前　　言

宗旨與目標
出版本書第四版的目的在于將有關(guān)半導(dǎo)體器件的特性、工作原理及其局限性的基礎(chǔ)知識介紹給讀者。要想更好地理解這些基礎(chǔ)知識，就必須對半導(dǎo)體材料物理知識進行全面的了解。本書有意將量子力學、固體量子理論、半導(dǎo)體材料物理和半導(dǎo)體器件物理綜合在一起，因為所有這些理論對了解當今半導(dǎo)體器件的工作原理及其未來的發(fā)展是非常重要的。
在這本教科書中所包含的物理知識遠遠超過了許多半導(dǎo)體器件入門書籍中所涵蓋的內(nèi)容。盡管本書覆蓋面很廣，但作者堅信：一旦透徹理解了這些入門知識和材料物理知識，那么對半導(dǎo)體器件物理的理解就會水到渠成，而且會理解得更快，學習效率更高。本書對基礎(chǔ)物理知識的不惜篇幅，將有助于讀者更好地理解甚至可能開發(fā)出新型的半導(dǎo)體器件。
既然本書的目的在于為讀者奉獻一部有關(guān)半導(dǎo)體器件理論的入門書籍，因此許多深奧的理論并未涉及，同時也未對半導(dǎo)體的制造工藝做仔細描述。雖然本書對諸如擴散和離子注入等制造工藝有所涉獵并進行了一般性討論，但僅局限于那些對器件特性有直接影響的工藝和場合。
預(yù)備知識
由于本書針對的是電氣工程領(lǐng)域大學三年級和大學大四級的學生，因此假設(shè)讀者已經(jīng)掌握了微分方程、大學物理和電磁學的基礎(chǔ)知識。當然，了解現(xiàn)代物理知識更好，但這并不必需。預(yù)先修完電子線路基礎(chǔ)課程對閱讀本書會更有幫助。
章節(jié)安排
本書分為三部分：第一部分介紹量子力學初步知識和半導(dǎo)體材料物理；第二部分介紹半導(dǎo)體器件物理的基本知識；第三部分介紹專用半導(dǎo)體器件，包括光器件、微波器件和功率器件。
第一部分包括第1章至第6章。第1章先從固體晶格結(jié)構(gòu)開始，然后過渡到理想單晶半導(dǎo)體材料。第2章和第3章介紹量子力學和固體量子理論，這些都是必須掌握的基礎(chǔ)物理知識。第4章到第6章覆蓋了半導(dǎo)體材料物理知識。其中，第4章討論熱平衡半導(dǎo)體物理，第5章討論半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子輸運現(xiàn)象。非平衡過剩載流子是第6章的主要內(nèi)容，理解半導(dǎo)體中的過剩載流子行為對于理解器件物理至關(guān)重要。
第二部分包括第7章到第13章。第7章主要討論pn結(jié)電子學；第8章討論pn結(jié)電流-電壓特性；第9章討論整流及非整流金屬半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)；第10章和第11章闡述MOS場效應(yīng)晶體管理論；第12章探討雙極型晶體管；第13章闡述結(jié)型場效應(yīng)管。在詳盡介紹pn結(jié)理論后，關(guān)于這三種基本晶體管類型的章節(jié)，讀者可不必按順序閱讀，因為這些章節(jié)彼此之間是相互獨立的。
第三部分包括第14章和第15章。第14章介紹光器件，如太陽能電池和發(fā)光二極管；第15章介紹半導(dǎo)體微波器件和半導(dǎo)體功率器件。
本書末尾是8個附錄。附錄A是符號列表，以幫助讀者了解各種符號及其含義。附錄B包含單位轉(zhuǎn)換表與常數(shù)表。附錄H 給出了部分習題的答案，有助于學生檢查自身的學習情況。
使用說明
本書可作為本科生第三學期或第四學期一個學期的教材。和許多課本一樣，本書的內(nèi)容不可能在一個學期內(nèi)全部講授完。這就給授課老師提供了一定的自由空間，授課老師可根據(jù)教學目的對教材內(nèi)容進行取舍。下文給出了兩種可供選擇的安排，但本書不是百科全書。對于可以略過而又不會影響全書連貫性的章節(jié)，我們在目錄和對應(yīng)章節(jié)中用*號予以標記。這些章節(jié)盡管在半導(dǎo)體器件物理的發(fā)展中很重要，但可以推遲講授。新墨西哥大學電子工程專業(yè)大三學生的一門課程廣泛使用了本書中的材料。建議用略小于半個學期的時間學習前六章；剩余的時間用于學習pn結(jié)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管。其他的一些主題可考慮在學期末學習。
盡管MOS晶體管先于雙極型晶體管或結(jié)型場效應(yīng)晶體管闡述，但描述三種基本晶體管類型之一的各個章節(jié)都是彼此獨立的，任何一種類型都可以先講。
注意事項
本書引入了有關(guān)半導(dǎo)體材料和器件物理等理論知識。雖然許多電子工程系的學生更樂于制作電子電路和計算機編程，而不是去學習有關(guān)半導(dǎo)體器件的理論，但是本書的內(nèi)容對于理解諸如微處理器等電子器件的局限性是至關(guān)重要的。
數(shù)學的應(yīng)用貫穿全書，這看起來很枯燥，但最后的結(jié)論是其他手段無法獲得。盡管有些描述工藝的數(shù)學模型看起來很抽象，但它們描述和預(yù)言物理過程方向的能力已完全經(jīng)受住了時間的考驗。
作者鼓勵讀者經(jīng)常研讀每一章的開始部分，以便深刻領(lǐng)會每章或每個主題的目的。這種不斷的復(fù)習對學習前五章尤為重要，因為它們講述的是基礎(chǔ)物理知識。
還應(yīng)注意的是，盡管有些章節(jié)可以略過且不會影響連貫性，但有些教師還是會選擇這些章節(jié)。因此，標*號的章節(jié)并不意味著不重要。
有些問題可能到課程結(jié)束時也得不到解答，理解這一點也很重要。雖然作者不喜歡它可以這樣講之類的說法，但書中有些概念的推導(dǎo)確實超出了本書的范圍。本書對這一科目僅具導(dǎo)論性質(zhì)。對那些修完課程后還沒有解決的問題，我們鼓勵讀者記下這些問題，或許在后續(xù)課程中這些問題就能得到解答。
教學順序
對于教學順序，每位教師都有自己的選擇，但通常有兩種方案。第一種方案稱為MOSFET方案，是在講授雙極型晶體管之前講授MOS晶體管。讀者會注意到本書中的MOSFET內(nèi)容放到了pn 結(jié)二極管之后的第10章和第11章。
第二種方案稱為雙極型方案，也稱為傳統(tǒng)方案，是在討論pn結(jié)二極管后立即介紹雙極型晶體管。由于MOSFET 留在學期末講授，因此到時可能沒有足夠的時間來講授這一重要主題。
遺憾的是，由于時間限制，將每一章中的所有內(nèi)容在一個學期內(nèi)都講完是不可能的。余下的內(nèi)容可以留到下一個學期講授或留給讀者自學。
MOSFET 方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運現(xiàn)象
第6章非平衡過剩載流子選講
第7章pn結(jié)
第10章、第11章MOS晶體管
第8章pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡介
第12章雙極型晶體管，其他選講內(nèi)容

雙極型方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運現(xiàn)象
第6章非平衡態(tài)特性選講
第7章、第8章pn結(jié)和pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡介
第12章雙極型晶體管
第10章、第11章MOS晶體管，其他選講內(nèi)容

第四版新內(nèi)容
排列順序：關(guān)于MOSFET的兩章移到了雙極型晶體管一章的前面。這一改變強調(diào)了MOS晶體管的重要性。
半導(dǎo)體微波器件：第15章中添加了一小節(jié)關(guān)于三種專用半導(dǎo)體微波器件的內(nèi)容。
新附錄：添加了關(guān)于有效質(zhì)量概念的附錄F。教材的許多計算中使用了兩個有效質(zhì)量。該附錄給出了每種有效質(zhì)量的理論知識，并討論了何時在特定計算中使用哪一種有效質(zhì)量。
預(yù)習小節(jié)：每章以簡介開始，然后以項目列表的形式給出預(yù)習內(nèi)容。每個預(yù)習項均給出了該章的一個特殊目標。
練習題：添加了超過100道練習題，每道例題后面均提供一道練習題。練習題類似于例題，以便讀者即時測試對剛講內(nèi)容的理解程度。每道練習題均提供有答案。
測試理解題：每章主要小節(jié)末尾添加了約40%的新測試理解題。通常，這些練習題比每個例題后的練習題更全面。這些習題將有助于讀者在學習新內(nèi)容前理解所學內(nèi)容。
章末習題：添加了330多道章尾習題，即這一版中有約48%的章末習題是全新的。
第四版特色
數(shù)學知識更為嚴密：保留了清晰理解半導(dǎo)體材料和器件物理基本數(shù)學知識的嚴密性。
例題：書中列舉了大量的例子來強化涉及的理論概念，這種做法貫穿全書。這些例子覆蓋了所有分析和設(shè)計的細節(jié)，因此讀者不必自行補充其忽略的步驟。
小結(jié)：每一章的末尾提供了小結(jié)部分，它總結(jié)了該章得出的結(jié)論并復(fù)習所描述的基本概念。
重要術(shù)語解釋：每章的小結(jié)之后列出了重要術(shù)語解釋，這部分定義并總結(jié)了該章所討論的重要術(shù)語。
知識點：指出了學習該章應(yīng)該達到的目的及讀者應(yīng)該獲得的能力。在轉(zhuǎn)到后續(xù)章節(jié)前，這些知識可以用來幫助評估學習的進展。
復(fù)習題：每章末有一系列復(fù)習題，可用于自測，以讓讀者了解自己對該章概念的掌握程度。
章末習題：按照每章中專題出現(xiàn)的順序，給出了大量的習題。
小結(jié)和復(fù)習題：小結(jié)和復(fù)習節(jié)中的一些習題是開放式的設(shè)計習題，在多數(shù)章的末尾給出。
參考文獻：每章后都附有參考文獻，其中那些難度高于本書的參考書用星號標明。
部分習題答案：最后的附錄給出了部分習題的答案。了解答案會有助于解題。
聯(lián)機資源
本書的配套網(wǎng)站為www.mhhe.com/neamen。網(wǎng)站上包含有適用于教師的習題解答手冊和圖像庫。教師也可以訪問這一版本的完整聯(lián)機解答手冊組織系統(tǒng)，以生成試題并布置作業(yè)、生成定制內(nèi)容、編輯提供的習題和解答。
致謝
幾年來，我的許多學生幫助我改進了本書的第四版，當然也包括前幾版。在此，對他們的工作表示衷心的感謝，感謝他們的熱情與建設(shè)性的批評。
感謝McGraw-Hill公司的許多員工，感謝他們的大力支持。特別要感謝策劃編輯Peter Massart 和責任編輯Lora Neyens，感謝他們的鼓勵、支持和對細節(jié)的關(guān)注。還要感謝項目經(jīng)理們在本書出版的最后階段提供的指導(dǎo)。
感謝那些審讀過本書前三版手稿并提出過建設(shè)性意見的所有人員，還要感謝那樣仔細校對新習題解答的人員。最后，感謝本書新版本出版前審閱過本書的人員，他們的貢獻和建議對于提升本書很有價值。
第四版的審閱人員
特別感謝如下審閱人員對本書第四版提出的建設(shè)性意見與建議：
Sandra Selmic，路易斯安那工學院
Terence Brown，密歇根州立大學
Timothy Wilson，俄克拉荷馬州立大學
Lili He，圣何塞州立大學
Michael Stroscio，伊利諾伊-芝加哥大學
Andrei Sazonov，滑鐵盧大學

緒論　半導(dǎo)體和集成電路

我們經(jīng)常聽說我們生活在信息時代。譬如，我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)從千里之外獲得大量信息，而正是基于數(shù)字與模擬電子系統(tǒng)的信息技術(shù)和晶體管與集成電路（IC）的發(fā)展使之成為可能。IC產(chǎn)品已滲透到我們?nèi)粘Ｉ�活的每一個方面，包括CD播放器、傳真機、零售店的激光掃描儀和移動電話在內(nèi)的電子設(shè)備，均要使用IC。IC技術(shù)最明顯的例子之一是數(shù)字計算機，與幾