本书较全面地论述了半导体物理的基础知识。全书共13章，主要内容为：半导体的晶格结构和电子状态；杂质和缺陷能级；载流子的统计分布；载流子的散射及电导问题；非平衡载流子的产生、复合及其运动规律；pn结；金属和半导体的接触；半导体表面及MIS结构；半导体异质结构；半导体的光、热、磁、压阻等物理现象和非晶态半导体。本书提供配套的教学大纲、电子课件PPT等教学资源。本书可作为高等学校集成电路科学与工程等相关专业学生半导体物理等相关课程的教材，也可供相关专业的科技人员参考。
刘恩科，西安交通大学教授﹑博士生导师，一直从事教学及科研工作。对本科生讲授过普通物理学、原子物理学、固体物理学、半导体物理学、半导体物理与器件、半导体器件工艺、半导体物理与工艺实验。对硕士生讲授过太阳电池物理、半导体集成光学。对博士生讲授过半导体光电子学和光集成等课程。
目 录
第1章 半导体中的电子状态1
1.1 半导体的晶格结构和结合性质1
1.1.1 金刚石型结构和共价键1
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键2
1.1.3 纤锌矿型结构3
1.2 半导体中的电子状态和能带4
1.2.1 原子的能级和晶体的能带4
1.2.2 半导体中电子的状态和能带6
1.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带10
1.3 半导体中电子的运动———有效质量11
1.3.1 半导体中E（k）与k的关系［3］ 11
1.3.2 半导体中电子的平均速度12
1.3.3 半导体中电子的加速度12
1.3.4 有效质量的意义13
1.4 本征半导体的导电机构———空穴［3］ 14
1.5 回旋共振［4］ 16
1.5.1 k空间等能面16
1.5.2 回旋共振18
1.6 硅和锗的能带结构19
1.6.1 硅和锗的导带结构19
1.6.2 硅和锗的价带结构22
1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构［7］ 24
1.7.1 锑化铟的能带结构24
1.7.2 砷化镓的能带结构［8］ 25
1.7.3 磷化镓和磷化铟的能带结构25
1.7.4 混合晶体的能带结构25
★1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构26
★1.8.1 二元化合物的能带结构26
★1.8.2 混合晶体的能带结构27
★1.9 Si1－xGex合金的能带27
★1.10 宽禁带半导体材料29
★1.10.1 GaN、AlN的晶格结构和能带［18］ 30
★1.10.2 SiC的晶格结构和能带32
习题35
参考资料35
第2章 半导体中杂质和缺陷能级37
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级37
2.1.1 替位式杂质和间隙式杂质37
2.1.2 施主杂质、施主能级38
2.1.3 受主杂质、受主能级39
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算［2，3］ 41
2.1.5 杂质的补偿作用41
2.1.6 深能级杂质42
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级45
★2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级50
2.4 缺陷、位错能级52
2.4.1 点缺陷52
2.4.2 位错53
习题54
参考资料55
第3章 半导体中载流子的统计分布56
3.1 状态密度［1，2］ 56
3.1.1 k空间中量子态的分布56
3.1.2 状态密度57
3.2 费米能级和载流子的统计分布59
3.2.1 费米分布函数59
3.2.2 玻耳兹曼分布函数60
3.2.3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度61
3.2.4 载流子浓度乘积n0p0 64
3.3 本征半导体的载流子浓度64
3.4 杂质半导体的载流子浓度67
3.4.1 杂质能级上的电子和空穴67
3.4.2 n型半导体的载流子浓度68
3.5 一般情况下的载流子统计分布76
3.6 简并半导体［2，5］ 81
3.6.1 简并半导体的载流子浓度81
3.6.2 简并化条件82
3.6.3 低温载流子冻析效应83
3.6.4 禁带变窄效应85
3.7 电子占据杂质能级的概率［2，6，7］ 86
3.7.1 电子占据杂质能级概率的讨论86
3.7.2 求解统计分布函数88
习题89
参考资料90
第4章 半导体的导电性92
4.1 载流子的漂移运动和迁移率92
4.1.1 欧姆定律92
4.1.2 漂移速度和迁移率93
4.1.3 半导体的电导率和迁移率93
4.2 载流子的散射94
4.2.1 载流子散射的概念94
4.2.2 半导体的主要散射机构［1］ 95
4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系102
4.3.1 平均自由时间和散射概率的关系102
4.3.2 电导率、迁移率与平均自由时间的关系102
4.3.3 迁移率与杂质和温度的关系104
4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系108
4.4.1 电阻率和杂质浓度的关系108
4.4.2 电阻率随温度的变化110
★4.5 玻耳兹曼方程［11］、电导率的统计理论110
★4.5.1 玻耳兹曼方程111
★4.5.2 弛豫时间近似112
★4.5.3 弱电场近似下玻耳兹曼方程的解113
★4.5.4 球形等能面半导体的电导率114
4.6 强电场下的效应［12］、热载流子115
4.6.1 欧姆定律的偏离115
★4.6.2 平均漂移速度与电场强度的关系116
★4.7 多能谷散射、耿氏效应120
★4.7.1 多能谷散射、体内负微分电导120
★4.7.2 高场畴区及耿氏振荡122
习题123
参考资料125
第5章 非平衡载流子126
5.1 非平衡载流子的注入与复合126
5.2 非平衡载流子的寿命127
5.3 准费米能级129
5.4 复合理论130
5.4.1 直接复合131
5.4.2 间接复合132
5.4.3 表面复合137
5.4.4 俄歇复合139
5.5 陷阱效应141
5.6 载流子的扩散运动143
5.7 载流子的漂移扩散、爱因斯坦关系式147
5.8 连续性方程式149
5.9 硅的少数载流子寿命与扩散长度153
习题154
参考资料155
第6章 pn结156
6.1 pn结及其能带图156
6.1.1 pn结的形成和杂质分布［13］ 156
6.1.2 空间电荷区157
6.1.3 pn结能带图158
6.1.4 pn结接触电势差159
6.1.5 pn结的载流子分布160
6.2 pn结电流-电压特性161
6.2.1 非平衡状态下的pn结161
6.2.2 理想pn结模型及其电流-电压方程［4］ 164
6.2.3 影响pn结电流-电压特性偏离理想方程的各种因素［1，2，5］ 167
6.3 pn结电容［1，2，6］ 171
6.3.1 pn结电容的来源171
6.3.2 突变结的势垒电容173
6.3.3 线性缓变结的势垒电容177
6.3.4 扩散电容180
6.4 pn结击穿［1，2，8，9］ 181
6.4.1 雪崩击穿181
6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）［10］ 181
6.4.3 热电击穿183
6.5 pn结隧道效应［1，10］ 183
习题186
参考资料186
第7章 金属和半导体的接触187
7.1 金属半导体接触及其能级图187
7.1.1 金属和半导体的功函数187
7.1.2 接触电势差188
7.1.3 表面态对接触势垒的影响190
7.2 金属半导体接触整流理论192
7.2.1 扩散理论193
7.2.2 热电子发射理论195
7.2.3 镜像力和隧道效应的影响197
7.2.4 肖特基势垒二极管199
7.3 少数载流子的注入和欧姆接触200
7.3.1 少数载流子的注入200
7.3.2 欧姆接触201
习题203
参考资料203
第8章 半导体表面与MIS结构204
8.1 表面态204
8.2 表面电场效应［5，6］ 207
8.2.1 空间电荷层及表面势207
8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容209
8.3 MIS结构的C-V特性216
8.3.1 理想MIS结构的C-V特性［5，7］ 216
8.3.2 金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响［5］ 220
8.3.3 绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响［7］ 221
8.4 硅—二氧化硅系统的性质［7］ 223
8.4.1 二氧化硅层中的可动离子［8］ 223
8.4.2 二氧化硅层中的固定表面电荷［7］ 225
8.4.3 在硅—二氧化硅界面处的快界面态［5］ 226
8.4.4 二氧化硅层中的电离陷阱电荷［7］ 228
8.5 表面电导及迁移率228
8.5.1 表面电导［1］ 228
8.5.2 表面载流子的有效迁移率229
★8.6 表面电场对pn结特性的影响［7］ 230
★8.6.1 表面电场作用下pn结的能带图230
★8.6.2 表面电场作用下pn结的反向电流232
★8.6.3 表面电场对pn结击穿特性的影响234
★8.6.4 表面纯化235
习题235
参考资料236
第9章 半导体异质结构237
9.1 半导体异质结及其能带图［79］ 237
9.1.1 半导体异质结的能带图237
9.1.2 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度243
9.1.3 突变反型异质结的势垒电容［48］ 245
9.1.4 突变同型异质结的若干公式246
9.2 半导体异质pn结的电流-电压特性及注入特性246
9.2.1 突变异质pn结的电流—电压特性［7，17］ 247
9.2.2 异质pn结的注入特性［17］ 250
9.3 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性252
9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱252
9.3.2 双异质结间的单量子阱结构254
9.3.3 双势垒单量子阱结构及共振隧穿效应［23］ 258
★9.4 半导体应变异质结构259
★9.4.1 应变异质结260
★9.4.2 应变异质结构中应变层材料能带的改性261
★9.5 GaN基半导体异质结构262
★9.5.1 GaN、AlGaN和InGaN的极化效应262
★9.5.2 AlxGa1－xN／GaN异质结构中二维电子气的形成264
★9.5.3 InxGa1－xN／GaN异质结构266
9.6 半导体超晶格267
习题270
参考资料271
第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象273
10.1 半导体的光学常数273
10.1.1 折射率和吸收系数273
10.1.2 反射系数和透射系数275
10.2 半导体的光吸收［1，2］ 276
10.2.1 本征吸收276
10.2.2 直接跃迁和间接跃迁277
10.2.3 其他吸收过程280
10.3 半导体的光电导［6，7］ 283
10.3.1 附加电导率284
10.3.2 定态光电导及其弛豫过程284
10.3.3 光电导灵敏度及光电导增益286
10.3.4 复合和陷阱效应对光电导的影响287
10.3.5 本征光电导的光谱分布288
10.3.6 杂质光电导290
10.4 半导体的光生伏特效应［8］ 290
10.4.1 pn结的光生伏特效应290
10.4.2 光电池的电流电压特性291
10.5 半导体发光［9，10］ 292
10.5.1 辐射跃迁292
10.5.2 发光效率295
10.5.3 电致发光激发机构296
10.6 半导体激光［1114］ 297
10.6.1 自发辐射和受激辐射297
10.6.2 分布反转298
10.6.3 pn结激光器原理299
10.6.4 激光材料302
10.7 半导体异质结在光电子器件中的应用302
10.7.1 单异质结激光器302
10.7.2 双异质结激光器303
10.7.3 大光学腔激光器304
习题304
参考资料305
第11章 半导体的热电性质307
11.1 热电效应的一般描述307
11.1.1 塞贝克效应307
11.1.2 珀耳帖效应307
11.1.3 汤姆逊效应308
11.1.4 塞贝克系数、珀耳帖系数和汤姆逊系数间的关系308
11.2 半导体的温差电动势率310
11.2.1 一种载流子的热力学温度电动势率310
11.2.2 两种载流子的温差电动势率312
11.2.3 两种材料的温差电动势率313
11.3 半导体的珀耳帖效应314
11.4 半导体的汤姆逊效应315
11.5 半导体的热导率316
11.5.1 载流子对热导率的贡献317
11.5.2 声子对热导率的贡献［1］ 318
11.6 半导体热电效应的应用319
习题320
参考资料320
第12章 半导体磁和压阻效应321
12.1 霍耳效应321
12.1.1 一种载流子的霍耳效应321
12.1.2 载流子在电磁场中的运动323
12.1.3 两种载流子的霍耳效应325
12.1.4 霍耳效应的应用327
12.2 磁阻效应328
12.2.1 物理磁阻效应328
12.2.2 几何磁阻效应330
12.2.3 磁阻效应的应用［8，9，10］331
★12.3 磁光效应332
★12.3.1 朗道（Landau）能级［11］ 332
★12.3.2 带间磁光吸收334
★12.4 量子化霍耳效应335
12.5 热磁效应337
12.5.1 爱廷豪森效应337
12.5.2 能斯脱效应338
12.5.3 里吉—勒迪克效应338
12.6 光磁电效应339
12.6.1 光扩散电势差339
12.6.2 光磁电效应［15］ 340
12.7 压阻效应342
12.7.1 压阻系数343
12.7.2 液体静压强作用下的效应345
12.7.3 单轴拉伸或压缩下的效应346
12.7.4 压阻效应的应用348
习题349
参考资料350
第13章 非晶态半导体352
13.1 非晶态半导体的结构352
13.2 非晶态半导体中的电子态［3］ 355
13.2.1 无序体系中电子态的定域化355
13.2.2 迁移率边356
13.2.3 非晶态半导体的能带模型357
13.2.4 非晶态半导体的化学键结构358
13.3 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应359
13.3.1 四面体结构非晶态半导体中的缺陷和隙态360
13.3.2 硫系非晶态半导体的缺陷与缺陷定域态361
13.3.3 Ⅳ族元素非晶态半导体的掺杂效应364
13.4 非晶态半导体中的电学性质365
13.4.1 非晶态半导体的导电机理365
13.4.2 非晶态半导体的漂移迁移率368
13.4.3 非晶态半导体的弥散输运过程369
13.5 非晶态半导体中的光学性质371
13.5.1 非晶态半导体的光吸收371
13.5.2 非晶态半导体的光电导373
13.6 a-Si：H 的pn结与金—半接触特性375
参考资料376
附录A 常用物理常数和能量表达变换表377
附录B 半导体材料物理性质表378
附录C 主要参数符号表384
参考文献388
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