電子材料與器件（第四版）

簡 要 目 錄

第1章材料科學(xué)基本概念1

第2章固體中的電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)123

第3章電子材料和器件原理211

第4章現(xiàn)代固體理論311

第5章半導(dǎo)體409

第6章半導(dǎo)體器件525

第7章介電材料與絕緣657

第8章磁性和超導(dǎo)電性765

第9章材料的光學(xué)特性857

附錄A布拉格衍射定律和X射線衍射939

附錄B主要符號(hào)和縮略語945

附錄C元素性質(zhì)表953

附錄D常數(shù)及可用信息957

元素周期表959



目錄
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目錄

第1章材料科學(xué)基本概念1

1.1原子結(jié)構(gòu)和原子序數(shù)1

1.2原子質(zhì)量和摩爾6

1.3鍵合和固體類型7

1.3.1分子和一般鍵合原理7

1.3.2共價(jià)鍵合固體： 金剛石9

1.3.3金屬鍵合： 銅11

1.3.4離子鍵合固體： 鹽12

1.3.5二次鍵合16

1.3.6混合鍵合20

1.4動(dòng)力學(xué)分子理論23

1.4.1平均動(dòng)能和溫度23

1.4.2熱膨脹30

1.5分子速度和能量分布35

1.6分子碰撞與真空沉積39

1.7熱、熱波動(dòng)和噪聲43

1.8熱激活過程48

1.8.1阿列紐斯速率方程48

1.8.2原子擴(kuò)散和擴(kuò)散系數(shù)50

1.9結(jié)晶狀態(tài)53

1.9.1晶體結(jié)構(gòu)53

1.9.2晶向和晶面59

1.9.3同素異形體和碳64

1.10晶體缺陷及其意義67

1.10.1點(diǎn)缺陷： 空位和雜質(zhì)67

1.10.2線缺陷： 邊緣和螺旋錯(cuò)位71

1.10.3面缺陷： 晶界75

1.10.4晶體表面和表面性質(zhì)77

1.10.5化學(xué)計(jì)量法、非化學(xué)計(jì)量法和缺陷結(jié)構(gòu)80

1.11單晶Czochralski生長80

1.12玻璃和非晶半導(dǎo)體83

1.12.1玻璃和無定形固體83

1.12.2晶體硅和非晶硅86

1.13固體溶液和兩相固體88

1.13.1同晶固溶體： 同晶合金88

1.13.2相圖： 銅鎳等同晶合金89

1.13.3區(qū)域精煉和純硅晶體93

1.13.4二元共晶相圖和鉛錫焊料95

附加主題100

1.14布拉維晶格100

1.15Grüneisen規(guī)則103


第2章固體中的電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)123

2.1經(jīng)典理論： 德魯?shù)履Ｐ?24

2.2電阻率的溫度依賴性： 理想的純金屬132

2.3Matthiessen和Nordheim法則135

2.3.1Matthiessen法則和電阻率溫度系數(shù)（α）135

2.3.2固溶體和Nordheim法則143

2.4混合物和多孔材料的電阻率150

2.4.1異質(zhì)混合物150

2.4.2兩相合金（AgNi）的電阻率和電觸點(diǎn)154

2.5霍爾效應(yīng)和霍爾器件155

2.6熱傳導(dǎo)160

2.6.1熱導(dǎo)系數(shù)160

2.6.2熱阻164

2.7非金屬物的導(dǎo)電性165

2.7.1半導(dǎo)體166

2.7.2離子晶體和玻璃170

附加主題175

2.8趨膚效應(yīng)： 導(dǎo)體的高頻電阻175

2.9交流電導(dǎo)率σac178

2.10金屬薄膜182

2.10.1金屬薄膜的導(dǎo)電性182

2.10.2薄膜的電阻率182

2.11微電子學(xué)中的互連188

2.12電遷移和Black方程192


第3章電子材料和器件原理211

3.1光子211

3.1.1光的波動(dòng)性211

3.1.2光電效應(yīng)214

3.1.3康普頓散射219

3.1.4黑體輻射222

3.2電子的波動(dòng)性225

3.2.1德布羅意關(guān)系225

3.2.2時(shí)間無關(guān)的薛定諤方程229

3.3無限勢阱中的受限電子233

3.4海森堡的不確定性原理239

3.5有限勢阱中的受限電子242

3.6隧道現(xiàn)象： 量子泄漏246

3.7位阱： 三個(gè)量子數(shù)252

3.8氫原子255

3.8.1電子波函數(shù)255

3.8.2量子化的電子能量260

3.8.3軌道角動(dòng)量和空間量子化264

3.8.4電子自旋和內(nèi)在的角動(dòng)量S269

3.8.5電子的磁偶極矩271

3.8.6總角動(dòng)量J275

3.9氦原子和周期表276

3.9.1氦原子和泡利不相容原則276

3.9.2亨德準(zhǔn)則279

3.10受激發(fā)射和激光281

3.10.1受激發(fā)射和光子放大281

3.10.2氦氖激光器285

3.10.3激光輸出光譜288

附加主題290

3.11光纖放大器290


第4章現(xiàn)代固體理論311

4.1氫分子： 鍵合的分子軌道理論311

4.2固體能帶理論317

4.2.1能帶形成317

4.2.2能帶中電子的性質(zhì)323

4.3半導(dǎo)體326

4.4電子有效質(zhì)量332

4.5能帶中的狀態(tài)密度334

4.6統(tǒng)計(jì)： 粒子集合341

4.6.1玻爾茲曼古典統(tǒng)計(jì)341

4.6.2費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)342

4.7金屬的量子理論344

4.7.1自由電子模型344

4.7.2金屬導(dǎo)電性347

4.8費(fèi)米能級(jí)的意義350

4.8.1金屬金屬接觸： 接觸電勢350

4.8.2塞貝克效應(yīng)和熱電偶353

4.9熱離子發(fā)射和真空管器件362

4.9.1熱離子發(fā)射： RichardsonDushman方程362

4.9.2肖特基效應(yīng)和場發(fā)射366

4.10聲子372

4.10.1諧振子和晶格波372

4.10.2德拜熱容377

4.10.3非金屬的導(dǎo)熱性382

4.10.4電導(dǎo)率385

附加主題386

4.11金屬能帶理論： 晶體中的電子衍射386


第5章半導(dǎo)體409

5.1本征半導(dǎo)體410

5.1.1硅晶體和能帶圖410

5.1.2電子和空穴411

5.1.3半導(dǎo)體傳導(dǎo)414

5.1.4電子和空穴濃度416

5.2非本征半導(dǎo)體424

5.2.1n型摻雜425

5.2.2p型摻雜427

5.2.3補(bǔ)償摻雜428

5.3電導(dǎo)率的溫度依賴性433

5.3.1載流子濃度的溫度依賴性433

5.3.2漂移遷移率： 溫度和雜質(zhì)依賴性438

5.3.3電導(dǎo)率的溫度依賴性441

5.3.4簡并和非簡并半導(dǎo)體443

5.4直接和間接復(fù)合445

5.5少數(shù)載流子壽命449

5.6擴(kuò)散和傳導(dǎo)方程以及隨機(jī)運(yùn)動(dòng)455

5.7連續(xù)性方程461

5.7.1時(shí)間依賴的連續(xù)性方程461

5.7.2穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程463

5.8光吸收467

5.9壓阻471

5.10肖特基連接475

5.10.1肖特基二極管475

5.10.2肖特基結(jié)太陽能電池和光電二極管480

5.11歐姆接觸和熱電冷卻器485

附加主題490

5.12塞貝克效應(yīng)半導(dǎo)體和電壓漂移490

5.13直接和間接帶隙半導(dǎo)體493

5.14間接復(fù)合503

5.15非晶半導(dǎo)體503


第6章半導(dǎo)體器件525

6.1理想pn結(jié)526

6.1.1不施加偏置： 開路526

6.1.2正向偏置： 擴(kuò)散區(qū)電流531

6.1.3正向偏置： 復(fù)合電流和總電流537

6.1.4反向偏置539

6.2pn結(jié)能帶圖546

6.2.1開路546

6.2.2正向和反向偏置548

6.3pn結(jié)的耗盡層電容551

6.4擴(kuò)散區(qū)（存儲(chǔ)區(qū)）電容和動(dòng)態(tài)電阻557

6.5反向擊穿： 雪崩擊穿和齊納擊穿560

6.5.1雪崩擊穿560

6.5.2齊納擊穿562

6.6發(fā)光二極管（LED）564

6.6.1LED原理564

6.6.2異質(zhì)結(jié)高強(qiáng)度LED566

6.6.3量子阱高強(qiáng)度LED567

6.7LED材料和結(jié)構(gòu)570

6.8LED輸出光譜574

6.9LED的亮度和效率580

6.10太陽能電池584

6.10.1光電器件原理584

6.10.2串聯(lián)和并聯(lián)電阻591

6.10.3太陽能電池的材料、器件和效率593

6.11雙極型晶體管（BJT）596

6.11.1共基極（CB）直流特性596

6.11.2共基極放大器605

6.11.3共發(fā)射極（CE）直流特性607

6.11.4低頻小信號(hào)模型609

6.12結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）612

6.12.1工作原理612

6.12.2JFET放大器618

6.13金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）622

6.13.1場效應(yīng)和翻轉(zhuǎn)622

6.13.2增強(qiáng)型MOSFET624

6.13.3閾值電壓629

6.13.4離子注入型MOS晶體管和多晶硅柵631

附加主題633

6.14PIN二極管、光電二極管和太陽能電池633

6.15半導(dǎo)體光學(xué)放大器和激光636


第7章介電材料與絕緣657

7.1物質(zhì)極化和相對(duì)介電常數(shù)658

7.1.1相對(duì)介電常數(shù)： 定義658

7.1.2偶極矩與電子極化659

7.1.3極化矢量P663

7.1.4局部電場Eloc與克勞修斯莫索蒂方程667

7.2電子極化： 共價(jià)固體669

7.3極化機(jī)理671

7.3.1離子位移極化671

7.3.2偶極轉(zhuǎn)向極化672

7.3.3界面極化674

7.3.4總極化676

7.4頻率依賴性： 介電常數(shù)和介電損耗677

7.4.1介電損耗677

7.4.2德拜方程、柯爾柯爾圖和等效串聯(lián)電路686

7.5高斯定律和邊界條件689

7.6介電強(qiáng)度和絕緣擊穿694

7.6.1介電強(qiáng)度： 定義694

7.6.2介質(zhì)擊穿和局部放電： 氣體695

7.6.3介質(zhì)擊穿： 液體698

7.6.4介質(zhì)擊穿： 固體699

7.7電容介電材料708

7.7.1典型的電容器結(jié)構(gòu)708

7.7.2電介質(zhì)： 比較713

7.8壓電，鐵電和熱釋電717

7.8.1壓電717

7.8.2壓電： 石英振蕩器和濾波器722

7.8.3鐵電和熱釋電晶體725

附加主題732

7.9電位移和去極化場732

7.10局部場與洛侖茲方程736

7.11偶極極化738

7.12離子極化與介電共振740

7.13介質(zhì)混合物和非均勻介質(zhì)745


第8章磁性和超導(dǎo)電性765

8.1物質(zhì)的磁化766

8.1.1磁偶極矩766

8.1.2原子磁矩767

8.1.3磁化矢量M768

8.1.4磁場或磁場強(qiáng)度H771

8.1.5磁導(dǎo)率和磁化率772

8.2磁性材料的分類776

8.2.1反磁性776

8.2.2順磁性778

8.2.3鐵磁性779

8.2.4反鐵磁性779

8.2.5亞鐵磁性780

8.3鐵磁性來源與交換相互作用780

8.4飽和磁化和居里溫度783

8.5磁疇： 鐵磁材料785

8.5.1磁疇785

8.5.2磁晶體各向異性787

8.5.3疇壁788

8.5.4磁致伸縮791

8.5.5疇壁運(yùn)動(dòng)792

8.5.6多晶材料和M對(duì)H行為793

8.5.7退磁797

8.6軟磁材料和硬磁材料799

8.6.1定義799

8.6.2初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率800

8.7軟磁材料： 示例和用法801

8.8硬磁材料： 示例和用法804

8.9能帶圖和磁性810

8.9.1泡利自旋順磁性810

8.9.2鐵磁性能帶模型812

8.10各向異性和巨磁電阻813

8.11磁記錄材料818

8.11.1磁記錄的一般原理818

8.11.2磁存儲(chǔ)材料823

8.12超導(dǎo)電性827

8.12.1零電阻和邁斯納效應(yīng)827

8.12.2Ⅰ型和Ⅱ型超導(dǎo)體830

8.12.3臨界電流密度832


8.13超導(dǎo)電性起源836

附加主題838

8.14約瑟夫森效應(yīng)838

8.15通量的量化840


第9章材料的光學(xué)特性857

9.1均勻介質(zhì)中的光波858

9.2折射率指數(shù)861

9.3分散性： 折射率指數(shù)——波長行為863

9.4群速度和群指數(shù)868

9.5磁場： 輻射和坡印廷矢量871

9.6斯涅爾法則和全內(nèi)反射（TIR）873

9.7菲涅爾方程877

9.7.1振幅的反射和透射系數(shù)877

9.7.2強(qiáng)度、反射率和透射率883

9.8復(fù)折射率和光吸收888

9.9晶格吸收896

9.10帶間吸收898

9.11材料中的光散射901

9.12光導(dǎo)纖維中的衰減902

9.13發(fā)光、磷光和白光LED905

9.14極化910

9.15光學(xué)各向異性912

9.15.1單軸晶體和菲涅爾光學(xué)指標(biāo)913

9.15.2方解石的雙折射917

9.15.3二色性918

9.16雙折射制動(dòng)盤918

9.17光學(xué)活動(dòng)和圓雙折射920

9.18液晶顯示器（LCD）922

9.19電光效應(yīng)926


附錄A布拉格衍射定律和X射線衍射939

附錄B主要符號(hào)和縮略語945

附錄C元素性質(zhì)表953

附錄D常數(shù)及可用信息957

元素周期表959