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编辑推荐

　　随着半导体材料工艺日趋成熟，新的固态电子器件因材料质量的提高和对材料物理的深入研究而不断出现。固态电子器件是现代集成电路的基础，它还广泛应用于其他各领域，如光纤通信、固体成像、微波通信等。
　　本书介绍固体电子学的基础理论，主要涉及固体物理和半导体物理的基础知识，包括晶体的结构、晶体的结合、晶格振动、晶体缺陷、能带理论、半导体中的载流子、PN结、固体表面及界面接触现象、半导体器件原理、固体的光学性质与光电现象等内容。

内容简介

　　全书共分8章。1-3章介绍固体物理的基本知识，内容有：晶体结构、晶体结合、晶体生长、确定晶体结构的方法；晶格振动形成格波的特点、声子的概念及声子谱的测量方法；晶体缺陷的主要类型；能带理论的基础知识，包括金属中的自由电子模型，晶体电子的波函数与能带结构的特点，有效质量、空穴的概念，以及实际晶体能带结构举例。4-8章介绍半导体材料与器件特性，内容有：载流子浓度、迁移率、电导率的计算，漂移运动与扩散运动，非平衡载流子，连续性方程；PN结的形成与能带图、电流电压特性、电容、击穿；固体表面态的基本概念，表面电场效应，金属与半导体的接触，MIS结构的电容—电压特性；半导体器件的基本原理，包括二极管、双极型晶体管、场效应晶体管，半导体集成器件和微细加工技术简介。固体的光学常数及实验测量，光吸收，光电导，光生伏特效应及太阳电池，半导体发光及发光二极管等。

作者简介

　　沈为民，中国计量大学教授，校教学名师，浙江省优秀教师。1982年本科毕业于杭州大学（现合并到浙江大学）物理系，1989年研究生毕业于南开大学电子系。主要研究方向为光电测量、光纤传感、半导体光电等，先后主持或参加完成杭州市重大科研项目、浙江省自然科学基金项目、浙江省重大科技项目、国家863项目、973项目等。负责的电子科学与技术专业被列入浙江省重点专业、浙江省特色专业、教育部卓越工程师计划专业，负责的《光电信息专业实验》为省精品课程。主持完成浙江省高等教育教学改革项目、教育部教指委第一类课题、浙江省高教学会研究项目等。现为全国高校光学教学研究会副理事长、教育部评估中心（中国工程教育认证协会）专业认证专家。

目录

第1章晶体的结构和晶体的结合
1.1晶体的特征与晶体结构的周期性
1.1.1晶体的特征
1.1.2晶体结构的周期性
1.1.3原胞与晶胞
1.1.4实际晶体举例
1.2晶列与晶面倒格子
1.2.1晶列
1.2.2晶面
1.2.3倒格子
1.3晶体结构的对称性晶系
1.3.1物体的对称性与对称操作
＊1.3.2晶体的对称点群
1.3.3晶系
＊1.3.4准晶体
＊1.4确定晶体结构的方法
1.4.1晶体衍射的一般介绍
1.4.2衍射方程
1.4.3反射公式
1.4.4反射球
1.5晶体的结合
1.5.1离子性结合
1.5.2共价结合
1.5.3金属性结合
1.5.4范德华结合
＊1.6晶体生长简介
1.6.1自然界的晶体
1.6.2溶液中生长晶体
1.6.3水热法生长晶体
1.6.4熔体中生长晶体
1.6.5硅、锗单晶生长
习题1
第2章晶格振动和晶体的缺陷
2.1晶格振动和声子
2.1.1一维单原子晶格的振动
2.1.2周期性边界条件
2.1.3晶格振动量子化声子
＊2.2声学波与光学波
2.2.1一维双原子晶格的振动
2.2.2声学波和光学波的特点
＊2.3格波与弹性波的关系
2.4声子谱的测量方法
2.5晶体中的缺陷
2.5.1点缺陷
2.5.2线缺陷
2.5.3面缺陷
习题2
第3章能带论基础
3.1晶体中电子状态的近似处理方法
3.1.1单电子近似
3.1.2周期性势场的形成
3.2金属中的自由电子模型
3.2.1无限深势阱近似——驻波解
3.2.2周期性边界条件——行波解
3.2.3能态密度
＊3.2.4费米球
3.3布洛赫定理
3.3.1布洛赫定理的表述
＊3.3.2布洛赫定理的证明
3.3.3布洛赫函数的意义
3.4克龙尼克�才四赡Ｐ�
3.4.1求解
3.4.2讨论
3.4.3能带结构的特点
＊3.5能带的计算方法
3.5.1准自由电子近似
＊3.5.2布洛赫函数的例子
3.5.3紧束缚近似
3.6晶体的导电性
3.6.1电子运动的速度和加速度有效质量
3.6.2电子导电和空穴导电
3.6.3导体、半导体和绝缘体的区别
＊3.7实际晶体的能带
3.7.1回旋共振和有效质量
3.7.2硅和锗的能带结构
3.7.3砷化镓的能带结构
习题3
第4章半导体中的载流子
4.1本征半导体与杂质半导体
4.1.1本征半导体
4.1.2杂质半导体
4.1.3杂质电离能与杂质补偿
4.2半导体中的载流子浓度
4.2.1费米分布函数
4.2.2平衡态下的导带电子浓度和价带空穴浓度
4.2.3本征载流子浓度与费米能级
4.2.4杂质充分电离时的载流子浓度
4.2.5杂质未充分电离时的载流子浓度
＊4.3简并半导体
4.4载流子的漂移运动
4.4.1迁移率
4.4.2电导率
＊4.4.3霍耳(Hall)效应
4.5非平衡载流子及载流子的扩散运动
4.5.1稳态与平衡态
4.5.2寿命
4.5.3扩散运动
4.5.4连续性方程
习题4
第5章PN结
5.1PN结及其能带图
5.1.1PN结的制备
5.1.2PN结的内建电场与能带图
5.1.3PN结的载流子分布
5.1.4PN结的势垒形状
5.2PN结电流电压特性
5.2.1非平衡PN结的势垒与电流的定性分析
＊5.2.2非平衡PN结的少子分布
5.2.3理想PN结的电流电压方程
5.3PN结电容
5.3.1势垒电容
5.3.2扩散电容
5.3.3势垒电容的计算
5.3.4扩散电容的计算
5.4PN结击穿
5.4.1雪崩击穿
5.4.2隧道击穿(齐纳击穿)
5.4.3热电击穿
习题5
第6章固体表面及界面接触现象
6.1表面态
6.1.1理想表面和实际表面
6.1.2表面态
6.1.3表面态密度
6.2表面电场效应
6.2.1外电场对半导体表面的影响
6.2.2表面空间电荷区的电场、面电荷密度和电容
6.2.3各种表面层状态
6.2.4表面电导
6.3金属与半导体的接触
6.3.1金属和半导体的功函数
6.3.2接触电势差和接触势垒
6.3.3金属与半导体接触的整流特性
6.3.4欧姆接触
6.4MIS结构的电容�驳缪固匦�
6.4.1理想MIS结构电容
6.4.2理想MIS结构的C�睼特性
6.4.3功函数差及绝缘层中电荷对C�睼特性的影响
＊6.5异质结
6.5.1异质结的分类
6.5.2突变异质结的能带图
6.5.3异质结的电流电压特性
6.5.4半导体超晶格
习题6
第7章半导体器件基础
7.1二极管
7.1.1二极管的基本结构
7.1.2整流二极管
7.1.3齐纳二极管
7.1.4变容二极管
7.1.5肖特基二极管
7.2双极型晶体管
7.2.1BJT的基本结构
7.2.2BJT的电流�驳缪固匦�
7.3场效应晶体管
7.3.1JFET
7.3.2MOSFET
＊7.3.3MESFET
7.4半导体集成器件
7.4.1集成电路的构成
7.4.2微细加工技术
习题7
第8章固体光电基础
8.1固体的光学常数
8.1.1折射率与消光系数
＊8.1.2克拉末�部肆�尼克(Kramers�睰ronig)关系
＊8.2光学常数的测量
8.3半导体的光吸收
8.3.1本征吸收
8.3.2直接跃迁和间接跃迁
8.3.3其他吸收过程
8.4半导体的光电导
8.4.1附加电导率
8.4.2定态光电导及其弛豫过程
8.4.3本征光电导的光谱分布
8.4.4杂质光电导
8.5PN结的光生伏特效应和太阳能电池
8.5.1PN结的光生伏特效应
8.5.2光电池的电流电压特性
8.5.3太阳能电池及其光电转换效率
8.6半导体发光
8.6.1辐射跃迁
8.6.2发光效率
8.6.3电致发光激发机构
8.6.4发光二极管(LED)
＊8.6.5半导体激光器(LD)
习题8
附录A常用表
附录BExcel在教学中的应用
参考文献

前言/序言

　　20世纪30年代固体电子论的成果和四五十年代锗、硅材料工艺的进展，为之后固态电子器件的飞速发展奠定了基础。随着半导体材料工艺日趋成熟，新的固态电子器件因材料质量的提高和对材料物理的深入研究而不断出现。固态电子器件体积小，重量轻，功耗小，可靠性高，易集成，可以实现电子系统的微型化，是现代集成电路的基础。除了用于大规模和超大规模集成电路外，固态电子器件还广泛应用于其他各领域，如光纤通信、固体成像、微波通信、红外探测、能量转换等。半导体的电学性能容易受多种因素如掺杂、光照等的控制，易于制成电子功能器件，因此绝大部分的固态电子器件是用半导体制成的。所以，固体物理和半导体物理是固态电子器件的理论基础，也是本书讨论的重点。
　　随着计算机辅助设计（CAD）的发展，器件与系统的设计更多通过计算机来进行，越来越多的专业软件投入各种应用领域。这就促使理论与应用的结合形式发生改变，对于搞应用的人来说，不需要直接从理论公式出发进行分析和计算，理论学习的作用更多体现在了解各种物理现象，建立相应的物理概念，理解运动变化过程，熟悉物理量之间的相互联系，掌握分析问题的方法等。本教材编写力求内容精简、重点突出、概念清晰、通俗易懂，在不破坏知识体系的逻辑关系前提下，尽量避免烦琐的数学推导。只要有高等数学和大学物理的基础知识，即使没有学过电动力学、量子力学、热力学统计物理，也能顺利学习本课程。
　　全书共分8章。第1章介绍晶体结构的基本知识，重点是晶体结构的周期性与对称性，对晶体结合、晶体生长、确定晶体结构的方法等只作简单讨论。第2章以一维原子链为例讨论晶格振动形成格波的特点、声子的概念及声子谱的测量方法，介绍了晶体缺陷的主要类型。第3章介绍能带理论的基础知识，包括金属中的自由电子模型，晶体电子的波函数与能带结构的特点，有效质量、空穴的概念，以及实际晶体能带结构举例。第4章讨论半导体中的载流子及其运动，包括载流子的统计分布、费米能级与载流子浓度的计算、迁移率与电导率、非平衡载流子及连续性方程。第5章介绍PN结，包括PN结形成与能带图、PN结电流电压特性、PN结电容及PN结击穿。第6章介绍固体表面及界面接触现象，包括表面态的基本概念、表面电场效应、金属与半导体的接触及MIS结构的电容�驳缪固匦浴５�7章介绍半导体器件的基本原理，包括二极管、双极型晶体管及场效应晶体管，也简略介绍半导体集成器件和微细加工技术。第8章介绍固体的光学性质与固体中的光电现象，包括固体的光学常数、Kramers�睰ronig关系、光学常数的实验测量、半导体的光吸收、半导体的光电导、半导体的光生伏特效应和太阳能电池及半导体发光和发光二极管。
　　每章末都附有习题。由于各专业安排本课程的学时及教学要求不同，书中打*号内容可以不讲或简单讲述。
　　本教材主要面向应用型人才培养，应当引导学生利用电脑和软件等现代工具解决问题，所以在第2版中增加了附录B Excel在教学中的应用，让学生能够通过简单的工具处理较复杂的问题。例如： 在坐标精确计算的基础上，根据一定的投影规则画晶体的三维结构图，制作对称操作动画； 制作包括双原子声学波、光学波在内的各种晶格振动动画； 求解能量本征值方程，画出多种能带曲线； 针对多种情况（不同掺杂、不同温度）精确计算载流子浓度、迁移率、电导率，画相应曲线； 计算并画出PN结势垒曲线、载流子浓度分布曲线、电流电压曲线、势垒电容和扩散电容曲线，以及包含PN结的应用设计（如太阳能电池最佳功率点设计等）。这些问题与“复杂工程问题”的多个特征相似，例如涉及多个方面、多个因素，不同要求之间存在矛盾与冲突，需要深入的分析、建模、综合、创新等。学生不仅学到了固体物理与半导体物理的相关知识，而且培养了工程教育专业认证倡导的多种能力。
　　本书第1～5章(1.6节除外)由沈为民负责编写，第6章和第8章由孙一翎负责编写，第7章由唐莹负责编写，马铁英编写了1.6节。全书由沈为民统稿。
　　由于编者的水平与经验有限，书中难免存在缺点和错误，殷切希望读者批评指正。
　　作者2016年7月



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