固态电子论

目 录

第1章 晶体结构\t1

1.1 晶体的宏观特征\t1

1.2 晶体的微观结构\t3

1.2.1 空间点阵\t3

1.2.2 平移矢与晶格\t4

1.2.3 原胞与晶胞\t5

1.3 晶格类型与典型结构\t6

1.3.1 立方晶系\t6

1.3.2 其他晶格类型\t8

1.3.3 金刚石结构\t10

1.3.4 闪锌矿结构\t11

1.3.5 密堆砌结构\t11

1.3.6 其他典型结构\t12

1.4 晶体的对称性\t13

1.4.1 旋转对称操作\t14

1.4.2 中心反演\t15

1.4.3 镜像面\t15

1.4.4 旋转反演操作\t15

1.4.5 螺旋与滑移反映操作\t16

1.5 晶向与晶面指数\t17

1.5.1 晶列与晶向\t17

1.5.2 晶面与晶面指数\t18

1.5.3 金刚石结构硅的晶向与晶面\t19

1.6 晶体的倒格子与布里渊区\t21

1.6.1 倒格子的定义\t21

1.6.2 倒格子与正格子的关系\t21

1.6.3 布里渊区的定义\t23

1.6.4 典型晶格倒格子及布里渊区\t24

1.7 晶体的X射线衍射\t26

1.7.1 晶体衍射简介\t26

1.7.2 晶格衍射极大条件\t27

1.7.3 厄瓦尔德反射球\t28

1.7.4 影响衍射的因素\t30

习题一\t32

第2章 晶体结合与晶格振动及缺陷\t33

2.1 晶体内能与性质\t33

2.1.1 内能函数\t33

2.1.2 与内能相关的性质\t35

2.2 晶体结合类型\t36

2.2.1 离子结合\t36

2.2.2 共价结合\t38

2.2.3 金属结合\t41

2.2.4 范德瓦尔斯结合\t41

2.2.5 氢键结合\t42

2.3 一维晶格振动\t43

2.3.1 单原子链运动方程\t43

2.3.2 格波的色散关系\t45

2.3.3 关于格波与波矢的讨论\t46

2.3.4 波恩-卡曼周期性边界条件\t47

2.3.5 双原子链的运动方程\t48

2.3.6 声学波与光学波\t49

2.4 三维晶格振动与声子\t51

2.4.1 三维晶格振动讨论\t51

2.4.2 晶格振动能量与谐振子\t53

2.4.3 能量量子与声子\t55

2.5 晶格缺陷\t56

2.5.1 点缺陷\t56

2.5.2 线缺陷\t58

2.5.3 面缺陷\t60

习题二\t61

第3章 半导体中的电子状态与杂质\t63

3.1 半导体中的电子状态和能带\t63

3.1.1 原子中的电子状态和能级\t63

3.1.2 晶体中的电子状态\t64

3.2 周期性势场中的电子状态和能带\t66

3.2.1 晶体的周期性势场\t66

3.2.2 薛定谔方程和布洛赫(Bloch)定理\t67

3.2.3 Kronig-Penney模型\t67

3.2.4 布里渊区\t70

3.2.5 导体、半导体和绝缘体的能带结构\t71

3.3 半导体中电子的运动、有效质量\t72

3.3.1 半导体中E(k)与k的关系\t72

3.3.2 半导体中电子的速度(平均速度)\t73

3.3.3 半导体中电子的加速度\t74

3.3.4 有效质量的意义\t75

3.4 本征半导体的导电机构——空穴\t76

3.4.1 能带中电子的导电作用\t76

3.4.2 空穴\t78

3.5 回旋共振\t79

3.5.1 k空间等能面\t80

3.5.2 回旋共振的实验原理与方法\t81

3.6 硅和锗的能带结构\t84

3.6.1 硅和锗的导带结构\t84

3.6.2 硅和锗的价带结构\t86

3.6.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体能带结构\t88

3.7 半导体中杂质、缺陷及其能级\t89

3.7.1 硅锗晶体中的杂质能级\t90

3.7.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级\t95

3.7.3 晶体缺陷和位错能级\t97

习题三\t100

第4章 半导体中的载流子及其导电性\t102

4.1 状态密度\t102

4.1.1 k空间的量子态分布\t103

4.1.2 状态密度\t103

4.2 费米能级和载流子的统计分布\t105

4.2.1 费米分布函数\t105

4.2.2 玻尔兹曼分布函数\t107

4.2.3 非简并半导体载流子浓度\t108

4.3 本征半导体\t111

4.4 非简并杂质半导体\t113

4.4.1 杂质能级上的电子和空穴\t113

4.4.2 非简并杂质半导体载流子浓度\t114

4.5 一般情况下载流子的统计分布\t120

4.6 简并半导体\t122

4.6.1 简并半导体的载流子浓度\t122

4.6.2 重掺杂效应\t124

习题四\t125

第5章 半导体的导电性\t127

5.1 载流子的漂移运动——迁移率\t127

5.1.1 欧姆定律的微分形式\t127

5.1.2 载流子的漂移速度和迁移率\t128

5.1.3 半导体的电导率\t129

5.2 载流子散射\t130

5.2.1 载流子的散射概念\t130

5.2.2 半导体的主要散射机构\t131

5.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系\t138

5.3.1 平均自由时间和散射概率的关系\t138

5.3.2 电导率，迁移率与平均自由时间的关系\t139

5.3.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系\t141

5.4 电阻率与杂质浓度和温度的关系\t144

5.4.1 电阻率与杂质浓度的关系\t145

5.4.2 电阻率与温度的关系\t146

5.5 强电场下的效应与热载流子\t146

5.5.1 强电场下欧姆定律的偏离\t146

5.5.2 平均漂移速度与电场强度的关系\t148

5.6 耿氏效应\t150

5.6.1 多能谷散射和体内微分负电导\t151

5.6.2 高场畴区及耿氏振荡\t153

习题五\t153

第6章 非平衡载流子及其扩散运动\t155

6.1 非平衡载流子的注入与复合\t155

6.2 非平衡载流子的寿命\t156

6.3 准费米能级\t158

6.4 复合理论\t160

6.4.1 直接复合\t161

6.4.2 间接复合\t162

6.4.3 表面复合\t168

6.5 陷阱效应\t169

6.6 载流子的扩散运动、电流密度方程和爱因斯坦关系式\t171

6.6.1 平面扩散\t172

6.6.2 径向扩散\t175

6.6.3 电流密度方程\t175

6.6.4 爱因斯坦关系式\t176

6.7 连续性方程\t178

6.7.1 连续性方程的建立\t178

6.7.2 连续性方程的应用\t180

习题六\t183

第7章 半导体接触理论\t186

7.1 pn结及其能带图\t186

7.1.1 pn结的结构及杂质分布\t186

7.1.2 空间电荷区\t188

7.1.3 pn结的能带图\t188

7.1.4 接触电势差\t190

7.1.5 pn结中的载流子分布\t191

7.2 pn结电流-电压特性\t193

7.2.1 pn结的势垒\t193

7.2.2 理想电流电压模型及方程\t195

7.2.3 影响pn结伏安特性曲线的因素\t197

7.3 pn结电容\t200

7.3.1 势垒电容与扩散电容\t200

7.3.2 突变结的势垒电容\t201

7.3.3 线性缓变结势垒电容\t204

7.3.4 扩散电容\t206

7.4 pn结的击穿特性\t207

7.4.1 雪崩击穿\t207

7.4.2 隧道击穿\t210

7.4.3 热电击穿\t216

7.5 金属-半导体接触与能带图\t216

7.5.1 金属和半导体的功函数\t216

7.5.2 接触电势差\t218

7.5.3 表面态对接触势垒的影响\t220

7.6 金属和半导体接触的电流-电压特性\t221

7.6.1 整流特性\t221

7.6.2 少数载流子的注入效应\t224

7.6.3 欧姆接触\t226

习题七\t226

第8章 半导体表面与界面理论\t228

8.1 半导体表面特性\t228

8.1.1 表面态\t228

8.1.2 表面电场效应\t230

8.2 MIS结构的电容-电压特性\t237

8.2.1 理想MIS结构的C-V特性\t238

8.2.2 影响MIS结构C-V特性的主要因素\t243

8.3 硅-二氧化硅系统的性质\t245

8.3.1 二氧化硅层中的可动离子\t246

8.3.2 二氧化硅层中的固定表面电荷\t247

8.3.3 硅-二氧化硅层的界面态\t248

8.3.4 二氧化硅中的陷阱电荷\t249

8.4 异质结\t249

8.4.1 异质结的能带图\t250

8.4.2 异质结的电流机制\t254

8.4.3 异质结的应用\t257

习题八\t258

第9章 半导体光学特性\t260

9.1 半导体基本光学特性\t260

9.2 半导体的光吸收\t260

9.2.1 本征吸收与带间跃迁\t260

9.2.2 激子吸收\t264

9.2.3 带内跃迁\t265

9.2.4 杂质吸收\t266

9.2.5 晶格振动吸收\t267

9.3 半导体的光电导\t268

9.3.1 光电导现象的分类\t268

9.3.2 本征光电导\t269

9.3.3 杂质光电导\t271

9.3.4 其他类型光电导\t272

9.3.5 光电导灵敏度及对光电导材料的要求\t272

9.3.6 光电导效应的影响因素\t274

9.4 半导体的光生伏特效应\t275

9.4.1 体光生伏特效应\t275

9.4.2 势垒型光生伏特效应\t276

9.4.3 光电二极管的伏安特性\t277

9.4.4 太阳能电池\t279

9.5 半导体发光\t280

9.5.1 半导体中的发光过程\t280

9.5.2 发光效率\t284

9.5.3 电致发光机构\t286

9.5.4 光发射器件

本教材涵盖了固体物理基础知识与半导体物理学两部分内容，全书由9章组成：第1、2章阐述了固体物理基础知识，包括晶体结构及其结合、振动、缺陷的相关理论；第3～8章系统阐述了半导体物理学基本理论，包括半导体晶体能带论、平衡载流子的统计分布、电传导特性、非平衡载流子、接触理论及表面与界面理论；第9章阐述了半导体光电效应。各章的引言部分介绍了本章主要内容、重点应掌握知识点，以及学习难点；章后附有习题。在附录中还介绍了为半导体物理学重点理论内容设置的5个实验指导。 本教材思路清晰，物理概念突出，尽量避免繁杂的数学公式推导，易于读者理解和掌握。而且无须先修固体物理学课程就可以直接使用本教材学习半导体物理学知识。 本书是理工科高等院校电子类专业的本科教材，也是“微电子学与固体电子学”学科的考研用书。