中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　《中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础》主要介绍与晶体管、集成电路等所谓硅平面器件有关的半导体物理基础。第1章、第2章介绍半导体的一般原理；第3章、第4章对pn结、半导体表面和MOS晶体管的物理原理进行具体而深入的分析；第5章结合具体的半导体材料，介绍了有关晶体和缺陷的基础知识。
　　《中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础》对一些基本概念的讲述做到了深入浅出、便于自学，在结合具体的半导体材料讲述晶体缺陷方面做了新的尝试，《中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础》可以作为高等学校有关课程的教学参考书，也可供从事半导体技术工作的科技人员和工人阅读。

内页插图

目录

前言

第1章 掺杂半导体的导电性
1．1 掺杂和载流子
1．2 电导率和电阻率
1．3 迁移率
1．4 测量电阻率的四探针方法
1．5 扩散薄层的方块电阻

第2章 能级和载流子
2．1 量子态和能级
2．2 多子和少子的热平衡
2．3 费米能级
2．4 电子的平衡统计分布规律
2．5 非平衡载流子的复合
2．6 非平衡载流子的扩散

第3章 pn结
3．1 pn结的电流一电压关系
3．2 空间电荷区中的复合和产生电流
3．3 晶体管的电流放大作用
3．4 高掺杂的半导体和pn结
3．5 pn结的击穿
3．6 pn结的电容效应
3．7 金属-导体接触

第4章 半导体表面
4．1 表面空间电荷区及反型层
4．2 MIS电容器——理想C（V）特性
4．3 实际MIS电容器的C（V）特性及应用
4．4 硅-二氧化硅系统的性质
4．5 MOS场效应晶体管
4．6 电荷耦合器件

第5章 晶格和缺陷
5．1 晶格
5．2 空位和间隙原子
5．3位错
5．4 层错
5．5 相变和相图

前言/序言

　　近年来，半导体科学技术在许多方面都有了深入的发展，并逐渐形成了若干分支.虽然各分支之间有共同的半导体物理基础，但是各自的侧重点和具体要求很不相同.本书主要讲述与晶体管、集成电路等所谓硅平面器件有关的半导体物理基础.第1章、第2章介绍半导体的一般原理，但内容着重于硅平面器件，对一些微观理论只作浅显的介绍，在第3章、第4章中对pn结和半导体表面的物理原理以较大篇幅进行了具体而深入的分析，第5章尽量结合半导体实际，介绍有关晶体和缺陷的基础知识，在本书编写过程中，许多工厂、科研单位和高等学校的同志热情地向我们介绍经验，提供资料，并对写法提出宝贵建议，这对我们的工作是很大的启发和帮助，在此一并表示衷心的感谢。
　　由于我们经验和水平有限，书中难免有不妥之处，诚恳地希望读者批评指正。

中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础 --- 卷首语：探索物质世界的微观奥秘 半导体，这一在现代信息技术革命中占据核心地位的物质范畴，其物理特性的深入理解，是当代物理学和工程科学不可或缺的基石。本卷《中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础》旨在系统、严谨地构建起读者对半导体材料基本物理图像的认知框架。我们深知，一部基础性的经典著作，其价值不仅在于知识的传递，更在于思维方法的引导和对前沿探索的启迪。 本书的编写团队汇集了国内在凝聚态物理、固体电子学领域深耕多年的资深学者，他们以数十年的教学与科研经验为依托，力求在保持科学严谨性的同时，兼顾概念的清晰阐述和逻辑的流畅推进。我们深信，唯有扎根于坚实的理论基础，方能有效地应对半导体器件快速迭代带来的挑战。 --- 第一部分：晶体结构与能带理论的奠基 半导体的奇特电学行为，根源于其独特的晶体结构和由此衍生的电子能带结构。本部分将作为全书的理论起点，为后续深入讨论提供不可或缺的数学和物理基础。 第一章 晶体结构基础与倒易空间 本章首先回顾经典固体物理中的晶体学基础，包括布拉维点阵、晶体结构类型（重点关注金刚石结构和闪锌矿结构）的描述。随后，引入布拉维格点与晶胞的概念，详细解析如何使用Wigner-Seitz晶胞来简化复杂的晶体几何描述。 关键在于对倒易空间（Reciprocal Space）的深入剖析。我们详述傅里叶变换在描述晶体周期性势场中的核心作用，精确定义倒易点阵矢量和布里渊区（Brillouin Zone）的物理意义。布里渊区的几何形状和对称性，直接决定了电子的能带结构，因此本章将通过二维和三维模型的直观演示，帮助读者掌握其计算方法和空间划分的意义。 第二章 周期性势场中的电子运动：Bloch定理 这是理解半导体电子行为的理论核心。本章从薛定谔方程在周期性势场下的应用出发，详细推导并阐述Bloch定理的数学形式及其物理内涵——电子在晶体中以Bloch波的形式运动，其波函数具有晶格平移的周期性。 我们将区分实空间（Real Space）的周期性与倒易空间（Momentum Space）中的运动，解释为什么电子的运动可以被描述为在k空间中的有效质量（Effective Mass）运动。此外，本章还会探讨在实际计算中常用的近似方法，例如平移不变性的运用。 第三章 能带结构与电子态密度 在Bloch定理的基础上，本章将聚焦于如何求解电子能带（Energy Bands）。我们采用近自由电子模型（Nearly Free Electron Model）和紧束缚模型（Tight-Binding Model）作为重要的近似工具，对比分析这两种模型在描述不同能带区域（如金属与绝缘体/半导体）时的适用性和局限性。 重点解析费米能级（Fermi Level）的概念，并详细阐述电子态密度（Density of States, DOS）的计算。DOS是连接微观电子行为与宏观热力学性质的关键桥梁，本章将推导出DOS在三维体系中的解析形式，并讨论其在区分导体、半导体和绝缘体中的决定性作用。 --- 第二部分：本征与杂质半导体的电学特性 在建立了能带理论的框架后，本部分将引入实际半导体材料的物理图像，解析其本征电学性质，并深入探讨掺杂（杂质效应）对这些性质的调控机制。 第四章 本征半导体的载流子理论 本章聚焦于无杂质的理想半导体。首先，基于能带理论，精确计算导带（Conduction Band）和价带（Valence Band）的载流子浓度。关键在于如何确定有效质量 $m_e^$ 和 $m_h^$，并解释为何它们是描述电子和空穴运动的关键参数。 随后，推导本征载流子浓度 $n_i$ 的温度依赖关系，并详细讨论费米能级 $E_F$ 在本征态下的位置。本章还引入了热激发过程，阐述光照或加热如何导致电子从价带跃迁至导带，产生等量的电子-空穴对，从而影响材料的电导率。 第五章 杂质半导体与掺杂机制 本章的核心内容是理解杂质（Dopant）如何有效地改变半导体的导电性。我们系统区分施主（Donor）和受主（Acceptor）杂质，并详细分析它们的电离能和在晶格中的局域态。 对于N型半导体，我们将分析在低温、中温（杂质电离区）和高温（本征区）下的载流子浓度变化，并确定在杂质浓度远低于本征浓度时费米能级的位置。对于P型半导体，采取对称分析方法，解释空穴的产生机制。本章还将量化费米能级对掺杂浓度的依赖性，这是设计器件的基础。 第六章 载流子的输运现象：迁移率与弛豫时间 电导率 $sigma$ 是宏观电学性质的量度，它依赖于载流子的浓度和迁移率。本章将深入探讨载流子迁移率 $(mu)$ 的物理机制。 重点分析载流子在晶格中运动时所经历的散射机制，包括： 1. 声子散射（Phonon Scattering）：热振动对电子运动的阻碍，分析其与温度的关系。 2. 杂质离子散射（Ionized Impurity Scattering）：静电作用对载流子的偏转。 通过弛豫时间近似（Relaxation Time Approximation），推导迁移率的公式，并解释Matthiessen定则的物理意义。最后，讨论霍尔效应（Hall Effect）在测量载流子类型、浓度和迁移率中的应用。 --- 第三部分：光与半导体的相互作用及界面物理 现代半导体技术（如光电子器件）依赖于对光与物质相互作用的精确控制。本部分将从量子力学的角度探讨光激发过程，并延伸至半导体异质结的界面物理。 第七章 半导体的光学性质与光生载流子 本章聚焦于光吸收和光致发光现象。我们将应用费米的黄金定律（Fermi's Golden Rule）来计算光子激发电子跃迁的概率，并讨论动量守恒在直接带隙（Direct Bandgap）和间接带隙（Indirect Bandgap）材料中的区别。 详细分析吸收系数随光子能量的变化曲线，确定材料的光学带隙。在光致发光方面，讨论电子-空穴复合过程的几种主要模式，包括辐射复合和非辐射复合，为理解LED和激光器的效率提供理论依据。 第八章 半导体异质结与界面效应 任何实用的半导体器件都涉及不同材料或不同掺杂区域的界面（Interface）。本章侧重于分析PN结（p-n Junction）的形成。 首先，引入热力学平衡态下的分析，推导结内电场的形成机制和内建电势（Built-in Potential）的计算。随后，详细分析空间电荷区（Depletion Region）的宽度和电荷分布。本章还将概述理想PN结的伏安特性，为理解二极管的工作原理奠定基础。对于更复杂的结构，如异质结（Heterojunctions），我们将讨论能带的阶梯效应和二维电子气（2DEG）的形成条件。 --- 结语：基础与前沿的桥梁 《中国科学技术经典文库·物理卷：半导体物理基础》力求以扎实的理论推导和清晰的物理图像，为读者，无论是物理学、材料学还是电子工程专业的学生和研究人员，提供一套完整、可依赖的知识体系。本书的每一个章节都旨在确保读者能够从最基本的晶体对称性出发，逐步构建起对现代半导体器件运作机理的深刻洞察。我们希望，本经典文库能成为读者在探索半导体物理领域更深层次问题的坚实起点。