半导体物理学简明教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

孟庆巨 等 著

图书标签:

• 半导体物理
• 固体物理
• 电子学
• 物理学
• 材料科学
• 半导体器件
• 教程
• 大学教材
• 高等教育
• 物理

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121226304

版次：01

商品编码：11467062

包装：平装

丛书名： 电子科学与技术专业规划教材

开本：16开

出版时间：2014-06-01

页数：240

正文语种：中文

内容简介

本书以简明的形式介绍了半导体的基本物理现象、物理性质、物理规律和基本理论。内容包括：晶体结构与晶体结合、半导体中的电子状态、载流子的统计分布、电荷输运现象、非平衡载流子、半导体表面、PN结、金属-半导体接触、半导体的光学性质等。

作者简介

孟庆巨，吉林大学电子工程学院教授，博士生导师，现在电子科技大学中山学院任教，教学督导，主要研究领域为电子科学与技术。

目录

目 录
第1章 晶体结构与晶体结合 （1）
1．1 晶体结构 （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 晶列与晶面 （6）
1．2．1 晶向指数 （6）
1．2．2 晶面指数 （7）
1．3 倒格子 （9）
1．4 晶体结合 （10）
1．4．1 固体的结合形式和化学键 （10）
1．4．2 离子结合（离子键） （11）
1．4．3 共价结合（共价键） （11）
1．4．4 金属结合（金属键） （11）
1．4．5 范德瓦尔斯结合（范德瓦尔斯键） （12）
1．5 典型半导体的晶体结构 （12）
1．5．1 金刚石型结构 （12）
1．5．2 闪锌矿型结构 （14）
1．5．3 纤锌矿型结构 （14）
思考题与习题 （14）
第2章 半导体中的电子状态 （16）
2．1 周期性势场 （16）
2．2 布洛赫（Bloch）定理 （17）
2．2．1 单电子近似 （17）
2．2．2 布洛赫定理 （18）
2．2．3 布里渊区 （19）
2．3 周期性边界条件（玻恩冯-卡曼Born．von-Karman边界条件） （21）
2．4 能带 （24）
2．4．1 周期性势场中电子的能量谱值 （24）
2．4．2 能带图及其画法 （26）
2．5 外力作用下电子的加速度 有效质量 （28）
2．5．1 外力作用下电子运动状态的改变 （29）
2．5．2 有效质量 （31）
2．6 等能面、主轴坐标系 （35）
2．7 金属、半导体和绝缘体的区别 （36）
2．8 导带电子和价带空穴 （38）
2．9 硅、锗、砷化镓的能带结构 （40）
2．9．1 导带能带图 （40）
2．9．2 价带能带图 （41）
2．10 半导体中的杂质和杂质能级 （43）
2．10．1 替位式杂质和间隙式杂质 （43）
2．10．2 施主杂质和施主能级 N型半导体 （44）
2．10．3 受主杂质和受主能级 P型半导体 （44）
2．10．4 III-V族化合物中的杂质能级 （45）
2．10．5 等电子杂质 等电子陷阱 （46）
2．11 类氢模型 （47）
2．12 深能级 （48）
2．13 缺陷能级 （50）
2．14 宽禁带半导体的自补偿效应 （50）
思考题与习题 （51）
第3章 载流子的统计分布 （53）
3．1 能态密度 （53）
3．1．1 导带能态密度 （53）
3．1．2 价带能态密度 （54）
3．2 分布函数 （55）
3．2．1 费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布与费米能级 （55）
3．2．2 玻耳兹曼分布 （56）
3．3 能带中的载流子浓度 （58）
3．3．1 导带电子浓度 （58）
3．3．2 价带空穴浓度 （59）
3．4 本征半导体 （61）
3．5 杂质半导体中的载流子浓度 （64）
3．5．1 杂质能级上的载流子浓度 （64）
3．5．2 N型半导体 （65）
3．5．3 P型半导体 （66）
3．6 杂质补偿半导体 （68）
3．7 简并半导体 （70）
3．7．1 简并半导体杂质能级和能带的变化 （70）
3．7．2 简并半导体的载流子浓度 （71）
思考题与习题 （72）
第4章 电荷输运现象 （74）
4．1 格波与声子 （74）
4．1．1 格波 （74）
4．1．2 声子 （76）
4．2 载流子的散射 （77）
4．2．1 平均自由时间与弛豫时间 （78）
4．2．2 散射机构 （79）
4．3 漂移运动 迁移率 电导率 （81）
4．3．1 平均漂移速度与迁移率 （81）
4．3．2 漂移电流 电导率 （84）
4．4 多能谷情况下的电导现象 （86）
4．5 电流密度和电流 （89）
4．5．1 扩散流密度与扩散电流 （89）
4．5．2 漂移流密度与漂移电流 （89）
4．5．3 电流密度与电流 （90）
4．6 非均匀半导体中的内建电场 （90）
4．6．1 半导体中的静电场和势 （90）
4．6．2 爱因斯坦关系 （91）
4．6．3 非均匀半导体中的内建电场 （92）
4．7 霍尔（Hall）效应 （94）
4．7．1 霍尔系数 （95）
4．7．2 霍尔角 （96）
思考题与习题 （98）
第5章 非平衡载流子 （100）
5．1 非平衡载流子的产生与复合 （100）
5．1．1 非平衡载流子的产生 （100）
5．1．2 非平衡载流子的复合 （101）
5．1．3 非平衡载流子的寿命 （102）
5．2 直接复合 （104）
5．3 通过复合中心的复合 （106）
5．3．1 载流子通过复合中心的产生和复合过程 （106）
5．3．2 净复合率 （107）
5．3．3 小信号寿命公式―肖克利-瑞德公式 （108）
5．3．4 金在硅中的复合作用 （109）
5．4 表面复合和表面复合速度 （111）
5．5 陷阱效应 （112）
5．6 准费米能级 （113）
5．6．1　准费米能级 （113）
5．6．2　修正欧姆定律 （114）
5．7 连续性方程 （115）
5．8 电中性条件 介电弛豫时间 （118）
5．9 扩散长度与扩散速度 （119）
5．10 半导体中的基本控制方程 （122）
思考题与习题 （122）
第6章 半导体表面 （124）
6．1 表面态和表面空间电荷区 （124）
6．2 表面电场效应 （125）
6．2．1 表面空间电荷区的形成 （125）
6．2．2 表面势与能带弯曲 （126）
6．3 载流子积累、耗尽和反型 （127）
6．3．1 载流子积累 （128）
6．3．2 载流子耗尽 （128）
6．3．3 载流子反型 （129）
6．4 理想MOS电容 （133）
6．5 实际MOS电容的C-V特性 （139）
6．5．1 功函数差的影响 （139）
6．5．2 界面陷阱和氧化物电荷的影响 （141）
6．5．3 实际MOS的C-V曲线和阈值电压 （143）
思考题与习题 （144）
第7章 PN结 （146）
7．1 热平衡PN结 （148）
7．1．1 PN结空间电荷区 （148）
7．1．2 电场分布与电势分布 （149）
7．2 偏压PN结 （153）
7．2．1　PN结的单向导电性 （153）
7．2．2 少数载流子的注入与输运 （154）
7．3 理想PN结二极管的直流电流-电压（I-V）特性 （157）
7．4 空间电荷区复合电流和产生电流 （162）
7．4．1 正偏复合电流 （162）
7．4．2 反偏产生电流 （163）
7．5　隧道电流 （164）
7．6 PN结电容 （165）
7．6．1 耗尽层电容 （166）
7．6．2 扩散电容 （167）
7．7 PＮ结击穿 （170）
7．8 异质结 （172）
7．8．1 热平衡异质结 （172）
7．8．2 加偏压的异质结 （174）
思考题与习题 （175）
第8章 金属-半导体接触 （178）
8．1 理想的金属-半导体整流接触 肖特基势垒 （178）
8．2 界面态对势垒高度的影响 （182）
8．3 欧姆接触 （183）
8．4 镜像力对势垒高度的影响―肖特基效应 （184）
8．5 理想肖特基势垒二极管的电流-电压特性 （186）
思考题与习题 （189）
第9章 半导体的光学性质 （191）
9．1 半导体的光学常数 （191）
9．2 本征吸收 （192）
9．2．1 直接跃迁 （193）
9．2．2 间接跃迁 （195）
9．3 激子吸收 （197）
9．4 其他光吸收过程 （198）
9．4．1 自由载流子吸收 （198）
9．4．2 杂质吸收 （199）
9．5 PN结的光生伏打效应 （200）
9．6 半导体发光 （202）
9．6．1 直接辐射复合 （202）
9．6．2 间接辐射复合 （203）
9．6．3 浅能级和主带之间的复合 （204）
9．6．4 施主-受主对（D-A对）复合 （204）
9．6．5 通过深能级的复合 （205）
9．6．6 激子复合 （205）
9．6．7 等电子陷阱复合 （205）
9．7 非辐射复合 （207）
9．7．1 多声子跃迁 （208）
9．7．2 俄歇（Auger）过程 （208）
9．7．3 表面复合 （209）
9．8 发光二极管（LED） （209）
9．9 高效率的半导体发光材料 （211）
思考题与习题 （211）
模拟试卷（一） （213）
模拟试卷（二） （214）
模拟试卷（三） （216）
附录A 单位制、单位换算和通用常数 （224）
附录B 半导体材料物理性质表 （225）
参考文献

前言/序言

《光电效应与量子器件基础》 内容概要： 本书深入探讨了光与物质相互作用的基础物理原理，重点阐述了光电效应的微观机制、理论模型及其在现代电子学和光学器件中的应用。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在为读者建立一个坚实的理论框架，并引导他们理解当前光电器件前沿技术的发展方向。 第一章：电磁波与物质的相互作用基础 本章首先回顾了经典电磁场理论，重点介绍了光的波动性质，包括光的传播、反射和折射定律。随后，引入了光与物质相互作用的量子化概念，初步探讨了光子模型。我们将详细分析光在介质中传播时的吸收、散射和辐射过程，为后续章节深入讨论光电效应打下基础。本章内容强调了电磁波的能流密度和动量特性，并引入了玻尔兹摩尔兹曼分布在描述热平衡状态下光子数密度中的应用。我们还将讨论等离子体中光的行为，为理解半导体等载流子密集系统的光学特性做铺垫。 第二章：光电效应的量子力学诠释 本章是全书的核心之一，聚焦于爱因斯坦光电效应的精确理论描述。我们将从爱因斯坦的经验定律出发，结合普朗克的量子假设，推导出光电子的能量分布方程。随后，引入费米能级（Fermi Level）的概念，并结合能带理论，详尽分析了光子如何激发价带电子跃迁至导带，产生光生载流子对。本章将详细区分光电发射（Photoemission）和光电导（Photoconductivity）的物理机制，并讨论光电流的饱和现象和阈值频率。我们还将分析不同金属材料的功函数（Work Function）对光电响应的影响，并探讨接触电位差在光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）工作原理中的关键作用。 第三章：半导体能带结构与光学跃迁 为了更深入地理解光电器件，本章将聚焦于晶体材料的能带理论。我们将复习布洛赫定理和周期性边界条件，推导有效质量的概念。重点分析直接带隙（Direct Bandgap）和间接带隙（Indirect Bandgap）半导体的能带结构差异，及其对光吸收和光发射效率的决定性影响。本章详细阐述了电子在能带中垂直跃迁和非垂直跃迁的概率计算，并引入了微扰理论来量化光子诱导跃迁的强度。此外，我们将讨论晶格振动（声子）在间接带隙材料中对光吸收过程的辅助作用，包括吸收和发射过程中动量守恒的实现方式。本章还会涉及吸收系数（Absorption Coefficient）的频率依赖性，以及它如何决定器件的有效吸收深度。 第四章：光伏效应与太阳能电池基础 本章将光电效应的应用拓展至能源领域，详细剖析了光伏效应（Photovoltaic Effect）的物理机制。我们将从P-N结的构建开始，分析内建电场（Built-in Electric Field）的形成及其在分离光生载流子中的核心作用。本章将建立一个基础的光伏模型，推导开路电压（$V_{oc}$）、短路电流密度（$J_{sc}$）和填充因子（Fill Factor, FF）的表达式。对于实际太阳能电池，本章将深入讨论复合机制（复合、俄歇复合等），并分析这些机制如何限制开路电压的提升。此外，还将介绍不同类型的太阳能电池结构，如背接触电池（IBC）和叠层电池（Tandem Cells），并评估其性能指标，如效率的极限（Shockley-Queisser Limit）。 第五章：光电探测器：从光电二极管到雪崩光电二极管 本章系统地介绍了基于光电效应的各类光探测器件。首先讨论简单的光电二极管（Photodiode），分析其响应速度、噪声特性和量子效率（Quantum Efficiency, QE）。随后，重点深入研究雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD），详细阐述载流子倍增效应（Impact Ionization）的物理过程，并建立倍增因子M的理论模型。我们将分析雪崩倍增带来的增益，以及与之相伴的噪声（如散粒噪声）的增加。本章还涵盖了PIN光电二极管的结构优势，尤其是在高速通信中的应用，以及如何通过优化吸收层厚度和漂移层设计来平衡响应速度和量子效率。 第六章：发光二极管（LED）与光通信中的电致发光 本章转向电致发光现象，聚焦于LED的工作原理。我们将从载流子的注入、复合和辐射跃迁过程进行分析。详细讨论了PN结反向偏置与正向偏置下辐射复合的差异。重点分析了材料选择对发光颜色和效率的影响，特别是直接带隙半导体（如GaAs, GaN）在高效发光中的核心地位。本章将引入复合速率方程，区分辐射复合和非辐射复合对发光效率（Internal Quantum Efficiency, IQE）的贡献。最后，本章将讨论LED的串联电阻、热效应以及如何通过调制电流驱动LED以实现光通信中的信息传输。 第七章：光电导现象与传感器应用 本章专门讨论光电导效应，即光照引起材料电导率增加的现象。我们将从能带角度解释光生载流子对的产生和传输，推导光电导增益的来源，特别是对于具有较长载流子寿命的材料。本章详细介绍了硫化镉（CdS）等材料在光敏电阻（LDR）中的应用，并分析了LDR的非线性特性和迟滞现象。在传感器应用方面，本章将讨论光电导材料在图像传感器（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设计环境光传感器和光开关。 第八章：高级光电效应：载流子输运与热载流子 本章探索了更复杂的载流子输运过程和高能光子效应。我们将讨论载流子在强电场下的非平衡输运，包括漂移速度的饱和现象。随后，引入热载流子（Hot Carriers）的概念，分析高能光子激发产生的载流子如何通过弛豫过程将能量传递给晶格（声子）。本章还将探讨载流子温度（Carrier Temperature）的概念，以及它对器件光谱响应和电压-电流特性的影响。最后，对光电导材料中的陷阱态（Trap States）和表面态如何捕获载流子，从而影响器件的响应速度和稳定性进行了深入探讨。 全书的理论推导力求严谨，并在关键概念处配有详尽的物理图像解释，旨在为读者提供一个全面、深入且注重实践的现代光电物理学基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和细节处理体现了出版方对读者的尊重。纸张的质感很好，不易反光，长时间阅读后眼睛的疲劳感明显减轻。更重要的是，公式的编号和引用系统做得非常规范，这在查阅特定公式或前后关联的推导步骤时，提供了极大的便利。很多技术书籍的公式经常写得密密麻麻，或者符号定义前后不一致，极大地干扰了阅读节奏。但此书的公式排版清晰，关键符号都有明确的界定，这使得回顾和自学过程异常顺畅。此外，书后附带的习题设计也极具匠心。它们并非简单的数字代入题，而是巧妙地结合了理论推导和工程应用场景，迫使读者必须真正理解背后的物理意义才能得出正确答案。完成这些习题后，那种豁然开朗的感觉，远胜于死记硬背公式本身，这本书真正做到了学以致用。

评分☆☆☆☆☆

我必须得说，这本书在讲解半导体器件工作原理的部分，展现了极高的工程实用价值。很多理论书要么过于偏重基础物理的推导，对实际应用一带而过；要么就是纯粹的器件手册，缺乏对底层物理机制的深入剖析。而这本教材完美地找到了那个平衡点。它详细地分析了PN结的形成过程，从能带弯曲到内建电场的建立，每一个细节都交代得非常透彻。更让我印象深刻的是，作者在讲解载流子输运机制时，将漂移和扩散现象结合在了一起，并清晰地展示了它们在不同偏置电压下的相对贡献。读完这部分内容，我感觉自己像是第一次真正“看到”了晶体管内部是如何运作的，而不是仅仅停留在“它是一个开关”的表层认知上。书中配有的插图质量非常高，特别是那些能带图和电流密度矢量图，简直是教科书级别的范例，极大地辅助了空间想象力的构建。对于一个正在进行毕业设计或者刚接触集成电路设计的人来说，这种将物理原理与器件性能直接挂钩的讲解方式，无疑是效率最高的学习路径。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为那些想踏入半导体理论殿堂却又被传统教科书的艰深晦涩吓退的人量身定做的。我刚拿到手的时候，心里其实是忐忑的，因为我对量子力学和固体物理的背景知识不算扎实，很多复杂的数学推导和抽象概念总是让我望而却步。然而，这本教材的开篇就给了我极大的信心。它没有上来就抛出一堆复杂的晶格振动或布洛赫定理，而是非常巧妙地从宏观现象入手，比如电阻率随温度的变化，然后逐步引入能带理论的必要性。作者的叙述逻辑极其清晰，仿佛有一位经验丰富、耐心十足的导师在你身边，一步步引导你剥开问题的本质。尤其是对费米能级概念的阐述，简直达到了化繁为简的境界。它用类比的方式，将一个原本抽象的量子统计概念，描绘成一个清晰的“能量分界线”，让我一下子就抓住了核心。对于初学者来说，这种由浅入深、注重物理图像构建的教学方法，远比那些上来就堆砌公式的教材有效得多。这本书真正做到了“简明”，它在保持科学严谨性的同时，极大地降低了初学者的入门门槛，让人在阅读过程中充满探索的乐趣，而不是挫败感。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格我个人非常欣赏，它有一种老派学者特有的沉稳和精确，但又完全没有那种故作高深的架子。行文流畅自然，虽然是技术性很强的材料，但读起来并不觉得枯燥乏味。它似乎预料到了读者可能在哪些地方产生困惑，并提前在脚注或者旁白中给出了额外的解释或者历史背景。举个例子，在讨论晶体管的载流子注入和复合机制时，作者不仅给出了速率方程，还穿插了对早期肖特基等前辈在这一领域探索的简短回顾。这种“有血有肉”的叙述方式，让冰冷的物理定律变得生动起来，仿佛能感受到科学发展过程中的那些“啊哈！”时刻。对于想要将半导体物理学作为自己研究领域的人来说，这种对知识体系的宏观把握和对历史脉络的尊重是至关重要的。它教给我的不仅仅是公式，更是一种严谨的科学态度和深入探究的精神。

评分☆☆☆☆☆

相对而言，这本书在某些前沿交叉领域的覆盖上略显保守，这或许是其“简明”定位带来的必然取舍。它非常扎实地巩固了经典半导体物理的核心知识，包括MOSFET的基本操作理论、双极性晶体管的Ebers-Moll模型等，这些内容无疑是绝对精髓。然而，如果你期待看到关于新型二维材料（比如石墨烯、过渡金属硫化物）的载流子行为，或者深度探讨量子点、纳米结构中的量子限制效应，那么这本书可能无法提供足够深入的分析。它更像是一份坚实的地基蓝图，而不是一栋高耸入云的摩天大楼的全景图。不过，从教学的角度来看，这种聚焦是明智的。它确保了读者在没有被太多新颖但复杂的前沿概念分散注意力的情况下，先掌握好那套“不变的”基础理论框架。在我看来，只有打下了极其牢固的传统硅基半导体基础，才能更有效率地去理解那些新兴材料带来的新挑战和新机遇。

评分☆☆☆☆☆

公司购买书籍凑字数

评分☆☆☆☆☆

经典教材！！！！！！

评分☆☆☆☆☆

推荐本科初学者和业余爱好者购买，入门级的教材，比较详细

评分☆☆☆☆☆

这本书编得很好，适合相关本科专业使用。

评分☆☆☆☆☆

推荐本科初学者和业余爱好者购买，入门级的教材，比较详细

评分☆☆☆☆☆

公司购买书籍凑字数

评分☆☆☆☆☆

经典教材！！！！！！

评分☆☆☆☆☆

经典教材！！！！！！

评分☆☆☆☆☆

不错，活动时买的，京东图书活动一如既往给力。