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出版者:高等教育出版社

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页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:11.0

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isbn号码:9787040061864

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《深入理解半导体物理与器件》 内容概要 本书旨在为电子工程、物理学及相关领域的研究人员、工程师和高年级本科生提供一套全面而深入的半导体物理基础知识和现代半导体器件工作原理的系统性论述。全书结构严谨，内容涵盖了从半导体材料的微观结构到宏观电学特性的完整链条，并重点阐述了当前主流半导体器件的设计、制造及其性能极限。 第一部分：半导体基础物理 第一章 晶体结构与能带理论 本章首先从晶格结构入手，详细介绍了硅（Si）、锗（Ge）以及化合物半导体（如GaAs, GaN）的晶体结构特性，包括晶面指数、晶格常数及缺陷对材料性能的影响。随后，深入讲解了电子在周期性晶格中的运动规律，重点阐述了布洛赫定理、晶体动量与有效质量的概念。核心内容聚焦于能带理论的建立，包括价带、导带、禁带宽度（Band Gap）的物理意义。通过对有效质量的分析，解释了载流子（电子和空穴）的运动特性，为后续器件分析奠定理论基础。此外，本章还讨论了温度、压力等外部因素对能带结构的影响。 第二章 载流子输运现象 本章系统阐述了半导体内部载流子的输运机制。首先定义了本征半导体和杂质半导体（N型与P型）的载流子浓度模型，并推导了费米能级随温度和掺杂浓度的变化规律。随后，详细分析了两种主要的输运机制：漂移（Drift）和扩散（Diffusion）。漂移电流的分析基于欧姆定律在微观层面的体现，引入了载流子迁移率的概念及其影响因素（晶格散射与杂质散射）。扩散电流的分析基于浓度梯度驱动的运动，推导了爱因斯坦关系式（Einstein Relation），并结合寿命和复合机制（如俄歇复合、辐射复合）讨论了少数载流子的行为。本章最后引入了半导体材料的霍尔效应测量技术，作为确定载流子类型、浓度和迁移率的关键实验手段。 第三章 杂质能级与复合机制 本章深入探讨了掺杂过程在能级上引入的受主能级和施主能级，并讨论了不同温度下电离过程的物理模型。重点分析了少子寿命对器件性能的决定性影响。详细介绍了载流子的主要复合过程：直接复合（辐射复合）和间接复合（非辐射复合），包括俄歇复合（Auger Recombination）和缺陷辅助的Shockley-Read-Hall (SRH) 复合机制。对于特定应用，如高功率器件和光电器件，理解和控制这些复合过程至关重要。此外，本章还涉及了表面态和界面态对载流子行为的束缚效应。 第二部分：关键半导体器件物理 第四章 PN结与二极管 本章是器件物理的核心基础。从两个不同类型的半导体接触开始，推导出PN结的内部电场、势垒高度和耗尽区宽度。详细分析了零偏、正向偏置和反向偏置下的电流-电压（I-V）特性曲线，并从热平衡和少数载流子注入的角度精确解释了理想二极管方程的物理来源。随后，深入探讨了实际二极管中的非理想效应，如：复合电流、高注入效应、PN结击穿机制（齐纳击穿和雪崩击穿），以及肖特基势垒二极管的工作原理和应用。 第五章 双极性晶体管（BJT） 本章系统讲解了双极性结型晶体管（BJT）的结构、工作区划分（截止、放大、饱和）以及不同工作模式下的电荷传输过程。重点分析了晶体管的电流放大原理，推导了共射极和共基极的直流电流增益。深入讨论了晶体管的限制因素，如：基区宽度调制效应（Early效应）、高频响应（过渡频率$f_T$和最大振荡频率$f_{max}$）的物理根源，以及寄生效应（如基极电阻和集电结电容）对性能的影响。 第六章 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 作为现代集成电路的基石，MOSFET的分析占据了重要篇幅。本章首先详细阐述了MOS结构（金属-氧化物-半导体）的电容-电压（C-V）特性，包括：强反型、弱反型和积累区的工作状态。随后，推导了理想MOSFET的输出特性曲线和转移特性，详细分析了阈值电压的物理模型，包括表面势、氧化层电荷和栅氧化层厚度的影响。进一步探讨了沟道长度调制效应、次临界区（亚阈值）的漏电流，以及短沟道效应（如DIBL）对器件尺寸缩小的限制。 第七章 晶体管的先进模型与短沟道效应 本章侧重于现代半导体制造工艺下器件行为的复杂性。针对短沟道MOSFET，详细分析了亚微米器件中二维电场效应的主导地位。引入了重要的短沟道效应，包括：阈值电压随沟道长度的降低（VT Roll-off）、载流子速度饱和（Velocity Saturation）现象及其对跨导的影响。本章还将介绍几种先进的建模方法，如BSIM模型的核心思想，用于更精确地预测器件在集成电路中的实际性能。 第三部分：光电器件与新兴技术 第八章 光电器件原理 本章探讨了半导体与光的相互作用。首先分析了半导体材料对不同波长光子的吸收机制，包括直接带隙和间带隙材料的差异。随后，详细分析了两种核心光电器件：光电二极管（Photodiode）和光电探测器的工作原理，重点讨论了量子效率（Quantum Efficiency）和响应速度的物理限制。对于LED和激光二极管（Laser Diode），则侧重于辐射复合机制、载流子注入效率以及阈值电流的物理学基础。 第九章 存储器器件与新兴概念 本章介绍了基于半导体技术的重要存储器件。详细分析了易失性存储器（DRAM和SRAM）的电路原理与物理实现，并重点关注了非易失性存储器（NVM），包括浮栅晶体管（Flash Memory）的存储机制、擦写过程中的高场注入物理（Fowler-Nordheim隧穿）。最后，对下一代存储技术如电阻式随机存取存储器（RRAM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）的物理基础进行了前瞻性介绍。 附录： 常用半导体材料参数表；微扰理论在能带计算中的应用。 本书的特点在于：深度融合了量子力学、统计物理和电磁学原理，确保读者不仅“知其然”，更能“知其所以然”。每一章节都配有大量的推导过程和工程实例，以帮助读者构建从基础概念到复杂器件性能之间的完整知识体系。

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这本书的排版和整体阅读体验，在同类技术书籍中算得上是上乘之作。很多技术书为了塞进更多内容，常常搞得版面拥挤不堪，符号和公式挤在一起，让人阅读起来非常费劲。然而，这本书在视觉上做到了很好的平衡。字体选择适中，图文排布疏朗有致，关键术语和定义都有特别的标记或高亮处理，让你很容易就能抓住重点。我特别喜欢它在章节末尾设置的“自测与回顾”环节，这些问题大多是开放性的思考题，而不是简单的填空或选择，它们迫使你必须综合运用本章所学的知识点来解决一个问题，而不是死记硬背。这种将知识点串联起来的练习方式，极大地巩固了我的理解。而且，我注意到这本书在引用某些标准或者术语时，都会标注出处或者给出更详细的参考信息，体现了一种严谨的学术态度，让人使用起来非常放心。

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我是一个更偏向于实践操作的学习者，所以对教材中动手实践的指导要求比较高。这本书在这方面做得非常到位，它不仅仅是理论的讲解，还非常巧妙地穿插了大量的“设计实例”和“实验指导”。例如，在讲解了加法器电路设计之后，它会立刻给出一个如何用74系列芯片搭建一个4位加法器的具体步骤和元器件清单，这对于我在实验室或者原型开发板上验证所学知识提供了直接的路线图。虽然它不是一本纯粹的实验手册，但它提供的实践指导足以让你从“知道”跨越到“会做”的阶段。最让我感到惊喜的是，它还触及了一些现代设计流程的边缘知识，比如如何使用简单的硬件描述语言（HDL）的概念来辅助理解复杂电路的模块化设计，虽然篇幅不长，但这种前瞻性的内容，无疑让这本书的价值又提升了一个档次，让读者不至于学完就落伍。

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坦白说，这本书的难度是毋庸置疑的，它绝不是那种可以让你轻松翻过一遍就掌握的入门读物。它要求读者投入相当的专注力和时间去消化那些逻辑严密的内容。但是，正是这份“不妥协”的严谨性，赋予了它极高的参考价值。我曾经在解决一个困扰我很久的时钟域交叉问题时，翻阅了其他几本参考书都不得其解，最终还是在这本书的一个不起眼的脚注中找到了关键的提示——关于时钟域同步器的具体逻辑结构。这本书就像一位经验丰富、一丝不苟的导师，它不会直接给出你所有问题的答案，但它会确保你理解了构建答案所需要的每一个基石。对于任何想要真正深入数字电子技术领域，并希望打下坚实基础的人来说，这本书无疑是一笔值得的投资，它提供的不仅仅是知识点，更是一种系统性的、工程化的思维方式。

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这本书拿到手的时候，我就感觉到了它分量十足，不仅仅是纸张的厚度，更像是知识密度的体现。我之前尝试过几本市面上的数字电路教材，但总感觉要么过于理论化，公式推导让人望而却步，要么就是过于简单，实际应用中完全不够用。这本书的编排方式却很独特，它没有一开始就堆砌复杂的逻辑门和布尔代数，而是从一个更直观的角度切入，比如用生活中的例子来解释“开关”和“信号”的概念，这对于我这种初学者来说，简直是打开了一扇新的大门。最让我欣赏的是，它对基本概念的阐述极其耐心，即便是像CMOS反相器这种看似简单的电路，它也能从晶体管的工作原理层层深入，直到你真正理解了它的“为什么”而不是仅仅记住了“是什么”。每一章节的例题都设计得恰到好处，既不会太简单让你觉得是在浪费时间，也不会难到让你丧失信心。特别是那些涉及到实际电路设计的小挑战，总能激发我动手实践的欲望。我感觉这本书的作者真的站在学习者的角度思考过，懂得如何循序渐进地引导读者建立起完整的知识体系。

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说实话，这本书的深度和广度真的超出了我的预期。我原本以为它会集中在基础的组合逻辑和时序逻辑上打转，但读到后面才发现，它对更高级的主题也有相当详尽的覆盖。比如，在谈到存储器和可编程逻辑器件（PLD）的部分，作者没有仅仅停留在介绍原理，而是深入讲解了不同类型的RAM和ROM在实际系统中的应用场景和选型考量，这一点对于未来想从事嵌入式或者硬件设计的人来说，绝对是金矿。更让我印象深刻的是，书中对于时序电路的分析部分，处理得非常严谨细致。它不仅解释了锁存器和触发器的区别，还花了专门的篇幅去讨论亚稳态问题和时序约束（Setup/Hold Time），这些都是教科书里很容易被一带而过但却至关重要的细节。我甚至发现，书里的一些插图和波形图绘制得极为清晰规范，即便是复杂的时序图，也能一目了然，这极大地减少了我在理解同步异步逻辑交叉点时的认知负担。

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