固態電子學 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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• 固態電子學
• 半導體
• 電子器件
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• 物理學
• 微電子學
• 納米電子學
• 電子工程
• 電路
• 器件物理

電子工業在近代科技中佔有非常重要的地位，電子工業的基礎即為電子元件，而電子元件就是從固態物理發展齣來的。本書從基本的固態物理齣發，介紹電子元件和積體電路的原理和應用，著重在建立固態物理和電子工程的關聯，同時也強調從固態物理發展齣來的能帶理論是可以應用到包括金屬、半導體和絕緣體等所有固態材料。

晶體管的奧秘：現代電子學的基石 本書深入探討瞭現代電子學賴以建立的物理基礎——半導體器件。它並非關注固態材料的宏觀特性或集成電路的設計，而是聚焦於構成一切電子設備核心的微觀世界及其工作原理。全書以嚴謹的物理學視角，構建瞭一個從量子力學基礎到實際器件特性的完整知識體係。 第一部分：半導體物理學基礎 本部分為理解後續器件工作機製奠定堅實的理論基礎。我們從能帶理論開始，詳細闡述瞭晶體結構如何影響電子的能級分布，區分瞭導體、絕緣體與半導體的本質差異。重點分析瞭有效質量的概念，解釋瞭電子和空穴在晶格中運動時的動力學行為。 隨後，深入探討瞭載流子的輸運現象。不同於經典物理學，本章引入瞭漂移電流和擴散電流的概念，利用玻爾茲曼輸運方程的簡化形式，推導瞭歐姆定律在半導體中的微觀起源。我們詳細分析瞭電場和濃度梯度如何驅動載流子運動，並介紹瞭遷移率這一關鍵參數的溫度和雜質濃度依賴性。 摻雜與平衡態是理解半導體工程的關鍵。本章詳細介紹瞭施主和受主雜質的引入如何精確調控半導體的導電類型（N型和P型）。通過求解準費米能級在不同摻雜區域的分布，我們構建瞭熱平衡條件下的載流子濃度模型，闡明瞭本徵載流子濃度與溫度之間的指數關係。 第二部分：關鍵電子結構與界麵物理 本部分聚焦於半導體中最重要的物理界麵——PN結的形成與行為。從宏觀的電勢勢壘概念齣發，逐步深入到微觀的空間電荷區的形成機製。詳細分析瞭平衡態下的內建電場強度和勢壘高度的計算方法，這直接決定瞭二極管的開啓電壓。 隨後，本書詳盡考察瞭PN結在外部偏壓下的動態特性。擴散電流和漂移電流在不同偏置狀態下的相對貢獻被精確量化。我們推導瞭著名的理想二極管方程，並討論瞭實際器件中由於載流子復閤、基區寬度調製等因素導緻的偏離理想情況的因素，例如擊穿現象的物理機製（雪崩擊穿與齊納擊穿）。 金屬-半導體接觸作為構建歐姆接觸或肖特基勢壘的基礎，占據瞭重要篇幅。通過分析費米能級的對準，區分瞭理想的歐姆接觸和具有整流特性的肖特基接觸，並探討瞭如何通過錶麵處理或柵極工程來優化接觸電阻。 第三部分：核心半導體器件的工作原理 本部分將前兩部分的物理知識應用於分析具有實際功能的器件。 雙極性晶體管（BJT）的分析是本章的重點。我們將其視為兩個背靠背的PN結，詳細剖析瞭基區、集電結和發射結在不同工作區（截止、放大、飽和）下的狀態。通過對載流子在基區中擴散和復閤的精確建模，導齣瞭電流傳輸係數和共射極電流放大係數 $eta$。最後，討論瞭晶體管的頻率響應特性及其對寄生電容的敏感性。 場效應晶體管（FET），特彆是MOSFET的機製，以其在集成電路中的主導地位被深入解析。本書首先從金屬-氧化物-半導體（MOS）結構的電容特性入手，分析瞭平帶、耗盡、反型三種工作狀態的形成過程，並精確計算瞭閾值電壓的物理來源。隨後，轉入溝道導電機製，推導瞭在綫性區和飽和區的輸齣特性麯綫，強調瞭“平方律”的物理基礎。我們還討論瞭短溝道效應的早期影響，例如亞閾值導電和溝道長度調製。 第四部分：光電器件與新興概念 本部分拓展視野，討論瞭利用半導體光電效應的器件。 光電導性與光伏效應：詳細闡述瞭光子吸收如何産生電子-空穴對，以及在外加電場或內建電場（如PN結）作用下如何收集這些載流子，構建瞭光敏電阻和太陽能電池的基本工作模型。 發光二極管（LED）與激光器：聚焦於復閤機製，分析瞭輻射復閤和非輻射復閤的競爭，解釋瞭LED的發光效率來源。對於激光器，則側重於粒子數反轉和受激輻射的物理條件，而非復雜的腔體光學設計。 全書的敘事邏輯始終圍繞載流子濃度、電勢分布和能帶彎麯這三大核心物理量展開，旨在讓讀者深刻理解任何半導體器件的行為都源於這些微觀物理現象的宏觀錶現。本書力求嚴謹而詳盡，為有誌於深入研究半導體器件物理和未來電子技術發展奠定堅實的理論功底。

作者簡介

李雅明

　　1943年生，颱灣大學物理係學士，美國馬利蘭大學固態物理學博士。曾先後任清華大學物理係、材料科學係副教授，美國休斯研究所（Hughes Research Laboratories）計畫經理，美國凱斯西方儲備大學（Case Western Reserve University）電機與應用物理係正教授，清華大學電機係正教授。在清華大學，曾任電子工程研究所所長，齣版社社長，現為清華大學榮譽教授。除科技專業論文外，著有：以海外保釣運動為背景的長篇小說《惑》（中央日報社，1986年）、《固態電子學》（全華科技，1995年）、《半導體的故事》（新新聞，1999年）、《我看基督教：一個知識份子的省思》（桂冠圖書公司，2006年）、《科學與宗教：400年來的衝突、挑戰和展望》（五南圖書公司，2008年，入圍「第33屆金鼎奬」）、《齣埃及：曆史還是神話？》（五南圖書公司，2010年）、《從半導體看世界》（天下遠見，2012年）、《半導體的故事：發展與現況》（暖暖書屋，2013年）、主編《管惟炎口述曆史迴憶錄》（國立清華大學齣版社，2004年），以及翻譯《IC如何創新》（天下文化，2000年）。

第一章　導　論
1.1　前言
1.2　晶體結構
1.2.1　晶嚮與晶麵
1.2.2　晶格種類
1.3　晶體的結閤
1.4　電子的波性

第二章　薛丁格方程式
2.l　導論
2.2　自由電子
2.3　位能井中的電子
2.4　穿隧效應
2.5　在晶體週期性電場中的電子

第三章　晶體的能帶理論
3.1　電子能量與波矢的關係
3.2　倒晶格
3.3　布拉格繞射
3.4　維格納—賽茲胞
3.5　布裏淵區
3.6　能帶結構
3.7　等能位麯綫與錶麵
3.8　費米—狄拉剋分布函數
3.9　能位密度
3.10　金屬、絕緣體與半導體
3.11　有效質量

第四章　晶格振動
4.1　一維單原子鏈
4.2　一維雙原子鏈
4.3　晶格振動的量子化與聲子

第五章　金屬的電學性質
5.1　導論
5.2　電導的經典理論
5.3　電導的量子理論
5.4　金屬與閤金的電導現象
5.4.1　金屬
5.4.2　閤金

第六章　半導體
6.1　本徵半導體
6.2　雜質半導體
6.2.1　施主與受主
6.2.2　載子數目與溫度的關係
6.2.3　電導率
6.3　載子散射
6.4　能帶結構與有效質量
6.5　化閤物半導體

第七章　絕緣體
7.1　導論
7.2　離子電導
7.3　介電性質
7.4　非綫性介電質
7.5　非晶態材料

第八章　光學性質
8.1　電磁波的傳播
8.1.1　摺射率
8.1.2　電磁波方程式
8.2　光學性質的原子理論
8.2.1　光波在介電質中的傳播
8.2.2　光波在導體中的傳播
8.3　光學性質的量子理論
8.3.1　光吸收所引起的能帶間電子躍遷
8.3.2　光吸收所引起的能帶內電子躍遷
8.3.3　色散關係

第九章　磁學性質
9.1　磁學參數
9.2　抗磁性
9.3　順磁性
9.3.1　軌矩順磁性
9.3.2　電子自鏇順磁性
9.4　鐵磁性
9.4.1　鐵磁性質
9.4.2　分子磁場理論
9.4.3　交換作用
9.5　反鐵磁性
9.6　亞鐵磁性

第十章　熱學性質
10.1　熱學參數
10.1.1　熱能
10.1.2　熱容量
10.1.3　比熱
10.1.4　摩爾熱容量
10.1.5　熱導率
10.2　熱容量的經典理論
10.3　熱容量的量子理論
10.3.1　愛因斯坦模型
10.3.2　德拜模型
10.3.3　電子熱容
10.4　熱傳導
10.4.1　熱傳導的經典理論
10.4.2　金屬熱傳導的量子理論
10.4.3　電介質中的熱傳導
10.5　熱膨脹

第十一章　金屬的應用
11.1　薄膜的導電性
11.2　非連續金屬薄膜的電導率
11.3　歐姆接觸
11.4　金屬連綫
11.4.1　鋁金屬連綫
11.4.2　階梯披覆
11.5　電緻移動
11.6　金屬矽化物

第十二章　半導體的應用：p-n 結與雙極型電晶體
12.1　金屬—半導體接觸
12.1.1　蕭基勢壘
12.1.2　蕭基勢壘的電流電壓特性
12.2　p-n 結
12.2.1　p-n 結原理
12.2.2　p-n 結的電流─電壓特性
12.3　雙極型電晶體
12.3.1　雙極型電晶體原理
12.3.2　雙極型電晶體的電流特性
12.3.3　異質結雙極型電晶體

第十三章　半導體的應用：場效電晶體與電荷耦閤元件
13.1　結型場效電晶體
13.1.1　結型場效電晶體
13.2　金屬─半導體場效電晶體
13.2.1　異質結金屬─半導體場效電晶體
13.3　金屬─氧化物─半導體場效電晶體
13.3.1　金屬─氧化物─半導體電容器
13.3.2　金屬─氧化物─半導體場效電晶體
13.4　電荷耦閤元件
13.4.1　電荷耦閤元件原理
13.4.2　傳送效率
13.4.3　訊號電荷的輸入和偵測
13.4.4　電荷耦閤元件的應用

第十四章　半導體的應用：光電元件
14.1　光偵測器
14.1.1　光敏電導
14.1.2　光敏二極體
14.1.3　p-i-n 光敏二極體
14.1.4　雪崩光敏二極體
14.1.5　其他光敏二極體
14.2　發光二極體
14.3　半導體雷射
14.4　太陽電池
14.4.1　晶體p-n 結太陽電池
14.4.2　非晶矽太陽電池

第十五章　絕緣體的應用
15.1　絕緣體薄膜
15.1.1　離子電導
15.1.2　空間電荷限製的電流
15.1.3　穿隧或場發射
15.1.4　蕭基發射或熱發射
15.1.5　普爾－法蘭剋效應
15.1.6　熱場發射
15.1.7　雜質電導
15.2　陶瓷敏感元件
15.2.1　半導體陶瓷簡介
15.2.2　晶粒界的電學特性
15.2.3　海旺模型
15.2.4　氣敏元件與濕敏元件
15.3　介電崩潰

第十六章　超導體及其應用
16.1　超導現象
16.2　BCS 理論
16.2.1　磁通量的量子化
16.3　超導穿隧效應
16.3.1　超導能位圖
16.3.2　正常態金屬與超導體之間的穿隧
16.3.3　超導體與超導體之間的正常電子穿隧
16.3.4　超導體與超導體之間零偏壓下的庫柏對穿隧電流
16.3.5　超導體與超導體之間在偏壓下的庫柏對穿隧電流
16.4　超導量子乾涉效應
16.5　高溫超導
16.5.1　高溫超導簡介
16.5.2　高溫超導的超導特性
16.6　超導的應用

第十七章　薄膜壘積技術
17.1　熱蒸發
17.1.1　熱蒸發基礎
17.1.2　熱蒸發裝置
17.2　陰極濺鍍
17.2.1　陰極濺鍍簡介
17.2.2　濺射現象
17.3　輝光放電
17.3.1　輝光放電原理
17.3.2　磁場中的輝光放電
17.4　化學氣相壘積
17.4.1　化學氣相壘積機理
17.4.2　化學氣相壘積裝置

附錄1　元素週期錶
附錄2　國際製（SI）基本單位及具有專有名稱的SI導齣單位製
附錄3　物理常數錶
附錄4　十進倍數和分數的詞頭
附錄5　希臘字母
附錄6　國際製與高斯製互換
附錄7　半導體性質
附錄8　鍺、矽、砷化鎵半導體在300K 的重要特性
參考書目
習題解答
索　引

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最近對一些基礎的電子元器件産生瞭興趣，想瞭解它們到底是如何工作的，《固態電子學》這本書正好滿足瞭這個需求。剛開始讀的時候，我被書中對於半導體材料的深入分析所吸引，它詳細介紹瞭不同材料的導電機製，以及為什麼矽成為瞭主流。作者並沒有直接跳到復雜的器件，而是從原子結構和電子行為開始講解，循序漸進，讓人能夠理解這些基礎概念。特彆是關於“能帶理論”的部分，作者用瞭一些非常形象的類比，讓我這個對量子力學不太熟悉的讀者也能理解不同材料的導電特性差異。書中的圖示也非常清晰，幫助我理解瞭PN結的形成以及載流子的運動。讓我印象深刻的是，書中還介紹瞭霍爾效應，以及如何利用它來測量磁場，這讓我看到瞭固態電子學在科學測量方麵的應用。雖然有一些章節涉及比較深入的物理知識，但作者的敘述方式還是很注重邏輯性和易讀性，盡量避免瞭過於晦澀的語言。我希望通過這本書，能對半導體器件的內部工作原理有一個更清晰的認識，也為我將來學習更復雜的電子電路打下基礎。

评分☆☆☆☆☆

老實說，我買《固態電子學》純粹是因為工作上需要接觸一些相關的技術文檔，但又對這方麵的知識知之甚少。這本書的齣現，就像是給我這塊“白紙”塗上瞭一層基礎的色彩。一開始我對書中關於晶體管的各種類型，比如BJT和MOSFET，感到非常睏惑。它們聽起來名字差不多，但功能和結構卻好像有很大的區彆。閱讀過程中，我發現作者很巧妙地將這兩類器件的原理分開講解，從最基本的PN結入手，一步步構建齣它們的工作模型。讓我感到特彆受用的是，書中不僅僅是描述理論，還提供瞭很多實際的應用場景，比如在放大電路和開關電路中的應用。這讓我能將抽象的理論與實際的電子産品聯係起來，理解它們是如何工作的。雖然書中有不少篇幅涉及量子力學和物理學的一些基礎知識，但作者在這一點上處理得相當到位，並沒有深究到讓普通讀者無法理解的地步，而是以一種“夠用就好”的方式呈現，為理解固態電子學原理服務。現在我對“電流”、“電壓”、“電阻”這些基本概念有瞭更深的認識，也開始能隱約理解一些電路圖的含義瞭。

评分☆☆☆☆☆

我一直對科技的發展充滿好奇，尤其是那些看不見摸不著卻深刻改變我們生活的東西。《固態電子學》這本書，據說就是要揭示我們電子産品背後最核心的秘密。拿到書後，我花瞭不少時間翻閱。讓我驚喜的是，這本書並沒有我想象的那麼難懂。作者在講解半導體材料的晶體結構和電子運動規律時，運用瞭很多生動形象的比喻，比如用“原子排隊”來描述晶體結構，用“電子遊行”來解釋電流的形成。這讓我這個對物理理論瞭解不多的讀者，也能大緻抓住問題的關鍵。書中對於不同類型二極管的講解，特彆是它們在整流、穩壓等方麵的應用，讓我對這些小小的元件有瞭全新的認識。雖然書中的一些公式和推導我可能無法完全領會，但通過作者的解釋和圖示，我至少能夠理解其背後的物理意義和實際作用。我特彆期待接下來關於集成電路的部分，因為我一直想知道，那些復雜的功能是如何被集成到一塊小小的芯片上的。這本書的深度和廣度，讓我覺得它不隻是一本教科書，更像是一次關於現代科技基石的探索之旅。

评分☆☆☆☆☆

我一直對“半導體”這個詞充滿好奇，感覺它就像是現代科技的魔法石，但又覺得它離我的生活很遙遠。這次偶然的機會接觸到《固態電子學》，說是要講清楚這些神奇材料的內在運作。讀瞭大概三分之一，我纔發現原來我們每天用的手機、電腦，甚至傢裏的LED燈，背後都蘊含著這麼精妙的固態電子學原理。書裏對於各種半導體材料的特性分析，特彆是矽和鍺的比較，寫得非常細緻，也解釋瞭為什麼矽會成為目前最主流的材料。讓我印象深刻的是關於能帶理論的講解，作者用瞭非常直觀的方式，避免瞭過於抽象的數學推導，而是側重於理解不同材料在能帶結構上的差異如何影響其導電性能。雖然有些地方還是需要反復琢磨，但總體來說，這本書的敘述邏輯性很強，就像是循序漸進地引領讀者進入一個復雜的科學世界。讓我感到驚喜的是，書中還穿插瞭一些關於半導體器件發展曆史的小故事，這些小插麯讓閱讀過程不那麼枯燥，也更能體會到科學傢們探索的精神。我尤其好奇書中關於半導體工藝的部分，雖然現在還沒讀到，但希望能藉此瞭解這些微小的晶片是如何被製造齣來的。

评分☆☆☆☆☆

《固態電子學》這本我剛從書局抱迴來的書，說是要帶我們深入瞭解半導體的奧秘，尤其是那些構成我們現在電子設備核心的固態元件。老實說，一開始我拿到書的時候，內心是有點忐忑的。畢竟“固態電子學”這幾個字聽起來就挺硬核的，感覺裏麵會充斥著一堆讓人頭昏腦脹的公式和理論。不過，翻開第一頁，作者的文筆意外地很平易近人，不像我之前看過的某些專業書籍，一上來就劈頭蓋臉地甩公式，讓人望而生畏。他用瞭很多生活化的例子來解釋一些基礎概念，比如用“水龍頭”來比喻二極管的單嚮導電性，用“閘門”來形容晶體管的開關作用，這讓我感覺像是請瞭一位很有耐心的老師在旁邊一一講解，而不是自己對著一本冷冰冰的教科書苦讀。尤其是講到PN結的形成過程，作者不僅給齣瞭清晰的圖示，還用瞭一個很形象的比喻，讓我一下子就理解瞭載流子遷移和復閤的原理。雖然我還沒有完全深入到書中的每一個細節，但初步的閱讀體驗讓我覺得，這本書也許能夠真的幫助我這個對電子學隻是一知半解的門外漢，慢慢揭開固態電子學的神秘麵紗。我特彆期待後麵關於MOSFET和BJT的部分，希望這本書能讓我徹底搞懂它們到底是怎麼工作的。