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第1章 材料科学基本概念 1

1.1 原子结构和原子序数 1

1.2 原子质量和摩尔 6

1.3 键合和固体类型 7

1.3.1 分子和一般键合原理 7

1.3.2 共价键合固体：金刚石 9

1.3.3 金属键合：铜 11

1.3.4 离子键合固体：盐 12

1.3.5 二次键合 16

1.3.6 混合键合 20

1.4 动力学分子理论 23

1.4.1 平均动能和温度 23

1.4.2 热膨胀 30

1.5 分子速度和能量分布 35

1.6 分子碰撞与真空沉积 39

1.7 热、热波动和噪声 43

1.8 热激活过程 48

1.8.1 阿列纽斯速率方程 48

1.8.2 原子扩散和扩散系数 50

1.9 结晶状态 53

1.9.1 晶体结构 53

1.9.2 晶向和晶面 59

1.9.3 同素异形体和碳 64

1.10 晶体缺陷及其意义 67

1.10.1 点缺陷：空位和杂质 67

1.10.2 线缺陷：边缘和螺旋错位 71

1.10.3 面缺陷：晶界 75

1.10.4 晶体表面和表面性质 77

1.10.5 化学计量法、非化学计量法和缺陷结构 80

1.11 单晶Czochralski生长 80

2.12 电迁移和Black方程 192

第3章 电子材料和器件原理 211

3.1 光子 211

3.1.1 光的波动性 211

3.1.2 光电效应 214

3.1.3 康普顿散射 219

3.1.4 黑体辐射 222

3.2 电子的波动性 225

3.2.1 德布罗意关系 225

3.2.2 时间无关的薛定谔方程 229

3.3 无限势阱中的受限电子 233

3.4 海森堡的不确定性原理 239

3.5 有限势阱中的受限电子 242

3.6 隧道现象：量子泄漏 246

3.7 位阱：三个量子数 252

3.8 氢原子 255

3.8.1 电子波函数 255

3.8.2 量子化的电子能量 260

3.8.3 轨道角动量和空间量子化 264

3.8.4 电子自旋和内在的角动量S 269

3.8.5 电子的磁偶极矩 271

3.8.6 总角动量J 275

3.9 氦原子和周期表 276

3.9.1 氦原子和泡利不相容原则 276

3.9.2 亨德准则 279

3.10 受激发射和激光 281

3.10.1 受激发射和光子放大 281

3.10.2 氦氖激光器 285

3.10.3 激光输出光谱 288

附加主题 290

3.11 光纤放大器 290

第4章 现代固体理论 311

4.1 氢分子：键合的分子轨道理论 311

4.2 固体能带理论 317

4.2.1 能带形成 317

4.2.2 能带中电子的性质 323

4.3 半导体 326

4.4 电子有效质量 332

4.5 能带中的状态密度 334

4.6 统计：粒子集合 341

4.6.1 玻尔兹曼古典统计 341

4.6.2 费米-狄拉克统计 342

4.7 金属的量子理论 344

4.7.1 自由电子模型 344

4.7.2 金属导电性 347

4.8 费米能级的意义 350

4.8.1 金属-金属接触：接触电势 350

4.8.2 塞贝克效应和热电偶 353

4.9 热离子发射和真空管器件 362

4.9.1 热离子发射：Richardson-Dushman方程 362

4.9.2 肖特基效应和场发射 366

4.10 声子 372

4.10.1 谐振子和晶格波 372

4.10.2 德拜热容 377

4.10.3 非金属的导热性 382

4.10.4 电导率 385

附加主题 386

4.11 金属能带理论：晶体中的电子衍射 386

第5章 半导体 409

5.1 本征半导体 410

5.1.1 硅晶体和能带图 410

5.1.2 电子和空穴 411

5.1.3 半导体传导 414

5.1.4 电子和空穴浓度 416

5.2 非本征半导体 424

5.2.1 n型掺杂 425

5.2.2 p型掺杂 427

5.2.3 补偿掺杂 428

5.3 电导率的温度依赖性 433

5.3.1 载流子浓度的温度依赖性 433

5.3.2 漂移迁移率：温度和杂质依赖性 438

5.3.3 电导率的温度依赖性 441

5.3.4 简并和非简并半导体 443

5.4 直接和间接复合 445

5.5 少数载流子寿命 449

5.6 扩散和传导方程以及随机运动 455

5.7 连续性方程 461

5.7.1 时间依赖的连续性方程 461

5.7.2 稳态连续性方程 463

5.8 光吸收 467

5.9 压阻 471

5.10 肖特基连接 475

5.10.1 肖特基二极管 475

5.10.2 肖特基结太阳能电池和光电二极管 480

5.11 欧姆接触和热电冷却器 485

附加主题 490

5.12 塞贝克效应半导体和电压漂移 490

5.13 直接和间接带隙半导体 493

5.14 间接复合 503

5.15 非晶半导体 503

第6章 半导体器件 525

6.1 理想pn结 526

6.1.1 不施加偏置：开路 526

6.1.2 正向偏置：扩散区电流 531

6.1.3 正向偏置：复合电流和总电流 537

6.1.4 反向偏置 539

6.2 pn结能带图 546

6.2.1 开路 546

6.2.2 正向和反向偏置 548

6.3 pn结的耗尽层电容 551

6.4 扩散区（存储区）电容和动态电阻 557

6.5 反向击穿：雪崩击穿和齐纳击穿 560

6.5.1 雪崩击穿 560

6.5.2 齐纳击穿 562

6.6 发光二极管（LED） 564

6.6.1 LED原理 564

6.6.2 异质结高强度LED 566

6.6.3 量子阱高强度LED 567

6.7 LED材料和结构 570

6.8 LED输出光谱 574

6.9 LED的亮度和效率 580

6.10 太阳能电池 584

6.10.1 光电器件原理 584

6.10.2 串联和并联电阻 591

6.10.3 太阳能电池的材料、器件和效率 593

6.11 双极型晶体管（BJT） 596

6.11.1 共基极（CB）直流特性 596

6.11.2 共基极放大器 605

6.11.3 共发射极（CE）直流特性 607

6.11.4 低频小信号模型 609

6.12 结型场效应晶体管（JFET） 612

6.12.1 工作原理 612

6.12.2 JFET放大器 618

6.13 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） 622

6.13.1 场效应和翻转 622

6.13.2 增强型MOSFET 624

6.13.3 阈值电压 629

6.13.4 离子注入型MOS晶体管和多晶硅栅 631

附加主题 633

6.14 PIN二极管、光电二极管和太阳能电池 633

6.15 半导体光学放大器和激光 636

第7章 介电材料与绝缘 657

7.1 物质极化和相对介电常数 658

7.1.1 相对介电常数：定义 658

7.1.2 偶极矩与电子极化 659

7.1.3 极化矢量P 663

7.1.4 局部电场E loc与克劳修斯-莫索蒂方程 667

7.2 电子极化：共价固体 669

7.3 极化机理 671

7.3.1 离子位移极化 671

7.3.2 偶极转向极化 672

7.3.3 界面极化 674

7.3.4 总极化 676

7.4 频率依赖性：介电常数和介电损耗 677

7.4.1 介电损耗 677

7.4.2 德拜方程、柯尔-柯尔图和等效串联电路 686

7.5 高斯定律和边界条件 689

7.6 介电强度和绝缘击穿 694

7.6.1 介电强度：定义 694

7.6.2 介质击穿和局部放电：气体 695

7.6.3 介质击穿：液体 698

7.6.4 介质击穿：固体 699

7.7 电容介电材料 708

7.7.1 典型的电容器结构 708

7.7.2 电介质：比较 713

7.8 压电，铁电和热释电 717

7.8.1 压电 717

7.8.2 压电：石英振荡器和滤波器 722

7.8.3 铁电和热释电晶体 725

附加主题 732

7.9 电位移和去极化场 732

7.10 局部场与洛仑兹方程 736

7.11 偶极极化 738

7.12 离子极化与介电共振 740

7.13 介质混合物和非均匀介质 745

第8章 磁性和超导电性 765

8.1 物质的磁化 766

8.1.1 磁偶极矩 766

8.1.2 原子磁矩 767

8.1.3 磁化矢量M 768

8.1.4 磁场或磁场强度H 771

8.1.5 磁导率和磁化率 772

8.2 磁性材料的分类 776

8.2.1 反磁性 776

8.2.2 顺磁性 778

8.2.3 铁磁性 779

8.2.4 反铁磁性 779

8.2.5 亚铁磁性 780

8.3 铁磁性来源与交换相互作用 780

8.4 饱和磁化和居里温度 783

8.5 磁畴：铁磁材料 785

8.5.1 磁畴 785

8.5.2 磁晶体各向异性 787

8.5.3 畴壁 788

8.5.4 磁致伸缩 791

8.5.5 畴壁运动 792

8.5.6 多晶材料和M对H行为 793

8.5.7 退磁 797

8.6 软磁材料和硬磁材料 799

8.6.1 定义 799

8.6.2 初始磁导率和最大磁导率 800

8.7 软磁材料：示例和用法 801

8.8 硬磁材料：示例和用法 804

8.9 能带图和磁性 810

8.9.1 泡利自旋顺磁性 810

8.9.2 铁磁性能带模型 812

8.10 各向异性和巨磁电阻 813

8.11 磁记录材料 818

8.11.1 磁记录的一般原理 818

8.11.2 磁存储材料 823

8.12 超导电性 827

8.12.1 零电阻和迈斯纳效应 827

8.12.2 Ⅰ型和Ⅱ型超导体 830

8.12.3 临界电流密度 832

8.13 超导电性起源 836

附加主题 838

8.14 约瑟夫森效应 838

8.15 通量的量化 840

第9章 材料的光学特性 857

9.1 均匀介质中的光波 858

9.2 折射率指数 861

9.3 分散性：折射率指数——波长行为 863

9.4 群速度和群指数 868

9.5 磁场：辐射和坡印廷矢量 871

9.6 斯涅尔法则和全内反射（TIR） 873

9.7 菲涅尔方程 877

9.7.1 振幅的反射和透射系数 877

9.7.2 强度、反射率和透射率 883

9.8 复折射率和光吸收 888

9.9 晶格吸收 896

9.10 带间吸收 898

9.11 材料中的光散射 901

9.12 光导纤维中的衰减 902

9.13 发光、磷光和白光LED 905

9.14 极化 910

9.15 光学各向异性 912

9.15.1 单轴晶体和菲涅尔光学指标 913

9.15.2 方解石的双折射 917

9.15.3 二色性 918

9.16 双折射制动盘 918

9.17 光学活动和圆双折射 920

9.18 液晶显示器（LCD） 922

9.19 电光效应 926

附录A 布拉格衍射定律和X射线衍射 939

附录B 主要符号和缩略语 945

附录C 元素性质表 953

附录D 常数及可用信息 957

元素周期表 959