)題 參考資料 5 第3章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布 3.1 狀態(tài)密度 [1,2] 3.1.1 k空間中量子態(tài)的分布 3.1.2 狀態(tài)密度 3.2 費米能級和載流子的統(tǒng)計分布 3.2.1 費米分布函數(shù) 3.2.2 玻耳茲曼分布函數(shù) 3.2.3 導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度 3.2.4 載流子濃度乘積n 0p 0 3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 3.4.1 雜質(zhì)能級上的電子和空穴 3.4.2 n型半導(dǎo)體的載流子濃度 3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計分布 3.6 簡并半導(dǎo)體 [2,5] 3.6.1 簡并半導(dǎo)體的載流子濃度 3.6.2 簡并化條件 3.6.3 低溫載流子凍析效應(yīng) 3.6.4 禁帶變窄效應(yīng) 3.7 電子占據(jù)雜質(zhì)能級的概率 [2,6,7] 3.7.1 電子占據(jù)雜質(zhì)能級概率的討論 3.7.2 求解統(tǒng)計分布函數(shù) 習(xí)題 參考資料 第4章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 4.1 載流子的漂移運動和遷移率 4.1.1 歐姆定律 4.1.2 漂移速度和遷移率 4.1.3 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率 4.2 載流子的散射 4.2.1 載流子散射的概念 4.2.2 半導(dǎo)體的主要散射機構(gòu) [1] 4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 4.3.1 平均自由時間和散射概率的關(guān)系 4.3.2 電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系 4.3.3 遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系 4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 4.4.1 電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系 4.4.2 電阻率隨溫度的變化 ★4.5 玻耳茲曼方程 [11] 、電導(dǎo)率的統(tǒng)計理論 ★4.5.1 玻耳茲曼方程 ★4.5.2 弛豫時間近似 ★4.5.3 弱電場近似下玻耳茲曼方程的解 ★4.5.4 球形等能面半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 4.6 強電場下的效應(yīng) [12] 、熱載流子 4.6.1 歐姆定律的偏離 ★4.6.2 平均漂移速度與電場強度的關(guān)系 ★4.7 多能谷散射、耿氏效應(yīng) ★4.7.1 多能谷散射、體內(nèi)負微分電導(dǎo) ★4.7.2 高場疇區(qū)及耿氏振蕩 習(xí)題 參考資料 第5章 非平衡載流子 5.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合 5.2 非平衡載流子的壽命 5.3 準(zhǔn)費米能級 5.4 復(fù)合理論 5.4.1 直接復(fù)合 5.4.2 間接復(fù)合 5.4.3 表面復(fù)合 5.4.4 俄歇復(fù)合 5.5 陷阱效應(yīng) 5.6 載流子的擴散運動 5.7 載流子的漂移擴散,愛因斯坦關(guān)系式 5.8 連續(xù)性方程式 5.9 硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度 參考資料 第6章 pn結(jié) 6.1 pn結(jié)及其能帶圖 6.1.1 pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分布 [1~3] 6.1.2 空間電荷區(qū) 6.1.3 pn結(jié)能帶圖 6.1.4 pn結(jié)接觸電勢差 6.1.5 pn結(jié)的載流子分布 6.2 pn結(jié)電流電壓特性 6.2.1 非平衡狀態(tài)下的pn結(jié) 6.2.2 理想pn結(jié)模型及其電流電壓方程 [4] 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] 6.3 pn結(jié)電容 [1,2,6] 6.3.1 pn結(jié)電容的來源 6.3.2 突變結(jié)的勢壘電容 6.3.3 線性緩變結(jié)的勢壘電容 6.3.4 擴散電容 6.4 pn結(jié)擊穿 [1,2,8,9] 6.4.1 雪崩擊穿 6.4.2 隧道擊穿(齊納擊穿) [10] 6.4.3 熱電擊穿 6.5 pn結(jié)隧道效應(yīng) [1,10] 習(xí)題 參考資料 第7章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 7.1.1 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù) 7.1.2 接觸電勢差 7.1.3 表面態(tài)對接觸勢壘的影響 7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論 7.2.1 擴散理論 7.2.2 熱電子發(fā)射理論 7.2.3 鏡像力和隧道效應(yīng)的影響 7.2.4 肖特基勢壘二極管 7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 7.3.1 少數(shù)載流子的注入 7.3.2 歐姆接觸 習(xí)題 參考資料 第8章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu) 8.1 表面態(tài) 8.2 表面電場效應(yīng) [5,6] 8.2.1 空間電荷層及表面勢 8.2.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容 8.3 MIS結(jié)構(gòu)的CV特性 8.3.1 理想MIS結(jié)構(gòu)的CV特性 [5,7] 8.3.2 金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差對MIS結(jié)構(gòu)CV特性的影響 [5] 8.3.3 絕緣層中電荷對MIS結(jié)構(gòu)CV特性的影響 [7] 8.4 硅二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) [7] 8.4.1 二氧化硅中的可動離子 [8] 8.4.2 二氧化硅層中的固定表面電荷 [7] 8.4.3 在硅二氧化硅界面處的快界面態(tài) [5] 8.4.4 二氧化硅中的陷阱電荷 [7] 8.5 表面電導(dǎo)及遷移率 8.5.1 表面電導(dǎo) [1] 8.5.2 表面載流子的有效遷移率 ★8.6 表面電場對pn結(jié)特性的影響 [7] ★8.6.1 表面電場作用下pn結(jié)的能帶圖 ★8.6.2 表面電場作用下pn結(jié)的反向電流 ★8.6.3 表面電場對pn結(jié)擊穿特性的影響 ★8.6.4 表面純化 習(xí)題 參考資料 第9章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) 9.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 [7~9] 9.1.1 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖 9.1.2 突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度 9.1.3 突變反型異質(zhì)結(jié)的勢壘電容 [4~8] 9.1.4 突變同型異質(zhì)結(jié)的若干公式 9.2 半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性 9.2.1 突變異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性 [7,17] 9.2.2 異質(zhì)pn結(jié)的注入特性 [17] 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 9.3.1 半導(dǎo)體調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面量子阱 9.3.2 雙異質(zhì)結(jié)間的單量子阱結(jié)構(gòu) 9.3.3 雙勢壘單量子阱結(jié)構(gòu)及共振隧穿效應(yīng) [25] ★9.4 半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu) ★9.4.1 應(yīng)變異質(zhì)結(jié) ★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 ★9.5 GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) ★9.5.1 GaN,AlGaN和InGaN的極化效應(yīng) ★9.5.2 Al x Ga 1- x N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的形成 ★9.5.3 In x Ga 1- x N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu) 9.6 半導(dǎo)體超晶格 習(xí)題 參考資料 第10章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象 10.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù) 10.1.1 折射率和吸收系數(shù) 10.1.2 反射系數(shù)和透射系數(shù) 10.2 半導(dǎo)體的光吸收 [1,2] 10.2.1 本征吸收 10.2.2 直接躍遷和間接躍遷 10.2.3 其他吸收過程 10.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo) [6,7] 10.3.1 附加電導(dǎo)率 10.3.2 定態(tài)光電導(dǎo)及其弛豫過程 10.3.3 光電導(dǎo)靈敏度及光電導(dǎo)增益 10.3.4 復(fù)合和陷阱效應(yīng)對光電導(dǎo)的影響 10.3.5 本征光電導(dǎo)的光譜分布 10.3.6 雜質(zhì)光電導(dǎo) 10.4 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) [8] 10.4.1 pn結(jié)的光生伏特效應(yīng) 10.4.2 光電池的電流電壓特性 10.5 半導(dǎo)體發(fā)光 [9,10] 10.5.1 輻射躍遷 10.5.2 發(fā)光效率 10.5.3 電致發(fā)光激發(fā)機構(gòu) 10.6 半導(dǎo)體激光 [11~14] 10.6.1 自發(fā)輻射和受激輻射 10.6.2 分布反轉(zhuǎn) 10.6.3 pn結(jié)激光器原理 10.6.4 激光材料 10.7 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用 10.7.1 單異質(zhì)結(jié)激光器 10.7.2 雙異質(zhì)結(jié)激光器 10.7.3 大光學(xué)腔激光器 習(xí)題 參考資料 第11章 半導(dǎo)體的熱電性質(zhì) 11.1 熱電效應(yīng)的一般描
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