半导体物理学 第7版PDF电子书下载

第1章 半导体中的电子状态 1

1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1

1.1.1 金刚石型结构和共价键 1

1.1.2 闪锌矿型结构和混合键 2

1.1.3 纤锌矿型结构 3

1.2 半导体中的电子状态和能带 4

1.2.1 原子的能级和晶体的能带 4

1.2.2 半导体中电子的状态和能带 6

1.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带 10

1.3 半导体中电子的运动 有效质量 11

1.3.1 半导体中E（k）与k的关系［3］ 11

1.3.2 半导体中电子的平均速度 12

1.3.3 半导体中电子的加速度 12

1.3.4 有效质量的意义 13

1.4 本征半导体的导电机构 空穴［3］ 14

1.5 回旋共振［4］ 16

1.5.1 k空间等能面 16

1.5.2 回旋共振 18

1.6 硅和锗的能带结构 19

1.6.1 硅和锗的导带结构 19

1.6.2 硅和锗的价带结构 21

1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构［7］ 24

1.7.1 锑化铟的能带结构 24

1.7.2 砷化镓的能带结构［8］ 25

1.7.3 磷化镓和磷化铟的能带结构 25

1.7.4 混合晶体的能带结构 25

1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构 26

1.8.1 二元化合物的能带结构 26

1.8.2 混合晶体的能带结构 27

1.9 Si1-xGex合金的能带 27

1.10 宽禁带半导体材料 29

1.10.1 GaN、AlN的晶格结构和能带［18］ 30

1.10.2 SiC的晶格结构与能带 32

习题 35

参考资料 35

第2章 半导体中杂质和缺陷能级 37

2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 37

2.1.1 替位式杂质 间隙式杂质 37

2.1.2 施主杂质、施主能级 38

2.1.3 受主杂质、受主能级 39

2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算［2,3］ 41

2.1.5 杂质的补偿作用 41

2.1.6 深能级杂质 42

2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级 45

2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级 50

2.4 缺陷、位错能级 52

2.4.1 点缺陷 52

2.4.2 位错 53

习题 54

参考资料 55

第3章 半导体中载流子的统计分布 56

3.1 状态密度［1,2］ 56

3.1.1 k空间中量子态的分布 56

3.1.2 状态密度 57

3.2 费米能级和载流子的统计分布 59

3.2.1 费米分布函数 59

3.2.2 玻耳兹曼分布函数 60

3.2.3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 61

3.2.4 载流子浓度乘积n0p0 64

3.3 本征半导体的载流子浓度 64

3.4 杂质半导体的载流子浓度 67

3.4.1 杂质能级上的电子和空穴 67

3.4.2 n型半导体的载流子浓度 68

3.5 一般情况下的载流子统计分布 76

3.6 简并半导体［2,5］ 81

3.6.1 简并半导体的载流子浓度 81

3.6.2 简并化条件 82

3.6.3 低温载流子冻析效应 83

3.6.4 禁带变窄效应 85

3.7 电子占据杂质能级的概率［2,6,7］ 86

3.7.1 电子占据杂质能级概率的讨论 86

3.7.2 求解统计分布函数 88

习题 89

参考资料 90

第4章 半导体的导电性 92

4.1 载流子的漂移运动和迁移率 92

4.1.1 欧姆定律 92

4.1.2 漂移速度和迁移率 93

4.1.3 半导体的电导率和迁移率 93

4.2 载流子的散射 94

4.2.1 载流子散射的概念 94

4.2.2 半导体的主要散射机构［1］ 95

4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 102

4.3.1 平均自由时间和散射概率的关系 102

4.3.2 电导率、迁移率与平均自由时间的关系 102

4.3.3 迁移率与杂质和温度的关系 104

4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 108

4.4.1 电阻率和杂质浓度的关系 108

4.4.2 电阻率随温度的变化 110

4.5 玻耳兹曼方程［11］、电导率的统计理论 110

4.5.1 玻耳兹曼方程 111

4.5.2 弛豫时间近似 112

4.5.3 弱电场近似下玻耳兹曼方程的解 113

4.5.4 球形等能面半导体的电导率 114

4.6 强电场下的效应［12］、热载流子 115

4.6.1 欧姆定律的偏离 115

4.6.2 平均漂移速度与电场强度的关系 116

4.7 多能谷散射、耿氏效应 120

4.7.1 多能谷散射、体内负微分电导 120

4.7.2 高场畴区及耿氏振荡 122

习题 123

参考资料 125

第5章 非平衡载流子 126

5.1 非平衡载流子的注入与复合 126

5.2 非平衡载流子的寿命 127

5.3 准费米能级 129

5.4 复合理论 130

5.4.1 直接复合 131

5.4.2 间接复合 132

5.4.3 表面复合 137

5.4.4 俄歇复合 139

5.5 陷阱效应 141

5.6 载流子的扩散运动 143

5.7 载流子的漂移扩散，爱因斯坦关系式 147

5.8 连续性方程式 149

5.9 硅的少数载流子寿命与扩散长度 153

参考资料 155

第6章 pn结 156

6.1 pn结及其能带图 156

6.1.1 pn结的形成和杂质分布［1～3］ 156

6.1.2 空间电荷区 157

6.1.3 pn结能带图 158

6.1.4 pn结接触电势差 159

6.1.5 pn结的载流子分布 160

6.2 pn结电流电压特性 161

6.2.1 非平衡状态下的pn结 161

6.2.2 理想pn结模型及其电流电压方程［4］ 164

6.2.3 影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素［1,2,5］ 167

6.3 pn结电容［1,2,6］ 171

6.3.1 pn结电容的来源 171

6.3.2 突变结的势垒电容 173

6.3.3 线性缓变结的势垒电容 177

6.3.4 扩散电容 180

6.4 pn结击穿［1,2,8,9］ 181

6.4.1 雪崩击穿 181

6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）［10］ 181

6.4.3 热电击穿 183

6.5 pn结隧道效应［1,10］ 183

习题 186

参考资料 186

第7章 金属和半导体的接触 187

7.1 金属半导体接触及其能级图 187

7.1.1 金属和半导体的功函数 187

7.1.2 接触电势差 188

7.1.3 表面态对接触势垒的影响 190

7.2 金属半导体接触整流理论 192

7.2.1 扩散理论 193

7.2.2 热电子发射理论 195

7.2.3 镜像力和隧道效应的影响 197

7.2.4 肖特基势垒二极管 199

7.3 少数载流子的注入和欧姆接触 200

7.3.1 少数载流子的注入 200

7.3.2 欧姆接触 201

习题 203

参考资料 203

第8章 半导体表面与MIS结构 204

8.1 表面态 204

8.2 表面电场效应［5,6］ 207

8.2.1 空间电荷层及表面势 207

8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容 209

8.3 MIS结构的C-V特性 216

8.3.1 理想MIS结构的C-V特性［5,7］ 216

8.3.2 金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响［5］ 220

8.3.3 绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响［7］ 221

8.4 硅—二氧化硅系统的性质［7］ 223

8.4.1 二氧化硅中的可动离子［8］ 223

8.4.2 二氧化硅层中的固定表面电荷［7］ 225

8.4.3 在硅—二氧化硅界面处的快界面态［5］ 226

8.4.4 二氧化硅中的陷阱电荷［7］ 228

8.5 表面电导及迁移率 228

8.5.1 表面电导［1］ 228

8.5.2 表面载流子的有效迁移率 229

8.6 表面电场对pn结特性的影响［7］ 230

8.6.1 表面电场作用下pn结的能带图 230

8.6.2 表面电场作用下pn结的反向电流 232

8.6.3 表面电场对pn结击穿特性的影响 234

8.6.4 表面纯化 235

习题 235

参考资料 236

第9章 半导体异质结构 237

9.1 半导体异质结及其能带图［7～9］ 237

9.1.1 半导体异质结的能带图 237

9.1.2 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 243

9.1.3 突变反型异质结的势垒电容［4～8］ 245

9.1.4 突变同型异质结的若干公式 246

9.2 半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性 246

9.2.1 突变异质pn结的电流—电压特性［7,17］ 247

9.2.2 异质pn结的注入特性［17］ 250

9.3 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性 252

9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱 252

9.3.2 双异质结间的单量子阱结构 254

9.3.3 双势垒单量子阱结构及共振隧穿效应［25］ 258

9.4 半导体应变异质结构 259

9.4.1 应变异质结 260

9.4.2 应变异质结构中应变层材料能带的改性 261

9.5 GaN基半导体异质结构 262

9.5.1 GaN，AlGaN和InGaN的极化效应 262

9.5.2 AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气的形成 264

9.5.3 InxGa1-xN/GaN异质结构 266

9.6 半导体超晶格 267

习题 270

参考资料 271

第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 273

10.1 半导体的光学常数 273

10.1.1 折射率和吸收系数 273

10.1.2 反射系数和透射系数 275

10.2 半导体的光吸收［1,2］ 276

10.2.1 本征吸收 276

10.2.2 直接跃迁和间接跃迁 277

10.2.3 其他吸收过程 280

10.3 半导体的光电导［6,7］ 283

10.3.1 附加电导率 284

10.3.2 定态光电导及其弛豫过程 284

10.3.3 光电导灵敏度及光电导增益 286

10.3.4 复合和陷阱效应对光电导的影响 287

10.3.5 本征光电导的光谱分布 288

10.3.6 杂质光电导 290

10.4 半导体的光生伏特效应［8］ 290

10.4.1 pn结的光生伏特效应 290

10.4.2 光电池的电流电压特性 291

10.5 半导体发光［9,10］ 292

10.5.1 辐射跃迁 292

10.5.2 发光效率 295

10.5.3 电致发光激发机构 296

10.6 半导体激光［11～14］ 297

10.6.1 自发辐射和受激辐射 297

10.6.2 分布反转 298

10.6.3 pn结激光器原理 299

10.6.4 激光材料 302

10.7 半导体异质结在光电子器件中的应用 302

10.7.1 单异质结激光器 302

10.7.2 双异质结激光器 303

10.7.3 大光学腔激光器 304

习题 304

参考资料 305

第11章 半导体的热电性质 307

11.1 热电效应的一般描述 307

11.1.1 塞贝克效应 307

11.1.2 珀耳帖效应 307

11.1.3 汤姆逊效应 308

11.1.4 塞贝克系数、珀耳帖系数和汤姆逊系数间的关系 308

11.2 半导体的温差电动势率 310

11.2.1 一种载流子的热力学温度电动势率 310

11.2.2 两种载流子的热力学温度电动势率 312

11.2.3 两种材料的温差电动势率 313

11.3 半导体的珀耳帖效应 314

11.4 半导体的汤姆逊效应 315

11.5 半导体的热导率 316

11.5.1 载流子对热导率的贡献 317

11.5.2 声子对热导率的贡献［1］ 318

11.6 半导体热电效应的应用 319

习题 320

参考资料 320

第12章 半导体磁和压阻效应 321

12.1 霍耳效应 321

12.1.1 一种载流子的霍耳效应 321

12.1.2 载流子在电磁场中的运动 323

12.1.3 两种载流子的霍耳效应 325

12.1.4 霍耳效应的应用 327

12.2 磁阻效应 328

12.2.1 物理磁阻效应 328

12.2.2 几何磁阻效应 330

12.2.3 磁阻效应的应用［8,9,10］ 331

12.3 磁光效应 332

12.3.1 朗道（Landau）能级［11］ 332

12.3.2 带间磁光吸收 334

12.4 量子化霍耳效应 335

12.5 热磁效应 337

12.5.1 爱廷豪森效应 337

12.5.2 能斯脱效应 338

12.5.3 里纪—勒杜克效应 338

12.6 光磁电效应 339

12.6.1 光扩散电势差 339

12.6.2 光磁电效应［15］ 340

12.7 压阻效应 342

12.7.1 压阻系数 343

12.7.2 液体静压强作用下的效应 345

12.7.3 单轴拉伸或压缩下的效应 346

12.7.4 压阻效应的应用 348

习题 349

参考资料 350

第13章 非晶态半导体 352

13.1 非晶态半导体的结构 352

13.2 非晶态半导体中的电子态［3］ 355

13.2.1 无序体系中电子态的定域化 355

13.2.2 迁移率边 356

13.2.3 非晶态半导体的能带模型 357

13.2.4 非晶态半导体的化学键结构 358

13.3 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应 359

13.3.1 四面体结构非晶态半导体中的缺陷和隙态 360

13.3.2 硫系非晶态半导体的缺陷与缺陷定域态 361

13.3.3 Ⅳ族元素非晶态半导体的掺杂效应 364

13.4 非晶态半导体中的电学性质 365

13.4.1 非晶态半导体的导电机理 365

13.4.2 非晶态半导体的漂移迁移率 368

13.4.3 非晶态半导体的弥散输运过程 369

13.5 非晶态半导体中的光学性质 371

13.5.1 非晶态半导体的光吸收 371

13.5.2 非晶态半导体的光电导 373

13.6 a-Si:H的pn结与金—半接触特性 374

参考资料 376

附录A 常用物理常数和能量表达变换表 377

附录B 半导体材料物理性质表 378

附录C 主要参数符号表 384

参考文献 388