Transport Equations for Semiconductors pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Jungel, A.

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页数:315

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价格:$ 111.87

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isbn号码:9783540895251

丛书系列:

图书标签:

• 半导体
• 传输方程
• 固体物理
• 电子器件
• 材料科学
• 物理学
• 数值模拟
• 扩散
• 漂移
• 载流子传输

半导体传输现象的数学建模与理论分析 本书深入探讨半导体器件物理学中的核心概念——载流子输运。我们旨在为读者提供一个严谨的理论框架，用以理解和描述电荷载流子（电子和空穴）在半导体材料中的运动规律。通过对这些基本传输方程的详尽分析，读者将能够深刻理解从微观粒子行为到宏观器件特性的转变过程，为设计和优化下一代半导体器件奠定坚实的理论基础。 第一章：半导体晶体结构与电子能带理论 本章从原子尺度出发，介绍构成半导体材料的基本单元——原子及其排列方式。我们将详细阐述晶体结构的概念，包括晶格、基元以及描述晶体重复性的周期性。在此基础上，本书将引入量子力学中的关键概念，解释电子在周期性势场中的运动行为，并重点介绍布里渊区和晶格振动（声子）的概念。 核心内容将集中在电子能带理论。我们将解释能带的形成机制，区分价带、导带以及禁带宽度。通过理解能带结构，读者将掌握判断材料是导体、绝缘体还是半导体的基本判据。此外，本章还将引入约化能带图和第一布里渊区，为后续的载流子统计和输运分析提供必要的几何和物理背景。本章的目标是为理解载流子如何在半导体中移动建立一个坚实的量子力学基础。 第二章：玻尔兹曼输运方程及其近似 本章是本书的理论基石，我们将系统介绍描述半导体中载流子输运的玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）。我们将从统计力学的角度出发，推导BTE的形式，解释方程中各项的物理意义，包括时间演化项、对流项和碰撞积分项。我们将详细分析碰撞积分，讨论不同散射机制（如声子散射、杂质散射、电子-电子散射）对载流子分布函数的影响。 鉴于BTE的复杂性，本章将重点介绍几种重要的近似方法，使得方程能够被解析或数值求解。其中，“松弛时间近似”（Relaxation Time Approximation, RTA）将作为最基本和最广泛使用的近似方法进行详细讲解。我们将解释松弛时间的物理含义，并推导其与散射机制的定量关系。此外，本章还将介绍“梯度近似”（Diffusion Approximation）等其他近似方法，并讨论它们各自的适用范围和局限性。通过掌握BTE及其近似，读者将能够量化分析载流子在电场、磁场以及温度梯度作用下的输运行为。 第三章：载流子统计与费米-狄拉克统计 要理解半导体中的载流子输运，必须首先准确描述半导体中自由载流子的浓度。本章将深入探讨载流子统计的原理，重点介绍费米-狄拉克统计（Fermi-Dirac Statistics）。我们将解释费米能级（Fermi Level）的概念，以及它如何随温度和载流子浓度的变化而变化。 本章将推导在不同温度和掺杂浓度下的本征半导体和外延半导体（N型和P型）的电子和空穴浓度公式。我们将讨论简并和非简并状态的判据，以及在不同状态下载流子统计分布函数的近似形式（如麦克斯韦-玻尔兹曼近似）。此外，我们将引入有效质量的概念，解释它如何反映载流子在晶体动量空间中的运动惯性，并说明如何根据能带色散关系计算不同能带的有效质量。本章的目标是提供精确计算载流子浓度的工具，这是后续输运现象分析的基础。 第四章：欧姆定律、迁移率与扩散 本章将基于前几章建立的理论基础，具体分析半导体中几种主要的输运现象。我们将从玻尔兹曼输运方程推导出宏观层面的欧姆定律（Ohm's Law），解释其在半导体中的适用条件。本章将深入阐述电导率（Conductivity）和电阻率（Resistivity）的概念，并给出它们与载流子浓度、电荷以及迁移率的关系。 迁移率（Mobility）是衡量载流子在电场作用下运动快慢的重要参数。我们将详细讨论影响迁移率的关键因素，包括散射机制、温度、杂质浓度以及内部电场等。本章将推导不同散射机制下迁移率的温度依赖性，并介绍实验测量迁移率的方法。 除了电场驱动的输运，载流子浓度梯度也会引起载流子的定向运动，即扩散（Diffusion）。我们将从玻尔兹曼输运方程出发，推导出扩散电流密度的一般形式，并引入扩散系数（Diffusion Coefficient）的概念。我们将探讨爱因斯坦关系（Einstein Relation），揭示扩散系数与迁移率之间的紧密联系，以及温度对扩散过程的影响。本章旨在为理解半导体器件中的电流产生机制提供全面的认识。 第五章：霍尔效应与输运参数的测量 为了验证和应用前面介绍的理论，本章将聚焦于霍尔效应（Hall Effect）及其相关的输运参数测量技术。我们将详细阐述霍尔效应的物理原理，解释当载流子在施加电场和垂直磁场的作用下，如何在横向上产生霍尔电压。 本章将推导在不同载流子类型（N型和P型）以及不同温度下的霍尔电压和霍尔系数的表达式。通过测量霍尔电压和电流，我们将展示如何精确确定半导体材料的载流子浓度、载流子类型以及霍尔迁移率。此外，本章还将介绍其他重要的输运参数测量方法，如四探针法测量电阻率、以及利用温度依赖性曲线来分析散射机制和确定材料品质。本章强调理论与实验的结合，为读者提供实际操作的指导，以获取关键的半导体材料参数。 第六章：非平衡输运现象与电荷输运模型 本章将超越简单的稳态输运描述，深入探讨半导体中更复杂的非平衡输运现象，并介绍用于描述这些现象的先进模型。我们将讨论瞬态输运（Transient Transport），分析载流子在变化的电场或浓度梯度下的响应行为。这对于理解高速开关器件和脉冲信号传输至关重要。 本章将重点介绍“漂移-扩散模型”（Drift-Diffusion Model）。我们将从玻尔兹曼输运方程出发，通过引入一些强有力的近似（例如，假设载流子分布函数接近热平衡分布），推导出描述载流子浓度和电势分布的泊松方程（Poisson's Equation）和连续性方程（Continuity Equation）的耦合方程组。这些方程是建立半导体器件仿真模型的基础，能够描述载流子的漂移和扩散过程，并计算电场的分布。 此外，本章还将初步介绍更先进的输运模型，如“能量输运模型”（Energy Transport Model）和“蒙特卡罗模拟”（Monte Carlo Simulation）。能量输运模型考虑了载流子能量分布的变化，适用于高场或亚微米器件。蒙特卡罗模拟则是一种直接基于玻尔兹曼输运方程的数值方法，能够处理复杂的散射机制和器件几何，提供高度精确的模拟结果。本章旨在为读者提供理解和模拟复杂半导体器件行为的理论工具。 结论 本书通过对半导体输运现象的系统性阐述，从量子力学基础到宏观输运方程，再到实验测量技术，为读者提供了一个全面的理论框架。理解这些方程和概念，是深入研究半导体器件物理、开发新型半导体材料和设计高性能电子设备的关键。本书所涵盖的知识将为从事半导体研究、设计和制造的专业人士以及相关领域的学生提供宝贵的参考。

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从一个实际应用者的角度来看待这本《半导体传输方程》，它提供的理论深度是无可替代的。它让我能够跳出使用黑箱模型进行参数拟合的舒适区，真正理解为什么某个材料在特定温度下表现出特定的导电特性。书中对于非均匀掺杂体系下泊松方程与输运方程耦合求解的数学处理，展示了作者极高的建模能力。这套方法论一旦掌握，便能灵活应用于设计任何新型半导体结构，无论是MOSFET的沟道调制，还是异质结器件中的载流子限制。它教会我的不是如何计算电阻，而是如何从第一性原理出发，去“设计”一个具有特定电学性能的半导体。虽然阅读过程需要投入大量的时间去消化复杂的数学推导，但这种投入是巨大的价值回报。对于任何希望在半导体领域进行原创性研究或深入器件优化的专业人士而言，这本书绝对是案头必备的经典著作，它提供的深刻洞察力是任何简化模型都无法取代的宝贵财富。

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阅读体验上，我必须承认，这本书的文字风格是偏向于学术论文的直接与冷峻的。它几乎没有使用任何花哨的比喻或非正式的语言来降低阅读门槛，每一个句子都承载着精确的信息量。这对于追求效率和精确性的专业人士来说，无疑是高效的。我个人花了大量时间去重温关于散射机制的章节，作者对声子散射、杂质散射以及载流子-载流子相互作用的详尽描述，简直是一部散射理论的微缩史。特别是关于各向异性材料中输运性质的讨论，提供了远超标准教科书的细节深度。这本书的图表制作也非常专业，每一个示意图都清晰地标注了关键参数和坐标轴的物理含义，没有丝毫的含糊不清。然而，对于那些习惯于通过大量图示和流程图来学习的读者来说，这本书可能会显得有些“枯燥”。它更偏向于“告诉你为什么是这样”，而不是“教你如何快速得到结果”。这种对基础原理的执着，使得这本书成为了一个优秀的参考资料库，而不是一个容易消化的快速入门指南。

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这本书给我的最深印象，在于它对“输运”这一核心概念的系统化解构。它不仅仅是在讨论电流密度和电场的关系，而是将输运视为一个跨越多个尺度的复杂过程。从微观的态密度起步，通过过渡到布洛赫波的传播，再到如何通过载流子分布函数来描述宏观可测量的电导率，作者构建了一个从原子尺度到器件尺度的完整桥梁。其中关于空间电荷效应的讨论尤为精彩，它清晰地揭示了PN结内部内建电场如何成为控制载流子漂移和扩散的关键因素。我注意到，作者在处理边界条件和界面效应时，采取了一种非常务实的方法，将理想模型建立起来后，再讨论实际材料缺陷引入的修正项。这使得理论模型具有很强的可操作性。唯一的遗憾可能在于，在当前快速发展的半导体技术领域，例如高迁移率二维材料的输运特性，这本书的覆盖范围相对有限，主要集中在传统的硅基材料体系的成熟理论上。但这并不妨碍它作为经典物理基础的典范地位。

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这本书的结构安排，就像一位经验丰富的大师在为你铺设一条通往高级物理理解的阶梯。它不像有些教科书那样把所有内容堆砌在一起，而是逻辑清晰地将宏观现象与微观机制一一对应起来。例如，在讨论热电效应时，作者并没有直接给出塞贝克系数的经验公式，而是通过深入剖析能带结构和电子态密度对输运系数的影响，使得读者能够清晰地看到温度梯度如何转化为电势差的内在机制。我特别喜欢它在案例分析部分的处理方式。它引入了多种实际器件的简化模型，并使用书中推导出的方程进行仿真验证，这种理论与实践紧密结合的叙事方式，极大地增强了说服力。有一点稍微让人感到美中不足的是，对于一些最新的纳米尺度效应，例如量子隧穿对整体输运的影响，讨论得略显简略，似乎作者更侧重于经典或半经典范围内的深入挖掘。但这也许是受限于篇幅和本书的侧重点，毕竟要在一个主题上做到极致已属不易。总而言之，这是一部需要细细品味的著作，它的价值在于其内在的逻辑自洽性和理论的完备性。

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翻开这本厚重的《半导体传输方程》，首先映入眼帘的是那股扑面而来的严谨学风。作者显然是希望读者能够深入理解半导体器件物理学的核心脉络，而不是满足于肤浅的表面现象。书中对玻尔兹曼输运方程的推导部分，简直是一场数学的盛宴。从基础的蒙特卡洛模拟到复杂的解析解法，每一个步骤都经过了精心的考量和阐述。我尤其欣赏作者在处理非平衡态情况时所展现出的洞察力，特别是对于高场效应下的载流子行为建模，提供了一套相当完整的理论框架。然而，对于初学者来说，这种深度可能会带来一定的挑战。如果读者没有扎实的微积分和线性代数基础，可能会在某些章节感到吃力。它更像是一本面向研究生或资深工程师的工具书，而非入门读物。它要求你不仅仅是“知道”公式，而是要“理解”公式背后的物理意义。那种通过数学推导最终还原到真实物理图景的震撼感，是其他许多只停留在Phenomenological描述的教材所无法比拟的。尽管阅读过程需要高度集中精神，但最终的收获绝对是值得的，它真正地构建了理解现代半导体器件行为的坚实理论基石。

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