半导体物理学简明教程

第1章晶体结构与晶体结合（1）

1.1晶体结构（2）

1.1.1晶格和晶胞（2）

1.1.2原胞原基矢量晶格平移矢量（4）

1.2晶列与晶面（6）

1.2.1晶向指数（6）

1.2.2晶面指数（7）

1.3倒格子（9）

1.4晶体结合（10）

1.4.1固体的结合形式和化学键（10）

1.4.2离子结合（离子键）（11）

1.4.3共价结合（共价键）（11）

1.4.4金属结合（金属键）（11）

1.4.5范德瓦尔斯结合（范德瓦尔斯键）（12）

1.5典型半导体的晶体结构（12）

1.5.1金刚石型结构（12）

1.5.2闪锌矿型结构（14）

1.5.3纤锌矿型结构（14）

思考题与习题（14）

第2章半导体中的电子状态（16）

2.1周期性势场（16）

2.2布洛赫（Bloch）定理（17）

2.2.1单电子近似（17）

2.2.2布洛赫定理（18）

2.2.3布里渊区（19）

2.3周期性边界条件（玻恩冯—卡曼Born.von—Karman边界条件）（21）

2.4能带（24）

2.4.1周期性势场中电子的能量谱值（24）

2.4.2能带图及其画法（26）

2.5外力作用下电子的加速度有效质量（28）

2.5.1外力作用下电子运动状态的改变（29）

2.5.2有效质量（31）

2.6等能面、主轴坐标系（35）

2.7金属、半导体和绝缘体的区别（36）

2.8导带电子和价带空穴（38）

2.9硅、锗、砷化镓的能带结构（40）

2.9.1导带能带图（40）

2.9.2价带能带图（41）

2.10半导体中的杂质和杂质能级（43）

2.10.1替位式杂质和间隙式杂质（43）

2.10.2施主杂质和施主能级N型半导体（44）

2.10.3受主杂质和受主能级P型半导体（44）

2.10.4III—V族化合物中的杂质能级（45）

2.10.5等电子杂质等电子陷阱（46）

2.11类氢模型（47）

2.12深能级（48）

2.13缺陷能级（50）

2.14宽禁带半导体的自补偿效应（50）

思考题与习题（51）

第3章载流子的统计分布（53）

3.1能态密度（53）

3.1.1导带能态密度（53）

3.1.2价带能态密度（54）

3.2分布函数（55）

3.2.1费米—狄拉克（Fermi—Dirac）分布与费米能级（55）

3.2.2玻耳兹曼分布（56）

3.3能带中的载流子浓度（58）

3.3.1导带电子浓度（58）

3.3.2价带空穴浓度（59）

3.4本征半导体（61）

3.5杂质半导体中的载流子浓度（64）

3.5.1杂质能级上的载流子浓度（64）

3.5.2N型半导体（65）

3.5.3P型半导体（66）

3.6杂质补偿半导体（68）

3.7简并半导体（70）

3.7.1简并半导体杂质能级和能带的变化（70）

3.7.2简并半导体的载流子浓度（71）

思考题与习题（72）

第4章电荷输运现象（74）

4.1格波与声子（74）

4.1.1格波（74）

4.1.2声子（76）

4.2载流子的散射（77）

4.2.1平均自由时间与弛豫时间（78）

4.2.2散射机构（79）

4.3漂移运动迁移率电导率（81）

4.3.1平均漂移速度与迁移率（81）

4.3.2漂移电流电导率（84）

4.4多能谷情况下的电导现象（86）

4.5电流密度和电流（89）

4.5.1扩散流密度与扩散电流（89）

4.5.2漂移流密度与漂移电流（89）

4.5.3电流密度与电流（90）

4.6非均匀半导体中的内建电场（90）

4.6.1半导体中的静电场和势（90）

4.6.2爱因斯坦关系（91）

4.6.3非均匀半导体中的内建电场（92）

4.7霍尔（Hall）效应（94）

4.7.1霍尔系数（95）

4.7.2霍尔角（96）

思考题与习题（98）

第5章非平衡载流子（100）

5.1非平衡载流子的产生与复合（100）

5.1.1非平衡载流子的产生（100）

5.1.2非平衡载流子的复合（101）

5.1.3非平衡载流子的寿命（102）

5.2直接复合（104）

5.3通过复合中心的复合（106）

5.3.1载流子通过复合中心的产生和复合过程（106）

5.3.2净复合率（107）

5.3.3小信号寿命公式—肖克利—瑞德公式（108）

5.3.4金在硅中的复合作用（109）

5.4表面复合和表面复合速度（111）

5.5陷阱效应（112）

5.6准费米能级（113）

5.6.1 准费米能级（113）

5.6.2 修正欧姆定律（114）

5.7连续性方程（115）

5.8电中性条件介电弛豫时间（118）

5.9扩散长度与扩散速度（119）

5.10半导体中的基本控制方程（122）

思考题与习题（122）

第6章半导体表面（124）

6.1表面态和表面空间电荷区（124）

6.2表面电场效应（125）

6.2.1表面空间电荷区的形成（125）

6.2.2表面势与能带弯曲（126）

6.3载流子积累、耗尽和反型（127）

6.3.1载流子积累（128）

6.3.2载流子耗尽（128）

6.3.3载流子反型（129）

6.4理想MOS电容（133）

6.5实际MOS电容的C—V特性（139）

6.5.1功函数差的影响（139）

6.5.2界面陷阱和氧化物电荷的影响（141）

6.5.3实际MOS的C—V曲线和阈值电压（143）

思考题与习题（144）

第7章PN结（146）

7.1热平衡PN结（148）

7.1.1PN结空间电荷区（148）

7.1.2电场分布与电势分布（149）

7.2偏压PN结（153）

7.2.1 PN结的单向导电性（153）

7.2.2少数载流子的注入与输运（154）

7.3理想PN结二极管的直流电流—电压（I—V）特性（157）

7.4空间电荷区复合电流和产生电流（162）

7.4.1正偏复合电流（162）

7.4.2反偏产生电流（163）

7.5 隧道电流（164）

7.6PN结电容（165）

7.6.1耗尽层电容（166）

7.6.2扩散电容（167）

7.7PＮ结击穿（170）

7.8异质结（172）

7.8.1热平衡异质结（172）

7.8.2加偏压的异质结（174）

思考题与习题（175）

第8章金属—半导体接触（178）

8.1理想的金属—半导体整流接触肖特基势垒（178）

8.2界面态对势垒高度的影响（182）

8.3欧姆接触（183）

8.4镜像力对势垒高度的影响—肖特基效应（184）

8.5理想肖特基势垒二极管的电流—电压特性（186）

思考题与习题（189）

第9章半导体的光学性质（191）

9.1半导体的光学常数（191）

9.2本征吸收（192）

9.2.1直接跃迁（193）

9.2.2间接跃迁（195）

9.3激子吸收（197）

9.4其他光吸收过程（198）

9.4.1自由载流子吸收（198）

9.4.2杂质吸收（199）

9.5PN结的光生伏打效应（200）

9.6半导体发光（202）

9.6.1直接辐射复合（202）

9.6.2间接辐射复合（203）

9.6.3浅能级和主带之间的复合（204）

9.6.4施主—受主对（D—A对）复合（204）

9.6.5通过深能级的复合（205）

9.6.6激子复合（205）

9.6.7等电子陷阱复合（205）

9.7非辐射复合（207）

9.7.1多声子跃迁（208）

9.7.2俄歇（Auger）过程（208）

9.7.3表面复合（209）

9.8发光二极管（LED）（209）

9.9高效率的半导体发光材料（211）

思考题与习题（211）

模拟试卷（一）（213）

模拟试卷（二）（214）

模拟试卷（三）（216）

附录A单位制、单位换算和通用常数（224）

附录B半导体材料物理性质表（225）

参考文献

《普通高等教育"十二五"规划教材·电子科学与技术专业规划教材半导体物理学简明教程》可作为高等学校微电子学、光电子学等电子科学与技术各专业的教材，也可供有关专业研究生和从事微电子、光电子等专业的研究人员和工程技术人员参考。本书以简明的形式介绍了半导体的基本物理现象、物理性质、物理规律和基本理论。内容包括：晶体结构与晶体结合、半导体中的电子状态、载流子的统计分布、电荷输运现象、非平衡载流子、半导体表面、PN结、金属-半导体接触、半导体的光学性质等。【作者简介】孟庆巨，吉林大学电子工程学院教授，博士生导师，现在电子科技大学中山学院任教，教学督导，主要研究领域为电子科学与技术。