半导体物理与器件（第四版）（英文版）_（美）Donald A. Neamen（唐纳德 A. 尼曼）　著_9787121309656

本书是微电子技术领域的基础教程。全书涵盖了量子力学、固体物理、半导体材料物理及半导体器件物理等内容，分成三部分，共15章。*部分为半导体材料属性，主要讨论固体晶格结构、量子力学、固体量子理论、平衡半导体、输运现象、半导体中的非平衡过剩载流子；第二部分为半导体器件基础，主要讨论pn结、 pn结二极管、金属半导体和半导体异质结、金属氧化物半导体场效应晶体管、双极晶体管、结型场效应晶体管；第三部分为专用半导体器件，主要介绍光器件、半导体微波器件和功率器件等。书中既讲述了半导体基础知识，也分析讨论了小尺寸器件物理问题，具有一定的深度和广度。另外，全书各章难点之后均列有例题、自测题，每章末尾均安排有复习要点、重要术语解释及知识点。全书各章末尾列有习题和参考文献，书后附有部分习题答案。

前　　言

宗旨与目标
出版本书第四版的目的在于将有关半导体器件的特性、工作原理及其局限性的基础知识介绍给读者。要想更好地理解这些基础知识，就必须对半导体材料物理知识进行全面的了解。本书有意将量子力学、固体量子理论、半导体材料物理和半导体器件物理综合在一起，因为所有这些理论对了解当今半导体器件的工作原理及其未来的发展是非常重要的。
在这本教科书中所包含的物理知识远远超过了许多半导体器件入门书籍中所涵盖的内容。尽管本书覆盖面很广，但作者坚信：一旦透彻理解了这些入门知识和材料物理知识，那么对半导体器件物理的理解就会水到渠成，而且会理解得更快，学习效率更高。本书对基础物理知识的不惜篇幅，将有助于读者更好地理解甚至可能开发出新型的半导体器件。
既然本书的目的在于为读者奉献一部有关半导体器件理论的入门书籍，因此许多深奥的理论并未涉及，同时也未对半导体的制造工艺做仔细描述。虽然本书对诸如扩散和离子注入等制造工艺有所涉猎并进行了一般性讨论，但仅局限于那些对器件特性有直接影响的工艺和场合。
预备知识
由于本书针对的是电气工程领域大学三年级和大学大四级的学生，因此假设读者已经掌握了微分方程、大学物理和电磁学的基础知识。当然，了解现代物理知识更好，但这并不必需。预先修完电子线路基础课程对阅读本书会更有帮助。
章节安排
本书分为三部分：第一部分介绍量子力学初步知识和半导体材料物理；第二部分介绍半导体器件物理的基本知识；第三部分介绍专用半导体器件，包括光器件、微波器件和功率器件。
第一部分包括第1章至第6章。第1章先从固体晶格结构开始，然后过渡到理想单晶半导体材料。第2章和第3章介绍量子力学和固体量子理论，这些都是必须掌握的基础物理知识。第4章到第6章覆盖了半导体材料物理知识。其中，第4章讨论热平衡半导体物理，第5章讨论半导体内部的载流子输运现象。非平衡过剩载流子是第6章的主要内容，理解半导体中的过剩载流子行为对于理解器件物理至关重要。
第二部分包括第7章到第13章。第7章主要讨论pn结电子学；第8章讨论pn结电流-电压特性；第9章讨论整流及非整流金属半导体结和半导体异质结；第10章和第11章阐述MOS场效应晶体管理论；第12章探讨双极型晶体管；第13章阐述结型场效应管。在详尽介绍pn结理论后，关于这三种基本晶体管类型的章节，读者可不必按顺序阅读，因为这些章节彼此之间是相互独立的。
第三部分包括第14章和第15章。第14章介绍光器件，如太阳能电池和发光二极管；第15章介绍半导体微波器件和半导体功率器件。
本书末尾是8个附录。附录A是符号列表，以帮助读者了解各种符号及其含义。附录B包含单位转换表与常数表。附录H 给出了部分习题的答案，有助于学生检查自身的学习情况。
使用说明
本书可作为本科生第三学期或第四学期一个学期的教材。和许多课本一样，本书的内容不可能在一个学期内全部讲授完。这就给授课老师提供了一定的自由空间，授课老师可根据教学目的对教材内容进行取舍。下文给出了两种可供选择的安排，但本书不是百科全书。对于可以略过而又不会影响全书连贯性的章节，我们在目录和对应章节中用*号予以标记。这些章节尽管在半导体器件物理的发展中很重要，但可以推迟讲授。新墨西哥大学电子工程专业大三学生的一门课程广泛使用了本书中的材料。建议用略小于半个学期的时间学习前六章；剩余的时间用于学习pn结、金属-氧化物-半导体场效应晶体管和双极型晶体管。其他的一些主题可考虑在学期末学习。
尽管MOS晶体管先于双极型晶体管或结型场效应晶体管阐述，但描述三种基本晶体管类型之一的各个章节都是彼此独立的，任何一种类型都可以先讲。
注意事项
本书引入了有关半导体材料和器件物理等理论知识。虽然许多电子工程系的学生更乐于制作电子电路和计算机编程，而不是去学习有关半导体器件的理论，但是本书的内容对于理解诸如微处理器等电子器件的局限性是至关重要的。
数学的应用贯穿全书，这看起来很枯燥，但最后的结论是其他手段无法获得。尽管有些描述工艺的数学模型看起来很抽象，但它们描述和预言物理过程方向的能力已完全经受住了时间的考验。
作者鼓励读者经常研读每一章的开始部分，以便深刻领会每章或每个主题的目的。这种不断的复习对学习前五章尤为重要，因为它们讲述的是基础物理知识。
还应注意的是，尽管有些章节可以略过且不会影响连贯性，但有些教师还是会选择这些章节。因此，标*号的章节并不意味着不重要。
有些问题可能到课程结束时也得不到解答，理解这一点也很重要。虽然作者不喜欢它可以这样讲之类的说法，但书中有些概念的推导确实超出了本书的范围。本书对这一科目仅具导论性质。对那些修完课程后还没有解决的问题，我们鼓励读者记下这些问题，或许在后续课程中这些问题就能得到解答。
教学顺序
对于教学顺序，每位教师都有自己的选择，但通常有两种方案。第一种方案称为MOSFET方案，是在讲授双极型晶体管之前讲授MOS晶体管。读者会注意到本书中的MOSFET内容放到了pn 结二极管之后的第10章和第11章。
第二种方案称为双极型方案，也称为传统方案，是在讨论pn结二极管后立即介绍双极型晶体管。由于MOSFET 留在学期末讲授，因此到时可能没有足够的时间来讲授这一重要主题。
遗憾的是，由于时间限制，将每一章中的所有内容在一个学期内都讲完是不可能的。余下的内容可以留到下一个学期讲授或留给读者自学。
MOSFET 方案
第1章晶格结构
第2章、第3章量子力学和固体物理选讲
第4章半导体物理
第5章输运现象
第6章非平衡过剩载流子选讲
第7章pn结
第10章、第11章MOS晶体管
第8章pn结二极管
第9章肖特基二极管简介
第12章双极型晶体管，其他选讲内容

双极型方案
第1章晶格结构
第2章、第3章量子力学和固体物理选讲
第4章半导体物理
第5章输运现象
第6章非平衡态特性选讲
第7章、第8章pn结和pn结二极管
第9章肖特基二极管简介
第12章双极型晶体管
第10章、第11章MOS晶体管，其他选讲内容

第四版新内容
排列顺序：关于MOSFET的两章移到了双极型晶体管一章的前面。这一改变强调了MOS晶体管的重要性。
半导体微波器件：第15章中添加了一小节关于三种专用半导体微波器件的内容。
新附录：添加了关于有效质量概念的附录F。教材的许多计算中使用了两个有效质量。该附录给出了每种有效质量的理论知识，并讨论了何时在特定计算中使用哪一种有效质量。
预习小节：每章以简介开始，然后以项目列表的形式给出预习内容。每个预习项均给出了该章的一个特殊目标。
练习题：添加了超过100道练习题，每道例题后面均提供一道练习题。练习题类似于例题，以便读者即时测试对刚讲内容的理解程度。每道练习题均提供有答案。
测试理解题：每章主要小节末尾添加了约40%的新测试理解题。通常，这些练习题比每个例题后的练习题更全面。这些习题将有助于读者在学习新内容前理解所学内容。
章末习题：添加了330多道章尾习题，即这一版中有约48%的章末习题是全新的。
第四版特色
数学知识更为严密：保留了清晰理解半导体材料和器件物理基本数学知识的严密性。
例题：书中列举了大量的例子来强化涉及的理论概念，这种做法贯穿全书。这些例子覆盖了所有分析和设计的细节，因此读者不必自行补充其忽略的步骤。
小结：每一章的末尾提供了小结部分，它总结了该章得出的结论并复习所描述的基本概念。
重要术语解释：每章的小结之后列出了重要术语解释，这部分定义并总结了该章所讨论的重要术语。
知识点：指出了学习该章应该达到的目的及读者应该获得的能力。在转到后续章节前，这些知识可以用来帮助评估学习的进展。
复习题：每章末有一系列复习题，可用于自测，以让读者了解自己对该章概念的掌握程度。
章末习题：按照每章中专题出现的顺序，给出了大量的习题。
小结和复习题：小结和复习节中的一些习题是开放式的设计习题，在多数章的末尾给出。
参考文献：每章后都附有参考文献，其中那些难度高于本书的参考书用星号标明。
部分习题答案：最后的附录给出了部分习题的答案。了解答案会有助于解题。
联机资源
本书的配套网站为www.mhhe.com/neamen。网站上包含有适用于教师的习题解答手册和图像库。教师也可以访问这一版本的完整联机解答手册组织系统，以生成试题并布置作业、生成定制内容、编辑提供的习题和解答。
致谢
几年来，我的许多学生帮助我改进了本书的第四版，当然也包括前几版。在此，对他们的工作表示衷心的感谢，感谢他们的热情与建设性的批评。
感谢McGraw-Hill公司的许多员工，感谢他们的大力支持。特别要感谢策划编辑Peter Massart 和责任编辑Lora Neyens，感谢他们的鼓励、支持和对细节的关注。还要感谢项目经理们在本书出版的最后阶段提供的指导。
感谢那些审读过本书前三版手稿并提出过建设性意见的所有人员，还要感谢那样仔细校对新习题解答的人员。最后，感谢本书新版本出版前审阅过本书的人员，他们的贡献和建议对于提升本书很有价值。
第四版的审阅人员
特别感谢如下审阅人员对本书第四版提出的建设性意见与建议：
Sandra Selmic，路易斯安那工学院
Terence Brown，密歇根州立大学
Timothy Wilson，俄克拉荷马州立大学
Lili He，圣何塞州立大学
Michael Stroscio，伊利诺伊-芝加哥大学
Andrei Sazonov，滑铁卢大学

绪论　半导体和集成电路

我们经常听说我们生活在信息时代。譬如，我们可以通过互联网或卫星通信系统从千里之外获得大量信息，而正是基于数字与模拟电子系统的信息技术和晶体管与集成电路（IC）的发展使之成为可能。IC产品已渗透到我们日常生活的每一个方面，包括CD播放器、传真机、零售店的激光扫描仪和移动电话在内的电子设备，均要使用IC。IC技术最明显的例子之一是数字计算机，与几

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