简 要 目 录

第1章材料科学基本概念1

第2章固体中的电传导和热传导123

第3章电子材料和器件原理211

第4章现代固体理论311

第5章半导体409

第6章半导体器件525

第7章介电材料与绝缘657

第8章磁性和超导电性765

第9章材料的光学特性857

附录A布拉格衍射定律和X射线衍射939

附录B主要符号和缩略语945

附录C元素性质表953

附录D常数及可用信息957

元素周期表959

目录

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目录

第1章材料科学基本概念1

1.1原子结构和原子序数1

1.2原子质量和摩尔6

1.3键合和固体类型7

1.3.1分子和一般键合原理7

1.3.2共价键合固体： 金刚石9

1.3.3金属键合： 铜11

1.3.4离子键合固体： 盐12

1.3.5二次键合16

1.3.6混合键合20

1.4动力学分子理论23

1.4.1平均动能和温度23

1.4.2热膨胀30

1.5分子速度和能量分布35

1.6分子碰撞与真空沉积39

1.7热、热波动和噪声43

1.8热激活过程48

1.8.1阿列纽斯速率方程48

1.8.2原子扩散和扩散系数50

1.9结晶状态53

1.9.1晶体结构53

1.9.2晶向和晶面59

1.9.3同素异形体和碳64

1.10晶体缺陷及其意义67

1.10.1点缺陷： 空位和杂质67

1.10.2线缺陷： 边缘和螺旋错位71

1.10.3面缺陷： 晶界75

1.10.4晶体表面和表面性质77

1.10.5化学计量法、非化学计量法和缺陷结构80

1.11单晶Czochralski生长80

1.12玻璃和非晶半导体83

1.12.1玻璃和无定形固体83

1.12.2晶体硅和非晶硅86

1.13固体溶液和两相固体88

1.13.1同晶固溶体： 同晶合金88

1.13.2相图： 铜镍等同晶合金89

1.13.3区域精炼和纯硅晶体93

1.13.4二元共晶相图和铅锡焊料95

附加主题100

1.14布拉维晶格100

1.15Grüneisen规则103

第2章固体中的电传导和热传导123

2.1经典理论： 德鲁德模型124

2.2电阻率的温度依赖性： 理想的纯金属132

2.3Matthiessen和Nordheim法则135

2.3.1Matthiessen法则和电阻率温度系数（α）135

2.3.2固溶体和Nordheim法则143

2.4混合物和多孔材料的电阻率150

2.4.1异质混合物150

2.4.2两相合金（AgNi）的电阻率和电触点154

2.5霍尔效应和霍尔器件155

2.6热传导160

2.6.1热导系数160

2.6.2热阻164

2.7非金属物的导电性165

2.7.1半导体166

2.7.2离子晶体和玻璃170

附加主题175

2.8趋肤效应： 导体的高频电阻175

2.9交流电导率σac178

2.10金属薄膜182

2.10.1金属薄膜的导电性182

2.10.2薄膜的电阻率182

2.11微电子学中的互连188

2.12电迁移和Black方程192

第3章电子材料和器件原理211

3.1光子211

3.1.1光的波动性211

3.1.2光电效应214

3.1.3康普顿散射219

3.1.4黑体辐射222

3.2电子的波动性225

3.2.1德布罗意关系225

3.2.2时间无关的薛定谔方程229

3.3无限势阱中的受限电子233

3.4海森堡的不确定性原理239

3.5有限势阱中的受限电子242

3.6隧道现象： 量子泄漏246

3.7位阱： 三个量子数252

3.8氢原子255

3.8.1电子波函数255

3.8.2量子化的电子能量260

3.8.3轨道角动量和空间量子化264

3.8.4电子自旋和内在的角动量S269

3.8.5电子的磁偶极矩271

3.8.6总角动量J275

3.9氦原子和周期表276

3.9.1氦原子和泡利不相容原则276

3.9.2亨德准则279

3.10受激发射和激光281

3.10.1受激发射和光子放大281

3.10.2氦氖激光器285

3.10.3激光输出光谱288

附加主题290

3.11光纤放大器290

第4章现代固体理论311

4.1氢分子： 键合的分子轨道理论311

4.2固体能带理论317

4.2.1能带形成317

4.2.2能带中电子的性质323

4.3半导体326

4.4电子有效质量332

4.5能带中的状态密度334

4.6统计： 粒子集合341

4.6.1玻尔兹曼古典统计341

4.6.2费米狄拉克统计342

4.7金属的量子理论344

4.7.1自由电子模型344

4.7.2金属导电性347

4.8费米能级的意义350

4.8.1金属金属接触： 接触电势350

4.8.2塞贝克效应和热电偶353

4.9热离子发射和真空管器件362

4.9.1热离子发射： RichardsonDushman方程362

4.9.2肖特基效应和场发射366

4.10声子372

4.10.1谐振子和晶格波372

4.10.2德拜热容377

4.10.3非金属的导热性382

4.10.4电导率385

附加主题386

4.11金属能带理论： 晶体中的电子衍射386

第5章半导体409

5.1本征半导体410

5.1.1硅晶体和能带图410

5.1.2电子和空穴411

5.1.3半导体传导414

5.1.4电子和空穴浓度416

5.2非本征半导体424

5.2.1n型掺杂425

5.2.2p型掺杂427

5.2.3补偿掺杂428

5.3电导率的温度依赖性433

5.3.1载流子浓度的温度依赖性433

5.3.2漂移迁移率： 温度和杂质依赖性438

5.3.3电导率的温度依赖性441

5.3.4简并和非简并半导体443

5.4直接和间接复合445

5.5少数载流子寿命449

5.6扩散和传导方程以及随机运动455

5.7连续性方程461

5.7.1时间依赖的连续性方程461

5.7.2稳态连续性方程463

5.8光吸收467

5.9压阻471

5.10肖特基连接475

5.10.1肖特基二极管475

5.10.2肖特基结太阳能电池和光电二极管480

5.11欧姆接触和热电冷却器485

附加主题490

5.12塞贝克效应半导体和电压漂移490

5.13直接和间接带隙半导体493

5.14间接复合503

5.15非晶半导体503

第6章半导体器件525

6.1理想pn结526

6.1.1不施加偏置： 开路526

6.1.2正向偏置： 扩散区电流531

6.1.3正向偏置： 复合电流和总电流537

6.1.4反向偏置539

6.2pn结能带图546

6.2.1开路546

6.2.2正向和反向偏置548

6.3pn结的耗尽层电容551

6.4扩散区（存储区）电容和动态电阻557

6.5反向击穿： 雪崩击穿和齐纳击穿560

6.5.1雪崩击穿560

6.5.2齐纳击穿562

6.6发光二极管（LED）564

6.6.1LED原理564

6.6.2异质结高强度LED566

6.6.3量子阱高强度LED567

6.7LED材料和结构570

6.8LED输出光谱574

6.9LED的亮度和效率580

6.10太阳能电池584

6.10.1光电器件原理584

6.10.2串联和并联电阻591

6.10.3太阳能电池的材料、器件和效率593

6.11双极型晶体管（BJT）596

6.11.1共基极（CB）直流特性596

6.11.2共基极放大器605

6.11.3共发射极（CE）直流特性607

6.11.4低频小信号模型609

6.12结型场效应晶体管（JFET）612

6.12.1工作原理612

6.12.2JFET放大器618

6.13金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）622

6.13.1场效应和翻转622

6.13.2增强型MOSFET624

6.13.3阈值电压629

6.13.4离子注入型MOS晶体管和多晶硅栅631

附加主题633

6.14PIN二极管、光电二极管和太阳能电池633

6.15半导体光学放大器和激光636

第7章介电材料与绝缘657

7.1物质极化和相对介电常数658

7.1.1相对介电常数： 定义658

7.1.2偶极矩与电子极化659

7.1.3极化矢量P663

7.1.4局部电场Eloc与克劳修斯莫索蒂方程667

7.2电子极化： 共价固体669

7.3极化机理671

7.3.1离子位移极化671

7.3.2偶极转向极化672

7.3.3界面极化674

7.3.4总极化676

7.4频率依赖性： 介电常数和介电损耗677

7.4.1介电损耗677

7.4.2德拜方程、柯尔柯尔图和等效串联电路686

7.5高斯定律和边界条件689

7.6介电强度和绝缘击穿694

7.6.1介电强度： 定义694

7.6.2介质击穿和局部放电： 气体695

7.6.3介质击穿： 液体698

7.6.4介质击穿： 固体699

7.7电容介电材料708

7.7.1典型的电容器结构708

7.7.2电介质： 比较713

7.8压电，铁电和热释电717

7.8.1压电717

7.8.2压电： 石英振荡器和滤波器722

7.8.3铁电和热释电晶体725

附加主题732

7.9电位移和去极化场732

7.10局部场与洛仑兹方程736

7.11偶极极化738

7.12离子极化与介电共振740

7.13介质混合物和非均匀介质745

第8章磁性和超导电性765

8.1物质的磁化766

8.1.1磁偶极矩766

8.1.2原子磁矩767

8.1.3磁化矢量M768

8.1.4磁场或磁场强度H771

8.1.5磁导率和磁化率772

8.2磁性材料的分类776

8.2.1反磁性776

8.2.2顺磁性778

8.2.3铁磁性779

8.2.4反铁磁性779

8.2.5亚铁磁性780

8.3铁磁性来源与交换相互作用780

8.4饱和磁化和居里温度783

8.5磁畴： 铁磁材料785

8.5.1磁畴785

8.5.2磁晶体各向异性787

8.5.3畴壁788

8.5.4磁致伸缩791

8.5.5畴壁运动792

8.5.6多晶材料和M对H行为793

8.5.7退磁797

8.6软磁材料和硬磁材料799

8.6.1定义799

8.6.2初始磁导率和最大磁导率800

8.7软磁材料： 示例和用法801

8.8硬磁材料： 示例和用法804

8.9能带图和磁性810

8.9.1泡利自旋顺磁性810

8.9.2铁磁性能带模型812

8.10各向异性和巨磁电阻813

8.11磁记录材料818

8.11.1磁记录的一般原理818

8.11.2磁存储材料823

8.12超导电性827

8.12.1零电阻和迈斯纳效应827

8.12.2Ⅰ型和Ⅱ型超导体830

8.12.3临界电流密度832

8.13超导电性起源836

附加主题838

8.14约瑟夫森效应838

8.15通量的量化840

第9章材料的光学特性857

9.1均匀介质中的光波858

9.2折射率指数861

9.3分散性： 折射率指数——波长行为863

9.4群速度和群指数868

9.5磁场： 辐射和坡印廷矢量871

9.6斯涅尔法则和全内反射（TIR）873

9.7菲涅尔方程877

9.7.1振幅的反射和透射系数877

9.7.2强度、反射率和透射率883

9.8复折射率和光吸收888

9.9晶格吸收896

9.10带间吸收898

9.11材料中的光散射901

9.12光导纤维中的衰减902

9.13发光、磷光和白光LED905

9.14极化910

9.15光学各向异性912

9.15.1单轴晶体和菲涅尔光学指标913

9.15.2方解石的双折射917

9.15.3二色性918

9.16双折射制动盘918

9.17光学活动和圆双折射920

9.18液晶显示器（LCD）922

9.19电光效应926

附录A布拉格衍射定律和X射线衍射939

附录B主要符号和缩略语945

附录C元素性质表953

附录D常数及可用信息957

元素周期表959