电力半导体新器件及其制造技术 9787111475729 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王彩琳著 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111475729

商品编码：29804871415

包装：平装

出版时间：2015-06-01

基本信息

书名：电力半导体新器件及其制造技术

定价：99.00元

作者：王彩琳著

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-06-01

ISBN：9787111475729

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书介绍了电力半导体器件的结构、原理、特性、设计、制造工艺、可靠性与失效机理、应用共性技术及数值模拟方法。内容涉及功率二极管、晶闸管及其集成器件（包括GTO、IGCT、ETO及MTO）、功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及电力半导体器件的功率集成技术、结终端技术、制造技术、共性应用技术、数值分析与仿真技术。重点对功率二极管的快软恢复控制、GTO的门极硬驱动、IGCT的透明阳极和波状基区、功率MOSFET的超结及IGBT的电子注入增强（IE）等新技术进行了详细介绍。
　　本书可作为电子科学与技术、电力电子与电气传动等学科的本科生、研究生专业课程的参考书，也可供从事电力半导体器件制造及应用的工程技术人员和有关科技管理人员参考。

目录

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电力电子新技术系列图书序言
前言
章绪论
1.1 电力半导体器件概述
1.1.1 与电力电子技术关系
1.1.2 定义与分类
1.2 发展概况
1.2.1 电力半导体器件的发展
1.2.2 制造技术的发展
参考文献
第2章 功率二极管
2.1 普通功率二极管
2.1.1 结构类型
2.1.2 工作原理与I-U特性
2.1.3 静态与动态特性
2.2 快速软恢复二极管
2.2.1 结构类型
2.2.2 软恢复的机理及控制
2.3 功率肖特基二极管
2.3.1 结构类型与制作工艺
2.3.2 工作原理与I-U特性
2.3.3 静态特性
2.4 功率二极管的设计
2.4.1 普通功率二极管的设计
2.4.2 快速软恢复二极管的设计
2.4.3 功率肖特基二极管的设计
2.5 功率二极管的应用与失效分析
2.5.1 安全工作区及其限制因素
2.5.2 失效分析
2.5.3 特点与应用范围
参考文献
第3章 晶闸管及其集成器件
……
第4章 功率MOSFET
第5章 绝缘栅双极型晶体管
第6章 功率集成技术
第7章 电力半导体器件的结终端技术
第8章 电力半导体器件的制造技术
第9章 电力半导体器件的应用共性技术
0章 电力半导体器件的数值分析与仿真技术

作者介绍

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文摘

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序言

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《新时代能源之基石：高功率器件的革新与未来》 前言 我们正处在一个能源转型的关键时期，全球对清洁、高效、可靠能源的需求日益增长。从智能电网的构建到新能源汽车的普及，再到工业自动化和消费电子的飞速发展，所有这些进步都离不开支撑现代电力电子系统的核心——高性能电力半导体器件。这些器件如同能量流动的“心脏”，控制着电力的产生、传输、转换和分配，它们的性能直接决定了整个能源系统的效率、可靠性和成本。 电力半导体器件的发展史，是一部不断追求更高电压、更高电流、更快开关速度、更低损耗的追求史。从最初的硅基整流器、晶闸管，到IGBT、MOSFET等成熟技术，再到SiC、GaN等第三代宽禁带半导体材料的崛起，每一次技术的飞跃都为电力电子技术的进步注入了新的活力，并深刻地影响着社会经济的发展。 本书旨在深入探讨高功率半导体器件领域的最新研究进展、关键制造技术挑战以及未来发展趋势，为相关领域的科研人员、工程师、技术开发者以及对这一前沿科技领域感兴趣的读者提供一份详实的参考。我们不局限于单一材料或单一器件类型，而是以更广阔的视野，关注驱动行业变革的核心技术和创新方向。 第一章：宽禁带半导体材料的黎明与曙光 近年来，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料以其优异的物理特性，正以前所未有的速度改变着电力半导体器件的面貌。与传统的硅（Si）材料相比，SiC和GaN拥有更高的击穿电场强度、更高的电子饱和迁移率、更高的热导率以及更宽的禁带宽度。这些特性意味着基于SiC和GaN的器件可以在更高的电压下工作，以更小的尺寸实现相同的功率处理能力，同时具备更高的开关频率和更低的能量损耗。 碳化硅（SiC）的独特优势： SiC材料因其出色的高温性能和高击穿电压，特别适合于高压、高温、高功率的应用场景，如电动汽车车载充电器、光伏逆变器、风力发电变流器、轨道交通牵引系统以及工业电机驱动等。本书将详细介绍SiC材料的晶体结构、掺杂特性、以及在功率二极管（肖特基二极管、PN结二极管）和功率开关器件（MOSFET、BJT）方面的应用进展。特别会关注SiC MOSFET的栅氧化层优化、沟道载流子输运机制、以及高压器件的可靠性提升等关键技术。 氮化镓（GaN）的崭新舞台： GaN材料凭借其极高的电子迁移率和开关速度，在射频功率器件和中低压电力电子器件领域展现出巨大潜力。GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）和GaN HBT（异质结双极晶体管）在5G通信基站、消费电子快速充电器、数据中心电源以及低压伺服系统等领域已开始崭露头角。本书将剖析GaN材料的异质外延生长技术（如GaN on Si, GaN on Sapphire, GaN on SiC），重点探讨其表面态效应、栅漏击穿机理以及肖特基接触特性，并展望GaN在更高电压等级下的应用前景。 材料制备与工艺挑战： 宽禁带半导体材料的商业化应用离不开高质量晶圆的制备和精密的制造工艺。本书将深入探讨SiC和GaN晶圆的生长技术（如高温化学气相沉积，HVPE；物理气相输运，PVT），以及外延生长过程中存在的缺陷控制、掺杂均匀性、表面平整度等关键问题。同时，也将审视用于SiC和GaN器件制造的特定工艺技术，包括深紫外（DUV）光刻、干法刻蚀、钝化层选择、栅金属化以及可靠的封装技术，这些都是实现高性能、高可靠性器件的基石。 第二章：功率器件设计与优化的前沿探索 高性能电力半导体器件的实现，不仅依赖于先进的材料，更需要精巧的器件结构设计和精细的工艺优化。本书将聚焦于功率器件设计中一些关键的创新方向和优化策略。 器件结构创新： 平面 vs. 垂直结构： 针对不同的应用需求，器件结构的选择至关重要。平面结构器件（如早期MOSFET）在低压领域占有优势，而垂直结构器件（如IGBT、SiC MOSFET）在高压大电流应用中则更显其能。本书将分析不同结构的优缺点，并探讨用于高压器件的Trench（沟槽）结构、Planar Double-Implantation (PDI) 结构等最新设计。 沟道工程与掺杂调控： MOSFET的导电沟道是电流传输的关键。本书将深入研究如何通过优化栅氧化层、沟道掺杂浓度、以及沟道区的几何形状来降低导通电阻、提升开关速度，同时抑制短沟道效应和栅漏击穿。 载流子注入与阻挡层技术： 对于IGBT类器件，载流子注入效率和阻挡层的设计直接影响器件的耐压和导通损耗。本书将讨论P+阻挡层、N-漂移区设计以及空穴注入优化等技术。 肖特基接触与高欧姆接触： 在SiC肖特基二极管和GaN HEMT中，肖特基接触的质量直接影响正向压降和反向漏电流。本书将探讨金属选择、界面处理以及高温退火对肖特基接触性能的影响。同时，高性能欧姆接触的实现也是降低器件损耗和提高可靠性的重要一环。 电场管理与可靠性提升： 边缘场效应抑制： 在高压器件中，芯片边缘的电场容易集中，导致击穿电压降低。本书将详细介绍各种边缘场控（EFC）技术，如JTE（结终端扩展）、PBL（保护环）以及场板（Field Plate）等，以及它们在提高器件耐压能力中的作用。 热管理与封装设计： 随着器件功率密度的提高，热管理成为制约器件性能和可靠性的关键因素。本书将讨论先进的散热技术，如Cu基衬底、热界面材料（TIM）的应用，以及集成式散热解决方案。同时，器件的封装技术也需要随之升级，以满足高电流、高频率、高可靠性的需求。 新型功率器件概念： 除了传统器件的优化，本书还将探索一些前沿的功率器件概念，例如： 超结（Super Junction）MOSFET的演进： 在硅基MOSFET领域，超结技术已显著降低了导通电阻。我们将探讨其在高压等级的应用瓶颈，以及如何通过改进结构和材料来克服。 IGBT的性能突破： 尽管SiC和GaN崛起，IGBT在某些高压大功率应用中仍具有成本优势。我们将关注IGBT的性能提升，如载流子复合控制、栅极驱动优化以及新型IGBT结构（如FS-IGBT）的研究。 功率集成器件（PIDs）： 将驱动电路、保护电路与功率开关器件集成在同一芯片或同一封装中，可以实现更小的体积、更优异的性能和更便捷的应用。本书将展望PIDs的发展趋势。 第三章：半导体制造工艺的精益求精 精密、高效、低成本的制造工艺是实现先进电力半导体器件商业化的根本保障。本书将聚焦于电力半导体器件制造过程中的关键技术和未来发展方向。 晶圆制备与外延技术： 硅基晶圆工艺： 尽管宽禁带材料发展迅速，但硅基晶圆的成熟度和成本优势依然显著。本书将简要回顾先进硅基晶圆（如SOI，富氧硅）的制备技术，以及在功率器件制造中的应用。 SiC与GaN晶圆的生长与缺陷控制： 如前所述，高质量SiC和GaN晶圆的制备是挑战。我们将深入分析各种生长方法的优缺点，特别是如何有效控制位错、堆叠层错等缺陷，这些缺陷是影响器件性能和可靠性的主要因素。 外延层的优化： 在衬底上生长高质量的掺杂外延层是器件实现的关键。本书将探讨不同掺杂类型（n型、p型）、不同掺杂浓度、以及不同厚度的外延层如何影响器件的击穿电压、导通电阻和开关特性。 光刻与刻蚀技术： 高精度光刻： 随着器件特征尺寸的缩小和器件密度的提高，高分辨率光刻技术至关重要。本书将介绍深紫外（DUV）光刻、极紫外（EUV）光刻在先进功率器件制造中的应用，以及光刻工艺中的关键参数控制。 精密干法刻蚀： 刻蚀技术在器件结构形成中扮演着重要角色。本书将重点探讨等离子体刻蚀（如RIE, ICP-RIE）在SiC和GaN材料中的应用，包括刻蚀速率、各向异性、侧壁形貌控制以及对材料特性的影响。 栅极与接触工艺： 栅氧化层与栅金属化： MOSFET栅极的可靠性至关重要。本书将分析SiC和GaN MOSFET栅氧化层（如SiO2, Si3N4, Al2O3）的形成工艺、界面特性以及高可靠性栅金属（如Ti/Al, Ni/Au）的沉积与接触优化。 欧姆接触形成： 无论何种功率器件，低阻抗的欧姆接触都是降低损耗的关键。本书将讨论不同金属组合、退火工艺以及表面预处理对SiC和GaN欧姆接触性能的影响。 钝化与封装技术： 表面钝化： 器件表面是电场集中的区域，有效的表面钝化可以显著提高器件的耐压能力和可靠性。本书将探讨各种钝化材料（如SiN, Al2O3, SiO2）及其沉积工艺，以及它们在抑制表面漏电和电荷陷阱方面的作用。 先进封装技术： 随着功率密度的增加，传统的封装技术已难以满足需求。本书将介绍裸芯片封装（Die-Attach）、铜柱凸点（Copper Pillar Bump）、扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLP）以及三维集成封装等先进封装技术，它们能够提供更好的散热性能、更低的寄生参数和更高的功率密度。 第四章：未来展望与挑战 电力半导体器件领域正以前所未有的速度向前发展，未来充满机遇，也伴随着挑战。 材料的边界探索： 除了SiC和GaN，第三代及第四代宽禁带半导体材料（如金刚石、氧化镓）的研发和应用也在逐步推进。本书将简要介绍这些新兴材料的潜在优势和面临的挑战。 器件性能的极限追求： 随着对能源效率和功率密度的不断要求，研究人员将继续致力于降低器件的导通损耗、开关损耗，提高器件的耐压等级和工作频率。 智能化与集成化： 将更多的功能集成到功率模块中，实现器件的智能化控制和保护，将是未来的重要发展方向。 可持续制造与绿色工艺： 在追求高性能的同时，降低半导体制造过程中的能耗和环境影响，发展更环保的制造技术，也是行业必须面对的挑战。 供应链的韧性与协同： 全球半导体产业的供应链日益复杂，构建稳定、可靠、协同的供应链体系，是支撑行业持续健康发展的关键。 结语 高功率半导体器件是现代信息技术、能源技术和先进制造技术的基石。本书力求从材料、器件设计、制造工艺以及未来发展等多个维度，全面而深入地展现这一领域的最新动态和发展脉络。我们希望通过本书的阐述，能够激发更多创新思维，推动电力半导体技术的进一步发展，为构建更智能、更清洁、更高效的未来能源系统贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对可持续发展和绿色能源充满热情的普通读者，虽然我并非电子工程领域的专业人士，但我深知能源效率的提升对于应对气候变化和构建可持续未来的重要性。电力半导体技术，在我看来，正是实现这一目标的关键所在。“电力半导体新器件及其制造技术”这个书名，让我嗅到了一股强大的科技力量，它预示着这个领域正在不断地向前发展，并可能带来改变世界的解决方案。我期待这本书能够以一种相对易懂的方式，介绍那些能够显著提高能源利用效率的电力半导体新器件。比如，它们如何帮助减少电力损耗，如何支持可再生能源的高效接入，以及如何在电动汽车等领域实现更长的续航里程。同时，我也对“制造技术”这一部分感到好奇。我知道，技术的进步往往伴随着制造工艺的革新。我希望能了解到，为了制造出这些高性能的新器件，需要哪些特别的材料和复杂的生产流程？是否存在一些环保型的制造技术？这本书能否为我揭示这些“幕后”的奥秘，让我理解科技进步背后的艰辛与智慧？

评分☆☆☆☆☆

读到这本书的书名，我的脑海中立刻浮现出一幅幅高科技的画面：闪耀着复杂电路的晶圆，精密运转的生产线，以及那些小巧却能量巨大的电子元器件。作为一个长期关注新能源汽车和智能电网发展的技术观察者，我深切地感受到电力半导体技术的重要性。它如同心脏一般，驱动着整个能源系统的运转。这本书的书名“电力半导体新器件及其制造技术”，恰恰点出了我最为关心的两个方面。一方面，我希望能了解到目前最前沿的电力半导体器件有哪些，它们在性能、效率、可靠性等方面相比于传统器件有哪些突破？尤其是在宽禁带半导体（如SiC、GaN）等领域，我希望能看到最新的发展和应用前景。另一方面，我同样对“制造技术”充满了好奇。这些高性能的器件是如何被制造出来的？其中的工艺流程是否足够复杂和精密？是否存在一些关键的制造瓶颈，而本书又将如何介绍这些瓶颈的突破？我期待这本书能够提供详实的技术细节和深入的分析，让我能够更好地理解这个行业的现状和未来趋势。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，“电力半导体”是连接能源世界和信息世界的重要桥梁，而“新器件”和“制造技术”则是这座桥梁不断向上延伸、支撑更宏伟建筑的关键。我是一名对工业自动化和智能制造充满热情的工程师，我一直在寻找能够帮助我理解并应用最前沿电子元器件知识的资源。这本书的书名，就像是为我量身定制的。我期望它能深入浅出地介绍当前电力半导体领域最令人兴奋的新技术，比如更高电压、更高频率、更高效率的器件，以及它们是如何在电动汽车、可再生能源发电、工业电源等领域发挥关键作用的。更重要的是，我关注“制造技术”，因为我知道，再好的器件设计，如果无法高效、可靠地生产出来，也只是纸上谈兵。我希望这本书能详细讲解实现这些高性能器件所需的独特制造工艺，例如如何在大尺寸衬底上实现高精度生长，如何进行纳米级的器件结构制造，以及如何保证大规模生产的一致性和可靠性。我期待这本书能为我提供实用的技术洞察，帮助我把握行业发展趋势，甚至启发我进行相关的技术创新。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就足够吸引我了，那种深邃的蓝色背景，搭配上闪耀着金属光泽的半导体芯片图案，仿佛预示着前方是一片充满未知和挑战的技术星辰大海。我是一个对新兴技术充满好奇心的业余爱好者，虽然不是专业人士，但对于那些能够驱动现代社会发展的关键技术，我总是抱着极大的热情去了解。电力半导体，这个词本身就带有一种强大的能量感，它连接着我们日常生活的方方面面，从家庭电器到工业生产，再到新能源汽车和智能电网，无处不在。每次看到关于这个领域的新闻，我都会被那些创新突破所震撼。这本书的书名，虽然听起来有些专业，但“新器件”和“制造技术”这两个词汇，让我嗅到了前沿的气息。我期待的不仅仅是了解这些新器件的原理和性能，更想深入探究它们是如何被创造出来的，其中的工艺流程是怎样的复杂而精妙。我希望能从这本书中，一窥究竟，理解那些微小的芯片如何在人类的智慧和汗水下，孕育出巨大的能量，改变着我们的生活方式和能源利用的格局。书中的那些技术名词，虽然我可能需要花费一些时间去消化，但这种学习的过程本身就是一种享受，一种智力上的探索和挑战，我准备好迎接它带来的知识盛宴，去感受科技进步的脉搏。

评分☆☆☆☆☆

我是在一次技术交流会上偶然听闻到这家出版社出版的这本关于电力半导体新器件的书的，当时一位演讲者提到了该领域的最新进展，并且特别推荐了这本书作为深入了解的资料。我当时就对这个题目产生了浓厚的兴趣，因为我一直认为电力半导体是现代工业的基石，而技术创新是推动其发展的核心动力。这本书的书名，虽然没有使用过于华丽的辞藻，但“电力半导体新器件”和“制造技术”直击了核心，这正是我所需要的，一本能够带领我进入这个前沿领域，并且讲解如何实现这些创新的书籍。我对于书中可能涉及的物理原理、材料科学、以及精密制造工艺都充满了好奇。我想了解，那些曾经被认为是极限的材料和工艺，是如何在科学家的不懈努力下被突破的？新一代的电力半导体器件，在性能上又有哪些革命性的飞跃，能够应对日益增长的能源需求和环保挑战？制造技术方面的挑战，又是如何被一一克服的？这些问题在我脑海中盘旋，驱动着我想要深入阅读这本书，去寻找答案。我相信，这本书不仅仅是一本技术手册，更是一部关于科技创新精神的赞歌，它能够启发我对未来科技发展的想象，让我看到一个更加高效、清洁、智能的能源世界。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对未来科技发展趋势充满好奇的研究者，尤其关注那些能够驱动社会变革的关键技术。电力半导体，在我看来，就是这样一个具有深远影响力的领域。它不仅关乎能源的效率和安全，更直接影响着人工智能、物联网、5G通信等新兴技术的落地和普及。这本书的书名——“电力半导体新器件及其制造技术”，精准地捕捉到了这一领域的两大核心脉络。我希望能在这本书中看到对最新一代电力半导体器件的深度解析，例如它们在功率密度、开关速度、耐压能力、温度特性等方面的突破性进展。同时，我也非常看重“制造技术”这一部分。我知道，先进的制造工艺是实现高性能器件的基础，往往也蕴藏着巨大的技术挑战和创新机遇。我期望这本书能够揭示这些新器件是如何被制造出来的，包括材料选择、工艺流程、设备要求以及质量控制等方面的细节。我希望能从中获得对电力半导体技术未来发展方向的深刻洞见，以及对相关制造技术的最新认识。

评分☆☆☆☆☆

当我在书店的科技类书架上看到这本书时，我的目光立刻被吸引住了。“电力半导体新器件及其制造技术”——这个书名精准地概括了当前科技发展的两大前沿方向。我一直认为，电力半导体是支撑现代社会运转的“幕后英雄”，它们在能源的产生、传输、分配和利用过程中起着至关重要的作用。而“新器件”的出现，往往意味着能源效率的提升、系统的小型化以及新能源技术的突破。我特别好奇，在新能源汽车、智能电网、5G通信等蓬勃发展的背景下，电力半导体领域有哪些令人瞩目的新进展？例如，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料是否得到了更广泛的应用？它们在哪些方面超越了传统的硅基半导体？同时，“制造技术”这个词也引起了我的兴趣。我知道，任何尖端技术的实现都离不开精密的制造工艺。这本书是否会详细介绍这些新器件的生产流程，包括材料制备、器件设计、光刻、刻蚀、封装等关键环节？我渴望了解，那些微小的芯片是如何在复杂的工艺流程中被“雕琢”出来的，其中又蕴含着怎样的科学智慧和工程挑战。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，对于任何一个对现代科技发展稍有关注的人来说，都具有一种难以抗拒的吸引力。“电力半导体”本身就代表着能量的转换和传输的核心技术，“新器件”暗示着创新和突破，“制造技术”则揭示了实现这些创新的基础。作为一名对电子元器件发展史略有研究的爱好者，我深知每一次技术革新都离不开基础材料和先进制造工艺的进步。我尤其对那些能够带来效率提升、成本降低、体积缩小的新型电力半导体器件充满了期待。想象一下，如果能够制造出性能更优越、损耗更小的电力电子器件，那么在电力传输、能源存储、电动汽车充电等领域，都将带来革命性的改变。我希望这本书能够详细介绍这些新器件的物理特性、工作原理，以及在不同应用场景下的优势。同时，我也渴望了解这些器件的制造过程，包括光刻、刻蚀、薄膜沉积等关键工艺，以及如何通过优化这些工艺来提高器件的良率和性能。这不仅仅是对技术的了解，更是对人类智慧和工程能力的赞叹。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，一个国家在科技领域的竞争力，很大程度上体现在其核心元器件的研发和制造能力上。电力半导体，无疑是衡量这一能力的重要指标之一。“电力半导体新器件及其制造技术”这个书名，直接指向了这一领域最关键的两个方面。我非常关注中国在这一技术领域的自主创新能力。因此，我希望这本书能够详细介绍当前国际上电力半导体领域最前沿的新器件，以及它们在各个领域的应用情况。同时，我更希望它能够深入探讨这些新器件的制造技术，特别是中国在这一领域的技术水平和发展潜力。是否存在一些关键的“卡脖子”技术，而本书又能提供相关的解决方案或发展思路？我期待从书中了解到，中国的科学家和工程师是如何攻克技术难关，实现关键技术的自主可控，并推动我国电力半导体产业的蓬勃发展的。这本书对我而言，不仅仅是技术的学习，更是一种对国家科技实力和发展前景的关注和期待。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对电子信息领域非常关注的科技爱好者，尤其对那些能够带来颠覆性变革的技术方向情有独钟。电力半导体，在我看来，就是这样一个极具潜力的领域。它不仅关乎我们现有的能源利用效率，更直接影响着未来新能源的发展和推广。我之所以会对这本书产生兴趣，完全是因为它准确地抓住了当下和未来的技术热点——“新器件”和“制造技术”。在信息爆炸的时代，获取知识的渠道很多，但一本系统、深入、前沿的书籍，依然是构建扎实知识体系的最佳途径。我期待这本书能够为我打开一扇了解电力半导体技术“从无到有”的窗户。我想知道，那些新材料、新结构是如何被设计出来的，它们在理论上具有怎样的优势？而更关键的是，如何将这些理论上的优势转化为实际可用的产品？制造过程中的每一个环节，从晶圆制备到最终封装，是否都充满了精妙的设计和严谨的工艺？我希望能在这本书中看到这些问题的解答，理解那些微观世界的奇妙运行，以及宏观世界的技术进步是如何被驱动的。我深信，这本书将是一次知识的洗礼，也是一次对科技前沿的深度探索。