本書較全面地論述了半導體物理的基礎知識。全書共13章，主要內容為：半導體的晶格結構和電子狀態(tài)；雜質和缺陷能級；載流子的統(tǒng)計分布；載流子的散射及電導問題；非平衡載流子的產(chǎn)生、復合及其運動規(guī)律；pn結；金屬和半導體的接觸；半導體表面及MIS結構；半導體異質結構；半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象和非晶態(tài)半導體。本書提供配套的教學大綱、電子課件PPT等教學資源。本書可作為高等學校集成電路科學與工程等相關專業(yè)學生半導體物理等相關課程的教材，也可供相關專業(yè)的科技人員參考。
劉恩科，西安交通大學教授﹑博士生導師，一直從事教學及科研工作。對本科生講授過普通物理學、原子物理學、固體物理學、半導體物理學、半導體物理與器件、半導體器件工藝、半導體物理與工藝實驗。對碩士生講授過太陽電池物理、半導體集成光學。對博士生講授過半導體光電子學和光集成等課程。
目 錄
第1章 半導體中的電子狀態(tài)1
1.1 半導體的晶格結構和結合性質1
1.1.1 金剛石型結構和共價鍵1
1.1.2 閃鋅礦型結構和混合鍵2
1.1.3 纖鋅礦型結構3
1.2 半導體中的電子狀態(tài)和能帶4
1.2.1 原子的能級和晶體的能帶4
1.2.2 半導體中電子的狀態(tài)和能帶6
1.2.3 導體、半導體、絕緣體的能帶10
1.3 半導體中電子的運動———有效質量11
1.3.1 半導體中E（k）與k的關系［3］ 11
1.3.2 半導體中電子的平均速度12
1.3.3 半導體中電子的加速度12
1.3.4 有效質量的意義13
1.4 本征半導體的導電機構———空穴［3］ 14
1.5 回旋共振［4］ 16
1.5.1 k空間等能面16
1.5.2 回旋共振18
1.6 硅和鍺的能帶結構19
1.6.1 硅和鍺的導帶結構19
1.6.2 硅和鍺的價帶結構22
1.7�、�-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構［7］ 24
1.7.1 銻化銦的能帶結構24
1.7.2 砷化鎵的能帶結構［8］ 25
1.7.3 磷化鎵和磷化銦的能帶結構25
1.7.4 混合晶體的能帶結構25
★1.8�、�-Ⅵ族化合物半導體的能帶結構26
★1.8.1 二元化合物的能帶結構26
★1.8.2 混合晶體的能帶結構27
★1.9 Si1－xGex合金的能帶27
★1.10 寬禁帶半導體材料29
★1.10.1 GaN、AlN的晶格結構和能帶［18］ 30
★1.10.2 SiC的晶格結構和能帶32
習題35
參考資料35
第2章 半導體中雜質和缺陷能級37
2.1 硅、鍺晶體中的雜質能級37
2.1.1 替位式雜質和間隙式雜質37
2.1.2 施主雜質、施主能級38
2.1.3 受主雜質、受主能級39
2.1.4 淺能級雜質電離能的簡單計算［2，3］ 41
2.1.5 雜質的補償作用41
2.1.6 深能級雜質42
2.2�、�-Ⅴ族化合物中的雜質能級45
★2.3 氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級50
2.4 缺陷、位錯能級52
2.4.1 點缺陷52
2.4.2 位錯53
習題54
參考資料55
第3章 半導體中載流子的統(tǒng)計分布56
3.1 狀態(tài)密度［1，2］ 56
3.1.1 k空間中量子態(tài)的分布56
3.1.2 狀態(tài)密度57
3.2 費米能級和載流子的統(tǒng)計分布59
3.2.1 費米分布函數(shù)59
3.2.2 玻耳茲曼分布函數(shù)60
3.2.3 導帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度61
3.2.4 載流子濃度乘積n0p0 64
3.3 本征半導體的載流子濃度64
3.4 雜質半導體的載流子濃度67
3.4.1 雜質能級上的電子和空穴67
3.4.2 n型半導體的載流子濃度68
3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計分布76
3.6 簡并半導體［2，5］ 81
3.6.1 簡并半導體的載流子濃度81
3.6.2 簡并化條件82
3.6.3 低溫載流子凍析效應83
3.6.4 禁帶變窄效應85
3.7 電子占據(jù)雜質能級的概率［2，6，7］ 86
3.7.1 電子占據(jù)雜質能級概率的討論86
3.7.2 求解統(tǒng)計分布函數(shù)88
習題89
參考資料90
第4章 半導體的導電性92
4.1 載流子的漂移運動和遷移率92
4.1.1 歐姆定律92
4.1.2 漂移速度和遷移率93
4.1.3 半導體的電導率和遷移率93
4.2 載流子的散射94
4.2.1 載流子散射的概念94
4.2.2 半導體的主要散射機構［1］ 95
4.3 遷移率與雜質濃度和溫度的關系102
4.3.1 平均自由時間和散射概率的關系102
4.3.2 電導率、遷移率與平均自由時間的關系102
4.3.3 遷移率與雜質和溫度的關系104
4.4 電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系108
4.4.1 電阻率和雜質濃度的關系108
4.4.2 電阻率隨溫度的變化110
★4.5 玻耳茲曼方程［11］、電導率的統(tǒng)計理論110
★4.5.1 玻耳茲曼方程111
★4.5.2 弛豫時間近似112
★4.5.3 弱電場近似下玻耳茲曼方程的解113
★4.5.4 球形等能面半導體的電導率114
4.6 強電場下的效應［12］、熱載流子115
4.6.1 歐姆定律的偏離115
★4.6.2 平均漂移速度與電場強度的關系116
★4.7 多能谷散射、耿氏效應120
★4.7.1 多能谷散射、體內負微分電導120
★4.7.2 高場疇區(qū)及耿氏振蕩122
習題123
參考資料125
第5章 非平衡載流子126
5.1 非平衡載流子的注入與復合126
5.2 非平衡載流子的壽命127
5.3 準費米能級129
5.4 復合理論130
5.4.1 直接復合131
5.4.2 間接復合132
5.4.3 表面復合137
5.4.4 俄歇復合139
5.5 陷阱效應141
5.6 載流子的擴散運動143
5.7 載流子的漂移擴散、愛因斯坦關系式147
5.8 連續(xù)性方程式149
5.9 硅的少數(shù)載流子壽命與擴散長度153
習題154
參考資料155
第6章 pn結156
6.1 pn結及其能帶圖156
6.1.1 pn結的形成和雜質分布［13］ 156
6.1.2 空間電荷區(qū)157
6.1.3 pn結能帶圖158
6.1.4 pn結接觸電勢差159
6.1.5 pn結的載流子分布160
6.2 pn結電流-電壓特性161
6.2.1 非平衡狀態(tài)下的pn結161
6.2.2 理想pn結模型及其電流-電壓方程［4］ 164
6.2.3 影響pn結電流-電壓特性偏離理想方程的各種因素［1，2，5］ 167
6.3 pn結電容［1，2，6］ 171
6.3.1 pn結電容的來源171
6.3.2 突變結的勢壘電容173
6.3.3 線性緩變結的勢壘電容177
6.3.4 擴散電容180
6.4 pn結擊穿［1，2，8，9］ 181
6.4.1 雪崩擊穿181
6.4.2 隧道擊穿（齊納擊穿）［10］ 181
6.4.3 熱電擊穿183
6.5 pn結隧道效應［1，10］ 183
習題186
參考資料186
第7章 金屬和半導體的接觸187
7.1 金屬半導體接觸及其能級圖187
7.1.1 金屬和半導體的功函數(shù)187
7.1.2 接觸電勢差188
7.1.3 表面態(tài)對接觸勢壘的影響190
7.2 金屬半導體接觸整流理論192
7.2.1 擴散理論193
7.2.2 熱電子發(fā)射理論195
7.2.3 鏡像力和隧道效應的影響197
7.2.4 肖特基勢壘二極管199
7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸200
7.3.1 少數(shù)載流子的注入200
7.3.2 歐姆接觸201
習題203
參考資料203
第8章 半導體表面與MIS結構204
8.1 表面態(tài)204
8.2 表面電場效應［5，6］ 207
8.2.1 空間電荷層及表面勢207
8.2.2 表面空間電荷層的電場、電勢和電容209
8.3 MIS結構的C-V特性216
8.3.1 理想MIS結構的C-V特性［5，7］ 216
8.3.2 金屬與半導體功函數(shù)差對MIS結構C-V特性的影響［5］ 220
8.3.3 絕緣層中電荷對MIS結構C-V特性的影響［7］ 221
8.4 硅—二氧化硅系統(tǒng)的性質［7］ 223
8.4.1 二氧化硅層中的可動離子［8］ 223
8.4.2 二氧化硅層中的固定表面電荷［7］ 225
8.4.3 在硅—二氧化硅界面處的快界面態(tài)［5］ 226
8.4.4 二氧化硅層中的電離陷阱電荷［7］ 228
8.5 表面電導及遷移率228
8.5.1 表面電導［1］ 228
8.5.2 表面載流子的有效遷移率229
★8.6 表面電場對pn結特性的影響［7］ 230
★8.6.1 表面電場作用下pn結的能帶圖230
★8.6.2 表面電場作用下pn結的反向電流232
★8.6.3 表面電場對pn結擊穿特性的影響234
★8.6.4 表面純化235
習題235
參考資料236
第9章 半導體異質結構237
9.1 半導體異質結及其能帶圖［79］ 237
9.1.1 半導體異質結的能帶圖237
9.1.2 突變反型異質結的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度243
9.1.3 突變反型異質結的勢壘電容［48］ 245
9.1.4 突變同型異質結的若干公式246
9.2 半導體異質pn結的電流-電壓特性及注入特性246
9.2.1 突變異質pn結的電流—電壓特性［7，17］ 247
9.2.2 異質pn結的注入特性［17］ 250
9.3 半導體異質結量子阱結構及其電子能態(tài)與特性252
9.3.1 半導體調制摻雜異質結構界面量子阱252
9.3.2 雙異質結間的單量子阱結構254
9.3.3 雙勢壘單量子阱結構及共振隧穿效應［23］ 258
★9.4 半導體應變異質結構259
★9.4.1 應變異質結260
★9.4.2 應變異質結構中應變層材料能帶的改性261
★9.5 GaN基半導體異質結構262
★9.5.1 GaN、AlGaN和InGaN的極化效應262
★9.5.2 AlxGa1－xN／GaN異質結構中二維電子氣的形成264
★9.5.3 InxGa1－xN／GaN異質結構266
9.6 半導體超晶格267
習題270
參考資料271
第10章 半導體的光學性質和光電與發(fā)光現(xiàn)象273
10.1 半導體的光學常數(shù)273
10.1.1 折射率和吸收系數(shù)273
10.1.2 反射系數(shù)和透射系數(shù)275
10.2 半導體的光吸收［1，2］ 276
10.2.1 本征吸收276
10.2.2 直接躍遷和間接躍遷277
10.2.3 其他吸收過程280
10.3 半導體的光電導［6，7］ 283
10.3.1 附加電導率284
10.3.2 定態(tài)光電導及其弛豫過程284
10.3.3 光電導靈敏度及光電導增益286
10.3.4 復合和陷阱效應對光電導的影響287
10.3.5 本征光電導的光譜分布288
10.3.6 雜質光電導290
10.4 半導體的光生伏特效應［8］ 290
10.4.1 pn結的光生伏特效應290
10.4.2 光電池的電流電壓特性291
10.5 半導體發(fā)光［9，10］ 292
10.5.1 輻射躍遷292
10.5.2 發(fā)光效率295
10.5.3 電致發(fā)光激發(fā)機構296
10.6 半導體激光［1114］ 297
10.6.1 自發(fā)輻射和受激輻射297
10.6.2 分布反轉298
10.6.3 pn結激光器原理299
10.6.4 激光材料302
10.7 半導體異質結在光電子器件中的應用302
10.7.1 單異質結激光器302
10.7.2 雙異質結激光器303
10.7.3 大光學腔激光器304
習題304
參考資料305
第11章 半導體的熱電性質307
11.1 熱電效應的一般描述307
11.1.1 塞貝克效應307
11.1.2 珀耳帖效應307
11.1.3 湯姆遜效應308
11.1.4 塞貝克系數(shù)、珀耳帖系數(shù)和湯姆遜系數(shù)間的關系308
11.2 半導體的溫差電動勢率310
11.2.1 一種載流子的熱力學溫度電動勢率310
11.2.2 兩種載流子的溫差電動勢率312
11.2.3 兩種材料的溫差電動勢率313
11.3 半導體的珀耳帖效應314
11.4 半導體的湯姆遜效應315
11.5 半導體的熱導率316
11.5.1 載流子對熱導率的貢獻317
11.5.2 聲子對熱導率的貢獻［1］ 318
11.6 半導體熱電效應的應用319
習題320
參考資料320
第12章 半導體磁和壓阻效應321
12.1 霍耳效應321
12.1.1 一種載流子的霍耳效應321
12.1.2 載流子在電磁場中的運動323
12.1.3 兩種載流子的霍耳效應325
12.1.4 霍耳效應的應用327
12.2 磁阻效應328
12.2.1 物理磁阻效應328
12.2.2 幾何磁阻效應330
12.2.3 磁阻效應的應用［8，9，10］331
★12.3 磁光效應332
★12.3.1 朗道（Landau）能級［11］ 332
★12.3.2 帶間磁光吸收334
★12.4 量子化霍耳效應335
12.5 熱磁效應337
12.5.1 愛廷豪森效應337
12.5.2 能斯脫效應338
12.5.3 里吉—勒迪克效應338
12.6 光磁電效應339
12.6.1 光擴散電勢差339
12.6.2 光磁電效應［15］ 340
12.7 壓阻效應342
12.7.1 壓阻系數(shù)343
12.7.2 液體靜壓強作用下的效應345
12.7.3 單軸拉伸或壓縮下的效應346
12.7.4 壓阻效應的應用348
習題349
參考資料350
第13章 非晶態(tài)半導體352
13.1 非晶態(tài)半導體的結構352
13.2 非晶態(tài)半導體中的電子態(tài)［3］ 355
13.2.1 無序體系中電子態(tài)的定域化355
13.2.2 遷移率邊356
13.2.3 非晶態(tài)半導體的能帶模型357
13.2.4 非晶態(tài)半導體的化學鍵結構358
13.3 非晶態(tài)半導體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應359
13.3.1 四面體結構非晶態(tài)半導體中的缺陷和隙態(tài)360
13.3.2 硫系非晶態(tài)半導體的缺陷與缺陷定域態(tài)361
13.3.3 Ⅳ族元素非晶態(tài)半導體的摻雜效應364
13.4 非晶態(tài)半導體中的電學性質365
13.4.1 非晶態(tài)半導體的導電機理365
13.4.2 非晶態(tài)半導體的漂移遷移率368
13.4.3 非晶態(tài)半導體的彌散輸運過程369
13.5 非晶態(tài)半導體中的光學性質371
13.5.1 非晶態(tài)半導體的光吸收371
13.5.2 非晶態(tài)半導體的光電導373
13.6 a-Si：H 的pn結與金—半接觸特性375
參考資料376
附錄A 常用物理常數(shù)和能量表達變換表377
附錄B 半導體材料物理性質表378
附錄C 主要參數(shù)符號表384
參考文獻388
書單推薦
