电子工程物理基础（第3版）.pdf

电子工程物理基础（第版）唐洁影宋竞万能编著 北京 书书书内 容 简 介本书涉及量子物理、统计物理、固体物理基础及半导体理论方面的基础知识。内容主要包括：微观粒子的物理基础和理论体系，理解单个及大量微观粒子所需要具备的知识和背景；晶体中原子和电子运动的普遍规律；半导体的基本概念和载流子运动特点；半导体结构中电流控制的原理及方法。本书充分考虑各部分内容之间的联系，从不同视角，以基本物理量和基本方程为重点，引导读者一步步了解物理架构，获得对量子物理、统计物理基础，固体物理特例和半导体应用理论的清晰认识。编写兼顾常识性、逻辑性和启发性，在讲清知识的基础上适当添加人文色彩，注重展现物理和技术的思考意趣。书中还紧随现实发展，加入应用实例分析和新材料、新器件方面的内容，并在章后附有适量习题。本书适合高等学校电子科学与技术、材料科学与技术等相关专业的本科生学习，也可供相关专业的工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（）数据电子工程物理基础 唐洁影等编著版北京：电子工业出版社，电唐物理学高等学校教材 中国版本图书馆 数据核字（）第 号策划编辑：陈晓莉责任编辑：陈晓莉印刷：装订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路 信箱邮编 开本：印张：字数：千字版次：年月第版 年月第版印次：年月第次印刷定价：元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系。联系及邮购电话：（），（）质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（），第版前言“电子工程物理基础”涉及量子物理、统计物理、固体物理基础以及半导体物理方面的有关内容。量子物理、统计物理和固体物理原本是综合性大学物理系的重要理论基础课。但随着现代科学技术的发展，大量多样的新材料、新器件不断涌现，既发展了应用，也丰富了理论。新型材料、器件尺寸更小，原理更新，功能更全，与基础物理的联系更加密切。所以，多年来大多数工科院校的电子工程及有关专业类普遍开设了量子力学、统计物理、固体物理和半导体物理的课程。编者在多年的教学实践中感到，理工科院校电子工程等专业类的培养目标、课程设置以及学生对理论基础知识需求的深度、广度，都与物理类专业存在很大差异。因此，沿用过去的模式，分门别类去讲授这几门课显得难以适应相关工科专业的特点及专业方向的发展。另一方面，这几门课本身有着内在的联系，理论物理基础是正确理解固体物理的前提，而半导体理论则是固体物理的特殊应用。基于上述原因，我们尝试着将这几门课中有关内容结合起来，作为一门课程进行系统的讲授。为此，编写了这本配套的教材 电子工程物理基础。本教材在 年出版后，经过多年使用，获得了不错的效果，并于 年被正式列选普通高等教育“十一五”国家级规划教材，年又被遴选为“十二五”江苏省高等学校重点教材（编号：）（电子科学与技术类专业精品教材）。本教材以非物理类专业的本科生为主要读者，以培养学生离开书本后仍能独立思考，自由想象为目的，努力搭建一套符合常识，前后连贯的知识体系。在物理层面上，着重展现基础物理体系的完整架构，理性关系和逻辑顺序。在工程层面上，着重提示基础理论转向实际应用后从术语体系和关注对象上发生的变化。为此，本次修订对内容布局进行了较大幅度调整。教材不急于巨细无遗地铺陈理论，而是以每种物理的的基本对象、基本量和基本规律为知识核心，引导读者通过常识性思考而非记忆来了解物理架构，形成简明完整的物理图景。行文中还参考了新兴的科普作品，适当增添了人文色彩，增强了阅读性。本次修订中，第章做了部分调整，以粒子、波动和统计概念为基础重述了物理框架。第章和第章分别选取大量原子核和大量电子为观测对象，示范物理体系在固体中的主要应用。第章加强叙述了半导体理论与前文物理和后文应用的逻辑关系。第章增加了各种常用半导体材料及新型低维材料的相关介绍，根据发展需要，增加了“应用实例分析”章节。考虑到不同学校不同专业对该课程的教学要求不尽相同，本教材可灵活使用。例如，以物理为侧重点，主要讲授第 章，用 学时，后两章作为前三章的应用实例自学。又如，以工程为侧重点，第章自学，主要讲授第 章，用 学时。也可以章内容全讲授，约用 学时。本教材第版由东南大学唐洁影、刘柯林、汪开源执笔。第版由东南大学唐洁影、宋竞对原教材进行重编。本次由东南大学唐洁影、宋竞、万能对第版进行较大篇幅的修订。编者目录第章微观粒子的状态!微观粒子的力学!粒子、波动和统计!微观粒子的发现!单个微观粒子的状态!微观粒子和运动方程!波态和物理量!势阱模型!谐振子模型!氢原子模型!势垒模型!微扰问题!大量微观粒子的状态!经典统计分析原理!麦克斯韦玻尔兹曼分布!玻色爱因斯坦分布!费米狄拉克分布!问题与习题!第章晶体中原子的状态!固体原子的结合!原子间的力!原子间的键!晶体原子的排列!晶体和非晶体!晶体的几何结构!晶体的物理结构!晶体的倒易结构!晶体原子的振动!原子序列的运动!简单晶格的格波!复式晶格的格波!声子!从格波到声子!声子气的统计分布!声子气的统计性质!声子气的单元性质!问题与习题!第章晶体中的大量电子!大量电子的运动!多体模型!统计模型!自由电子气!自由电子气的统计分布!费米能级!固体的统计性质!周期势场下的电子气!布洛赫电子与能带图!近自由电子与禁带!紧束缚电子与允带!布洛赫电子的实际情况!外界作用下的电子!固体中电子的概念!固体中电子的运动 !固体的导电性 !问题与习题 !第章半导体电流理论 !半导体常识 !晶格和能带 !电子和空穴 !半导体术语 !热平衡 !本征半导体 !浅能级杂质半导体 !其他掺杂情况 !产生复合 !跃迁常识 !受激产生 !自发复合 !漂移 扩散 !近经典粒子气 !漂移电流 !扩散电流 !连续性运动 !连续性方程 !多子和少子电流 !稳态综合运动 !瞬态综合运动 !温度和强电场效应 !问题与习题 !第章半导体结构理论 !材料 !无机体材料 !有机体材料 !低维材料 !结 !基本结构 !常规特性 !异常特性 !异质结 !基本结构 !优异特性 !金属半导体结构 !基本结构 !肖特基接触 !欧姆接触 !结构 !基本结构 !介质电荷 !表面态 !应用实例分析 !问题与习题 !附录常用物理参数 !参考文献 !书书书第章微观粒子的状态 微观粒子的力学 粒子、波动和统计放眼自然界，我们可以轻易发现许许多多的运动现象。风在吹，云在飘，雨在下，水在流，人在走，鸟在飞；树叶沙沙，麦浪滚滚，山摇地动，星移斗转。在这些现象中，人们发现了三种最基本的运动形式。第一种是粒子性的运动。保持有限范围内的固定特征而运动是它的根本特性，简称为定域实在性。定域使粒子的行动轨迹可以一个一个时刻和位置地描述，实在性使每个粒子具有独立清晰的运动特征，易于追踪和分辨（见图 ），不会混淆。这类运动在生活中比比皆是，是非常容易被注意到的物理行为。粒子物理规律也是最早被人类发现的物理规律。然而，当我们看到多米诺骨牌依次倒下，看到麦浪翻滚，涟漪飘逝，歌声远扬，欢乐洋溢，光阴流逝的时候，也会觉得有东西在传播、运动，如图 所示。这些运动的主体不是有限范围内的实在物体，而是整块区域上的某种现象。它也有两个显著的特征，一个是在整块区域上同时出现的全域性，还有一个是可以混合叠加的相容性。由于这种运动也是随处可见，而它的特征又同粒子性运动截然相反，因此人们称之为波动性，用另一套运动理论来描述它的行为。波动像是全域的精神，粒子像是定域的行者。波动常为粒子的信使、媒介和相互作用。粒子常为波动的载体、波源和约束。两者错综组合构成世界上的各种确定性现象。图 粒子性运动图 波动性运动还有一类运动，它没有像粒子和波动那样有清晰、确定的特征，但又不是没有特征，如图 所示。大量偶然事件的总体都有一定的规律性。这种通过统合事物内部分布态势而总结出的现象形式和特性称为统计性。统计理论构成了它的量化描述。就这样，人们从生来就有的直觉中出发，逐渐发现和整理现象中的显著规律，终于在 世纪末的时候，分别从波动、粒子和统计三个角度发展出电动力学、经典力学、热力学与统计力学的成熟理论，建立起蔚为壮观的经典物理体系，如图 所示。利用这三套理论，已经可以自如地解释三个物理领域内的各种现象。这时候唯独不太好解释的就是为什么不同物理领域的现象也存在密切的联系，例如，电能产生力，光能产生热，等等。对此，当时的主流意见采用了唯能论的思想，认为能量是最基本的物理要素，它可以在不同物理领域间相互转化，无需再引入其他机制来解释能量本身，只需恪守能量守恒定律。在这图 统计性运动图 经典物理学的三大力学体系种思想的影响下，人们一度认为经典物理的大厦已经落成。微观粒子的发现正是对各类交叉领域问题的研究导致了经典大厦的崩塌。这些问题最开始包括以下几方面。（）统计波动方面，基于电动力学和热力学会推出不同的黑体辐射曲线，而且都不能与实验结果完全吻合。（）统计波动方面，人们仍然认为光波与机械波一样，是大量粒子运动的特殊表现，但一直无法实测到光波传播的粒子媒介 以太。（）波动粒子方面，人们一直无法解释为什么原子光谱由离散的谱线组成。（）波动粒子方面，无法解释光生电流密度与光的频率而非强度有关。（）粒子统计方面，无法解释为什么不同温度下相同固体的比热会发生变化。（）粒子统计方面，发现了各类粒子射线的存在。种种迹象提示人们，只有从更为底层的物质内部入手，从三大力学体系之间的联系入手，才有望对上述难题找出合理解释。光量子假设 年，普朗克率先解决了黑体辐射问题。他发现，如果假设电磁场能量的传递不是连续的，而是一份一份的，就能推出完全吻合实验结果的黑体辐射公式。普朗克精确地推出了表征这种能量份额的参数，即普朗克常数（）。他把这种一份一份的能量称为“（能）量子”。量子这一全新概念的引入，让一些天才物理学家茅塞顿开。年，爱因斯坦在量子思路指导下解决了光电效应问题。他不仅支持普朗克的能量量子化假说，认为粒子以量子形式交换能量，而且还大胆地指出这种交换媒介就是粒子形式的光，“光（量）子”。每个光子携带的能量为：（）式中，（）；是光的频率，是光的角频率。按照这种说法，光就像电流一样，是光子的流动，它与外界的能量交换是通过发射和接受光子来进行的。这与之前早已深入人心的“光是能量连续的电磁波”的观念截然相反。爱因斯坦还根据它创立了狭义相对论中的质能方程：推出每个光子的动量应该为：需要提醒的是，光量子假设的本质，只是波动的量子化假设。光子可视为相同频率下自然界能存在的最小能量的电磁波。但因为粒子以及大量粒子和波动的统计体都是用波动来传递作用的，所以波动能量被量子化以后，整个物理世界就面临着全部都要量子化的局面。事实也是如此。爱因斯坦很快就把相同的理念推及到其他物理领域。年，爱因斯坦将能量量子化概念引入热能域，解决了固体比热随温度跳变的难题；再引入到化学领域，提出光化学第二定律。他明确地支持分子论，指出只有把物质视为由分子构成，利用大量分子的统计力学分析，才能很好地解释液体中大块微粒的布朗运动。他首先提出了用光子出现在空间的概率来解释光波幅度的物理意义。他也是最早意识到微观领域的粒子不再符合经典统计分布的学者之一。对于这样一个在所有经典物理学科领域都留下浓墨重笔的科学家，他的使命似乎就是为了唤醒世界进入前所未有的量子时代。另一个同样天才的物理学家玻尔也搭上了物理世界量子化的早班车。年，玻尔以电子轨道能级只能取特定不连续值等一系列假设，改进了原有的原子模型，解决了氢原子谱线不连续的难题。他提出电子的量子跃迁的概念，指出电子以在不连续能级间跃迁的形式，发射或吸收外界光子的能量，从而解释了光、电、磁之间的能量转化机理。这样就把本该是粒子的电子也推上量子化进程，同时也为从微观量子层面为宏观的能量守恒定律找到了合理的解释，大大提高了量子学说的生命力。历史上把这段时期称为旧量子论时期，它为量子力学的诞生打下了无法撼动的基础。物质波假设紧接着的问题是，为什么电子的能级是不连续的？对于这个问题，玻尔只是人为假设如此，并猜出了能级的量子化表达式。虽然大