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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:B. Jayant Baliga

出品人:

页数:503

译者:

出版时间:2006-01-05

价格:USD 154.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789812566058

丛书系列:

图书标签:

• 英文原版
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固体物理基础与半导体材料科学：从原子到宏观器件的深度探索 本书旨在为读者提供一个全面而深入的固体物理学基础知识框架，并以此为基石，详细阐述当代半导体材料科学中的关键概念、先进技术及其在电子和光电器件中的应用。本书的侧重点在于揭示材料的微观结构如何决定其宏观电学、光学和热学性能，尤其关注新型功能材料的特性挖掘与工程化潜力。 第一部分：晶体结构与晶格动力学 本部分将从晶体学的基本原理出发，构建读者对周期性结构世界的理解。 第一章：晶体结构与对称性 详细介绍晶体学的基本概念，包括晶格、基矢、布拉维点阵和晶体学符号（如Miller指数）。深入探讨二维和三维空间中的晶体群、点群和空间群，强调对称性在晶体结构分类和物理性质预测中的核心作用。覆盖常见的晶体结构类型，如面心立方（FCC）、体心立方（BCC）以及六方密堆积（HCP）结构，并分析其对电子能带结构的影响。 第二章：晶格振动与声子理论 本章聚焦于晶体内部原子的集体振动——声子。首先，引入一维线性链模型，推导出布洛赫定理在线性晶格中的形式，并建立色散关系的概念。随后，扩展至三维晶格，详细阐述声学支（Acoustic Branches）和光学支（Optical Branches）的物理意义，以及它们在描述晶体热容（如Debye模型与Einstein模型）和晶格热导率中的应用。讨论声子散射机制，这是理解材料热输运和电荷迁移率限制的关键。 第二部分：电子结构与能带理论 本部分是理解半导体物理特性的核心，致力于阐明如何从薛定谔方程导出电子在周期性势场中的行为。 第三章：能带理论的建立与 Bloch 电子 从周期性哈密顿量的角度出发，详细推导 Bloch 定理，解释 Bloch 电子波函数的数学形式及其与晶格周期性的内在联系。深入探讨 Brillouin 区域的概念，以及如何利用其进行能带结构的可视化与分析。区分金属、绝缘体和半导体的能带结构特征（带隙、费米能级）。 第四章：有效质量与晶体动量 引入有效质量（Effective Mass）的概念，解释其作为描述电子在晶格中运动的宏观参数，如何反映了能带曲率的影响。推导有效质量的张量形式，并讨论其在确定器件响应速度中的重要性。阐述晶体动量（Crystal Momentum）与准粒子概念，以及动量守恒在电子散射过程中的特殊表述。 第五章：半导体能带结构分析 本章专门针对半导体材料，分析其关键参数，如直接带隙与间接带隙的物理差异及其对光电器件的决定性影响。探讨如何利用密度泛函理论（DFT）和更高精度的计算方法来精确预测和计算不同晶系半导体的能带结构、态密度（DOS）以及有效质量参数。 第三部分：半导体材料的掺杂与输运现象 本部分将理论知识应用于实际的半导体器件基础——掺杂和载流子输运机制。 第六章：杂质能级与费米-狄拉克统计 详细解析施主（Donor）和受主（Acceptor）杂质在能带结构中引入的局域能级。深入探讨在不同温度下，载流子（电子和空穴）的浓度如何由费米-狄拉克分布函数决定。计算本征载流子浓度、中性条件下的杂质电离程度，以及在高温和低温极限下的载流子行为。 第七章：载流子输运机制与弛豫时间 系统阐述载流子在电场和温度梯度下的宏观输运现象，包括漂移（Drift）和扩散（Diffusion）。详细分析各种散射机制对载流子迁移率的影响，重点讨论声子散射（包括光学和声学声子）、杂质散射（库仑散射）以及载流子-载流子散射。引入弛豫时间近似（Relaxation Time Approximation）和蒙特卡洛方法在模拟复杂输运现象中的应用。 第八章：稳态与非稳态输运 讲解欧姆定律在半导体中的微观基础，以及如何通过漂移-扩散方程（Drift-Diffusion Equations）来描述电流密度。深入分析非平衡态下的输运现象，例如光生载流子的收集、表面复合效应以及空间电荷效应（Space-Charge Effects）在PN结附近的行为。 第四部分：先进半导体材料的特性与挑战 本部分将视野拓展到更宽禁带半导体（WBG）和其他新型材料体系，探讨其相对于传统硅材料的优势和独特物理挑战。 第九章：宽禁带半导体材料基础 聚焦于氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氧化镓（Ga₂O₃）等材料。对比分析其在带隙宽度、击穿电场强度、热导率及电子饱和速度方面的性能优势。详细讨论这些材料在晶格失配、缺陷控制和高质量外延生长方面面临的重大工程挑战。 第十章：应力、形变与电子结构调控 阐述晶格常数不匹配在异质结构（Heterostructures）中引起的应力与应变效应。解释如何通过引入受压或受拉应变来“工程化”材料的带隙和有效质量，进而优化器件性能（如应变硅技术）。讨论量子限制效应在薄膜和量子阱结构中的体现。 第十一章：材料表征与缺陷物理 介绍用于探测半导体材料微观结构、能带结构和缺陷活性的关键实验技术，包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、光致发光（PL）和深能级瞬态谱（DLTS）。重点分析位错、点缺陷和簇集体缺陷如何充当载流子陷阱和复合中心，对器件寿命和效率的影响。 第五部分：半导体异质结与界面物理 本部分专注于材料界面处的物理现象，这是现代高性能电子和光电器件的基石。 第十二章：PN结与肖特基结的能带图景 从热力学平衡条件出发，构建PN结和肖特基结的能带弯曲图。详细推导内置电场、耗尽区宽度以及势垒高度的表达式。分析在正向和反向偏置下，载流子注入和势垒穿透的机制（如隧道效应）。 第十三章：异质结的物理特性 深入探讨不同禁带材料构成的异质结，如III-V族材料的异质结。重点分析能带台阶（Band Offsets）的物理意义，包括对电子和空穴势阱的形成作用。讨论高电子迁移率晶体管（HEMT）中二维电子气（2DEG）的产生及其在界面处的局域化输运现象。 第十四章：光与物质的相互作用 讨论半导体材料吸收和辐射光子的基本机制。阐述光生载流子的产生过程、激子（Exciton）的形成与解离。分析光吸收系数、光致发光强度与带隙能量之间的定量关系，为理解光电子器件的工作原理奠定坚实的物理基础。

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当我拿起这本书时，我的脑海中立刻勾勒出一幅关于半导体技术未来的壮丽图景，而硅碳功率器件无疑是其中最为耀眼的一颗明星。我期望这本书能够成为我探索这一领域的“向导”，不仅会深入解读硅碳材料的独特物理性质，如其非凡的临界击穿场强、卓越的热导率以及宽广的禁带宽度，更会详尽阐述这些特性是如何被巧妙地转化为功率器件的优异性能的。我希望书中能够详细介绍硅碳MOSFET的设计要点，例如如何通过优化栅极结构、沟道掺杂以及源漏区域的几何尺寸来降低导通电阻，并提高器件的开关速度。我尤其期待看到关于硅碳肖特基二极管的详细解析，包括其能带匹配、界面态的影响，以及如何选择合适的金属材料和衬底来获得低反向漏电流、低正向压降的肖特基结。书中虽然提及了硅碳器件在电动汽车、航空航天、新能源发电等领域的广泛应用，并强调了其在提高系统效率、实现设备小型化和拓展工作温度范围方面的巨大优势，但这些宏观的论述，对于我这个希望深入了解技术细节的工程师来说，更像是令人兴奋的“宣言”，而我更渴望的是能够掌握构建这一技术“宣言”的“基石”——即硅碳功率器件的详细技术参数和设计方法。

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刚拿到这本书，我脑海中立刻浮现的是那些堆砌着复杂公式和精密图表的学术专著，认为它将带领我遨游于硅碳功率器件那迷人的微观世界。然而，读下去之后，我发现它更像是一篇为行业领袖或投资人准备的战略性报告，侧重于宏观的市场分析和技术趋势的展望。书中充满了对硅碳在未来能源转型中扮演关键角色的论述，以及其在应对气候变化、实现可持续发展方面的巨大潜力。我本以为会深入探讨P-N结的形成机理、载流子输运特性在硅碳材料中的特殊表现，以及不同掺杂浓度对器件性能的影响。比如，书中提到硅碳的高击穿电压，我期待能看到肖克利二极管模型在硅碳材料上的修正，或者TCAD仿真中如何精确模拟不同电场分布下的击穿现象。另外，关于功率器件的损耗分析，我希望看到其在硅碳材料上与传统硅器件的量化对比，以及如何通过器件结构优化来降低开关损耗和导通损耗的具体方法，例如多层漂移区设计、不同栅极结构的选用等。书中倒是列举了不少硅碳功率器件的应用场景，如电动汽车的逆变器、充电桩、光伏逆变器、风力发电等，并强调了其在这些领域带来的能效提升和体积缩小。但这些应用层面的介绍，对于我这样一位研发工程师来说，更多的是对市场信息的了解，而非技术层面的深挖。我更关心的是，在设计这些应用时，如何根据具体的功率等级、工作频率、环境温度等要求，来选择合适的硅碳功率器件，以及如何进行栅极驱动电路的设计，如何进行热管理，如何进行电磁兼容性（EMC）设计等等。这本书更像是站在高处俯瞰整个硅碳功率器件产业，而我则更希望能够钻研进其核心技术，理解每一个微小结构的设计逻辑和每一个工艺步骤的意义。

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这本书的装帧设计非常吸引人，深邃的蓝色封面上，硅碳的原子结构以一种抽象而富有科技感的方式呈现。我一开始就被它所吸引，想着这一定是一本内容扎实、讲解深入的专业书籍。然而，当我翻开书页，期待看到详尽的理论推导、精密的器件结构图以及各种应用案例时，我却发现它的内容似乎偏向于一种宏观的介绍，更像是一本科普读物，或者说是为那些对半导体材料有初步了解但尚未深入研究的读者设计的入门读物。书中虽然提到了硅碳的优异性能，如高击穿电压、高热导率以及宽禁带特性，但这些特性背后的物理机制和数学模型却鲜有提及。我本以为会看到关于MOSFET、IGBT等器件在硅碳材料上实现的具体设计细节，例如沟道长度的优化、栅氧化层的选择、源漏结构的排列方式等等，但这些内容并未出现在我的阅读体验中。书中更多的是在陈述硅碳在电动汽车、新能源等领域应用的广阔前景，以及与其他材料（如硅）进行性能对比，强调其在高温、高频等极端条件下的优势。这对于我这样一个希望深入了解硅碳功率器件工作原理和设计方法的工程师来说，确实是一种“意料之外”的体验。我更加期待的是能够看到一些具体的器件模型，比如漂移区的设计如何影响器件的击穿电压，栅极的结构设计如何影响导通电阻和开关损耗，以及肖特基二极管的金属-半导体结是如何在硅碳材料上实现的。这些细节是决定器件性能的关键，也是我作为从业者最想学习和借鉴的部分。书中虽然提供了一些关于产业链的概览，以及市场趋势的分析，但这并不能满足我对技术本身的渴求。我希望这本书能够像一本精心雕琢的工具书，为我提供解决实际问题的思路和方法，而不是仅仅描绘一幅美好的蓝图。这种“隔靴搔痒”的感觉，让我对这本书的定位产生了疑问，也让我对它是否能真正满足我的专业需求感到一丝遗憾。

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当我拿到这本书时，我的心中充满了对硅碳功率器件那一深邃技术的探求之欲。我期望这本书能够引领我深入了解硅碳材料的独特物理属性，例如其极高的临界击穿场强、优异的热导率以及宽广的禁带宽度，并解释这些特性如何转化为功率器件的卓越性能。我希望书中能够详细介绍硅碳MOSFET的设计理念，例如如何通过优化沟道长度、栅极结构和源漏区域的掺杂来降低导通电阻和提高开关速度。我尤其期待看到关于硅碳肖特基二极管的详细解析，包括其能带匹配、界面态的影响，以及如何选择合适的金属材料和衬底来形成低反向漏电流、低正向压降的肖特基结。书中提到硅碳器件在电动汽车、光伏发电和工业电源等领域的广泛应用，我希望能看到更具体的应用案例，例如在SiC-MOSFET逆变器设计中，如何平衡开关损耗和导通损耗，如何进行栅极驱动电路的设计以确保器件的可靠工作，以及如何进行有效的热管理以应对高温环境。此外，对于硅碳器件在高温下的可靠性问题，我也希望能看到相关的研究和解决方案。书中虽然勾勒了硅碳功率器件在各个领域的光明前景，并强调了其在提高能效、设备小型化和拓展工作温度范围方面的巨大优势，但这些宏观的论述，对于我这个希望深入了解技术细节的工程师来说，更像是令人兴奋的“蓝图”，而我更渴望的是能够掌握构建这幅蓝图的“砖石”——即硅碳功率器件的详细技术参数和设计方法。

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当我捧起这本书时，我心头涌起的是对硅碳功率器件深邃奥秘的探索之情，仿佛即将开启一段穿越微观世界的奇妙旅程。我期待着这本书能够成为我手中的“圣经”，详细解读硅碳材料的物理特性，如其极高的临界击穿场强、优异的热导率以及宽广的禁带宽度，并解释这些特性是如何转化为功率器件的卓越性能的。我希望能看到关于硅碳MOSFET的栅极结构设计、沟道形成机理、载流子注入和传输过程的详细分析。例如，书中提到硅碳MOSFET的导通电阻可以做到非常低，我期待能看到具体的器件结构图，解释这是如何通过优化沟道掺杂、沟道长度以及采用先进的栅极结构（如Trench MOSFET）来实现的。同时，我也希望看到关于硅碳肖特基二极管的特性分析，包括其能带匹配、界面态的影响以及如何设计低反向漏电流的肖特基结。此外，我更关注的是硅碳器件在实际应用中可能遇到的挑战，例如在高温高湿环境下的可靠性问题，以及如何通过材料改性或封装技术来解决这些问题。书中虽然涉及了硅碳在新能源汽车、高铁、航空航天等领域的应用，并强调了其带来的节能减排和性能提升，但这些应用层面的介绍，对于我而言，更像是对未来发展方向的点缀，而我更希望能够深入了解支撑这些应用的“基石”——即硅碳功率器件本身的精妙设计和工作原理。总而言之，这本书更像是在勾勒一幅宏伟的未来图景，而我则渴望能够成为描绘这幅图景的“工匠”，需要掌握的是手中的“画笔”和“颜料”——即硅碳功率器件的详细技术细节。

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不得不说，这本书的出版确实填补了我们在了解新兴半导体材料时，对市场需求和产业化前景的认知空白。我原本的设想是，这本书会像一本详尽的技术手册，为我解析硅碳功率器件从原子尺度到器件尺度的每一个细节。例如，我期望书中能够详细介绍硅碳晶体生长过程中可能遇到的缺陷，如多型体（polytypes）的影响，以及如何通过工艺调控来获得高质量的晶圆。我尤其期待能看到关于平面型（planar）和沟槽型（trench）MOSFET在硅碳材料上实现时的具体结构差异和性能对比，以及它们的优缺点分析。书中提及硅碳的宽禁带特性，这使得器件能够在更高的温度下工作，我本想深入了解这是如何通过电子能带结构来解释的，以及其在高温下的载流子迁移率、载流子浓度等参数如何变化。此外，书中关于硅碳在高频应用中的优势，我也希望看到更具体的分析，比如其肖特基结的建立时间、寄生电容的计算和影响，以及如何在器件设计中减小这些不利因素。然而，这本书的内容更多的是围绕着硅碳功率器件的“为什么”和“在哪里”展开，而非“如何做”。它详细阐述了硅碳为何是一种优越的功率半导体材料，其理论上的优势在哪里，以及它将在哪些新兴领域发挥关键作用。比如，在电动汽车领域，书中描绘了硅碳器件如何实现更长的续航里程，更快的充电速度，以及更轻便的车身设计。但对于我这个动手能力强、喜欢钻研细节的工程师来说，这些宏观的描述虽然令人鼓舞，却缺乏实际操作的指导意义。我渴望的是能够看到具体的电路设计图，详细的器件参数表，以及在实际应用中可能遇到的问题及解决方案。

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这本书的封面简洁而富有科技感，深邃的蓝色调搭配抽象的硅碳原子模型，让我对书中即将展开的关于这一前沿半导体材料的探索充满了期待。我原本期望这是一本能够深入剖析硅碳功率器件的微观世界，讲解其物理原理、器件结构和设计方法的专业著作。我设想书中会详细阐述硅碳材料的晶体结构，如3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等不同多型体（polytypes）的差异，以及这些差异如何影响其电子传输特性、热导率和击穿电场。我尤其期待能够看到关于硅碳MOSFET的详细结构解析，例如沟道层的掺杂浓度、栅极氧化层的厚度和材料选择，以及如何通过优化这些参数来降低导通电阻并提高击穿电压。书中提到硅碳器件在电动汽车领域的广泛应用，我希望能看到具体的器件模型，如SiC-MOSFET在车载充电机中的拓扑结构设计，以及如何通过合理布局来减小EMI干扰和提高功率密度。同时，我还对硅碳肖特基二极管在功率因数校正（PFC）电路中的应用感兴趣，期待看到关于其反向恢复电荷、正向压降以及热特性的详细分析，以及如何通过材料改性和工艺优化来提高其性能。书中虽然描绘了硅碳功率器件在新能源、通信、工业控制等领域的广阔前景，并强调了其在提高能效、减小体积和提高工作温度方面的优势，但这些宏观的论述，对于我这个喜欢动手实践的工程师来说，更像是对未来目标的描绘，而我更希望能够掌握实现这些目标的“工具”和“方法”。

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当我翻开这本书，脑海中浮现的是那些充满复杂公式和精细图表的学术论文，我期待着能深入理解硅碳功率器件的内在运行机制。我希望书中能够详细解释硅碳材料的能带结构，尤其是其宽禁带特性如何赋予器件高耐压、高频和高温的性能。例如，我期待看到关于硅碳MOSFET的沟道载流子迁移率的详细分析，以及如何通过优化栅氧化层和沟道掺杂来提高迁移率，从而降低导通电阻。书中提到硅碳器件在新能源汽车中的应用，我希望能看到关于硅碳SiC-MOSFET在电机控制器中的详细设计案例，包括栅极驱动电路的设计、保护电路的配置以及热管理策略的考量。此外，我还对硅碳肖特基二极管在电源中的应用感兴趣，期待看到关于其正向压降、反向漏电流以及开关特性的详细分析，以及如何通过选择合适的金属材料和衬底来优化肖特基结的性能。书中虽然描绘了硅碳功率器件在各个领域的光明前景，并强调了其在能效提升、设备小型化方面的显著优势，但对于我这样一个热衷于技术细节的工程师来说，这些宏观的叙述更像是令人振奋的“广告词”，而我更需要的是理解其“技术基因”。我渴望的是能够看到具体的器件结构图，详细的材料特性数据，以及在实际应用中可能遇到的可靠性问题及解决方案。

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拿起这本书，我首先被其封面设计所吸引，深沉的科技蓝背景下，抽象的硅碳原子排列以一种简洁而富有力量的方式呈现，仿佛预示着书中蕴含着关于这一尖端材料的深刻洞察。我怀揣着对半导体物理和器件设计的浓厚兴趣，期待能够在这本书中找到关于硅碳功率器件的详尽解析。我设想书中会详细阐述硅碳独特的晶体结构，如3C、4H、6H等不同多型体（polytypes）的差异，以及这些多型体如何影响其电子和光学特性，进而影响功率器件的性能。我尤其期待看到关于硅碳MOSFET的栅介电层选择，例如氮氧化硅（SiNx）和氧化铝（Al2O3）等替代栅介质的性能对比，以及它们在抑制界面陷阱态、提高可靠性方面的作用。同时，书中关于硅碳器件的功率密度提升，我也希望看到具体的器件结构设计，比如如何通过引入P+埋层来优化载流子注入，如何通过多层漂移区设计来提高击穿电压，以及如何优化栅极和源极的连接方式来降低导通损耗。书中虽然提及了硅碳在电动汽车、5G通信、智能电网等领域的应用前景，并强调了其在提高能效、减小体积方面的优势，但这些应用层面的介绍，对我而言，更多的是对未来市场趋势的初步了解，而我更希望能够深入理解支撑这些应用的“硬核”技术。我渴望的是能够看到具体的器件模型，详细的工艺流程，以及在实际设计和制造过程中可能遇到的挑战及其解决方案。

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这本书的封面设计，以其简洁的几何图形和深邃的色彩，传递出一种前沿科技的质感，这让我对书中即将展开的关于硅碳功率器件的深度探索充满了期待。我设想这本书能够成为我手中一本详实的参考手册，不仅会介绍硅碳材料的物理特性，如高击穿电压、低导通电阻、宽禁带等，更会深入解析这些特性是如何在实际器件设计中被充分利用的。我期望书中能够详细讲解硅碳MOSFET的结构设计，例如平面型MOSFET与沟槽型MOSFET在硅碳材料上的实现差异，以及它们各自的优缺点分析。我特别想看到关于硅碳器件栅极驱动电路设计的详细内容，包括如何选择合适的驱动芯片、如何优化驱动信号的上升下降时间，以及如何避免因驱动不当而导致的器件损坏。书中对硅碳器件在新能源汽车、5G基站、智能电网等领域的广泛应用进行了论述，并强调了其在提升系统效率、降低能量损耗方面的显著优势，这些内容虽然令人鼓舞，但对于我这个热衷于技术实现的工程师而言，更像是对未来发展趋势的“憧憬”。我更渴望的是能够看到具体的器件结构图、详细的材料参数表，以及在实际设计和制造过程中可能遇到的工程挑战及其解决方案，例如硅碳晶圆的缺陷控制、离子注入的工艺优化，以及封装技术的选择等。

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