《半导体物理学》内容详解

[德] 马吕斯•格伦德曼 著 姬扬 译

中国科学技术大学出版社，2022年

 

《半导体物理学》的作者是德国莱比锡大学的马吕斯•格伦德曼（Marius Grundmann）教授，这本书介绍半导体物理和半导体器件，包括固体物理、半导体物理、各种半导体器件的概念及其在电子学和光子学中的现代应用。这本书的原著（The Physics of Semiconductors）在2006年出版，在2010年、2016年和2021年都做了增补和修订，现在已经是第4版了，可以说是紧跟时代的步伐。中译本是根据原著2021年第4版翻译过来的。

《半导体物理学》包括三大部分的内容：半导体物理学的基础知识（第一部分，第1-10章）、专题（第二部分，第11-20章）和半导体的应用和器件（第三部分，第21-24章）。这本书内容丰富（除了24章正文以外，还有11个附录），图文并茂（大约有1000张图片和表格），参考资料丰富（大约2200篇参考文献），经过多年教学实践的检验，是一本优秀的教科书，适合研究生和高年级本科生使用，也可以作为半导体科技人员的参考书。

 

中译本分为上下两册，一共1000多页。为了方便读者了解这本书的内容，我做了一份pdf文件，一共75页，包括几种不同目录和章节简介，附在这篇文章的最后。其中包括：

l 内容简介：出版时的内容简介，约500字。

l 简明目录：只有每章的题目，共2页。

l 各章简介：各章内容简介，共4页。

l 详细目录：所有章、节、小节和段落的题目，共17页。

l 详细目录和各章简介：把详细目录和各章简介合并在一起。

l 出版时的目录

l 封面和前言等

下面给出本书三个部分24章的内容简介。

上册

第1章 简介：按照时间顺序给出半导体历史上重要的时刻和事件，从早期岁月（伏特、塞贝克和法拉第）到最新的成就，例如蓝光和白光二极管。提到了很多著名的科学家和不那么有名的科学家；还给出了与半导体有关的诺贝尔奖及获奖人的名单。

第1部分 基础知识

第2章 键：一点点的固体物理学……解释了共价键、离子键和混合键，它们是原子构型和半导体晶体结构的基础。

 

第3章 晶体：一点点的晶体学……给出了一些概念：正格子和倒格子，点群和空间群，单元、元胞和维格纳-塞兹元胞。略微详细地讨论了一些对半导重要的晶体结构（金刚石、闪锌矿、纤锌矿、黄铜矿……）。还介绍了合金和有序。

 

第4章 结构缺陷：没有完美的晶体。讨论了各种点缺陷以及它们的热力学、扩散和分布效应。还介绍了位错和扩展的缺陷，例如裂纹、堆错、晶界和反相畴。

 

第5章 力学性质：首先用一维模型处理晶格振动和声子，给出了几种半导体的真实的声子色散关系，包括合金和无序材料里的声子。然后给出了线性弹性理论及其在半导体中的应用，关于外延的应变、衬底的弯曲和薄膜的卷曲。最后讨论塑性弛豫效应，例如临界厚度和晶片断裂。

 

第6章 能带结构 ：处理一维势里的电子态，引入带隙和有效质量的概念。综述了各种半导体的能带结构。讨论了带隙的分类、对称性考虑、合金里的带隙、非晶半导体以及应变和温度的影响。处理了电子和空穴的色散关系，得到了不同维度下的态密度。

 

第7章 电子的缺陷态：介绍了本征电导的载流子统计和掺杂的一般性原理，详细处理了施主和受主、补偿和高掺杂效应。介绍了准费米能级的概念。最后对深能级及其热力学做了一般性的评论，并给了几个例子。

 

第8章 输运 ：半导体中的输运物理学最先讲述电荷输运。介绍能带输运和散射、迁移率、低场效应和高场效应、极化子和跳跃输运。简述离子输运，然后讨论热传导以及热输运和电荷输运的耦合（包括热电势和佩尔捷效应）。

 

第9章 光学性质：介绍了复折射率，简要地讨论了反射和折射。重点放在吸收的机制，讨论了几种跃迁类型（直接的和间接的带-带跃迁，与杂质有关的跃迁，晶格吸收），包括激子、极化激元和高浓度载流子的影响。还给出了一些与自由载流子有关的效应。

 

第10章 复合：解释了半导体里载流子复合的各种机制和统计性质，包括带-带复合、激子复合、带-杂质复合（肖克利-里德-霍尔(SRH)动理学过程），俄歇复合。还处理了在扩展缺陷和表面处的复合。利用扩散-复合理论，推导了一维的载流子分布，这是实验和器件的典型情况。

 

第2部分 专题

第11章 表面：总结了半导体表面的特性：它们的对称性、平衡态的晶体形状、重构、台阶和小面，对于外延很重要。讨论了表面的物理性质，例如振动态和电子态。

 

第12章 异质结构：异质结构是现代器件最重要的基础，本章介绍了它的各种性质，包括平面和图形衬底上的外延、表面活性剂、异质结构的能带排列以及平面受限系统（量子阱和二维电子气）里的能级和复合。

 

第13章 二维半导体：二维材料或原子片是没有体积的材料。它们提供了独特的物理和性质，但在制备和稳定性方面也存在挑战。将这些二维材料堆积在范德华异质结构中，扩展了这种可能性。

 

第14章 纳米结构：讨论了一维纳米结构（量子线）和零维纳米结构（量子点），它们的各种制作方法和可调节的物理性质。介绍的主要效应包括改变的态密度、受限的能级、（包络）波函数的对称性以及相应的新的电学和光学性质。

 

第15章 外场：讨论外加的电场和磁场对体材料和量子阱的电学性质和光学性质的影响，包括斯塔克效应和量子受限斯塔克效应、霍尔效应和量子霍尔效应。固体的能级及其光学和电学性质依赖于外加的电场和磁场。在强磁场和低温下，量子霍尔效应给出了多体系统里新物态的证据。

 

下册

第16章 极化半导体：讨论带有自发极化的半导体和铁电半导体。对于闪锌矿结构和纤锌矿结构的材料，还略微详细地讨论了压电效应。

 

第17章 磁性半导体：解释了两种类型的半导体材料（化合物材料和稀磁性半导体）和性质，它们是具有自发磁化的半导体（铁磁半导体）和顺磁性半导体。简要介绍了半导体自旋电子学，包括自旋晶体管和自旋发光二极管的概念。

 

第18章 有机半导体：简要介绍基于sp2成键的有机半导体，包括小的有机分子和聚合物。讲述了它们的电子结构、掺杂方式，以及它们特有的输运和光学性质。

 

第19章 介电结构：介绍了介电结构，特别是周期性的介电结构。建立了一种通用的一维模型，描述布拉格反射镜。给出了一维、二维和三维光子带隙材料的例子。介绍了不同类型的介电腔和微共振腔，包括法布里-珀罗共振腔和回音壁共振腔。介绍了光和物质耦合的量子电动力学效应，例如珀塞尔效应和强耦合。

 

第20章 透明导电的氧化物半导体：介绍了透明导电氧化物的一些典型材料。讨论了它们的物理性质和电导率的极限与透明度的关系。

 

第3部分 应用

第21章 二极管：详细讨论了肖特基（金属-半导体）二极管、MIS（金属-绝缘体-半导体）二极管和（双极型）pn二极管，重点关注合适的材料、空间电荷层的形成以及正向和反向的电流-电压特性。讨论了这些器件基于其整流性质的应用。

 

第22章 光电转换：讨论了二极管把电磁辐射（光）转变为电信号，用了很多器件的例子，包括光电导、pn光电二极管、pin光电二极管、MSM光电二极管、雪崩光电二极管和电荷耦合器件（CCD）；解释了太阳能电池的能量转变；介绍了标准的和先进的太阳能电池。

 

第23章 电光转换：讲述了发光二极管（LED）和激光二极管。关于LED材料的选择，介绍了内量子效率和外量子效率的概念，以及器件的设计。介绍了一些特殊的器件，例如白光LED、量子点LED和有机LED。关于激光二极管，讨论了增益、损耗和阈值的概念，用于现代器件设计的各种异质结构，以及激光发射的性质，例如模式谱、远场、动态范围和可调谐性。最后提到了一些特殊的器件，例如热空穴激光器、级联激光器和半导体光放大器。

 

第24章 晶体管：解释了双极型晶体管、异质结双极型晶体管和场效应晶体管（JFET、 MESFET和MOSFET）的器件功能。利用本书此前给出的关于漂移、扩散和复合的物理模型，得到了这些器件的特性。最后评论了集成电路、缩微化和薄膜晶体管。

 

 

20世纪初的发展的量子力学和相对论改变了我们对世界的认识，而20世纪中期开始迅猛发展的半导体科技是我们改造世界的利器，半导体电路在每个家庭里都是司空见惯，半导体改变了我们工作、交流、娱乐和思考的方式。半导体物理学是半导体科技的基础，是量子理论在固体材料中的应用，半导体科技的未来发展也离不开量子理论和半导体物理学的进步。可是大家对半导体的了解还不太多，现在的一些教材也不太能够跟上时代的步伐。

《半导体物理学》经过多年教学实践的检验，是一本优秀的教科书。这本书可以在没有或者很少固体物理学和量子力学的基础上学习，适合本科生和研究生学习，也可以作为半导体科技人员的参考书。

  

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