半導體物理與器件（第2版）

本書系統且全面地闡述了半導體物理的基礎知識和典型半導體器件的工作原理、工作特性，內容涵蓋量子力學、固體物理、半導體物理和半導體器件等。全書共8章，主要內容包括：半導體中的電子運動狀態、平衡半導體中的載流子濃度、載流子的輸運、過剩載流子、pn結、器件製備基本工藝、金屬半導體接觸和異質結、雙極電晶體。本書語言簡明扼要、通俗易懂，具有很強的專業性、技術性和實用性，並配有電子課件PPT、知識點視頻、習題參考答案等。本書既可作為高等學校電子科學與技術、微電子技術、光電資訊工程等專業本科生的教材，又可作為相關領域工程技術人員的參考書。

第1章 半導體中的電子運動狀態1
1．1 半導體材料1
1．1．1 半導體材料的原子構成1
1．1．2 半導體材料的結構3
1．1．3 金剛石結構8
1．1．4 固體的缺陷與雜質10
1．2 量子力學初步11
1．2．1 量子力學的基本原理12
1．2．2 薛定諤方程及其波函數的意義13
1．2．3 薛定諤方程的應用――自由電子與束縛態電子15
1．2．4 薛定諤方程的應用――單電子原子中電子的狀態20
1．2．5 薛定諤方程的應用――多電子原子中電子的狀態23
1．3 晶體中電子的運動狀態25
1．3．1 能帶的形成26
1．3．2 一維無限晶體的能帶29
1．3．3 半導體的價鍵模型和能帶模型33
1．3．4 半導體的有效品質36
1．3．5 空穴38
1．3．6 金屬、半導體和絕緣體的能帶與導電性能差異41
1．3．7 三維無限晶體的能帶42
習題144

第2章 平衡半導體中的載流子濃度46
2．1 狀態密度函數46
2．2 費米-狄拉克分佈函數49
2．3 平衡載流子濃度55
2．3．1 平衡半導體中載流子濃度的公式57
2．3．2 本征半導體中的載流子濃度60
2．3．3 載流子濃度的乘積63
2．3．4 本征費米能級位置63
2．4 只含一種雜質的雜質半導體中的載流子濃度64
2．4．1 施主雜質和受主雜質64
2．4．2 施主雜質能級上的電子和受主雜質能級上的空穴69
2．4．3 電中性條件70
2．5 補償半導體的載流子濃度76
2．6 費米能級的位置77
2．7 簡並半導體83
2．7．1 簡並半導體的載流子濃度84
2．7．2 禁帶窄效應85
習題286

第3章 載流子的輸運89
3．1 載流子的熱運動89
3．2 載流子的漂移運動90
3．2．1 漂移電流密度91
3．2．2 遷移率93
3．2．3 電導率和電阻率100
3．3 載流子的擴散運動104
3．4 愛因斯坦關係106
3．4．1 電場作用下的能帶圖106
3．4．2 愛因斯坦關係的推導107
3．5 霍爾效應109
習題3111

第4章 過剩載流子113
4．1 載流子的產生和複合113
4．1．1 決定載流子產生率的因素114
4．1．2 決定載流子複合率的因素115
4．1．3 熱平衡狀態下載流子的產生和複合115
4．1．4 外力作用下載流子的產生和複合116
4．2 准費米能級118
4．3 過剩載流子的性質120
4．3．1 載流子的連續性方程120
4．3．2 與時間有關的擴散方程121
4．4 雙極輸運及其輸運方程122
4．4．1 雙極輸運的概念122
4．4．2 雙極輸運方程123
4．4．3 小注入條件下的雙極輸運方程124
4．4．4 雙極輸運方程應用126
習題4131

第5章 pn結133
5．1 pn結的形成及其基本結構133
5．1．1 合金法及形成的pn結的雜質分佈133
5．1．2 擴散法及形成的pn結的雜質分佈134
5．2 平衡pn結及其能帶135
5．2．1 平衡pn結136
5．2．2 平衡pn結的能帶137
5．3 平衡pn結的參數139
5．3．1 內建電勢差139
5．3．2 平衡pn結的內建電場強度及電勢分佈函數143
5．3．3 空間電荷區寬度147
5．3．4 空間電荷區的載流子濃度150
5．3．5 線性緩結的靜電特性151
5．4 pn結二極體的電流-電壓特性方程152
5．4．1 靜電特性結果在外加電壓pn結中的推廣153
5．4．2 pn結電流-電壓特性方程的定性推導156
5．4．3 pn結電流-電壓特性方程的定量推導157
5．4．4 對理想pn結電流-電壓關係的修正169
5．5 pn結的小信號模型173
5．5．1 pn結反偏時的小信號模型174
5．5．2 pn結正偏時的小信號模型177
5．6 pn結二極體的瞬態回應180
5．6．1 關瞬態180
5．6．2 開瞬態182
5．7 隧道二極體183
5．8 pn結在光電器件中的應用184
5．8．1 光電檢測器185
5．8．2 太陽能電池189
5．8．3 發光二極體191
習題5194

第6章 器件製備基本工藝197
6．1 器件製備基本工藝197
6．1．1 襯底材料的準備198
6．1．2 氧化198
6．1．3 薄膜生長199
6．1．4 薄膜的圖形化201
6．1．5 摻雜202
6．2 pn結二極體的製備203
習題6205

第7章 金屬半導體接觸和異質結206
7．1 金屬半導體接觸206
7．1．1 金屬和半導體的功函數206
7．1．2 理想的金屬半導體接觸207
7．1．3 表面態對金屬半導體接觸勢壘的影響211
7．1．4 理想金屬半導體接觸的特性212
7．1．5 金屬半導體接觸的電流-電壓關係214
7．1．6 鏡像力的影響216
7．1．7 肖特基勢壘二極體和pn結二極體的比較216
7．1．8 歐姆接觸218
7．2 異質結218
7．2．1 異質結的分類及其能帶圖218
7．2．2 突反型異質結的靜電特性222
7．3 異質結的電流-電壓特性224
7．3．1 突反型異質結中的電流輸運模型225
7．3．2 突同型異質結中的電流輸運模型227
7．3．3 異質結的注入比特性227
習題7228

第8章 雙極電晶體230
8．1 雙極電晶體的基本情況230
8．1．1 雙極電晶體的結構230
8．1．2 雙極電晶體的特性參數234
8．2 雙極電晶體的電流-電壓特性235
8．2．1 理想電晶體模型及其求解235
8．2．2 理想電晶體輸入/輸出特性曲線240
8．2．3 非理想電晶體242
8．2．4 非理想電晶體輸入/輸出特性曲線245
8．3 電晶體的反向特性247
8．3．1 電晶體的反向電流247
8．3．2 電晶體的反向擊穿電壓249
8．3．3 電晶體的穿通電壓250
8．4 電晶體模型和電晶體頻率特性250
8．4．1 Ebers-Moll模型250
8．4．2 電晶體的頻率特性252
習題8256

附錄A 本書常用文字符號說明257
附錄B 常用表格260
參考文獻261

呂淑媛

博士，西安郵電大學副教授，長期講授半導體物理與器件等課程，曾獲得2018年陝西省第三屆高校教師微課教學比賽一等獎，2019年全國高等學校電子資訊類專業青年教師授課大賽二等獎和2022年全國高校光電資訊科學與工程專業優秀課程思政案例二等獎。在教學實踐中開展以學生為中心的教學改革並發表相關教改論文一篇。2021年主持陝西省自然科學專案一項，2019年作為專案組第二參與人參與國家自然科學面上項目一項，以第一作者發表SCI論文20餘篇。