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出版者:人民邮电出版社

作者:吴少军

出品人:

页数:298

译者:

出版时间:2003-3

价格:32.0

装帧:平装

isbn号码:9787115107985

丛书系列:

图书标签:

• 低功耗设计
• 电源管理
• 嵌入式系统
• 电路设计
• 电子工程
• 节能技术
• 微电子
• 芯片设计
• 可穿戴设备
• 物联网

固态电子学基础：从材料到器件的深度解析 简介 本书深入探讨了现代电子学领域中最为核心的物理原理和工程应用，聚焦于半导体材料的本征特性、晶体结构对电子行为的影响，以及由此衍生的关键电子器件的工作机制。不同于侧重于特定应用电路或系统级优化的著作，《固态电子学基础：从材料到器件的深度解析》致力于构建扎实的理论基石，为读者理解现代电子设备——从微处理器到传感器——的底层逻辑提供精确的物理图像。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在使读者不仅知晓“如何工作”，更能深刻理解“为何如此工作”。 第一部分：晶体物理与能带理论 本部分是理解所有半导体器件的基础。我们从晶体结构入手，详细阐述了理想晶体与实际晶体中的缺陷（如点缺陷、位错和杂质）如何显著影响材料的电学性能。 第一章：晶格结构与晶体学基础 本章详细介绍了布拉格定律在晶体结构分析中的应用，包括X射线衍射（XRD）的基本原理。重点讨论了立方晶系、六方晶系等常见半导体晶体的晶格常数、密堆积结构以及布拉维格子概念。随后，我们将引入倒易点阵的概念，为理解电子在晶体中的周期性势场及其能带结构奠定数学基础。着重分析了表面与界面在实际器件中的重要性，例如表面重构对肖特基势垒形成的影响。 第二章：周期性势场中的电子行为 本章的核心在于布洛赫定理（Bloch Theorem）的推导与应用。我们从薛定谔方程在周期性势场中的求解出发，推导出能带结构（Energy Band Structure）的形成机制。详细区分了价带（Valence Band）、导带（Conduction Band）和禁带（Band Gap）的物理意义。通过紧束缚模型（Tight-Binding Model）和赝晶体势模型（Pseudopotential Method）的对比分析，阐释了不同材料（如硅、锗、砷化镓）的直接带隙与间接带隙的物理差异，及其对光电器件特性的决定性影响。此外，本章还涵盖了有效质量（Effective Mass）的概念及其各向异性，这是描述载流子输运特性的关键参数。 第三章：载流子输运与玻尔兹曼方程 本章关注电子和空穴在材料内部的实际运动。我们将引入载流子浓度（Intrinsic and Extrinsic Carrier Concentration）的计算，并详细分析费米能级（Fermi Level）在非平衡状态下的漂移（Drift）和扩散（Diffusion）过程。核心内容是推导和求解玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation），用以描述外部电场、温度梯度以及浓度梯度共同作用下的稳态和瞬态电流密度。讨论了散射机制，包括声子散射（Phonon Scattering）和杂质散射（Impurity Scattering），它们共同决定了载流子的迁移率（Mobility）。最后，引入了霍尔效应（Hall Effect）的测量方法，作为确定载流子类型和浓度的标准实验手段。 第二部分：半导体异质结与界面物理 电子器件的性能飞跃往往依赖于对材料界面和异质结的精确控制。本部分聚焦于不同材料界面处的能带弯曲、势垒形成及其在器件中的应用。 第四章：PN结的形成与直流特性 本章是半导体器件物理的基石。我们从扩散方程和漂移方程出发，详细分析了PN结的建立过程，包括内建电场、耗尽区宽度以及内建势垒的精确计算。深入探讨了PN结的伏安特性曲线，详细解释了热发射理论下的理想二极管方程及其修正项（如复合电流、隧道效应）。本章特别关注了齐纳击穿（Zener Breakdown）和雪崩击穿（Avalanche Breakdown）的物理机制，以及如何利用这些机制设计稳压二极管。 第五章：金属-半导体接触与肖特基势垒 本章探讨了金属与半导体接触的两种基本情形：欧姆接触（Ohmic Contact）和肖特基接触（Schottky Contact）。根据肖特基-莫特（Schottky-Mott）规则，预测接触势垒的高度，并分析了界面态（Interface States）对实际接触性能的影响。详细推导了肖特基二极管的I-V特性，并引入了理想因子（Ideality Factor）的概念来量化非理想性。此外，本章讨论了如何通过表面处理和薄膜技术来工程化控制接触电阻，这对高速集成电路的互连至关重要。 第六章：异质结能带图与双极晶体管 本章将PN结的概念扩展到异质结（Heterojunctions），即由两种或多种不同半导体材料构成的界面。重点分析了能带错位（Band Offset）的形成，如Anderson规则的应用，并引入了“断裂能带”（Cliff and Well）的概念。详细解析了双极结型晶体管（BJT）的工作原理，特别是如何利用宽禁带材料作为基区（如AlGaAs/GaAs HBTs）来提高载流子注入效率和减小基区电阻，从而实现极高频率下的操作。讨论了迁移率增强型双极晶体管（HBT）中的关键设计考量。 第三部分：关键电子器件的深度分析 本部分将理论知识应用于现代电子设备，对MOSFET、光电器件和新型存储器进行深入的物理和工程分析。 第七章：MOS电容器与场效应晶体管（FET） 本章是现代CMOS技术的核心。首先，详细分析了MOS电容器（Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor）在不同偏压下的电容-电压（C-V）特性曲线，解释了积累、耗尽和反型区（Inversion Layer）的物理图像。接着，推导了增强型和结型场效应晶体管（MOSFET）的工作原理。重点分析了长沟道MOSFET的线性区、饱和区I-V特性，并引入了亚阈值区的跨导分析。深入探讨了短沟道效应，包括沟道长度调制、DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）以及阈值电压的滚降现象，为理解现代微处理器中的尺寸效应提供了物理基础。 第八章：光电子器件：发射与接收 本章关注半导体材料与光子的相互作用。在发光方面，系统分析了LED和激光二极管（Laser Diode）的工作机制，从载流子的复合辐射过程（直接跃迁与间接跃迁）到光耦合效率的提升。详细解释了阈值电流、微分量子效率（DQE）和光束质量的控制。在光接收方面，深入剖析了光电二极管（Photodiode）和雪崩光电二极管（APD）的光电转换过程，包括光电流的产生、载流子的收集效率，以及器件的噪声特性分析。 第九章：新型存储器与量子效应 随着摩尔定律的放缓，新兴存储技术依赖于更精细的量子物理控制。本章介绍了几种基于固态物理原理的新型存储器： 1. 铁电存储器（FeRAM）：基于材料的自发极化现象及其电场响应。 2. 相变存储器（PCM）：基于硫系玻璃材料的电导状态切换，涉及非晶态与晶态之间的快速转变动力学。 3. 磁阻随机存取存储器（MRAM）：重点讲解了巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR），以及自旋转移矩（STT）机制在写入过程中的应用。 第十章：半导体中的噪声与可靠性 电子器件的实际性能受噪声限制。本章系统梳理了半导体器件中的主要噪声源，包括热噪声（Johnson Noise）、散弹噪声（Shot Noise）、闪烁噪声（1/f Noise）及其在不同器件中的起源。此外，器件可靠性是工程实践的关键，我们将讨论电迁移（Electromigration）、热载流子注入（HCI）效应，以及栅氧化层介质的击穿机制（TDDB），为设计高可靠性的电子系统提供物理视角。 --- 本书特色： 本书在理论推导上力求严谨，同时通过大量实例（包括实际器件的I-V曲线分析和能带图解）来连接抽象的物理概念与具体的工程实现。每章末尾均附有深入思考题，引导读者进行更高级的理论探索和参数估算。本书适合高年级本科生、研究生以及从事半导体器件设计、制造和材料研究的专业工程师参考。

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