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本书是微电子专业课程“半导体物理学”和“电子器件”的先导课程教材, 主要内容融汇了“量子力学”和“固体物理”的相关知识, 将两者有机地结合起来, 并增加了“半导体物理学”的初步知识。

书中涵盖了“量子力学”的基本知识点和“固体物理”中的晶体结构及能带理论, 重点讲解了量子理论的内涵和量子力学方程的应用。对“半导体物理学”中所要求掌握的理论物理知识进行了全覆盖。将量子力学理论与固体物理理论结合起来是本书的一大特点。

本书可作为高等院校微电子、电子、通信、自动化等相关专业的教材。

第 1章 晶体结构 1

11 半导体材料的特性 1

12 晶体结构 1

121 晶体的共性 2

122 晶体的周期性 4

13 晶列、晶面、倒格子 9

131 基矢、晶胞 9

132 Miller指数 9

133 倒格子 12

134 布里渊区 15

14 晶体的对称性 18

141 晶体的对称操作 19

142 晶格结构的分类 22

15 晶体的结合 23

151 晶体的结合力 24

152 金刚石结构和共价结合 29

153 闪锌矿结构和结合性质 30

154 纤锌矿结构和结合性质 30

习题 31

第 2章 量子理论基础 34

21 经典物理学的困难 34

211 黑体辐射 34

212 光电效应 35

213 原子结构的玻耳(Bohr)理论 36

22 波函数和薛定谔方程 37

221 薛定谔(Schrdinger)方程 37

222 波函数的性质 39

223 量子力学基本理论 44

224 定态薛定谔方程 50

23 定态薛定谔方程的应用 52

231 一维无限势阱模型 52

232 一维有限势阱模型 55

233 一维线性谐振子 57

234 势垒贯穿 60

24 中心力场问题的薛定谔方程的求解 64

241 动量算符、角动量算符 64

242 电子在库仑场中的运动 67

25 微扰理论 70

251 非简并微扰理论 70

252 简并定态微扰 74

习题 78

第 3章 能带理论基础 81

31 周期场中电子的波函数——布洛赫函数 81

311 一维布洛赫定理的证明 82

312 三维布洛赫定理的证明 84

313 简约布里渊区 85

32 一维分析近似 86

321 克龙尼克-潘纳(Kronig-Penny)模型 86

322 近自由电子模型 89

323 紧束缚近似 94

324 导体、半导体、绝缘体的能带论解释 97

33 半导体中电子的运动 102

331 半导体中的能带和布里渊区 102

332 电子在能带极值附近的近似E(k)-k关系和有效质量 103

333 半导体中电子的平均速度、加速度 104

334 本征半导体的导电机构、空穴 105

34 三维扩展模型——硅、锗的能带结构 106

341 半导体能带极值附近的能带结构 106

342 半导体能带极值附近有效质量的确定、回旋共振 107

343 Si、Ge的能带结构 107

35 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 109

351 GaAs的能带结构 110

352 GaP晶体的能带结构特点 110

353 GaAs1-xPx的能带结构 110

习题 111

第 4章 半导体中的杂质和缺陷能级 113

41 半导体中的浅能级杂质 113

411 半导体中的两类杂质 113

412 Ge和Si中的浅能级杂质 114

413 Ⅲ-Ⅴ族半导体（GaAs、GaP等）中的浅能级杂质 116

414 Ⅱ-Ⅵ族半导体（CdTe、ZnS等）中的浅能级杂质 116

42 浅能级杂质电离能的简单计算 117

421 类氢模型 117

422 类氢模型的合理性 118

43 半导体中的杂质补偿效应 119

431 杂质的补偿作用 119

432 强补偿半导体的特殊性质 120

433 重掺杂效应 120

44 半导体中的深能级杂质 120

441 Ge和Si中的深能级杂质 120

442 Ge和Si中的Au能级 121

443 Ⅲ-Ⅴ族半导体中的深能级杂质 122

444 等电子陷阱 123

45 缺陷、位错能级 124

451 半导体中的点缺陷能级 124

452 半导体中的位错 125

习题 126

第 5章 载流子的统计分布 128

51 电子的分布函数 128

511 F-D分布函数 128

512 M-B分布函数 130

52 半导体能带极值附近的能态密度 132

521 k空间的状态密度 132

522 半导体导带底附近和价带顶附近的状态密度 135

523 热平衡载流子浓度(非简并半导体) 137

53 本征半导体中的载流子浓度 141

531 本征载流子浓度ni和pi 141

532 本征载流子浓度随温度的变化曲线图 143

533 半导体器件的工作温度范围 143

54 非简并掺杂半导体中的杂质和电荷 144

541 半导体中杂质的电离情况 (非简并情况) 144

542 n型非简并半导体中的载流子浓度 145

543 补偿半导体 149

544 利用掺杂半导体的载流子浓度与温度的关系来确定器件工作温区 153

55 简并半导体 154

551 简并半导体中的载流子浓度 154

552 简并化条件 154

553 简并化效应 155

56 过剩载流子的注入与复合 155

561 非平衡载流子的产生 155

562 非平衡载流子的特性 156

563 非平衡载流子的寿命 157

564 准费米能级和非平衡载流子浓度 158

57 非平衡载流子的复合理论 159

571 非平衡载流子复合的机理 159

572 复合的分类 160

58 陷阱效应 161

习题 162

第 6章 半导体的输运性质 164

61 载流子迁移率和半导体电导率 164

611 漂移电流和迁移率 164

612 半导体的电导率 166

62 半导体中载流子的散射 166

621 载流子散射的概念 166

622 半导体中载流子遭受散射的机构 167

623 晶格热振动的规律 168

63 电阻率与杂质浓度和温度的关系 170

631 电导率、迁移率与平均自由时间的关系 170

632 迁移率与杂质浓度、温度的关系 172

633 半导体电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 173

634 四探针法测电阻率 173

64 半导体的Boltzmann输运方程 174

641 分析载流子输运的分布函数法 174

642 Boltzmann方程 175

643 Boltzmann输运方程的弛豫时间近似 176

644 半导体电导率的统计计算 176

645 球形等能面均匀半导体在弱电场和无温度梯度时的电导率 177

65 强电场效应 179

651 强电场/窄尺寸效应 179

652 多能谷散射 181

66 载流子的扩散运动 183

661 载流子的扩散运动 183

662 扩散电流 184

663 爱因斯坦关系式 184

67 半导体的磁阻效应 185

671 半导体的Hall效应 185

672 半导体的磁阻效应 187

673 半导体的热传导 187

674 半导体的热电效应 188

675 半导体的热磁效应 190

习题 191

参考文献 192

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