前言

20世纪30年代固体电子论的成果和四五十年代锗、硅材料工艺的进展，为之后固态电子器件的飞速发展奠定了基础。随着半导体材料工艺日趋成熟，新的固态电子器件因材料质量的提高和对材料物理的深入研究而不断出现。固态电子器件体积小，重量轻，功耗小，可靠性高，易集成，可以实现电子系统的微型化，是现代集成电路的基础。除了用于大规模和超大规模集成电路外，固态电子器件还广泛应用于其他各领域，如光纤通信、固体成像、微波通信、红外探测、能量转换等。半导体的电学性能容易受多种因素如掺杂、光照等的控制，易于制成电子功能器件，因此绝大部分的固态电子器件是用半导体制成的。所以，固体物理和半导体物理是固态电子器件的理论基础，也是本书讨论的重点。

随着计算机辅助设计（CAD）的发展，器件与系统的设计更多通过计算机来进行，越来越多的专业软件投入各种应用领域。这就促使理论与应用的结合形式发生改变，对于搞应用的人来说，不需要直接从理论公式出发进行分析和计算，理论学习的作用更多体现在了解各种物理现象，建立相应的物理概念，理解运动变化过程，熟悉物理量之间的相互联系，掌握分析问题的方法等。本教材编写力求内容精简、重点突出、概念清晰、通俗易懂，在不破坏知识体系的逻辑关系前提下，尽量避免烦琐的数学推导。只要有高等数学和大学物理的基础知识，即使没有学过电动力学、量子力学、热力学统计物理，也能顺利学习本课程。

全书共分8章。第1章介绍晶体结构的基本知识，重点是晶体结构的周期性与对称性，对晶体结合、晶体生长、确定晶体结构的方法等只作简单讨论。第2章以一维原子链为例讨论晶格振动形成格波的特点、声子的概念及声子谱的测量方法，介绍了晶体缺陷的主要类型。第3章介绍能带理论的基础知识，包括金属中的自由电子模型，晶体电子的波函数与能带结构的特点，有效质量、空穴的概念，以及实际晶体能带结构举例。第4章讨论半导体中的载流子及其运动，包括载流子的统计分布、费米能级与载流子浓度的计算、迁移率与电导率、非平衡载流子及连续性方程。第5章介绍PN结，包括PN结形成与能带图、PN结电流电压特性、PN结电容及PN结击穿。第6章介绍固体表面及界面接触现象，包括表面态的基本概念、表面电场效应、金属与半导体的接触及MIS结构的电容电压特性。第7章介绍半导体器件的基本原理，包括二极管、双极型晶体管及场效应晶体管，也简略介绍半导体集成器件和微细加工技术。第8章介绍固体的光学性质与固体中的光电现象，包括固体的光学常数、KramersKronig关系、光学常数的实验测量、半导体的光吸收、半导体的光电导、半导体的光生伏特效应和太阳能电池及半导体发光和发光二极管。

每章末都附有习题。由于各专业安排本课程的学时及教学要求不同，书中打*号内容可以不讲或简单讲述。

本教材主要面向应用型人才培养，应当引导学生利用电脑和软件等现代工具解决问题，所以在第2版中增加了附录B Excel在教学中的应用，让学生能够通过简单的工具处理较复杂的问题。例如： 在坐标精确计算的基础上，根据一定的投影规则画晶体的三维结构图，制作对称操作动画； 制作包括双原子声学波、光学波在内的各种晶格振动动画； 求解能量本征值方程，画出多种能带曲线； 针对多种情况（不同掺杂、不同温度）精确计算载流子浓度、迁移率、电导率，画相应曲线； 计算并画出PN结势垒曲线、载流子浓度分布曲线、电流电压曲线、势垒电容和扩散电容曲线，以及包含PN结的应用设计（如太阳能电池最佳功率点设计等）。这些问题与“复杂工程问题”的多个特征相似，例如涉及多个方面、多个因素，不同要求之间存在矛盾与冲突，需要深入的分析、建模、综合、创新等。学生不仅学到了固体物理与半导体物理的相关知识，而且培养了工程教育专业认证倡导的多种能力。

本书第1～5章(1.6节除外)由沈为民负责编写，第6章和第8章由孙一翎负责编写，第7章由唐莹负责编写，马铁英编写了1.6节。全书由沈为民统稿。

    由于编者的水平与经验有限，书中难免存在缺点和错误，殷切希望读者批评指正。

作者2016年7月