图解入门——半导体工程学精讲 [日]原明人

全面覆盖量子力学基础到MOSFET及界面量子化的经典议题
为非物理、电子、材料专业的工科学生学习半导体物理扫清障碍

本书首先深入探讨了量子力学基础及其在物质、能带理论、半导体和集成电路等领域的应用。从电子的波动性质、不确定性原理到量子隧穿效应，逐步揭示量子世界的奥秘。接着，通过能带理论和半导体能带结构的解析，阐明了半导体材料的电子行为。此外，还详细介绍了掺杂半导体、晶格振动以及载流子输运现象等关键概念。最后，探讨了MOS结构、场效应晶体管以及集成电路的工作原理。本书内容丰富，结构清晰，能够帮助读者深入理解量子力学在半导体技术中的重要作用。
本书适合有一定物理基础的学生和从事半导体相关工作的人员阅读。

原明人
博士(理学 )
1983年毕业于东京理科大学理学部第1部应用物理学科
1985年在日本东北大学理学研究科物理专业修完了博士课程前期
1985年在私营企业从事半导体晶体工程和半导体器件的研究与开发工作
1996年取得日本东北大学理学研究科(论文)博士学位
2008年任教于东北学院大学工学部电子工学科(教授)
现任教于东北学院大学工学部电气电子工学科(教授)
著作(均为共同撰写)
《超LSI技术17:器件与工艺 第7篇》(半导体研究 第38卷:工业调查会，西泽润一编，1993年)，第9章CZ-Si晶体中轻元素杂质的行为;
《超LSI技术20:器件与工艺 第10篇》(半导体研究第42卷:工业调查会，西泽润一编，1996年)，第9章硅中的重金属捕捉等共8本。

目　录
前　言
第1章 量子力学基础　?/?　1
1-1　波的表示方式　?/?　2
1-2　相速度与群速度　?/?　4
1-3　电子的物质波性质　?/?　5
1-4　不确定性原理　?/?　7
1-5　薛定谔方程式与波函数　?/?　8
1-6　一维方势阱　?/?　11
1-7　自旋与泡利不相容原理　?/?　16
1-8　三维方势阱　?/?　17
1-9　量子隧穿效应　?/?　19
1-10　定态微扰理论　?/?　23
1-11　含时微扰理论　?/?　25
章末问题　?/?　27
第2章 从氢原子到物质　?/?　29
2-1　氢原子　?/?　30
2-2　氢分子　?/?　34
2-3　由s轨道或p轨道组成的物质　?/?　37
章末问题　?/?　49
第3章 能带理论　?/?　50
3-1　晶体的周期性和晶体结构　?/?　51
3-2　金属自由电子理论　?/?　55
3-3　布洛赫定理　?/?　62
3-4　一维空格子的电子结构　?/?　67
3-5　一维晶格的带隙　?/?　68
3-6　二维和三维晶格的带隙　?/?　71
3-7　一维强关联近似　?/?　75
3-8　二维强关联近似　?/?　81
章末问题　?/?　85
第4章 半导体的能带结构　?/?　86
4-1　强关联近似下的能带结构　?/?　87
4-2　k?p微扰（1）：带边的详细结构　?/?　96
4-3　k?p微扰（2）：基于面心立方结构空格子的计算　?/?　99
4-4　有效质量与运动方程　?/?　105
4-5　?空穴　?/?　111
4-6　本征半导体载流子浓度与温度的关系　?/?　113
章末问题　?/?　118
第5章 掺杂半导体　?/?　119
5-1　施主与受主　?/?　120
5-2　浅能级杂质中心的有效质量近似　?/?　124
5-3　被施主杂质束缚的电子的空间分布　?/?　129
5-4　掺杂半导体中载流子浓度与温度的关系　?/?　133
章末问题　?/?　136
第6章 晶格振动　?/?　138
6-1　什么是晶格振动　?/?　139
6-2　一维单原子晶格　?/?　140
6-3　一维双原子晶格　?/?　143
6-4　三维晶格振动　?/?　148
6-5　声子　?/?　150
6-6　晶格比热　?/?　154
章末问题　?/?　157
第7章 载流子输运现象　?/?　158
7-1　欧姆定律　?/?　159
7-2　霍尔效应　?/?　162
7-3　迁移率的温度相关性　?/?　165
7-4　玻尔兹曼方程　?/?　166
7-5　散射过程的计算　?/?　171
7-6　弛豫时间的计算　?/?　176
章末问题　?/?　181
第8章 半导体的光学性质　?/?　182
8-1　物质中的电磁波　?/?　183
8-2　带间跃迁　?/?　184
8-3　受施主束缚电子的光激发　?/?　193
第9章 pn结　?/?　199
9-1　pn结的形成方法　?/?　200
9-2　扩散电流　?/?　200
9-3　pn结附近发生的现象　?/?　203
9-4　热平衡状态下的pn结能带图　?/?　207
9-5　连续性方程　?/?　210
9-6　正向电流　?/?　212
9-7　反向电流　?/?　216
9-8　结电容　?/?　218
9-9　pn结中的隧穿效应　?/?　219
章末问题　?/?　222
第10章 MOS结构　?/?　223
10-1　MOS结构概述　?/?　224
10-2　积累层、耗尽层和反型层中的电场分布及
势能分布　?/?　225
10-3　Si表面的电子　?/?　233
10-4　理想MOS的电容　?/?　237
10-5　非理想MOS的情况　?/?　239
章末问题　?/?　241
第11章 MOS场效应晶体管　?/?　242
11-1　MOS场效应晶体管的结构　?/?　243
11-2　MOS场效应晶体管的工作原理（1）：线性区　?/?　243
11-3　MOS场效应晶体管的工作原理（2）：一般情况下
的电流-电压特?性　?/?　246
11-4　MOS场效应晶体管的工作原理（3）：饱和区　?/?　248
11-5　迁移率　?/?　250
11-6　阈值电压　?/?　253
11-7　亚阈值斜率　?/?　253
11-8　衬底偏压效应　?/?　256
章末问题　?/?　257
第12章 集成电路　?/?　258
12-1　CMOS反相器的结构　?/?　259
12-2　CMOS反相器中p沟道型MOSFET的工作原理　?/?　260
12-3　CMOS反相器中p沟道型MOSFET工作原理的
公式推导　?/?　263
12-4　CMOS反相器工作原理的公式推导　?/?　264
12-5　CMOS反相器的开关特性　?/?　266
12-6　等比例缩小　?/?　268
章末问题　?/?　271
第13章 界面的量子化　?/?　272
13-1　Si-MOS反型层电子的量子化　?/?　273
13-2　准二维电子系统的电子状态　?/?　274
13-3　Si-MOS反型层的电子状态　?/?　280
13-4　磁场下的二维电子系统和边缘态　?/?　282
13-5　异质结　?/?　287
章末问题　?/?　289
章末问题的答案　?/?　290

前　　言
　　本书是为有一定基础的读者学习半导体工程而编写的参考书。尽管有很多关于半导体物理到器件的入门书，但是学完这些并不能立刻开始学习专业性更高的书籍。例如涉及半导体物理的专业书通常会默认使用量子力学进行讨论。然而，尽管对于物理系的学生来说可能还好，但一般的工科类专业低年级学生并没有充分学习量子力学，因此要直接挑战专业性较高的书籍还是有障碍的。笔者一直觉得有必要填补这一空白。本书就是以这样的目的编写而成的。换句话说，本书旨在为那些准备挑战由伟大前辈编写的半导体物理和器件专著的读者提供基础。
　　本书内容涵盖了关于体材料半导体的能带结构、掺杂半导体、输运现象、光学性质的基础物理知识，以及pn结、MOS场效应晶体管（MOSFET）、集成电路的器件工作原理，还有界面的量子化等，总体上是一些较为经典的问题。鉴于器件内容的重要性和页数的限制，本书关于器件的内容主要聚焦在数字社会中不可或缺的MOSFET。不过，需要注意的是，作为MOSFET的重要组成部分，本书还在一个章节中提前解释了pn结。在纳米尺度器件中，量子力学效应变得重要。最后一章《界面的量子化》是对纳米MOSFET和未来可能涉及的半导体量子器件的导入性内容。
　　因此，出于这样的结构安排，我删除了常规半导体器件书中涵盖的双极型晶体管、光电器件、功率器件等内容。对于有兴趣的读者，可以通过本丛书其他书籍深入学习。如果有机会进行版本修订，我也可能会添加这些主题，以及MOSFET的最新进展、半导体量子自旋控制，以及薄膜晶体管（TFT）等话题。
　　在出版本书时，我请《从基础学起：固体物理学》的作者矢口裕之先生对本书进行了校对，他对不清晰的表达、错误的标记、作者理解的错误、整体结构等方面提出了宝贵的意见。在此向他表示感谢。此外，如果本书的内容有错误或不足之处，还请读者指正。
　　自从获得讲谈社的五味研二先生指导，已经过去了相当长的一段时间。我曾经犹豫过是否适合由我这样的浅学之人来撰写这本书，但因为希望能在一定程度上为有志于半导体领域的读者提供帮助，从而下定了决心。我对五味先生的耐心指导和细心关怀表示深深的感谢。
　　
原明人