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绪论 1

第1章　半导体的物质结构和能带结构 11

1．1　半导体的原子结合与晶体结构 11

1．1．1　元素的电负性与原子的结合力 11

1．1．2　共价结合与正四面体结构 12

1．1．3　主要半导体的晶体结构 14

1．2　半导体的电子状态和能带 17

1．2．1　能级与能带 17

1．2．2　零势场与周期势场中的电子状态 18

1．2．3　能带的填充与晶体的导电性及空穴的概念 20

1．3　半导体中载流子的有效质量 22

1．3．1　能带极值附近的E（K）函数 22

1．3．2　电子和空穴的有效质量 23

1．3．3　各向异性半导体中载流子的有效质量 24

1．4　半导体中的杂质和缺陷能级 26

1．4．1　杂质的施、受主作用及其能级 26

1．4．2　深能级杂质 30

1．4．3　缺陷的施、受主作用及其能级 32

1．5　典型半导体的能带结构 35

1．5．1　能带结构的基本内容及其表征 35

1．5．2　主要半导体的能带结构 36

1．6　半导体能带工程概要 39

1．6．1　半导体固溶体 39

1．6．2　利用固溶体技术剪裁能带结构 40

1．6．3　能带结构的量子尺寸效应 43

习题 45

第2章　半导体中的载流子及其输运性质 47

2．1　载流子的漂移运动与半导体的电导率 47

2．1．1　欧姆定律的微分形式 47

2．1．2　半导体的电导率 48

2．2　热平衡状态下的载流子统计 48

2．2．1　热平衡状态下的电子和空穴 48

2．2．2　费米分布函数与费米能级 51

2．2．3　费米分布函数与玻耳兹曼分布函数 52

2．2．4　非简并半导体的载流子密度 53

2．2．5　本征半导体的载流子密度 55

2．3　载流子密度对杂质和温度的依赖性 57

2．3．1　杂质电离度 57

2．3．2　非简并半导体载流子密度随温度的变化 58

2．3．3　简并半导体 65

2．4　载流子迁移率 71

2．4．1　恒定电场下载流子漂移运动的微观描述 71

2．4．2　决定载流子迁移率的物理因素 73

2．4．3　有效质量各向异性时的载流子迁移率 73

2．5　载流子散射及其对迁移率的影响 75

2．5．1　散射的物理本质 75

2．5．2　电离杂质散射及其对迁移率的影响 75

2．5．3　晶格振动散射及其对迁移率的影响 77

2．5．4　其他散射机构 81

2．6　半导体的电阻率及其与掺杂浓度和温度的关系 81

2．6．1　半导体的电阻率 81

2．6．2　电阻率与掺杂浓度的关系 82

2．6．3　电阻率与温度的关系 83

2．7　强电场中的载流子输运 84

2．7．1　强电场效应 84

2．7．2　热电子与速度饱和 85

2．7．3　负微分迁移率 87

2．7．4　耿氏效应及其应用 88

2．7．5　强电场下的速度过冲和准弹道输运 89

2．8　电导统计理论 91

2．8．1　电导问题简单分析的局限性 92

2．8．2　玻耳兹曼输运方程 92

2．8．3　弛豫时间近似下的玻耳兹曼输运方程及其解 94

2．8．4　考虑速度分布的电导率和迁移率 95

2．9　霍尔效应 95

2．9．1　霍尔效应原理 95

2．9．2　霍尔迁移率 97

2．9．3　霍尔系数 98

2．10　半导体的热导率 99

2．10．1　热导率的定义 100

2．10．2　半导体中的导热机构 100

2．10．3　维德曼－弗兰茨定律 101

习题 102

第3章　非热平衡状态下的半导体 104

3．1　半导体的非热平衡状态 104

3．1．1　额外载流子的产生与复合 104

3．1．2　额外载流子的寿命 106

3．1．3　准费米能级 108

3．2　复合理论 109

3．2．1　直接辐射复合 109

3．2．2　通过单一复合中心的间接复合 111

3．2．3　表面复合 114

3．2．4　俄歇复合 115

3．2．5　陷阱效应及其对复合的影响 116

3．3　额外载流子的运动 118

3．3．1　额外载流子的扩散与扩散方程 118

3．3．2　扩散方程在不同边界条件下的解 120

3．3．3　电场中的额外载流子运动 122

3．3．4　爱因斯坦关系 122

3．4　电流连续性方程及其应用 124

3．4．1　电流连续性方程 124

3．4．2　稳态电流连续性方程及其解 125

3．4．3　连续性方程的应用 126

3．5　半导体的光吸收 128

3．5．1　吸收系数及相关光学常数 129

3．5．2　半导体的本征吸收 131

3．5．3　其他吸收过程 133

3．6　半导体的光电导和光致发光 136

3．6．1　半导体的光电导 137

3．6．2　半导体的光致发光 141

习题 144

第4章　PN结 146

4．1　PN结的形成及其平衡态 146

4．1．1　PN结的形成及其杂质分布 146

4．1．2　热平衡状态下的PN结 148

4．2　PN结的伏安特性 152

4．2．1　广义欧姆定律 152

4．2．2　理想状态下的PN结伏安特性方程 153

4．2．3　PN结伏安特性对理想方程的偏离 158

4．3　PN结电容 161

4．3．1　PN结势垒区的电场及电势分布 161

4．3．2　势垒电容 164

4．3．3　扩散电容 165

4．3．4　用电容－电压法测量半导体的杂质浓度 167

4．4　PN结击穿 167

4．4．1　雪崩击穿 168

4．4．2　隧道击穿 170

4．4．3　热电击穿 171

4．5　PN结的光伏效应 172

4．5．1　光生电动势原理 172

4．5．2　光照PN结的电流－电压方程 172

4．5．3　光照PN结的特征参数 173

4．6　PN结发光 174

4．6．1　发光原理 174

4．6．2　半导体激光器原理 176

习题 180

第5章　金属－半导体接触 182

5．1　金属－半导体接触及其平衡状态 182

5．1．1　金属和半导体的功函数 182

5．1．2　有功函数差的金属－半导体接触 184

5．1．3　表面态对接触电势差的影响 185

5．1．4　欧姆接触 187

5．2　金属－半导体接触的非平衡状态 188

5．2．1　不同偏置状态下的肖特基势垒 188

5．2．2　正偏肖特基势垒区中的费米能级 189

5．2．3　厚势垒金属－半导体接触的伏安特性 190

5．2．4　薄势垒金属－半导体接触的伏安特性 192

5．2．5　金属－半导体接触的少子注入问题 193

5．2．6　非平衡态肖特基势垒接触的特点及其应用 195

习题 195

第6章　异质结和纳米结构 197

6．1　异质结的构成及其能带 197

6．1．1　异质结的构成与类型 197

6．1．2　理想异质结的能带结构 200

6．1．3　界面态对异质结能带结构的影响 203

6．2　异质结特性及其应用 205

6．2．1　伏安特性 206

6．2．2　注入特性 208

6．2．3　光伏特性 209

6．2．4　异质结的应用 210

6．3　半导体量子阱和超晶格 212

6．3．1　量子阱和超晶格的结构与种类 212

6．3．2　量子阱和超晶格中的电子状态 215

6．3．3　量子阱效应和超晶格效应 216

习题 219

第7章　半导体表面与MIS结构 220

7．1　半导体表面与表面态 220

7．1．1　理想晶体表面模型及其解 220

7．1．2　实际半导体表面 221

7．1．3　Si-SiO2系统的性质及其优化处理 222

7．2　表面电场效应与MIS结构 224

7．2．1　表面电场的产生与应用 224

7．2．2　理想MIS结构及其表面电场效应 225

7．2．3　理想MIS结构的空间电荷层与表面势 226

7．3　MIS结构的电容－电压特性 230

7．3．1　理想MIS结构的电容－电压特性 230

7．3．2　实际MIS结构的电容－电压特性 234

7．4　表面电导与表面迁移率 238

7．4．1　表面电导 239

7．4．2　表面散射与表面载流子的有效迁移率 240

7．4．3　影响表面迁移率的主要因素 240

7．4．4　表面迁移率模型与载流子的表面饱和漂移速度 242

习题 243

第8章　其他半导体效应 244

8．1　热电效应 244

8．1．1　塞贝克效应 244

8．1．2　珀耳帖效应 248

8．1．3　汤姆逊效应 249

8．1．4　塞贝克系数、珀耳帖系数和汤姆逊系数间的关系 250

8．2　磁阻与压阻效应 251

8．2．1　磁阻效应 251

8．2．2　压阻效应 254

习题 257

参考文献 258