前　　言

宗旨與目標(biāo)
出版本書(shū)第四版的目的在于將有關(guān)半導(dǎo)體器件的特性、工作原理及其局限性的基礎(chǔ)知識(shí)介紹給讀者。要想更好地理解這些基礎(chǔ)知識(shí)，就必須對(duì)半導(dǎo)體材料物理知識(shí)進(jìn)行全面的了解。本書(shū)有意將量子力學(xué)、固體量子理論、半導(dǎo)體材料物理和半導(dǎo)體器件物理綜合在一起，因?yàn)樗�有這些理論對(duì)了解當(dāng)今半導(dǎo)體器件的工作原理及其未來(lái)的發(fā)展是非常重要的。
在這本教科書(shū)中所包含的物理知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了許多半導(dǎo)體器件入門(mén)書(shū)籍中所涵蓋的內(nèi)容。盡管本書(shū)覆蓋面很廣，但作者堅(jiān)信：一旦透徹理解了這些入門(mén)知識(shí)和材料物理知識(shí)，那么對(duì)半導(dǎo)體器件物理的理解就會(huì)水到渠成，而且會(huì)理解得更快，學(xué)習(xí)效率更高。本書(shū)對(duì)基礎(chǔ)物理知識(shí)的不惜篇幅，將有助于讀者更好地理解甚至可能開(kāi)發(fā)出新型的半導(dǎo)體器件。
既然本書(shū)的目的在于為讀者奉獻(xiàn)一部有關(guān)半導(dǎo)體器件理論的入門(mén)書(shū)籍，因此許多深?yuàn)W的理論并未涉及，同時(shí)也未對(duì)半導(dǎo)體的制造工藝做仔細(xì)描述。雖然本書(shū)對(duì)諸如擴(kuò)散和離子注入等制造工藝有所涉獵并進(jìn)行了一般性討論，但僅局限于那些對(duì)器件特性有直接影響的工藝和場(chǎng)合。
預(yù)備知識(shí)
由于本書(shū)針對(duì)的是電氣工程領(lǐng)域大學(xué)三年級(jí)和大學(xué)大四級(jí)的學(xué)生，因此假設(shè)讀者已經(jīng)掌握了微分方程、大學(xué)物理和電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。當(dāng)然，了解現(xiàn)代物理知識(shí)更好，但這并不必需。預(yù)先修完電子線(xiàn)路基礎(chǔ)課程對(duì)閱讀本書(shū)會(huì)更有幫助。
章節(jié)安排
本書(shū)分為三部分：第一部分介紹量子力學(xué)初步知識(shí)和半導(dǎo)體材料物理；第二部分介紹半導(dǎo)體器件物理的基本知識(shí)；第三部分介紹專(zhuān)用半導(dǎo)體器件，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章先從固體晶格結(jié)構(gòu)開(kāi)始，然后過(guò)渡到理想單晶半導(dǎo)體材料。第2章和第3章介紹量子力學(xué)和固體量子理論，這些都是必須掌握的基礎(chǔ)物理知識(shí)。第4章到第6章覆蓋了半導(dǎo)體材料物理知識(shí)。其中，第4章討論熱平衡半導(dǎo)體物理，第5章討論半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子輸運(yùn)現(xiàn)象。非平衡過(guò)剩載流子是第6章的主要內(nèi)容，理解半導(dǎo)體中的過(guò)剩載流子行為對(duì)于理解器件物理至關(guān)重要。
第二部分包括第7章到第13章。第7章主要討論pn結(jié)電子學(xué)；第8章討論pn結(jié)電流-電壓特性；第9章討論整流及非整流金屬半導(dǎo)體結(jié)和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)；第10章和第11章闡述MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管理論；第12章探討雙極型晶體管；第13章闡述結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。在詳盡介紹pn結(jié)理論后，關(guān)于這三種基本晶體管類(lèi)型的章節(jié)，讀者可不必按順序閱讀，因?yàn)檫@些章節(jié)彼此之間是相互獨(dú)立的。
第三部分包括第14章和第15章。第14章介紹光器件，如太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管；第15章介紹半導(dǎo)體微波器件和半導(dǎo)體功率器件。
本書(shū)末尾是8個(gè)附錄。附錄A是符號(hào)列表，以幫助讀者了解各種符號(hào)及其含義。附錄B包含單位轉(zhuǎn)換表與常數(shù)表。附錄H 給出了部分習(xí)題的答案，有助于學(xué)生檢查自身的學(xué)習(xí)情況。
使用說(shuō)明
本書(shū)可作為本科生第三學(xué)期或第四學(xué)期一個(gè)學(xué)期的教材。和許多課本一樣，本書(shū)的內(nèi)容不可能在一個(gè)學(xué)期內(nèi)全部講授完。這就給授課老師提供了一定的自由空間，授課老師可根據(jù)教學(xué)目的對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行取舍。下文給出了兩種可供選擇的安排，但本書(shū)不是百科全書(shū)。對(duì)于可以略過(guò)而又不會(huì)影響全書(shū)連貫性的章節(jié)，我們?cè)谀夸浐蛯?duì)應(yīng)章節(jié)中用*號(hào)予以標(biāo)記。這些章節(jié)盡管在半導(dǎo)體器件物理的發(fā)展中很重要，但可以推遲講授。新墨西哥大學(xué)電子工程專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生的一門(mén)課程廣泛使用了本書(shū)中的材料。建議用略小于半個(gè)學(xué)期的時(shí)間學(xué)習(xí)前六章；剩余的時(shí)間用于學(xué)習(xí)pn結(jié)、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管。其他的一些主題可考慮在學(xué)期末學(xué)習(xí)。
盡管MOS晶體管先于雙極型晶體管或結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管闡述，但描述三種基本晶體管類(lèi)型之一的各個(gè)章節(jié)都是彼此獨(dú)立的，任何一種類(lèi)型都可以先講。
注意事項(xiàng)
本書(shū)引入了有關(guān)半導(dǎo)體材料和器件物理等理論知識(shí)。雖然許多電子工程系的學(xué)生更樂(lè)于制作電子電路和計(jì)算機(jī)編程，而不是去學(xué)習(xí)有關(guān)半導(dǎo)體器件的理論，但是本書(shū)的內(nèi)容對(duì)于理解諸如微處理器等電子器件的局限性是至關(guān)重要的。
數(shù)學(xué)的應(yīng)用貫穿全書(shū)，這看起來(lái)很枯燥，但最后的結(jié)論是其他手段無(wú)法獲得。盡管有些描述工藝的數(shù)學(xué)模型看起來(lái)很抽象，但它們描述和預(yù)言物理過(guò)程方向的能力已完全經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。
作者鼓勵(lì)讀者經(jīng)常研讀每一章的開(kāi)始部分，以便深刻領(lǐng)會(huì)每章或每個(gè)主題的目的。這種不斷的復(fù)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)前五章尤為重要，因?yàn)樗鼈冎v述的是基礎(chǔ)物理知識(shí)。
還應(yīng)注意的是，盡管有些章節(jié)可以略過(guò)且不會(huì)影響連貫性，但有些教師還是會(huì)選擇這些章節(jié)。因此，標(biāo)*號(hào)的章節(jié)并不意味著不重要。
有些問(wèn)題可能到課程結(jié)束時(shí)也得不到解答，理解這一點(diǎn)也很重要。雖然作者不喜歡它可以這樣講之類(lèi)的說(shuō)法，但書(shū)中有些概念的推導(dǎo)確實(shí)超出了本書(shū)的范圍。本書(shū)對(duì)這一科目?jī)H具導(dǎo)論性質(zhì)。對(duì)那些修完課程后還沒(méi)有解決的問(wèn)題，我們鼓勵(lì)讀者記下這些問(wèn)題，或許在后續(xù)課程中這些問(wèn)題就能得到解答。
教學(xué)順序
對(duì)于教學(xué)順序，每位教師都有自己的選擇，但通常有兩種方案。第一種方案稱(chēng)為MOSFET方案，是在講授雙極型晶體管之前講授MOS晶體管。讀者會(huì)注意到本書(shū)中的MOSFET內(nèi)容放到了pn 結(jié)二極管之后的第10章和第11章。
第二種方案稱(chēng)為雙極型方案，也稱(chēng)為傳統(tǒng)方案，是在討論pn結(jié)二極管后立即介紹雙極型晶體管。由于MOSFET 留在學(xué)期末講授，因此到時(shí)可能沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)講授這一重要主題。
遺憾的是，由于時(shí)間限制，將每一章中的所有內(nèi)容在一個(gè)學(xué)期內(nèi)都講完是不可能的。余下的內(nèi)容可以留到下一個(gè)學(xué)期講授或留給讀者自學(xué)。
MOSFET 方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學(xué)和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運(yùn)現(xiàn)象
第6章非平衡過(guò)剩載流子選講
第7章pn結(jié)
第10章、第11章MOS晶體管
第8章pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡(jiǎn)介
第12章雙極型晶體管，其他選講內(nèi)容

雙極型方案
第1章晶格結(jié)構(gòu)
第2章、第3章量子力學(xué)和固體物理選講
第4章半導(dǎo)體物理
第5章輸運(yùn)現(xiàn)象
第6章非平衡態(tài)特性選講
第7章、第8章pn結(jié)和pn結(jié)二極管
第9章肖特基二極管簡(jiǎn)介
第12章雙極型晶體管
第10章、第11章MOS晶體管，其他選講內(nèi)容

第四版新內(nèi)容
排列順序：關(guān)于MOSFET的兩章移到了雙極型晶體管一章的前面。這一改變強(qiáng)調(diào)了MOS晶體管的重要性。
半導(dǎo)體微波器件：第15章中添加了一小節(jié)關(guān)于三種專(zhuān)用半導(dǎo)體微波器件的內(nèi)容。
新附錄：添加了關(guān)于有效質(zhì)量概念的附錄F。教材的許多計(jì)算中使用了兩個(gè)有效質(zhì)量。該附錄給出了每種有效質(zhì)量的理論知識(shí)，并討論了何時(shí)在特定計(jì)算中使用哪一種有效質(zhì)量。
預(yù)習(xí)小節(jié)：每章以簡(jiǎn)介開(kāi)始，然后以項(xiàng)目列表的形式給出預(yù)習(xí)內(nèi)容。每個(gè)預(yù)習(xí)項(xiàng)均給出了該章的一個(gè)特殊目標(biāo)。
練習(xí)題：添加了超過(guò)100道練習(xí)題，每道例題后面均提供一道練習(xí)題。練習(xí)題類(lèi)似于例題，以便讀者即時(shí)測(cè)試對(duì)剛講內(nèi)容的理解程度。每道練習(xí)題均提供有答案。
測(cè)試?yán)斫忸}：每章主要小節(jié)末尾添加了約40%的新測(cè)試?yán)斫忸}。通常，這些練習(xí)題比每個(gè)例題后的練習(xí)題更全面。這些習(xí)題將有助于讀者在學(xué)習(xí)新內(nèi)容前理解所學(xué)內(nèi)容。
章末習(xí)題：添加了330多道章尾習(xí)題，即這一版中有約48%的章末習(xí)題是全新的。
第四版特色
數(shù)學(xué)知識(shí)更為嚴(yán)密：保留了清晰理解半導(dǎo)體材料和器件物理基本數(shù)學(xué)知識(shí)的嚴(yán)密性。
例題：書(shū)中列舉了大量的例子來(lái)強(qiáng)化涉及的理論概念，這種做法貫穿全書(shū)。這些例子覆蓋了所有分析和設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，因此讀者不必自行補(bǔ)充其忽略的步驟。
小結(jié)：每一章的末尾提供了小結(jié)部分，它總結(jié)了該章得出的結(jié)論并復(fù)習(xí)所描述的基本概念。
重要術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)好空碌男〗Y(jié)之后列出了重要術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)�這部分定義并總結(jié)了該章所討論的重要術(shù)語(yǔ)。
知識(shí)點(diǎn)：指出了學(xué)習(xí)該章應(yīng)該達(dá)到的目的及讀者應(yīng)該獲得的能力。在轉(zhuǎn)到后續(xù)章節(jié)前，這些知識(shí)可以用來(lái)幫助評(píng)估學(xué)習(xí)的進(jìn)展。
復(fù)習(xí)題：每章末有一系列復(fù)習(xí)題，可用于自測(cè)，以讓讀者了解自己對(duì)該章概念的掌握程度。
章末習(xí)題：按照每章中專(zhuān)題出現(xiàn)的順序，給出了大量的習(xí)題。
小結(jié)和復(fù)習(xí)題：小結(jié)和復(fù)習(xí)節(jié)中的一些習(xí)題是開(kāi)放式的設(shè)計(jì)習(xí)題，在多數(shù)章的末尾給出。
參考文獻(xiàn)：每章后都附有參考文獻(xiàn)，其中那些難度高于本書(shū)的參考書(shū)用星號(hào)標(biāo)明。
部分習(xí)題答案：最后的附錄給出了部分習(xí)題的答案。了解答案會(huì)有助于解題。
聯(lián)機(jī)資源
本書(shū)的配套網(wǎng)站為www.mhhe.com/neamen。網(wǎng)站上包含有適用于教師的習(xí)題解答手冊(cè)和圖像庫(kù)。教師也可以訪(fǎng)問(wèn)這一版本的完整聯(lián)機(jī)解答手冊(cè)組織系統(tǒng)，以生成試題并布置作業(yè)、生成定制內(nèi)容、編輯提供的習(xí)題和解答。
致謝
幾年來(lái)，我的許多學(xué)生幫助我改進(jìn)了本書(shū)的第四版，當(dāng)然也包括前幾版。在此，對(duì)他們的工作表示衷心的感謝，感謝他們的熱情與建設(shè)性的批評(píng)。
感謝McGraw-Hill公司的許多員工，感謝他們的大力支持。特別要感謝策劃編輯Peter Massart 和責(zé)任編輯Lora Neyens，感謝他們的鼓勵(lì)、支持和對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注。還要感謝項(xiàng)目經(jīng)理們?cè)诒緯?shū)出版的最后階段提供的指導(dǎo)。
感謝那些審讀過(guò)本書(shū)前三版手稿并提出過(guò)建設(shè)性意見(jiàn)的所有人員，還要感謝那樣仔細(xì)校對(duì)新習(xí)題解答的人員。最后，感謝本書(shū)新版本出版前審閱過(guò)本書(shū)的人員，他們的貢獻(xiàn)和建議對(duì)于提升本書(shū)很有價(jià)值。
第四版的審閱人員
特別感謝如下審閱人員對(duì)本書(shū)第四版提出的建設(shè)性意見(jiàn)與建議：
Sandra Selmic，路易斯安那工學(xué)院
Terence Brown，密歇根州立大學(xué)
Timothy Wilson，俄克拉荷馬州立大學(xué)
Lili He，圣何塞州立大學(xué)
Michael Stroscio，伊利諾伊-芝加哥大學(xué)
Andrei Sazonov，滑鐵盧大學(xué)

緒論　半導(dǎo)體和集成電路

我們經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)我們生活在信息時(shí)代。譬如，我們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)從千里之外獲得大量信息，而正是基于數(shù)字與模擬電子系統(tǒng)的信息技術(shù)和晶體管與集成電路（IC）的發(fā)展使之成為可能。IC產(chǎn)品已滲透到我們?nèi)粘Ｉ�活的每一個(gè)方面，包括CD播放器、傳真機(jī)、零售店的激光掃描儀和移動(dòng)電話(huà)在內(nèi)的電子設(shè)備，均要使用IC。IC技術(shù)最明顯的例子之一是數(shù)字計(jì)算機(jī)，與幾