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本书系统且全面地阐述了半导体物理的基础知识和典型半导体器件的工作原理、工作特性，内容涵盖量子力学、固体物理、半导体物理和半导体器件等。全书共8章，主要内容包括：半导体中的电子运动状态、平衡半导体中的载流子浓度、载流子的输运、过剩载流子、pn结、器件制备基本工艺、金属半导体接触和异质结、双极晶体管。本书语言简明扼要、通俗易懂，具有很强的专业性、技术性和实用性，并配有电子课件PPT、知识点视频、习题参考答案等。本书既可作为高等学校电子科学与技术、微电子技术、光电信息工程等专业本科生的教材，又可作为相关领域工程技术人员的参考书。

目    录
第1章  半导体中的电子运动状态	1
1.1  半导体材料	1
1.1.1  半导体材料的原子构成	1
1.1.2  半导体材料的结构	3
1.1.3  金刚石结构	8
1.1.4  固体的缺陷与杂质	10
1.2  量子力学初步	11
1.2.1  量子力学的基本原理	12
1.2.2  薛定谔方程及其波函数的意义	13
1.2.3  薛定谔方程的应用——自由电子与束缚态电子	15
1.2.4  薛定谔方程的应用——单电子原子中电子的状态	20
1.2.5  薛定谔方程的应用——多电子原子中电子的状态	23
1.3  晶体中电子的运动状态	25
1.3.1  能带的形成	26
1.3.2  一维无限晶体的能带	29
1.3.3  半导体的价键模型和能带模型	33
1.3.4  半导体的有效质量	36
1.3.5  空穴	38
1.3.6  金属、半导体和绝缘体的能带与导电性能差异	41
1.3.7  三维无限晶体的能带	42
习题1	44
第2章  平衡半导体中的载流子浓度	46
2.1  状态密度函数	46
2.2  费米-狄拉克分布函数	49
2.3  平衡载流子浓度	55
2.3.1  平衡半导体中载流子浓度的公式	57
2.3.2  本征半导体中的载流子浓度	60
2.3.3  载流子浓度的乘积	63
2.3.4  本征费米能级位置	63
2.4  只含一种杂质的杂质半导体中的载流子浓度	64
2.4.1  施主杂质和受主杂质	64
2.4.2  施主杂质能级上的电子和受主杂质能级上的空穴	69
2.4.3  电中性条件	70
2.5  补偿半导体的载流子浓度	76
2.6  费米能级的位置	77
2.7  简并半导体	83
2.7.1  简并半导体的载流子浓度	84
2.7.2  禁带变窄效应	85
习题2	86
第3章  载流子的输运	89
3.1  载流子的热运动	89
3.2  载流子的漂移运动	90
3.2.1  漂移电流密度	91
3.2.2  迁移率	93
3.2.3  电导率和电阻率	100
3.3  载流子的扩散运动	104
3.4  爱因斯坦关系	106
3.4.1  电场作用下的能带图	106
3.4.2  爱因斯坦关系的推导	107
3.5  霍尔效应	109
习题3	111
第4章  过剩载流子	113
4.1  载流子的产生和复合	113
4.1.1  决定载流子产生率的因素	114
4.1.2  决定载流子复合率的因素	115
4.1.3  热平衡状态下载流子的产生和复合	115
4.1.4  外力作用下载流子的产生和复合	116
4.2  准费米能级	118
4.3  过剩载流子的性质	120
4.3.1  载流子的连续性方程	120
4.3.2  与时间有关的扩散方程	121
4.4  双极输运及其输运方程	122
4.4.1  双极输运的概念	122
4.4.2  双极输运方程	123
4.4.3  小注入条件下的双极输运方程	124
4.4.4  双极输运方程应用	126
习题4	131
第5章  pn结	133
5.1  pn结的形成及其基本结构	133
5.1.1  合金法及形成的pn结的杂质分布	133
5.1.2  扩散法及形成的pn结的杂质分布	134
5.2  平衡pn结及其能带	135
5.2.1  平衡pn结	136
5.2.2  平衡pn结的能带	137
5.3  平衡pn结的参数	139
5.3.1  内建电势差	139
5.3.2  平衡pn结的内建电场强度及电势分布函数	143
5.3.3  空间电荷区宽度	147
5.3.4  空间电荷区的载流子浓度	150
5.3.5  线性缓变结的静电特性	151
5.4  pn结二极管的电流-电压特性方程	152
5.4.1  静电特性结果在外加电压pn结中的推广	153
5.4.2  pn结电流-电压特性方程的定性推导	156
5.4.3  pn结电流-电压特性方程的定量推导	157
5.4.4  对理想pn结电流-电压关系的修正	169
5.5  pn结的小信号模型	173
5.5.1  pn结反偏时的小信号模型	174
5.5.2  pn结正偏时的小信号模型	177
5.6  pn结二极管的瞬态响应	180
5.6.1  关瞬态	180
5.6.2  开瞬态	182
5.7  隧道二极管	183
5.8  pn结在光电器件中的应用	184
5.8.1  光电检测器	185
5.8.2  太阳能电池	189
5.8.3  发光二极管	191
习题5	194
第6章  器件制备基本工艺	197
6.1  器件制备基本工艺	197
6.1.1  衬底材料的准备	198
6.1.2  氧化	198
6.1.3  薄膜生长	199
6.1.4  薄膜的图形化	201
6.1.5  掺杂	202
6.2  pn结二极管的制备	203
习题6	205
第7章  金属半导体接触和异质结	206
7.1  金属半导体接触	206
7.1.1  金属和半导体的功函数	206
7.1.2  理想的金属半导体接触	207
7.1.3  表面态对金属半导体接触势垒的影响	211
7.1.4  理想金属半导体接触的特性	212
7.1.5  金属半导体接触的电流-电压关系	214
7.1.6  镜像力的影响	216
7.1.7  肖特基势垒二极管和pn结二极管的比较	216
7.1.8  欧姆接触	218
7.2  异质结	218
7.2.1  异质结的分类及其能带图	218
7.2.2  突变反型异质结的静电特性	222
7.3  异质结的电流-电压特性	224
7.3.1  突变反型异质结中的电流输运模型	225
7.3.2  突变同型异质结中的电流输运模型	227
7.3.3  异质结的注入比特性	227
习题7	228
第8章  双极晶体管	230
8.1  双极晶体管的基本情况	230
8.1.1  双极晶体管的结构	230
8.1.2  双极晶体管的特性参数	234
8.2  双极晶体管的电流-电压特性	235
8.2.1  理想晶体管模型及其求解	235
8.2.2  理想晶体管输入/输出特性曲线	240
8.2.3  非理想晶体管	242
8.2.4  非理想晶体管输入/输出特性曲线	245
8.3  晶体管的反向特性	247
8.3.1  晶体管的反向电流	247
8.3.2  晶体管的反向击穿电压	249
8.3.3  晶体管的穿通电压	250
8.4  晶体管模型和晶体管频率特性	250
8.4.1  Ebers-Moll模型	250
8.4.2  晶体管的频率特性	252
习题8	256
附录A  本书常用文字符号说明	257
附录B  常用表格	260
参考文献	261

前    言
在过去的七十多年里，以半导体集成电路为基础的微电子技术的迅速发展，使人类进入信息时代，微电子技术影响和改变着人们生活的各个方面，因此越来越受到人们的重视。
信息时代彻底改变了人们的工作、学习和生活方式。新冠肺炎疫情期间，人们足不出户就可以在网上召开网络会议、进行远程教学和医疗会诊等；学生利用各种网络教学平台和智慧教学工具可以随时听老师讲课、与同学讨论，网上完成作业并查看老师的评语。有一部手机或一台计算机，就可以浏览全世界网站上的信息。
半导体物理与器件是微电子技术的基础知识，也是电子科学与技术、微电子技术、光电信息工程等专业的重要基础课。为进一步加强半导体物理与器件的基础教学工作，作者在多年教学实践的基础上编写了本书。本书在重点内容的后面提供了例题，且编写了一些利用计算机仿真实现的例题和习题。
本书的特色如下：
?	从学生视角出发，从每节的内容到每章的内容，再到整个课程的内容，均按提出问题、分析问题和解决问题的顺序来引导，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。
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本书共三部分。第一部分介绍晶体中的电子状态，包括半导体材料的种类、半导体的晶格结构、半导体的能带及半导体中的载流子、平衡半导体的载流子浓度、载流子的输运及非平衡半导体；第二部分介绍半导体器件制造工艺；第三部分介绍半导体器件基础，包括pn结、金属半导体接触、异质结、双极晶体管。
本书语言简明扼要、通俗易懂，具有很强的专业性、技术性和实用性。本书是作者在半导体物理与器件教学的基础上逐年积累编写而成的，每章都附有丰富的习题，供学生课后练习与提高。
在教学中，教师可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减与组合，也可以进行适当扩展，参考学时为42～80学时。为适应教学模式、教学方法和教学手段的改革，本书配有电子课件PPT、知识点视频、习题参考答案等，需要的读者可在华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）上免费注册后下载。
本书既可作为高等学校电子科学与技术、微电子技术、光电信息工程等专业本科生的教材，又可作为相关领域工程技术人员的参考书。
本书由吕淑媛、刘崇琪和罗文峰共同编写。第1章和第4章由刘崇琪编写，第2章、第3章、第5章、第6章和第7章由吕淑媛编写，第8章由罗文峰编写，全书由吕淑媛统稿。
本书的编写参考了大量近年来出版的相关文献资料和MOOC视频，吸取了许多专家和同人的宝贵经验，在此向他们深表谢意。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，热切希望读者批评指正。


编著者   
2022年7月

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半导体物理与器件（第2版）