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第1章 半导体中的电子状态1

1.1 半导体的晶格结构和结合性质1

1.1.1 金刚石型结构和共价键1

1.1.2 闪锌矿型结构和混合键2

1.1.3 纤锌矿型结构3

1.2 半导体中的电子状态和能带4

1.2.1 原子的能级和晶体的能带4

1.2.2 半导体中电子的状态和能带6

1.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带10

1.3 半导体中电子的运动有效质量11

1.3.1 半导体中E（k）与k的关系11

1.3.2 半导体中电子的平均速度12

1.3.3 半导体中电子的加速度12

1.3.4 有效质量的意义13

1.4 本征半导体的导电机构空穴14

1.5 回旋共振16

1.5.1 k空间等能面16

1.5.2 回旋共振18

1.6 硅和锗的能带结构19

1.6.1 硅和锗的导带结构19

1.6.2 硅和锗的价带结构21

1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构24

1.7.1 锑化铟的能带结构24

1.7.2 砷化镓的能带结构25

1.7.3 磷化镓和磷化铟的能带结构25

1.7.4 混合晶体的能带结构25

1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构26

1.8.1 二元化合物的能带结构26

1.8.2 混合晶体的能带结构27

1.9 Si1-xGex合金的能带27

1.10 宽禁带半导体材料29

1.10.1 GaN、AlN的晶格结构和能带30

1.10.2 SiC的晶格结构与能带32

习题35

参考资料35

第2章 半导体中杂质和缺陷能级37

2.1 硅、锗晶体中的杂质能级37

2.1.1 替位式杂质间隙式杂质37

2.1.2 施主杂质、施主能级38

2.1.3 受主杂质、受主能级39

2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算41

2.1.5 杂质的补偿作用41

2.1.6 深能级杂质42

2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级45

2.3 氮化镓、氮化铝、碳化硅中的杂质能级50

2.4 缺陷、位错能级52

2.4.1 点缺陷52

2.4.2 位错53

习题55

参考资料55

第3章 半导体中载流子的统计分布57

3.1 状态密度57

3.1.1 k空间中量子态的分布57

3.1.2 状态密度58

3.2 费米能级和载流子的统计分布60

3.2.1 费米分布函数60

3.2.2 玻耳兹曼分布函数61

3.2.3 导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度62

3.2.4 载流子浓度乘积n0p065

3.3 本征半导体的载流子浓度65

3.4 杂质半导体的载流子浓度68

3.4.1 杂质能级上的电子和空穴68

3.4.2 n型半导体的载流子浓度69

3.5 一般情况下的载流子统计分布77

3.6 简并半导体82

3.6.1 简并半导体的载流子浓度82

3.6.2 简并化条件83

3.6.3 低温载流子冻析效应84

3.6.4 禁带变窄效应86

3.7 电子占据杂质能级的概率87

3.7.1 电子占据杂质能级概率的讨论87

3.7.2 求解统计分布函数89

习题90

参考资料91

第4章 半导体的导电性93

4.1 载流子的漂移运动和迁移率93

4.1.1 欧姆定律93

4.1.2 漂移速度和迁移率94

4.1.3 半导体的电导率和迁移率94

4.2 载流子的散射95

4.2.1 载流子散射的概念95

4.2.2 半导体的主要散射机构96

4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系103

4.3.1 平均自由时间和散射概率的关系103

4.3.2 电导率、迁移率与平均自由时间的关系103

4.3.3 迁移率与杂质和温度的关系105

4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系109

4.4.1 电阻率和杂质浓度的关系109

4.4.2 电阻率随温度的变化111

4.5 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论111

4.5.1 玻耳兹曼方程112

4.5.2 弛豫时间近似113

4.5.3 弱电场近似下玻耳兹曼方程的解114

4.5.4 球形等能面半导体的电导率115

4.6 强电场下的效应、热载流子116

4.6.1 欧姆定律的偏离116

4.6.2 平均漂移速度与电场强度的关系117

4.7 多能谷散射、耿氏效应121

4.7.1 多能谷散射、体内负微分电导121

4.7.2 高场畴区及耿氏振荡123

习题125

参考资料126

第5章 非平衡载流子128

5.1 非平衡载流子的注入与复合128

5.2 非平衡载流子的寿命129

5.3 准费米能级131

5.4 复合理论132

5.4.1 直接复合133

5.4.2 间接复合134

5.4.3 表面复合139

5.4.4 俄歇复合141

5.5 陷阱效应143

5.6 载流子的扩散运动145

5.7 载流子的漂移扩散，爱因斯坦关系式149

5.8 连续性方程式151

5.9 硅的少数载流子寿命与扩散长度155

参考资料157

第6章 pn结158

6.1 pn结及其能带图158

6.1.1 pn结的形成和杂质分布158

6.1.2 空间电荷区159

6.1.3 pn结能带图160

6.1.4 pn结接触电势差161

6.1.5 pn结的载流子分布162

6.2 pn结电流电压特性163

6.2.1 非平衡状态下的pn结163

6.2.2 理想pn结模型及其电流电压方程166

6.2.3 影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素169

6.3 pn结电容173

6.3.1 pn结电容的来源173

6.3.2 突变结的势垒电容175

6.3.3 线性缓变结的势垒电容179

6.3.4 扩散电容182

6.4 pn结击穿183

6.4.1 雪崩击穿183

6.4.2 隧道击穿（齐纳击穿）183

6.4.3 热电击穿185

6.5 pn结隧道效应185

习题188

参考资料188

第7章 金属和半导体的接触190

7.1 金属半导体接触及其能级图190

7.1.1 金属和半导体的功函数190

7.1.2 接触电势差191

7.1.3 表面态对接触势垒的影响193

7.2 金属半导体接触整流理论195

7.2.1 扩散理论196

7.2.2 热电子发射理论198

7.2.3 镜像力和隧道效应的影响200

7.2.4 肖特基势垒二极管202

7.3 少数载流子的注入和欧姆接触203

7.3.1 少数载流子的注入203

7.3.2 欧姆接触204

参考资料206

第8章 半导体表面与MIS结构207

8.1 表面态207

8.2 表面电场效应210

8.2.1 空间电荷层及表面势210

8.2.2 表面空间电荷层的电场、电势和电容212

8.3 MIS结构的C-V特性219

8.3.1 理想MIS结构的C-V特性219

8.3.2 金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响223

8.3.3 绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响224

8.4 硅—二氧化硅系统的性质226

8.4.1 二氧化硅中的可动离子226

8.4.2 二氧化硅层中的固定表面电荷228

8.4.3 在硅—二氧化硅界面处的快界面态229

8.4.4 二氧化硅中的陷阱电荷231

8.5 表面电导及迁移率231

8.5.1 表面电导231

8.5.2 表面载流子的有效迁移率232

8.6 表面电场对pn结特性的影响233

8.6.1 表面电场作用下pn结的能带图233

8.6.2 表面电场作用下pn结的反向电流235

8.6.3 表面电场对pn结击穿特性的影响237

8.6.4 表面纯化238

习题239

参考资料239

第9章 半导体异质结构241

9.1 半导体异质结及其能带图241

9.1.1 半导体异质结的能带图241

9.1.2 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度247

9.1.3 突变反型异质结的势垒电容249

9.1.4 突变同型异质结的若干公式250

9.2 半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性250

9.2.1 突变异质pn结的电流—电压特性251

9.2.2 异质pn结的注入特性254

9.3 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性256

9.3.1 半导体调制掺杂异质结构界面量子阱256

9.3.2 双异质结间的单量子阱结构258

9.3.3 双势垒单量子阱结构及共振隧穿效应262

9.4 半导体应变异质结构263

9.4.1 应变异质结264

9.4.2 应变异质结构中应变层材料能带的改性265

9.5 GaN基半导体异质结构266

9.5.1 GaN,AlGaN和InGaN的极化效应266

9.5.2 AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气的形成268

9.5.3 InxGa1-xN/GaN异质结构270

9.6 半导体超晶格271

习题274

参考资料275

第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象278

10.1 半导体的光学常数278

10.1.1 折射率和吸收系数278

10.1.2 反射系数和透射系数280

10.2 半导体的光吸收281

10.2.1 本征吸收281

10.2.2 直接跃迁和间接跃迁282

10.2.3 其他吸收过程285

10.3 半导体的光电导288

10.3.1 附加电导率289

10.3.2 定态光电导及其弛豫过程289

10.3.3 光电导灵敏度及光电导增益291

10.3.4 复合和陷阱效应对光电导的影响292

10.3.5 本征光电导的光谱分布293

10.3.6 杂质光电导295

10.4 半导体的光生伏特效应295

10.4.1 pn结的光生伏特效应295

10.4.2 光电池的电流电压特性296

10.5 半导体发光297

10.5.1 辐射跃迁297

10.5.2 发光效率300

10.5.3 电致发光激发机构301

10.6 半导体激光302

10.6.1 自发辐射和受激辐射302

10.6.2 分布反转303

10.6.3 pn结激光器原理304

10.6.4 激光材料307

10.7 半导体异质结在光电子器件中的应用307

10.7.1 单异质结激光器307

10.7.2 双异质结激光器308

10.7.3 大光学腔激光器309

习题309

参考资料310

第11章 半导体的热电性质312

11.1 热电效应的一般描述312

11.1.1 塞贝克效应312

11.1.2 珀耳帖效应312

11.1.3 汤姆逊效应313

11.1.4 塞贝克系数、珀耳帖系数和汤姆逊系数间的关系313

11.2 半导体的温差电动势率315

11.2.1 一种载流子的热力学温差电动势率315

11.2.2 两种载流子的热力学温差电动势率317

11.2.3 两种材料的温差电动势率318

11.3 半导体的珀耳帖效应319

11.4 半导体的汤姆逊效应320

11.5 半导体的热导率321

11.5.1 载流子对热导率的贡献322

11.5.2 声子对热导率的贡献323

11.6 半导体热电效应的应用324

习题325

参考资料325

第12章 半导体磁和压阻效应327

12.1 霍耳效应327

12.1.1 一种载流子的霍耳效应327

12.1.2 载流子在电磁场中的运动329

12.1.3 两种载流子的霍耳效应331

12.1.4 霍耳效应的应用333

12.2 磁阻效应334

12.2.1 物理磁阻效应334

12.2.2 几何磁阻效应336

12.2.3 磁阻效应的应用337

12.3 磁光效应338

12.3.1 朗道（Landau）能级338

12.3.2 带间磁光吸收340

12.4 量子化霍耳效应341

12.5 热磁效应343

12.5.1 爱廷豪森效应343

12.5.2 能斯脱效应344

12.5.3 里纪-勒杜克效应344

12.6 光磁电效应345

12.6.1 光扩散电势差345

12.6.2 光磁电效应346

12.7 压阻效应348

12.7.1 压阻系数349

12.7.2 液体静压强作用下的效应351

12.7.3 单轴拉伸或压缩下的效应352

12.7.4 压阻效应的应用354

习题355

参考资料356

第13章 非晶态半导体358

13.1 非晶态半导体的结构358

13.2 非晶态半导体中的电子态361

13.2.1 无序体系中电子态的定域化361

13.2.2 迁移率边362

13.2.3 非晶态半导体的能带模型363

13.2.4 非晶态半导体的化学键结构364

13.3 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应365

13.3.1 四面体结构非晶态半导体中的缺陷和隙态366

13.3.2 硫系非晶态半导体的缺陷与缺陷定域态367

13.3.3 Ⅳ族元素非晶态半导体的掺杂效应370

13.4 非晶态半导体中的电学性质372

13.4.1 非晶态半导体的导电机理372

13.4.2 非晶态半导体的漂移迁移率375

13.4.3 非晶态半导体的弥散输运过程376

13.5 非晶态半导体中的光学性质377

13.5.1 非晶态半导体的光吸收377

13.5.2 非晶态半导体的光电导380

13.6 a-Si:H的pn结与金—半接触特性381

参考资料382

附录A 常用物理常数和能量表达变换表384

附录B 半导体材料物理性质表385

附录C 主要参数符号表391

参考文献396