半导体元件物理学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:國立交通大學

作者:施敏,伍國鈺

出品人:

页数:576頁

译者:張鼎張,劉柏村

出版时间:民國097年08月

价格:0

装帧:平裝

isbn号码:9789868439511

丛书系列:

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凝聚态物质的微观图景：量子场论在固体中的应用 图书简介 本书旨在深入探讨凝聚态物质体系，特别是晶体结构中的电子和晶格振动所呈现出的丰富物理现象。我们将聚焦于量子场论的框架，阐释如何利用其强大的工具箱来描述和预测复杂多体系统的宏观性质。本书面向具有扎实量子力学和经典电动力学基础的高年级本科生、研究生以及相关领域的研究人员。 第一部分：晶体周期性与电子能带结构 本书首先建立在对理想晶体周期性势场中电子行为的深刻理解之上。我们将从布拉维点阵的数学描述入手，引入倒易点阵的概念，这是理解电子周期性与动量空间关联的关键。 晶体动量与布洛赫定理的推导与应用： 详细推导布洛赫定理，并阐明其在描述电子波函数形式上的重要性。我们将探讨电子在周期势场中的本征能量和波函数，即能带结构。重点分析了实空间周期性如何转化为倒易空间中的动量守恒。 紧束缚模型与近自由电子模型的比较： 对比两种描述电子态的基本方法。紧束缚模型（Tight-binding model）侧重于局域原子轨道之间的相互作用，特别适用于描述强局域化的电子系统；而近自由电子模型（Nearly free electron model）则将电子视为在周期势场中微小扰动的自由电子，适用于描述金属中的电子行为。我们将通过具体的晶格结构（如面心立方、体心立方）计算其能带结构，并解释费米面如何形成。 能带理论的物理图像： 深入讨论能带结构中的关键概念，如能带隙、有效质量张量（Effective Mass Tensor）及其与电子输运性质（如导带、价带）的直接联系。我们将阐释为什么有效质量可以为负，以及它如何反映了电子在晶格中的动力学行为。 第二部分：电子的激发与准粒子概念 凝聚态物理的精髓在于理解系统在偏离基态时所产生的集体激发。本书将系统地引入准粒子（Quasiparticle）的概念，这是将复杂的多体相互作用简化为可独立描述的有效粒子的桥梁。 平均场近似与哈特里-福克理论： 从平均场理论出发，解释如何将电子间的库仑相互作用通过平均势场来处理。详细阐述哈特里-福克（Hartree-Fock）方法在描述电子系统的基本结构（如金属中的费米面）中的作用和局限性。 随机相位近似（RPA）与更精确的电子-电子相关效应： 在哈特里-福克的基础上，引入更高阶的修正，特别是处理电子间的瞬时涨落和关联效应。随机相位近似被用来描述等离子体振荡（Plasmon）的激发，并讨论如何通过更精确的计算来确定电子系统的基态能量和激发谱。 准粒子的概念化： 严格定义准粒子，强调其与自由粒子相比，引入了与环境（其他电子和晶格）相互作用所产生的“自能”（Self-Energy）。利用费曼图技术，简要介绍如何计算准粒子的寿命和有效质量的修正。 第三部分：晶格振动与声子物理 晶格振动，即声子（Phonons），是描述固体热学和某些输运性质的关键。本部分将运用量子化的场论方法来描述这些集体激发。 晶格动力学与色散关系： 从牛顿运动定律出发，构建一维和三维晶格的运动方程，推导出声子的色散关系 $omega(mathbf{q})$。区分声学支（Acoustic branches）和光学支（Optical branches），并解释它们各自的物理意义和对宏观性质的影响。 声子的量子化： 将晶格振动视为谐振子的集合，并进行二次量子化，引入产生和湮灭算符 $a_{mathbf{q}lambda}^{dagger}$ 和 $a_{mathbf{q}lambda}$。声子被视为准粒子，并解释其能量 $E = hbar omega$。 声子对热学性质的贡献： 利用量子统计（玻色-爱因斯坦分布）计算晶格的比热容。详细讨论德拜模型（Debye Model）和爱因斯坦模型（Einstein Model）的原理及其在描述低温和高温下固体比热的适用性。 电子-声子相互作用： 这是理解电阻、超导电性和半导体中载流子散射机制的核心。我们分析电子如何通过吸收或发射声子而改变其动量和能量，从而导致电阻的产生，并讨论电子在能带间跃迁中声子的作用。 第四部分：磁性与磁振子 固体中的磁性源于电子的自旋相互作用。本书将通过量子化的自旋波理论来描述长程磁有序现象。 海森堡模型与交换相互作用： 引入描述磁性相互作用的海森堡模型（Heisenberg Model），并解释其起源于电子的泡利不相容原理和库仑相互作用（交换能）。 自旋波理论与磁振子： 在铁磁体低温区域，通过平均场近似和线性化处理，导出宏观磁矩的集体激发——自旋波（Spin Waves）。将自旋波量子化为准粒子，即磁振子（Magnons）。 磁振子的色散关系与热学效应： 计算磁振子的能量和群速度，并讨论它们对磁性材料比热的贡献，特别是与泡利-查尔德斯（Bloch T$^3$ Law）定律的联系。 第五部分：从第一性原理到复杂关联系统 本书最后展望了处理更复杂、强关联体系的方法，这些体系往往不能用简单的准粒子理论完全描述。 密度泛函理论（DFT）基础： 介绍处理多体电子系统的实用且高效的工具——密度泛函理论。重点阐述霍恩伯格-科恩（Hohenberg-Kohn）定理，以及 Kohn-Sham 方程。讨论当前主流的交换关联泛函（如 LDA, GGA）的物理意义和局限性，特别是在描述能带隙问题上的不足。 马赛纳束缚态与极化子： 探讨电子与晶格形变耦合形成的准粒子——极化子（Polarons），以及电子与光子相互作用形成的激子（Excitons）。分析这些复合准粒子的能量和寿命，它们在光电器件中的重要性。 总结与展望： 简要回顾量子场论在凝聚态物理中的强大威力，并指出诸如高温超导、拓扑绝缘体等前沿领域中仍然存在的理论挑战，鼓励读者继续探索。 --- 主要特点： 理论深度与物理图像的结合： 理论推导严谨，同时注重解释物理概念，确保读者能建立清晰的微观图景。 聚焦量子场论视角： 从一开始就将晶体中的电子和晶格视为量子场，贯穿全书，培养使用先进工具分析物理系统的能力。 系统性： 覆盖了从基础能带结构到复杂的电子-声子、电子-自旋耦合的完整体系。 本书力求成为凝聚态物理研究生和高级研究人员案头必备的、能提供深刻理论洞察力的参考书。

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这本书给我带来的启示是，每一个微小的半导体元件背后都蕴含着深刻的物理规律和精巧的设计智慧。作者对于不同半导体材料特性（如禁带宽度、载流子浓度、介电常数）的详细介绍，让我认识到材料选择对于器件性能的重要性。他通过对硅、锗、砷化镓等材料的对比分析，揭示了它们在光电特性、载流子迁移率等方面的差异，以及这些差异如何影响它们在不同应用领域的优势。我尤其对书中关于半导体掺杂的论述印象深刻，作者详细解释了P型和N型掺杂的原理，以及掺杂浓度如何影响材料的导电性能和PN结的特性。他用形象的比喻来描述杂质原子如何引入多余的载流子，这让我在理解上也更加直观。在讨论PN结的电容效应时，作者详细阐述了扩散电容和结电容，并解释了它们如何影响器件的开关速度。我发现，对于每一个元件，作者都能够从多个角度去剖析其工作原理，不仅仅是电路功能的实现，更重要的是其物理本质。他对于半导体器件的可靠性问题，如热击穿、电压击穿等，也进行了深入的探讨，并解释了这些现象背后的物理机制。我发现自己在阅读过程中，会不自觉地去思考这些理论知识如何应用于实际的电子产品设计中。例如，了解了载流子迁移率的重要性，我就会更关注那些采用高迁移率材料的器件。这本书的价值在于它不仅仅是一本技术手册，更像是一本关于“事物如何运作”的哲学指南。它鼓励我去探索事物背后的本质，去理解那些隐藏在电子产品内部的精密设计。

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这本书给我带来的最大惊喜在于其前瞻性和深度，它不仅仅停留在对现有半导体元件的介绍，而是更进一步地探讨了其内在的物理机制，以及这些机制如何决定了器件的性能和未来的发展方向。作者在分析MOSFET等关键器件时，非常注重从量子力学的角度去解释载流子的行为，这使得我对沟道形成、栅控效应等现象有了更透彻的理解。他详细阐述了不同掺杂类型、不同材料（如硅、锗、砷化镓）在载流子迁移率、击穿电压等方面的差异，并解释了这些差异背后的微观物理原因。我尤其对书中关于热载流子效应和隧穿效应的分析印象深刻，这些都是在现代高性能半导体器件设计中必须考虑的重要因素。作者通过大量的理论推导和实验验证，展示了这些效应是如何影响器件的可靠性和功耗的。阅读的过程中，我反复推敲作者对于半导体材料能带结构、费米能级以及载流子统计分布的论述，这些概念是理解所有半导体物理现象的基础。他巧妙地运用了各种数学工具，但又不会让读者感到被公式淹没，而是引导读者理解公式背后的物理意义。这本书并非仅仅是学习知识，更重要的是培养一种分析和解决问题的思维方式。当我遇到不理解的段落时，我会尝试回溯到前面相关的概念，反复对比图示和文字描述，逐渐构建起完整的知识体系。这种主动学习的过程，让我真正掌握了这些知识，而不是被动地接受。这本书的价值在于它能够将复杂的科学原理以一种有条理、有逻辑的方式呈现出来，为读者打开了通往更深层次理解的大门，是我在学习半导体技术道路上的一座重要里程碑。

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这本书就像是一扇通往微观世界的大门，让我有机会深入了解那些构成我们现代电子设备基石的微小粒子。从第一个章节开始，我就被作者细致入微的描述所吸引，他用一种既严谨又充满启发性的方式，将复杂的物理概念一一剖析。我特别欣赏他对于电子和空穴行为的阐释，那些在半导体材料中穿梭的微粒，它们如何被掺杂、如何产生和复合，作者都用生动的比喻和清晰的图示，让我这个并非专业背景的读者也能逐渐领悟其精髓。理解了这些基础，再去看后续关于PN结、二极管、三极管的原理时，就仿佛是顺理成章的事情了。那些曾经令人生畏的术语，如载流子迁移率、扩散长度、少子寿命等，在作者的笔下都变得触手可及。他不仅仅是罗列公式和定理，更是试图引导读者去思考这些物理现象背后的逻辑，以及它们如何影响到实际器件的性能。我常常会因为一个豁然开朗的瞬间而感到兴奋，仿佛自己也参与了一场探索发现的旅程。这本书的语言风格也很特别，虽然是学术性的内容，但作者在字里行间流露出的热情和对学科的热爱，感染了我。他没有回避深奥的理论，但总能找到恰当的方式来降低理解的门槛。我发现自己在阅读过程中，会不自觉地停下来，去回顾前文，去联系实际生活中接触到的电子产品，思考它们是如何工作的。这种将理论与实践相结合的阅读体验，是很多枯燥的教科书无法给予的。总的来说，这本书不仅是一本技术指南，更像是一次对物理世界充满好奇心的探索之旅，它激发了我对半导体技术更深层次的兴趣。

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这本书为我打开了一个全新的视角，让我得以窥见半导体元件内部那些肉眼无法看见的微观世界。作者在介绍载流子行为时，使用了大量的模型和类比，例如将电子和空穴比作在能量“山谷”和“峰顶”中移动的粒子，这极大地帮助了我理解它们在电场和扩散作用下的运动。他对自由电子和束缚电子概念的清晰界定，以及它们如何受到晶格振动和杂质原子的影响，都让我对导电过程有了更深刻的认识。我尤其对书中关于半导体材料的能带理论的阐释印象深刻，作者详细解释了价带、导带和禁带的概念，以及温度、压力和外加电场如何影响这些能带的结构。理解了这些基础，再来看PN结的形成和肖特基结的能带弯曲，就变得顺理成章。他对于热激发和外加电压如何影响载流子分布的论述，也让我明白了二极管和三极管为何能够工作。我发现，作者在解释每一个概念时，都会尽量避免使用过于晦涩的语言，而是用一种更加亲切和易懂的方式来传达。他对于半导体器件的性能参数，如截止频率、噪声系数、功率耗散等，都进行了详细的解释，并阐述了这些参数与器件结构和材料特性之间的关系。我经常在阅读过程中，会停下来去思考，为什么某些元件在某些应用场景下表现更好，而另一些则不然。这本书提供的知识，能够帮助我理解这些问题的答案。总而言之，这本书就像是一位循循善诱的老师，他用最清晰、最生动的方式，将复杂的半导体物理知识展现在我的面前，让我在这个学习过程中收获了知识，更激发了我对科学探索的热情。

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这本书为我带来的最大价值在于它能够帮助我构建起一套完整的半导体元件知识体系。作者在介绍半导体材料的能带结构时，详细阐述了不同材料（如硅、锗、砷化镓）的禁带宽度和电子亲和势等特性，以及这些特性如何影响它们在光电转换和电子传输方面的应用。他对载流子在晶体材料中的输运现象，如迁移率、扩散系数和复合率等参数的详细解释，都让我对半导体器件的性能有了更深入的认识。我尤其对书中关于三极管（BJT）的基极电流控制集电极电流的原理的讲解印象深刻。作者通过详细的载流子注入和扩散模型，解释了基极电流如何调制集电极电流，从而实现放大功能。他对于MOSFET的跨导和输出电阻等参数的论述，以及这些参数与器件结构和工作状态之间的关系，都讲解得非常到位。我发现，作者在论述过程中，非常注重理论与实验的结合，他会通过一些实验数据来验证理论模型，这使得学习过程更加有说服力。他对于半导体器件的功率效率，如漏电、击穿等问题，也进行了深入的探讨，并解释了这些问题背后的物理机制。我经常在阅读时，会去思考，为什么某些元件在功率方面表现更好，而另一些则存在较大的损耗。这本书提供的知识，能够帮助我解答这些问题。总而言之，这本书不仅是一本技术手册，更像是一次关于“如何理解事物运作规律”的实践课，它让我受益匪浅，并对半导体领域产生了浓厚的兴趣。

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这本书的独到之处在于它能够将一个看似复杂、枯燥的领域，用一种非常系统化且引人入胜的方式呈现出来。作者在讲解半导体材料的形成和特性时，从原子结构和化学键合的角度出发，详细阐述了晶体结构对电子行为的影响。他对硅晶体的完美结构和缺陷对其导电性的影响的分析，让我认识到材料的纯度和晶格完整性是多么重要。我尤其对书中关于载流子在半导体材料中的扩散和漂移现象的描述印象深刻。作者通过引入菲克定律和欧姆定律，清晰地解释了载流子是如何在浓度梯度和电场作用下移动的。他对于PN结在没有外加电压时的内建电场和耗尽层的形成过程的详细解释，也让我对二极管的单向导电性有了更深的理解。我发现，作者在论述过程中，会反复强调物理原理和数学模型之间的联系，这使得我对理论知识的掌握更加扎实。他对于半导体器件的制造工艺，如外延生长、离子注入、光刻等，也进行了简要的介绍，这让我能够更全面地理解半导体技术。我常常在阅读过程中，会联想到日常生活中接触到的电子产品，思考它们内部的半导体元件是如何工作的，以及这些工作原理是如何在实际产品中实现的。这本书能够帮助我建立起这种联系，让我对科技产品有了更深层次的认识。总而言之，这本书不仅是一本技术指南，更是一次关于“如何理解事物运作规律”的实践课，它让我受益匪浅，并对半导体领域产生了浓厚的兴趣。

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这本书的价值在于它能够引导读者从宏观的电路功能，深入到微观的物理机制，从而获得对半导体元件更全面、更深刻的理解。作者在介绍MOSFET的栅控效应时，详细阐述了电场如何在栅极和半导体之间形成，以及这个电场如何改变半导体的导电性。他对阈值电压、亚阈值斜率等关键参数的论述，以及这些参数与器件结构和材料特性之间的关系，都讲解得非常到位。我尤其对书中关于半导体材料中缺陷对载流子行为的影响的讨论印象深刻。作者解释了晶格缺陷、杂质原子如何成为载流子的散射中心，从而降低载流子的迁移率，进而影响器件的性能。他对于PN结的击穿现象，如雪崩击穿和齐纳击穿的解释，也让我对器件的安全工作范围有了更清晰的认识。我发现，作者在论述过程中，非常注重理论与实际应用的结合，他会通过一些实际的电路例子来解释理论知识，这使得学习过程更加生动有趣。他对于半导体器件的可靠性问题，如温度效应、老化效应等，也进行了深入的探讨，并解释了这些现象背后的物理机制。我经常在阅读时，会去思考，为什么某些元件在高温环境下性能会下降，或者容易损坏。这本书提供的知识，能够帮助我解答这些问题。总而言之，这本书不仅是一本技术手册，更像是一次关于“如何理解事物运作规律”的实践课，它让我受益匪浅，并对半导体领域产生了浓厚的兴趣。

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从一个普通读者的角度来看，这本书的优点在于它的叙事性和逻辑性都非常出色，让我在阅读过程中能够持续保持兴趣。作者在介绍每一个半导体元件时，都会先从其基本结构和材料特性入手，然后逐步深入到其工作原理和应用场景。例如，在讲解二极管时，他不仅解释了PN结的形成和正反偏特性，还详细介绍了肖特基二极管、稳压二极管等不同类型的二极管，并阐述了它们各自的工作原理和优缺点。这种由浅入深、由点及面的讲解方式，让我能够清晰地把握每一个知识点，并且能够将它们融会贯通。我尤其喜欢作者在解释晶体管（BJT和MOSFET）时所采用的方法，他首先强调了其放大和开关功能，然后通过详细的载流子传输模型，解释了这些功能是如何实现的。他对于电流增益、跨导、阈值电压等关键参数的论述，以及它们与器件结构和材料参数的关系，都讲解得非常到位。我经常会对照书中的电路图和能带图，去理解电流是如何流动的，电压是如何控制的。这本书的语言风格也十分平实易懂，虽然涉及大量专业术语，但作者都会给出清晰的解释和通俗的比喻，让我在理解上也毫不费力。我发现在阅读这本书时，我不再是被动地接受信息，而是积极地去思考、去联系、去验证。例如，当我读到关于MOSFET的沟道电流公式时，我会尝试去推导它，或者思考它在实际电路中的含义。这种积极的互动，让我对半导体元件的理解更加深刻和牢固。总而言之，这本书提供了一种非常有效的学习途径，它能够将枯燥的理论知识转化为生动有趣的知识，让我在这个过程中收获良多，并对半导体技术产生了浓厚的兴趣。

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这本书的独特之处在于它能够将一个看似高深莫测的领域，用一种非常易于理解且具有启发性的方式呈现出来。作者在讲解半导体材料的载流子特性时，从量子力学的角度出发，详细阐述了电子和空穴是如何在能量空间中移动的。他对价带、导带和禁带的清晰界定，以及它们如何影响半导体的导电性，都让我对半导体材料有了更基础的认识。我尤其对书中关于PN结的扩散电流和漂移电流的讨论印象深刻。作者通过引入载流子的运动方程，清晰地解释了PN结在有外加电压时的载流子分布和电流的形成。他对于二极管的伏安特性的详细解释，以及如何从微观的载流子行为来推导宏观的电流电压关系，都让我对这个基本元件有了更透彻的理解。我发现，作者在论述过程中，非常注重理论的严谨性和逻辑性，他会通过详细的推导过程，让读者理解每一个公式的来源和意义。他对于半导体器件的开关特性，如上升时间和下降时间等，也进行了详细的讨论，这对于理解数字电路的工作原理至关重要。我经常在阅读时，会去思考，为什么某些元件的开关速度更快，而另一些则较慢。这本书提供的知识，能够帮助我解答这些问题。总而言之，这本书不仅仅是一本技术书籍，更像是一位经验丰富的向导，他用最清晰、最生动的方式，将复杂的半导体物理知识展现在我的面前，让我在这个学习过程中收获了知识，更激发了我对科学探索的热情。

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这本书的魅力在于其能够将抽象的物理概念，通过生动的语言和精妙的比喻，转化为读者易于理解的知识。作者在解释电子和空穴的产生机制时，详细阐述了热激发和光激发的作用，以及它们如何在半导体材料中形成。他对载流子在电场作用下的加速和碰撞过程的描述，让我对电流的形成有了更直观的认识。我尤其对书中关于二极管的正向导通和反向截止的原理的讲解印象深刻。作者通过详细的能带图和载流子浓度分布图，清晰地展示了PN结在不同偏压下的行为。他对于三极管（BJT）的电流放大作用的解释，通过引入基极电流和集电极电流的关系，让我明白了它作为放大器是如何工作的。我发现在阅读过程中，作者并没有回避那些复杂的物理方程，而是能够巧妙地将其融入到流畅的文字叙述中，让读者在理解物理概念的同时，也能接触到必要的数学工具。他对于半导体器件的噪声特性，如热噪声、散粒噪声等，也进行了详细的讨论，这对于理解实际应用中的信号完整性至关重要。我经常在阅读时，会去思考，为什么某些元件在某些环境下更容易产生噪声，以及如何降低这些噪声。这本书提供的知识，能够帮助我解答这些问题。总而言之，这本书不仅仅是一本技术书籍，更像是一位耐心的导师，他用最清晰、最生动的方式，将复杂的半导体物理知识展现在我的面前，让我在这个学习过程中收获了知识，更激发了我对科学探索的热情。

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