半導體物理學（簡明版）

本書較全面地論述了半導體物理的基礎知識。全書共9章，主要內容為：半導體的晶格結構和電子狀態；雜質和缺陷能級；載流子的統計分佈；載流子的散射及電導問題；非平衡載流子的產生、復合及其運動規律；pn結；金屬和半導體的接觸；半導體錶面與MIS結構；半導體異質結構。本書提供配套的教學大綱、電子課件PPT等教學資源。本書可作為高等學校集成電路科學與工程等相關專業半導體物理等相關課程的教材，也可供相關專業的科技人員參考。

第1章　半導體中的電子狀態1
　　1.1　半導體的晶格結構和結合性質1
　　　　1.1.1　金剛石型結構和共價鍵1
　　　　1.1.2　閃鋅礦型結構和混合鍵2
　　　　1.1.3　纖鋅礦型結構3
　　1.2　半導體中的電子狀態和能帶4
　　　　1.2.1　原子的能級和晶體的能帶4
　　　　1.2.2　半導體中電子的狀態和能帶6
　　　　1.2.3　導體、半導體、絕緣體的能帶10
　　1.3　半導體中電子的運動———有效質量11
　　　　1.3.1　半導體中E（k）與k的關系［3］ 11
　　　　1.3.2　半導體中電子的平均速度12
　　　　1.3.3　半導體中電子的加速度12
　　　　1.3.4　有效質量的意義13
　　1.4　本徵半導體的導電機構———空穴［3］ 14
　　1.5　迴旋共振［4］ 16
　　　　1.5.1　k空間等能面16
　　　　1.5.2　迴旋共振描述18
　　1.6　硅和鍺的能帶結構19
　　　　1.6.1　硅和鍺的導帶結構19
　　　　1.6.2　硅和鍺的價帶結構22
　　1.7　Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構［7］ 24
　　　　1.7.1　銻化銦的能帶結構24
　　　　1.7.2　砷化鎵的能帶結構［8］ 25
　　　　1.7.3　磷化鎵和磷化銦的能帶結構25
　　　　1.7.4　混合晶體的能帶結構25
　　★1.8　Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體的能帶結構26
　　　　★1.8.1　二元化合物的能帶結構26
　　　　★1.8.2　混合晶體的能帶結構27
　　★1.9　Ｓｉ1－xＧｅx合金的能帶27
　　★1.10　寬禁帶半導體材料29
　　　　★1.10.1　ＧａＮ、ＡｌＮ的晶格結構和能帶［18］ 30
　　　　★1.10.2　ＳｉＣ的晶格結構和能帶32
　　習題35
　　參考資料35 __________
第2章　半導體中雜質和缺陷能級37
　　2.1　硅、鍺晶體中的雜質能級37
　　　　2.1.1　替位式雜質和間隙式雜質37
　　　　2.1.2　施主雜質、施主能級38
　　　　2.1.3　受主雜質、受主能級39
　　　　2.1.4　淺能級雜質電離能的簡單計算［2，3］ 41
　　　　2.1.5　雜質的補償作用41
　　　　2.1.6　深能級雜質42
　　2.2　Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質能級45
　　★2.3　氮化鎵、氮化鋁、碳化硅中的雜質能級50
　　2.4　缺陷、位錯能級52
　　　　2.4.1　點缺陷52
　　　　2.4.2　位錯53
　　習題54
　　參考資料55
第3章　半導體中載流子的統計分佈56
　　3.1　狀態密度［1，2］ 56
　　　　3.1.1　k空間中量子態的分佈56
　　　　3.1.2　狀態密度57
　　3.2　費米能級和載流子的統計分佈59
　　　　3.2.1　費米分佈函數59
　　　　3.2.2　玻耳茲曼分佈函數60
　　　　3.2.3　導帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度61
　　　　3.2.4　載流子濃度乘積n0p0 64
　　3.3　本徵半導體的載流子濃度64
　　3.4　雜質半導體的載流子濃度67
　　　　3.4.1　雜質能級上的電子和空穴67
　　　　3.4.2　ｎ型半導體的載流子濃度68
　　3.5　一般情況下的載流子統計分佈76
　　3.6　簡並半導體［2，5］ 81
　　　　3.6.1　簡並半導體的載流子濃度81
　　　　3.6.2　簡並化條件82
　　　　3.6.3　低溫載流子凍析效應83
　　　　3.6.4　禁帶變窄效應85
　　3.7　電子占據雜質能級的概率［2，6，7］ 86
　　　　3.7.1　電子占據雜質能級概率的討論86
　　　　3.7.2　求解統計分佈函數88
　　習題89
　　參考資料90
第4章　半導體的導電性92
　　4.1　載流子的漂移運動和遷移率92
　　　　4.1.1　歐姆定律92
　　　　4.1.2　漂移速度和遷移率93
　　　　4.1.3　半導體的電導率和遷移率93
　　4.2　載流子的散射94
　　　　4.2.1　載流子散射的概念94
　　　　4.2.2　半導體的主要散射機構［1］ 95
　　4.3　遷移率與雜質濃度和溫度的關系102
　　　　4.3.1　平均自由時間和散射概率的關系102
　　　　4.3.2　電導率、遷移率與平均自由時間的關系102
　　　　4.3.3　遷移率與雜質和溫度的關系104
　　4.4　電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系108
　　　　4.4.1　電阻率和雜質濃度的關系108
　　　　4.4.2　電阻率隨溫度的變化110
　　★4.5　玻耳茲曼方程［11］、電導率的統計理論110
　　　　★4.5.1　玻耳茲曼方程111
　　　　★4.5.2　弛豫時間近似112
　　　　★4.5.3　弱電場近似下玻耳茲曼方程的解113
　　　　★4.5.4　球形等能面半導體的電導率114
　　4.6　強電場下的效應［12］、熱載流子115
　　　　4.6.1　歐姆定律的偏離115
　　　　★4.6.2　平均漂移速度與電場強度的關系116
　　★4.7　多能谷散射、耿氏效應120
　　　　★4.7.1　多能谷散射、體內負微分電導120
　　　　★4.7.2　高場疇區及耿氏振盪122
　　習題123
　　參考資料125
第5章　非平衡載流子126
　　5.1　非平衡載流子的註入與復合126
　　5.2　非平衡載流子的壽命127
　　5.3　準費米能級129
　　5.4　復合理論130
　　　　5.4.1　直接復合131
　　　　5.4.2　間接復合132
　　　　5.4.3　錶面復合137
　　　　5.4.4　俄歇復合139
　　5.5　陷阱效應141
　　5.6　載流子的擴散運動143
　　5.7　載流子的漂移擴散、愛因斯坦關系式147
　　5.8　連續性方程149
　　5.9　硅的少數載流子壽命與擴散長度153
　　習題154
　　參考資料155
第6章　pn結156
　　6.1　pn結及其能帶圖156
　　　　6.1.1　pn結的形成和雜質分佈［13］ 156
　　　　6.1.2　空間電荷區157
　　　　6.1.3　pn結能帶圖158
　　　　6.1.4　pn結接觸電勢差159
　　　　6.1.5　pn結的載流子分佈160
　　6.2　pn結電流—電壓特性161
　　　　6.2.1　非平衡狀態下的pn結161
　　　　6.2.2　理想pn結模型及其電流—電壓方程［4］ 164
　　　　6.2.3　影響pn結電流—電壓特性偏離理想方程的各種因素［1，2，5］ 167
　　6.3　pn結電容［1，2，6］ 171
　　　　6.3.1　pn結電容的來源171
　　　　6.3.2　突變結的勢壘電容173
　　　　6.3.3　線性緩變結的勢壘電容177
　　　　6.3.4　擴散電容180
　　6.4　pn結擊穿［1，2，8，9］ 181
　　　　6.4.1　雪崩擊穿181
　　　　6.4.2　隧道擊穿（齊納擊穿）［10］ 181
　　　　6.4.3　熱電擊穿183
　　6.5　pn結隧道效應［1，10］ 183
　　習題186
　　參考資料186
第7章　金屬和半導體的接觸187
　　7.1　金屬半導體接觸及其能級圖187
　　　　7.1.1　金屬和半導體的功函數187
　　　　7.1.2　接觸電勢差188
　　　　7.1.3　錶面態對接觸勢壘的影響190
　　7.2　金屬半導體接觸整流理論192
　　　　7.2.1　擴散理論193
　　　　7.2.2　熱電子發射理論195
　　　　7.2.3　鏡像力和隧道效應的影響197
　　　　7.2.4　肖特基勢壘二極管199
　　7.3　少數載流子的註入和歐姆接觸200
　　　　7.3.1　少數載流子的註入200
　　　　7.3.2　歐姆接觸201
　　習題203
　　參考資料203
第8章　半導體錶面與MIS結構204
　　8.1　錶面態204
　　8.2　錶面電場效應［5，6］ 207
　　　　8.2.1　空間電荷層及錶面勢207
　　　　8.2.2　錶面空間電荷層的電場、電勢和電容209
　　8.3　MIS結構的C-V特性216
　　　　8.3.1　理想MIS結構的C-V特性［5，7］ 216
　　　　8.3.2　金屬與半導體功函數差對MIS結構C-V特性的影響［5］ 220
　　　　8.3.3　絕緣層中電荷對MIS結構C-V特性的影響［7］ 221
　　8.4　硅—二氧化硅系統的性質［7］ 223
　　　　8.4.1　二氧化硅層中的可動離子［8］ 223
　　　　8.4.2　二氧化硅層中的固定錶面電荷［7］ 225
　　　　8.4.3　在硅—二氧化硅界面處的快界面態［5］ 226
　　　　8.4.4　二氧化硅層中的電離陷阱電荷［7］ 228
　　8.5　錶面電導及遷移率228
　　　　8.5.1　錶面電導［1］ 228
　　　　8.5.2　錶面載流子的有效遷移率229
　　★8.6　錶面電場對pn結特性的影響［7］ 230
　　　　★8.6.1　錶面電場作用下pn結的能帶圖230
　　　　★8.6.2 錶面電場作用下pn結的反向電流232
　　　　★8.6.3　錶面電場對pn結擊穿特性的影響234
　　　　★8.6.4　錶面純化235
　　習題235
　　參考資料236
第9章　半導體異質結構237
　　9.1　半導體異質結及其能帶圖［79］ 237
　　　　9.1.1　半導體異質結的能帶圖237
　　　　9.1.2　突變反型異質結的接觸電勢差及勢壘區寬度243
　　　　9.1.3　突變反型異質結的勢壘電容［48］ 245
　　　　9.1.4　突變同型異質結的若乾公式246
　　9.2　半導體異質pn結的電流—電壓特性及註入特性246
　　　　9.2.1　異質pn結的電流—電壓特性［7，17］ 247
　　　　9.2.2　異質pn結的註入特性［17］ 250
　　9.3　半導體異質結量子阱結構及其電子能態與特性252
　　　　9.3.1　半導體調制摻雜異質結構界面量子阱252
　　　　9.3.2　雙異質結間的單量子阱結構254
　　　　9.3.3　雙勢壘單量子阱結構及共振隧穿效應［23］ 258
　　★9.4　半導體應變異質結構259
　　　　★9.4.1　應變異質結260
　　　　★9.4.2　應變異質結構中應變層材料能帶的改性261
　　★9.5　ＧａＮ基半導體異質結構262
　　　　★9.5.1　ＧａＮ、ＡｌＧａＮ和ＩｎＧａＮ的極化效應262
　　　　★9.5.2　ＡｌxＧａ1－xＮ／ＧａＮ異質結構中二維電子氣的形成264
　　　　★9.5.3　ＩｎxＧａ1－xＮ／ＧａＮ異質結構266
　　9.6　半導體超晶格267
　　習題270
　　參考資料271
　　附錄A　常用物理常數和能量表達變換表273
　　附錄B　半導體材料物理性質表274
　　附錄C　主要參數符號表280
　　參考文獻284