توضیحات
کتاب و حلالمسائل فیزیک و ادوات نیمه هادی دونالد اِی. نیمن(Neamen) ویرایش چهارم(2012) و سوم(2003) (زبان انگلیسی)
در این مطلب کتاب فیزیک و ادوات نیمه هادی دونالد اِی. نیمن(Neamen) ویرایش های چهارم(2012) و سوم(2003) و حلالمسائل ویرایش چهارم(2012) به صورت pdf و زبان انگلیسی جهت دانلود قرار داده شده است. برای ویرایش چهارم(2012) سه حلالمسائل قرار داده شده که یکی از حلالمسائل ها از سایت چگ(Chegg) تهیه شده است و فصل های 1 تا 15 را پوشش می دهد.
در این مطلب، کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن به همراه حلالمسائل آن در ویرایش های زیر بهصورت PDF و به زبان انگلیسی برای دانلود قرار داده شده است.
کتاب اصلی:
- ویرایش چهارم (2012)
- ویرایش سوم (2003)
حلالمسائل:
- ویرایش چهارم (2012): سه حلالمسائل قرار داده شده است:
- حل المسائل رسمی 1: 278 صفحه
- حل المسائل رسمی 2: 257 صفحه
- حلالمسائل جامع تهیهشده از Chegg: مجموعهای بسیار کامل و گسترده با حدود 2176 صفحه، که پاسخهای کامل و گامبهگام مسائل فصلهای ۱ تا 15 را پوشش میدهد (شامل توضیحات تشریحی، شکلها و نکات حل). این نسخه برای دانشجویان و اساتیدی که به دنبال درک عمیقتر هستند، بسیار ارزشمند است.
دانلود نمونه رایگان حلالمسائل Chegg فیزیک و ادوات نیمه هادی دونالد نیمن ویرایش چهارم
دانلود نمونه رایگان حلالمسائل فیزیک و ادوات نیمه هادی دونالد نیمن ویرایش چهارم
دانلود نمونه 2 رایگان حلالمسائل فیزیک و ادوات نیمه هادی دونالد نیمن ویرایش چهارم
معرفی کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن
Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles
نویسندگان:
- دونالد اِی. نیمن (Donald A. Neamen)
کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن یکی از کتابهای بسیار معروف و پرکاربرد در درس فیزیک نیمهرساناها و ادوات نیمهرسانا در رشتههای مهندسی برق، الکترونیک و فیزیک است.
این کتاب یکی از منابع اصلی و بسیار معتبر در زمینه فیزیک نیمهرساناها و ادوات الکترونیکی است که در بسیاری از دانشگاههای جهان تدریس میشود. هدف اصلی کتاب ارائهی درکی عمیق از مبانی فیزیکی مواد نیمهرسانا و نحوهی عملکرد ادوات الکترونیکی ساختهشده از این مواد است. نویسنده ابتدا مفاهیم بنیادی فیزیک حالت جامد و رفتار الکترونها در بلورها را توضیح میدهد و سپس به بررسی ساختار و عملکرد ادوات مهمی مانند دیودها، ترانزیستورها و MOSFETها میپردازد. کتاب تلاش میکند ارتباط میان نظریههای فیزیکی و کاربردهای مهندسی در ساخت ادوات الکترونیکی را بهخوبی نشان دهد.
درباره نویسنده
دونالد ای. نیمن (Donald A. Neamen) یکی از استادان شناختهشده در حوزه مهندسی برق و الکترونیک است. او استاد بازنشستهٔ دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه نیومکزیکو است. نیمن مدرک دکتری خود را نیز از همین دانشگاه دریافت کرده و پس از پایان تحصیلات، مدتی بهعنوان مهندس الکترونیک در آزمایشگاه علوم حالت جامد در پایگاه هوایی هنسکام (Hanscom Air Force Base) فعالیت کرده است. او در سال ۱۹۷۶ به هیئت علمی دانشگاه نیومکزیکو پیوست و بیش از ۲۵ سال در این دانشگاه به تدریس پرداخت. زمینههای اصلی تدریس او شامل فیزیک نیمههادی، ادوات نیمههادی و مدارهای الکترونیکی بوده است. نیمن علاوه بر تدریس، در مدیریت دانشگاهی نیز فعال بوده و برای چند سال بهعنوان معاون گروه در دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر فعالیت کرده است. او همچنین یک ترم در مؤسسه مشترک دانشگاه میشیگان و دانشگاه شانگهای جیاتونگ در شهر شانگهای چین تدریس کرده است.
در کنار فعالیتهای دانشگاهی، نیمن با برخی شرکتها و مراکز صنعتی مهم مانند شرکت مارتین ماریِتا، آزمایشگاههای ملی سندیا و شرکت ریتیون همکاری داشته است. او به دلیل کیفیت بالای تدریس و نقش مؤثرش در آموزش مهندسی، چندین جایزه آموزشی از دانشگاه نیومکزیکو و کالج مهندسی دریافت کرده است. از مهمترین آثار علمی او میتوان به کتابهای «تحلیل و طراحی مدارهای میکروالکترونیکی» و «مقدمهای بر ادوات نیمههادی» اشاره کرد که از منابع پرکاربرد و معتبر در زمینه آموزش الکترونیک و مهندسی نیمههادیها به شمار میروند.
هدف کتاب
این کتاب مفاهیم فیزیک نیمهرسانا را به صورت پایهای توضیح میدهد و سپس نشان میدهد چگونه این مفاهیم در ساخت و عملکرد ادوات الکترونیکی مانند دیود و ترانزیستور استفاده میشوند.
ویژگیهای مهم کتاب
- توضیح گامبهگام و مفهومی
- مثالهای حلشده زیاد
- تمرینهای پایان فصل
- مناسب برای درس قطعات نیمه هادی
پیشنیازها
برای فهم بهتر کتاب معمولاً نیاز است:
- الکترومغناطیس پایه
- فیزیک مدرن
- ریاضیات مهندسی
- مدارهای الکتریکی
ساختار و محتوای کتاب
مباحث کتاب بهصورت مرحلهای از مفاهیم پایه تا ادوات پیشرفته ارائه شدهاند. موضوعات اصلی کتاب عبارتاند از:
- ساختار بلوری و مواد نیمهرسانا
- پیوند اتمی، نقصها و ناخالصیها
- مبانی مکانیک کوانتومی
- نظریه نواری جامدات
- چگالی حالات و مکانیک آماری
- فیزیک نیمههادی در حالت تعادل
- حاملهای بار و تراز فرمی
- انتقال حاملها: رانش و نفوذ
- ادوات نیمههادی
- ادوات نوری
- ادوات مایکروویو و قدرت
ساختار کتاب بهصورت کلی این مسیر را دنبال میکند:
- مبانی مواد و ساختار جامدات
- مبانی مکانیک کوانتومی
- نظریه کوانتومی جامدات
- فیزیک نیمههادی در حالت تعادل
- پدیدههای انتقال حاملها
- ورود به ادوات نیمههادی
- ادوات تخصصیتر مانند ادوات نوری، مایکروویو و قدرت
فصلها و محتوای اصلی کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن
فصل 1: ساختار بلوری جامدات
مباحث این فصل:
- مواد نیمهرسانا
- انواع جامدات
- شبکههای فضایی
- ساختار الماسی
- پیوند اتمی
- نواقص و ناخالصیها در جامدات
- رشد مواد نیمهرسانا
موضوع اصلی فصل: آشنایی با ساختار مواد نیمههادی و ویژگیهای بلوری آنها.
فصل 2: مقدمهای بر مکانیک کوانتومی
مباحث:
- اصول مکانیک کوانتومی
- معادله موج شرودینگر
- کاربردهای معادله موج شرودینگر
- گسترش نظریه موج برای اتمها
موضوع اصلی فصل: ایجاد پایه کوانتومی لازم برای فهم رفتار الکترونها در مواد.
فصل 3: مقدمهای بر نظریه کوانتومی جامدات
مباحث:
- نوارهای انرژی مجاز و ممنوع
- رسانش الکتریکی در جامدات
- گسترش به سه بعد
- تابع چگالی حالات
- مکانیک آماری
موضوع اصلی فصل: توضیح تشکیل نوارهای انرژی و رفتار الکترونی جامدات.
فصل 4: نیمهرسانا در حالت تعادل
مباحث:
- حاملهای بار در نیمهرساناها
- اتمهای ناخالصی و ترازهای انرژی
- نیمهرسانای ناخالص
- آمار دهندهها و پذیرندهها
- خنثی بودن بار
- مکان تراز انرژی فرمی
موضوع اصلی فصل: بررسی وضعیت نیمههادی در تعادل و نقش ناخالصیها و تراز فرمی.
فصل 5: پدیدههای انتقال حامل
مباحث:
- رانش حاملها
- نفوذ حاملها
- توزیع ناخالصی شیبدار
- اثر هال
موضوع اصلی فصل: چگونگی حرکت حاملهای بار در نیمههادیها و پدیدههای انتقالی.
فصل 6: حاملهای اضافیِ غیرتعادلی در نیمهرساناها
مباحث این فصل:
- تولید و بازترکیب حاملها
- ویژگیهای حاملهای اضافی
- انتقال دوقطبی
موضوع اصلی فصل:
این فصل به بررسی رفتار نیمهرسانا در شرایط غیرتعادلی میپردازد؛ یعنی حالتی که تعداد حاملها از مقدار تعادلی بیشتر یا کمتر میشود. مفاهیمی مثل تولید و بازترکیب الکترون و حفره و همچنین انتقال همزمان حاملها در این فصل مطرح میشود.
فصل 7: پیوند pn
مباحث این فصل:
- ساختار پایه pn
- بایاس اعمالنشده
- بایاس معکوس اعمالشده
- شکست پیوند
- پیوندهای با ناخالصیگذاری غیریکنواخت
موضوع اصلی فصل:
این فصل ساختار و رفتار پیوند pn را که یکی از مهمترین پایههای ادوات نیمههادی است بررسی میکند. در این فصل، تشکیل ناحیه تهی، رفتار پیوند در شرایط مختلف بایاس و پدیده شکست توضیح داده میشود.
فصل 8: دیود پیوند pn
مباحث این فصل:
- جریان پیوند pn
- جریانهای تولید–بازترکیب و سطوح تزریق زیاد
- مدل سیگنال کوچک پیوند pn
- ذخیره بار و گذرای دیود
- دیود تونلی
موضوع اصلی فصل:
در این فصل، پیوند pn از حالت فیزیکی وارد مرحله کاربرد در قالب دیود میشود. رفتار جریان–ولتاژ دیود، پاسخ گذرا، مدلسازی سیگنال کوچک و انواع خاصی مانند دیود تونلی بررسی میشود.
فصل 9: پیوندهای فلز–نیمهرسانا و ناهمپیوندهای نیمهرسانا
مباحث این فصل:
- دیود سد شاتکی
- اتصالهای اهمی فلز–نیمهرسانا
- ناهمپیوندها
موضوع اصلی فصل:
این فصل به انواع دیگری از اتصالها در نیمههادیها میپردازد؛ از جمله اتصال فلز–نیمهرسانا و ناهمپیوندهای نیمهرسانایی. این مباحث برای درک عملکرد بسیاری از قطعات سریع و پیشرفته اهمیت دارند.
فصل 10: مبانی ترانزیستور اثر میدان فلز–اکسید–نیمهرسانا
مباحث این فصل:
- ساختار MOS دوپایانه
- مشخصههای ظرفیت–ولتاژ
- عملکرد پایه MOSFET
- محدودیتهای فرکانسی
- فناوری CMOS
موضوع اصلی فصل:
این فصل مقدمهای بر ساختار MOS و عملکرد MOSFET ارائه میدهد. همچنین مشخصههای اصلی این قطعات و نقش آنها در فناوری CMOS که پایه مدارهای مجتمع مدرن است، بررسی میشود.
فصل 11: ترانزیستور اثر میدان فلز–اکسید–نیمهرسانا: مفاهیم تکمیلی
مباحث این فصل:
- اثرهای غیرایدهآل
- مقیاسگذاری MOSFET
- اصلاحات ولتاژ آستانه
- مشخصههای الکتریکی اضافی
- اثرات تابش و الکترونهای داغ
موضوع اصلی فصل:
این فصل مباحث پیشرفتهتر مربوط به MOSFET را پوشش میدهد؛ از جمله اثرات غیرایدهآل، کوچکسازی ابعاد ترانزیستور، تغییرات ولتاژ آستانه و محدودیتهای عملی در عملکرد قطعه.
فصل 12: ترانزیستور دوقطبی
مباحث این فصل:
- عملکرد ترانزیستور دوقطبی
- توزیع حاملهای اقلیت
- جریانهای ترانزیستور و بهره جریان بیس مشترک در فرکانس پایین
- اثرهای غیرایدهآل
- مدلهای مدار معادل
- محدودیتهای فرکانسی
- کلیدزنی سیگنال بزرگ
- سایر ساختارهای ترانزیستور دوقطبی
موضوع اصلی فصل:
این فصل به بررسی ترانزیستور دوقطبی (BJT) میپردازد. نحوه عملکرد، توزیع حاملها، مدلهای تحلیلی و رفتارش در فرکانسهای مختلف و شرایط کلیدزنی از مهمترین مباحث آن است.
فصل 13: ترانزیستور اثر میدان پیوندی
مباحث این فصل:
- مفاهیم JFET
- مشخصههای قطعه
- اثرهای غیرایدهآل
- مدار معادل و محدودیتهای فرکانسی
- ترانزیستور با تحرک بالای الکترون
موضوع اصلی فصل:
این فصل به JFET و برخی ساختارهای پیشرفتهتر مانند ترانزیستور با تحرک بالای الکترون (HEMT) میپردازد. هدف آن، بررسی دستهای دیگر از ترانزیستورهای اثر میدان و ویژگیهای عملکردی آنهاست.
فصل 14: ادوات نوری
موضوع اصلی فصل:
این فصل به ادوات نوری نیمههادی اختصاص دارد. با توجه به عنوان فصل، محور آن بررسی قطعاتی است که بر پایه برهمکنش نور و نیمههادی کار میکنند.
فصل 15: ادوات مایکروویو و قدرت نیمهرسانا
موضوع اصلی فصل:
این فصل به ادوات نیمههادی مخصوص کاربردهای فرکانس بالا و توان بالا میپردازد. بنابراین کتاب در انتها به کاربردهای تخصصیتر و صنعتیتر نیمههادیها وارد میشود.
کتاب علاوه بر ادوات پایه، به کاربردهای پیشرفته و تخصصی نیمههادیها هم میپردازد.
پیوستهای کتاب
کتاب همچنین دارای پیوستهایی برای استفاده مرجع است:
- پیوست A: فهرست برگزیده نمادها
- پیوست B: دستگاه یکاها، ضرایب تبدیل و ثابتهای عمومی
ویژگیهای آموزشی کتاب
این کتاب به دلیل روش آموزشی منظم و توضیحهای مفهومی شناخته میشود. برخی ویژگیهای مهم آن عبارتاند از:
- توضیح مفاهیم پیچیده به زبان قابل فهم
- ارائهی مثالهای حلشدهی متعدد برای درک بهتر روابط و مفاهیم
- وجود تمرینهای متنوع در پایان هر فصل
- استفاده از نمودارها و شکلهای آموزشی برای توضیح پدیدههای فیزیکی
- ارتباط دادن مفاهیم نظری با کاربردهای عملی در مهندسی الکترونیک
اهمیت کتاب در مهندسی برق
کتاب نیمن یکی از منابع اصلی برای دانشجویان مهندسی برق، الکترونیک، فیزیک و مهندسی مواد است و پایهی درک بسیاری از فناوریهای الکترونیکی مدرن مانند:
- مدارهای مجتمع (IC)
- میکروپردازندهها
- حسگرهای نیمهرسانا
- فناوری CMOS
را فراهم میکند.
سطح علمی و پیشنیازها
این کتاب معمولاً در مقطع کارشناسی سالهای سوم و چهارم و همچنین در ابتدای کارشناسی ارشد تدریس میشود. برای مطالعهی آن آشنایی با موارد زیر مفید است:
- فیزیک مدرن
- ریاضیات مهندسی
- مدارهای الکتریکی
- مبانی الکترونیک
جمعبندی
کتاب فیزیک و ادوات نیمه هادی اثر دونالد نیمن یکی از جامعترین و قابلفهمترین منابع آموزشی در حوزه نیمهرساناها است که با ترکیب مباحث فیزیکی و کاربردهای مهندسی، پایهای محکم برای درک عملکرد ادوات الکترونیکی مدرن فراهم میکند.
فهرست مطالب کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن (ویرایش چهارم)
فصل ۱: ساختار بلوری جامدات
- 1.0 پیشنمای فصل
- 1.1 مواد نیمهرسانا
- 1.2 انواع جامدات
- 1.3 شبکههای فضایی
- 1.4 ساختار الماسی
- 1.5 پیوند اتمی
- 1.6 نواقص و ناخالصیها در جامدات
- 1.7 رشد مواد نیمهرسانا
- 1.8 جمعبندی
فصل ۲: مقدمهای بر مکانیک کوانتومی
- 2.0 پیشنمای فصل
- 2.1 اصول مکانیک کوانتومی
- 2.2 معادله موج شرودینگر
- 2.3 کاربردهای معادله موج شرودینگر
- 2.4 گسترش نظریه موج برای اتمها
- 2.5 جمعبندی
فصل ۳: مقدمهای بر نظریه کوانتومی جامدات
- 3.0 پیشنمای فصل
- 3.1 نوارهای انرژی مجاز و ممنوع
- 3.2 رسانش الکتریکی در جامدات
- 3.3 گسترش به سه بعد
- 3.4 تابع چگالی حالات
- 3.5 مکانیک آماری
- 3.6 جمعبندی
فصل ۴: نیمهرسانا در حالت تعادل
- 4.0 پیشنمای فصل
- 4.1 حاملهای بار در نیمهرساناها
- 4.2 اتمهای ناخالصی و ترازهای انرژی
- 4.3 نیمهرسانای ناخالص
- 4.4 آمار دهندهها و پذیرندهها
- 4.5 خنثی بودن بار
- 4.6 مکان تراز انرژی فرمی
- 4.7 جمعبندی
فصل ۵: پدیدههای انتقال حامل
- 5.0 پیشنمای فصل
- 5.1 رانش حاملها
- 5.2 نفوذ حاملها
- 5.3 توزیع ناخالصی شیبدار
- 5.4 اثر هال
- 5.5 جمعبندی
فصل ۶: حاملهای اضافیِ غیرتعادلی در نیمهرساناها
- 6.0 پیشنمای فصل
- 6.1 تولید و بازترکیب حاملها
- 6.2 ویژگیهای حاملهای اضافی
- 6.3 انتقال دوقطبی
فصل ۷: پیوند pn
- 7.0 پیشنمای فصل
- 7.1 ساختار پایهٔ پیوند pn
- 7.2 بایاس اعمالنشده
- 7.3 بایاس معکوس اعمالشده
- 7.4 شکست پیوند
- 7.5 پیوندهای با ناخالصیگذاری غیریکنواخت
- 7.6 جمعبندی
فصل ۸: دیود پیوند pn
- 8.0 پیشنمای فصل
- 8.1 جریان پیوند pn
- 8.2 جریانهای تولید–بازترکیب و سطوح تزریق زیاد
- 8.3 مدل سیگنال کوچک پیوند pn
- 8.4 ذخیره بار و گذرای دیود
- 8.5 دیود تونلی
- 8.6 جمعبندی
فصل ۹: پیوندهای فلز–نیمهرسانا و ناهمپیوندهای نیمهرسانا
- 9.0 پیشنمای فصل
- 9.1 دیود سد شاتکی
- 9.2 اتصالهای اهمی فلز–نیمهرسانا
- 9.3 ناهمپیوندها
فصل ۱۰: مبانی ترانزیستور اثر میدان فلز–اکسید–نیمهرسانا
- 10.0 پیشنمای فصل
- 10.1 ساختار MOS دوپایانه
- 10.2 مشخصههای ظرفیت–ولتاژ
- 10.3 عملکرد پایه MOSFET
- 10.4 محدودیتهای فرکانسی
- 10.5 فناوری CMOS
- 10.6 جمعبندی
فصل ۱۱: ترانزیستور اثر میدان فلز–اکسید–نیمهرسانا: مفاهیم تکمیلی
- 11.0 پیشنمای فصل
- 11.1 اثرهای غیرایدهآل
- 11.2 مقیاسگذاری MOSFET
- 11.3 اصلاحات ولتاژ آستانه
- 11.4 مشخصههای الکتریکی اضافی
- 11.5 اثرات تابش و الکترونهای داغ
- 11.6 جمعبندی
فصل ۱۲: ترانزیستور دوقطبی
- 12.0 پیشنمای فصل
- 12.1 عملکرد ترانزیستور دوقطبی
- 12.2 توزیع حاملهای اقلیت
- 12.3 جریانهای ترانزیستور و بهره جریان بیس مشترک در فرکانس پایین
- 12.4 اثرهای غیرایدهآل
- 12.5 مدلهای مدار معادل
- 12.6 محدودیتهای فرکانسی
- 12.7 کلیدزنی سیگنال بزرگ
- 12.8 سایر ساختارهای ترانزیستور دوقطبی *
- 12.9 جمعبندی
فصل ۱۳: ترانزیستور اثر میدان پیوندی
- 13.0 پیشنمای فصل
- 13.1 مفاهیم JFET
- 13.2 مشخصههای قطعه
- 13.3 اثرهای غیرایدهآل *
- 13.4 مدار معادل و محدودیتهای فرکانسی *
- 13.5 ترانزیستور با تحرک بالای الکترون *
- 13.6 جمعبندی
فصل ۱۴: ادوات نوری
- 14.0 پیشنمای فصل
- 14.1 جذب نوری
- 14.2 سلولهای خورشیدی
- 14.3 آشکارسازهای نوری
- 14.4 فوتولومینسانس و الکترولومینسانس
- 14.5 دیودهای گسیل نور
- 14.6 دیودهای لیزری
- 14.7 جمعبندی
فصل ۱۵: ادوات مایکروویو و قدرت نیمهرسانا
- 15.0 پیشنمای فصل
- 15.1 دیود تونلی
- 15.2 دیود گان
- 15.3 دیود IMPATT
- 15.4 ترانزیستورهای دوقطبی قدرت
- 15.5 MOSFETهای قدرت
- 15.6 تریستور
- 15.7 جمعبندی
پیوستها
- پیوست A: فهرست برگزیده نمادها
- پیوست B: دستگاه یکاها، ضرایب تبدیل و ثابتهای عمومی
- پیوست C: جدول تناوبی
- پیوست D: یکای انرژی — الکترونولت
- پیوست E: «استخراج» معادله موج شرودینگر
- پیوست F: مفاهیم جرم مؤثر
- پیوست G: تابع خطا
- پیوست H: پاسخ برخی از مسائل
- نمایه
توضیح محتوای کتاب
کتاب «فیزیک و ادوات نیمه هادی» با هدف ایجاد یک مبنای علمی برای درک ویژگیها، نحوهٔ کار و محدودیتهای ادوات نیمهرسانا نوشته شده است. نویسنده تأکید میکند که فهم درست ادوات نیمهرسانا بدون شناخت عمیق فیزیک مواد نیمهرسانا ممکن نیست. به همین دلیل، کتاب فقط به معرفی خودِ قطعات اکتفا نمیکند، بلکه مباحث بنیادیتری مانند مکانیک کوانتومی، نظریهٔ کوانتومی جامدات، فیزیک نیمهرساناها و فیزیک ادوات نیمهرسانا را بهصورت یکپارچه کنار هم قرار میدهد. هدف این رویکرد آن است که دانشجو نهتنها ادوات موجود را بشناسد، بلکه برای فهم و حتی توسعهٔ فناوریهای آینده نیز آمادگی پیدا کند.
رویکرد آموزشی کتاب
یکی از نکات برجستهٔ این کتاب آن است که نسبت به بسیاری از کتابهای مقدماتی ادوات نیمهرسانا، تأکید بیشتری بر فیزیک دارد. نویسنده معتقد است اگر دانشجو ابتدا پایههای فیزیکی و مفاهیم مواد نیمهرسانا را درست یاد بگیرد، درک فیزیک عملکرد قطعات بسیار طبیعیتر و عمیقتر خواهد شد. البته در عین حال، کتاب یک مقدمه بر نظریهٔ ادوات نیمهرسانا است؛ بنابراین بسیاری از مباحث پیشرفته بهطور کامل وارد نشدهاند و فرایندهای ساخت نیز با جزئیات زیاد توضیح داده نمیشوند. برای مثال، روشهایی مانند نفوذ و کاشت یونی فقط در جاهایی مطرح میشوند که مستقیماً بر مشخصههای قطعه اثر داشته باشند.
ساختار کلی محتوای کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن
کتاب در سه بخش اصلی سازماندهی شده است:
بخش اول: فصلهای ۱ تا ۶
این بخش به مبانی اولیه اختصاص دارد و شامل فیزیک کوانتومی مقدماتی و فیزیک مواد نیمهرسانا است.
- فصل ۱ به ساختار بلوری جامدات و نیمهرسانای تکبلوری ایدهآل میپردازد.
- فصلهای ۲ و ۳ دربارهٔ مکانیک کوانتومی و نظریهٔ کوانتومی جامدات هستند.
- فصل ۴ رفتار نیمهرسانا را در تعادل گرمایی بررسی میکند.
- فصل ۵ به پدیدههای انتقال حاملها میپردازد.
- فصل ۶ موضوع حاملهای اضافی در شرایط غیرتعادلی را مطرح میکند.
نویسنده تصریح میکند که فهم حاملهای اضافی برای ورود به فیزیک ادوات، اهمیت اساسی دارد.
بخش دوم: فصلهای ۷ تا ۱۳
این بخش به فیزیک ادوات اصلی نیمهرسانا اختصاص دارد.
- فصل ۷ الکترواستاتیک پیوند pn را بررسی میکند.
- فصل ۸ رفتار جریان–ولتاژ دیود پیوند pn را، هم در حالت dc و هم در مدل سیگنال کوچک، توضیح میدهد.
- فصل ۹ به پیوندهای فلز–نیمهرسانا، تماسهای یکسوساز و اهمی، و نیز ناهمپیوندهای نیمهرسانایی میپردازد.
- فصلهای ۱۰ و ۱۱ به فیزیک MOSFET و مفاهیم تکمیلی آن اختصاص دارند.
- فصل ۱۲ نظریهٔ ترانزیستور دوقطبی را شرح میدهد.
- فصل ۱۳ مربوط به ترانزیستور اثر میدان پیوندی (JFET) است.
در پیشگفتار آمده که پس از یادگیری فیزیک پیوند pn، فصلهای مربوط به سه ترانزیستور اصلی را میتوان تقریباً به هر ترتیبی تدریس کرد، چون وابستگی مستقیم به یکدیگر ندارند.
بخش سوم: فصلهای ۱۴ و ۱۵
این بخش به ادوات ویژه و تخصصیتر میپردازد.
- فصل ۱۴ شامل ادوات نوری مانند سلول خورشیدی و دیود گسیل نور (LED) است.
- فصل ۱۵ به ادوات مایکروویو و ادوات قدرت نیمهرسانا اختصاص دارد.
مخاطبان کتاب
این کتاب برای دانشجویان کارشناسی سالهای سوم و چهارم مهندسی برق نوشته شده است. پیشنیازهای اصلی آن عبارتاند از:
- ریاضیات دانشگاهی تا سطح معادلات دیفرانسیل
- فیزیک پایهٔ دانشگاهی
- آشنایی مقدماتی با الکترومغناطیس
همچنین ذکر شده که آشنایی با فیزیک مدرن و یک درس مقدماتی مدارهای الکترونیکی مفید است، ولی الزامی نیست.
توضیح جامع محتوای کتاب « فیزیک و ادوات نیمه هادی » نوشتهی دونالد اِی. نیمن (ویرایش چهارم)
این کتاب با عنوان «فیزیک و ادوات نیمهرسانا: اصول پایه» یکی از منابع مهم در رشته مهندسی برق و الکترونیک است و هدف آن ایجاد درک عمیق از رفتار مواد نیمهرسانا و نحوه عملکرد ادوات الکترونیکی ساختهشده از این مواد است. نویسنده تلاش کرده است با تکیه بر مبانی فیزیکی، دانشجو را از مفاهیم پایهای ساختار مواد تا تحلیل عملکرد قطعات نیمهرسانا هدایت کند. در این کتاب ابتدا اصول فیزیک مواد و مکانیک کوانتومی بررسی میشود و سپس بر اساس این مفاهیم، رفتار و عملکرد ادوات مختلف نیمهرسانا توضیح داده میشود.
در ابتدای کتاب ساختار بلوری مواد بررسی میشود. در این بخش توضیح داده میشود که در جامدات، اتمها به صورت منظم و در قالب شبکههای بلوری کنار یکدیگر قرار میگیرند. این نظم بلوری نقش بسیار مهمی در تعیین ویژگیهای الکتریکی مواد دارد. همچنین انواع ساختارهای بلوری، جهتها و صفحات بلوری و نقصهای موجود در شبکه کریستالی مورد بررسی قرار میگیرند. نقصهای بلوری مانند جای خالی اتمها یا حضور اتمهای ناخالص میتوانند به شکل قابل توجهی بر خواص الکتریکی مواد تأثیر بگذارند.
پس از معرفی ساختار بلوری، کتاب به مبانی مکانیک کوانتومی میپردازد. در این بخش رفتار ذرات بسیار کوچک مانند الکترونها مورد بررسی قرار میگیرد. توضیح داده میشود که الکترونها علاوه بر رفتار ذرهای، ویژگیهای موجی نیز دارند و برای توصیف حرکت و انرژی آنها باید از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده کرد. همچنین مفهوم ترازهای انرژی گسسته، اصل عدم قطعیت و رفتار الکترون در چاههای پتانسیل مطرح میشود که پایهای برای درک رفتار الکترونها در مواد جامد است.
در ادامه، نظریه کوانتومی جامدات بررسی میشود. هنگامی که تعداد زیادی اتم در کنار هم قرار میگیرند و یک جامد را تشکیل میدهند، ترازهای انرژی منفرد آنها با یکدیگر ترکیب شده و نوارهای انرژی تشکیل میشود. در این بخش مفهوم نوار ظرفیت، نوار رسانش و فاصله انرژی میان آنها توضیح داده میشود. بر اساس اندازه این فاصله انرژی، مواد به سه دسته رسانا، نیمهرسانا و عایق تقسیم میشوند. همچنین مفهوم جرم مؤثر الکترون و تعداد حالتهای انرژی در هر نوار بررسی میشود.
پس از شناخت ساختار انرژی، رفتار نیمهرسانا در حالت تعادل حرارتی توضیح داده میشود. در این بخش ابتدا نیمهرسانای خالص معرفی میشود که در آن تعداد الکترونها و حفرهها برابر است. سپس مفهوم ناخالصسازی مطرح میشود که با افزودن مقدار کمی از اتمهای دیگر به نیمهرسانا انجام میگیرد. این کار باعث ایجاد دو نوع نیمهرسانا میشود که در یکی حاملهای اصلی الکترون هستند و در دیگری حفرهها نقش اصلی را دارند. همچنین مفهوم سطح انرژی مهمی که وضعیت توزیع الکترونها را در ماده مشخص میکند بررسی میشود.
در بخش بعدی، حرکت حاملهای بار در نیمهرسانا مطالعه میشود. الکترونها و حفرهها میتوانند در اثر میدان الکتریکی حرکت کنند یا به دلیل اختلاف غلظت در ماده پخش شوند. این دو مکانیزم حرکت اساس ایجاد جریان الکتریکی در مواد نیمهرسانا هستند. علاوه بر این، روابط میان سرعت حاملها، میدان الکتریکی و غلظت آنها بررسی میشود.
در ادامه، وضعیتهایی بررسی میشود که نیمهرسانا از حالت تعادل خارج میشود. در این حالت تعداد حاملهای بار بیشتر از مقدار تعادلی میشود و به آن حاملهای اضافی گفته میشود. این وضعیت ممکن است بر اثر تابش نور، تزریق جریان یا تغییرات میدان الکتریکی ایجاد شود. در این بخش فرآیندهای تولید و از بین رفتن حاملها و همچنین زمان ماندگاری آنها در ماده توضیح داده میشود.
پس از بررسی مبانی فیزیکی مواد نیمهرسانا، کتاب وارد بخش بررسی ادوات نیمهرسانا میشود. اولین ساختار مهم، پیوند میان دو ناحیه متفاوت نیمهرسانا است. زمانی که یک ناحیه دارای حاملهای الکترونی غالب با ناحیهای که حاملهای حفرهای غالب دارد به هم متصل شوند، ساختاری ایجاد میشود که دارای میدان الکتریکی داخلی است. در محل اتصال این دو نی در رفتار منطقهای تشکیل میشود که حاملهای آزاد در آن بسیار کم هستند و نقش مهمی در رفتار الکتریکی قطعه دارد.
بر اساس این ساختار، یکی از مهمترین قطعات الکترونیکی یعنی دیود بررسی میشود. دیود قطعهای است که اجازه میدهد جریان الکتریکی در یک جهت به راحتی عبور کند اما در جهت مخالف تقریباً مانع عبور جریان میشود. در این بخش رفتار جریان و ولتاژ دیود، شرایط مختلف بایاس و پدیدههایی مانند شکست الکتریکی بررسی میشوند.
در ادامه، اتصال میان فلز و نیمهرسانا مورد مطالعه قرار میگیرد. بسته به نوع تماس، این اتصال میتواند رفتاری شبیه دیود داشته باشد یا مانند یک اتصال با مقاومت بسیار کم عمل کند. همچنین اتصال میان دو نیمهرسانای متفاوت که دارای ویژگیهای انرژی مختلف هستند بررسی میشود. این نوع اتصال در بسیاری از ادوات پیشرفته کاربرد دارد.
بخش مهم دیگری از کتاب به بررسی ترانزیستورهای اثر میدان اختصاص دارد. در این نوع قطعات، جریان عبوری از یک کانال نیمهرسانا توسط میدان الکتریکی کنترل میشود. در ساختار خاصی از این ترانزیستورها یک لایه عایق بین الکترود کنترلکننده و نیمهرسانا قرار دارد. با تغییر ولتاژ اعمالشده به این الکترود، میتوان هدایت الکتریکی کانال را تغییر داد و جریان عبوری را کنترل کرد. این قطعه یکی از مهمترین عناصر مدارهای مجتمع و پردازندههای امروزی است.
در بخش بعدی، نوع دیگری از ترانزیستورها بررسی میشود که در آن جریان توسط تزریق حاملها از یک ناحیه به ناحیه دیگر کنترل میشود. این قطعه دارای سه ناحیه اصلی است و میتواند جریان بسیار کوچکی را در ورودی به جریان بزرگتری در خروجی تبدیل کند. به همین دلیل از آن برای تقویت سیگنالهای الکتریکی استفاده میشود.
کتاب همچنین نوع دیگری از ترانزیستورهای اثر میدان را معرفی میکند که در آن کنترل جریان از طریق تغییر پهنای ناحیه تخلیه در یک پیوند انجام میشود. این نوع ترانزیستور دارای مقاومت ورودی بالا بوده و در برخی کاربردهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
در بخشهای پایانی کتاب، ادواتی بررسی میشوند که بر اساس برهمکنش میان نور و نیمهرسانا کار میکنند. در برخی از این قطعات، انرژی نور باعث ایجاد جفتهای حامل در ماده میشود و به این ترتیب جریان الکتریکی تولید میشود. از این پدیده در ساخت سلولهای خورشیدی استفاده میشود. در برخی دیگر از قطعات، عبور جریان باعث گسیل نور از ماده میشود که اساس عملکرد منابع نوری نیمهرسانا است.
در نهایت، کتاب به معرفی برخی ادوات خاص برای کاربردهای توان بالا و فرکانسهای بسیار زیاد میپردازد. این ادوات در سامانههای مخابراتی، راداری و تجهیزات قدرت مورد استفاده قرار میگیرند. در این بخش اصول فیزیکی عملکرد این قطعات و کاربردهای عملی آنها مورد بررسی قرار میگیرد.
به طور کلی این کتاب از مبانی بنیادی فیزیک مواد شروع میکند، سپس رفتار حاملهای بار در نیمهرساناها را توضیح میدهد و در ادامه با استفاده از همین مفاهیم، عملکرد مهمترین ادوات الکترونیکی نیمهرسانا را تحلیل میکند. این رویکرد باعث میشود خواننده ابتدا پایههای علمی لازم را بیاموزد و سپس بتواند نحوه کار قطعات الکترونیکی را به صورت عمیق و تحلیلی درک کند.
فصل اول: ساختار بلوری جامدات
در این فصل ساختار داخلی مواد جامد بررسی میشود. توضیح داده میشود که در مواد جامد، اتمها به صورت منظم و تکرارشونده در فضا قرار میگیرند و شبکهای سهبعدی را تشکیل میدهند که به آن شبکه بلوری گفته میشود. کوچکترین بخش تکرارشونده این شبکه سلول واحد نام دارد و با تکرار آن در سه جهت فضایی کل بلور ساخته میشود. در این فصل ساختارهای بلوری مهم مانند ساختار مکعبی و ساختار ویژه نیمهرساناها معرفی میشود. همچنین جهتها و صفحات بلوری و روش مشخص کردن آنها بررسی میگردد. در ادامه نقصهای بلوری مانند جای خالی اتمها، حضور اتمهای اضافی یا ناخالصیها معرفی میشوند و تأثیر آنها بر خواص الکتریکی مواد توضیح داده میشود. هدف این فصل ایجاد درک اولیه از ساختار فیزیکی مواد نیمهرسانا است.
فصل دوم: مبانی مکانیک کوانتومی
در این فصل اصول پایهای مکانیک کوانتومی که برای درک رفتار الکترونها در مواد لازم است معرفی میشود. ابتدا توضیح داده میشود که ذرات بسیار کوچک مانند الکترونها علاوه بر رفتار ذرهای، ویژگیهای موجی نیز دارند. سپس مفهوم ترازهای انرژی گسسته در سیستمهای کوچک بررسی میشود. در ادامه معادله بنیادی که رفتار موجی ذرات را توصیف میکند معرفی شده و نحوه استفاده از آن برای تعیین انرژی ذرات در نواحی محدود توضیح داده میشود. همچنین پدیده عبور ذره از سد انرژی که در فیزیک کلاسیک امکانپذیر نیست مورد بررسی قرار میگیرد. اصل عدم قطعیت نیز معرفی میشود که نشان میدهد مکان و تکانه یک ذره را نمیتوان همزمان با دقت کامل تعیین کرد. این مفاهیم پایهای برای فهم رفتار الکترونها در مواد نیمهرسانا هستند.
فصل سوم: نظریه کوانتومی جامدات
در این فصل رفتار الکترونها در مواد جامد بر اساس نظریه کوانتومی بررسی میشود. زمانی که اتمهای زیادی کنار هم قرار میگیرند، ترازهای انرژی آنها با یکدیگر ترکیب شده و نوارهای انرژی تشکیل میشود. در این بخش مفهوم نوار ظرفیت و نوار رسانش معرفی میشود و فاصله انرژی میان این دو نوار توضیح داده میشود. این فاصله انرژی تعیین میکند که ماده رسانا، نیمهرسانا یا عایق باشد. همچنین نحوه توزیع الکترونها در نوارهای انرژی بررسی میشود. مفاهیمی مانند جرم مؤثر الکترون و تعداد حالتهای انرژی قابل دسترس نیز مطرح میشوند. این فصل پایه نظری درک رفتار الکتریکی نیمهرساناها است.
فصل چهارم: نیمهرسانا در حالت تعادل حرارتی
در این فصل خواص الکتریکی نیمهرساناها در حالت تعادل بررسی میشود. ابتدا نیمهرسانای خالص معرفی میشود که در آن تعداد الکترونها و حفرهها برابر است. سپس فرآیند افزودن ناخالصی به نیمهرسانا توضیح داده میشود که باعث ایجاد دو نوع ماده میشود؛ در یک نوع الکترونها حامل اصلی بار هستند و در نوع دیگر حفرهها نقش اصلی دارند. در این فصل همچنین نحوه توزیع حاملها در ترازهای انرژی بررسی میشود و سطح انرژی مهمی که تعیینکننده توزیع الکترونها است معرفی میگردد. این مفاهیم برای تحلیل رفتار نیمهرساناها در شرایط مختلف بسیار مهم هستند.
فصل پنجم: انتقال حاملها در نیمهرسانا
در این فصل نحوه حرکت حاملهای بار در نیمهرسانا بررسی میشود. حاملها میتوانند در اثر میدان الکتریکی در ماده حرکت کنند که به این نوع حرکت رانشی گفته میشود. همچنین در صورت وجود اختلاف غلظت، حاملها از ناحیهای با غلظت بیشتر به ناحیهای با غلظت کمتر حرکت میکنند که به آن پخش گفته میشود. در این فصل روابطی که سرعت حرکت حاملها و جریان الکتریکی را توصیف میکنند بررسی میشود. همچنین ارتباط میان حرکت رانشی و پخش حاملها توضیح داده میشود. این فصل پایه تحلیل جریان در ادوات نیمهرسانا است.
فصل ششم: حاملهای اضافی در نیمهرسانا
در این فصل شرایطی بررسی میشود که در آن نیمهرسانا از حالت تعادل خارج میشود. در چنین شرایطی تعداد حاملهای بار در ماده بیشتر از مقدار تعادلی میشود و به آن حاملهای اضافی گفته میشود. این وضعیت ممکن است بر اثر تابش نور یا تزریق جریان به ماده ایجاد شود. در این فصل فرآیندهای تولید و از بین رفتن حاملها توضیح داده میشود. همچنین مدت زمانی که حاملها قبل از بازترکیب در ماده باقی میمانند بررسی میگردد. مفاهیم طول پخش و زمان ماندگاری حاملها نیز در این فصل معرفی میشوند.
فصل هفتم: پیوند میان دو ناحیه نیمهرسانا
در این فصل ساختاری معرفی میشود که از اتصال دو نوع نیمهرسانا تشکیل شده است. هنگامی که ناحیهای با حاملهای الکترونی غالب به ناحیهای با حاملهای حفرهای غالب متصل شود، در محل اتصال ناحیهای تشکیل میشود که در آن حاملهای آزاد بسیار کم هستند. در این ناحیه میدان الکتریکی داخلی ایجاد میشود که حرکت حاملها را کنترل میکند. در این فصل نحوه تشکیل این ناحیه و توزیع بار و میدان الکتریکی در آن بررسی میشود.
فصل هشتم: دیود
در این فصل قطعهای بررسی میشود که بر اساس پیوند میان دو ناحیه نیمهرسانا ساخته شده است. این قطعه اجازه میدهد جریان الکتریکی در یک جهت به راحتی عبور کند اما در جهت مخالف تقریباً مانع عبور جریان میشود. در این فصل رابطه میان جریان و ولتاژ در این قطعه توضیح داده میشود. همچنین رفتار آن در شرایط مختلف مانند اعمال ولتاژ مستقیم یا معکوس بررسی میشود. پدیده شکست الکتریکی نیز در این فصل مورد مطالعه قرار میگیرد.
فصل نهم: اتصال فلز و نیمهرسانا
در این فصل رفتار الکتریکی اتصال میان فلز و نیمهرسانا بررسی میشود. بسته به نوع فلز و ویژگیهای نیمهرسانا، این اتصال میتواند رفتاری شبیه دیود داشته باشد یا مانند یک اتصال با مقاومت بسیار کم عمل کند. همچنین اتصال میان دو نیمهرسانای متفاوت نیز بررسی میشود که در آن ویژگیهای انرژی دو ماده با یکدیگر متفاوت است. این نوع اتصال در بسیاری از ادوات پیشرفته کاربرد دارد.
فصل دهم: ساختار و اصول عملکرد ترانزیستور اثر میدان با لایه عایق
در این فصل نوعی از ترانزیستور معرفی میشود که در آن یک لایه عایق بین الکترود کنترلکننده و نیمهرسانا قرار دارد. با تغییر ولتاژ این الکترود میتوان وضعیت بارهای الکتریکی در سطح نیمهرسانا را تغییر داد. در نتیجه کانالی برای عبور جریان تشکیل میشود یا از بین میرود. در این فصل نحوه تشکیل ناحیه تجمع، ناحیه تهی و ناحیه وارونگی بررسی میشود.
فصل یازدهم: تحلیل جریان در ترانزیستور اثر میدان با لایه عایق
در این فصل رفتار جریان در این نوع ترانزیستور به طور دقیق بررسی میشود. نحوه تغییر جریان با تغییر ولتاژ کنترلکننده و ولتاژ دو سر کانال توضیح داده میشود. همچنین نواحی مختلف عملکرد این قطعه معرفی میشوند. این فصل برای درک نحوه عملکرد مدارهای مجتمع و مدارهای دیجیتال اهمیت زیادی دارد.
فصل دوازدهم: ترانزیستور دوقطبی
در این فصل نوع دیگری از ترانزیستور بررسی میشود که از سه ناحیه نیمهرسانا تشکیل شده است. در این قطعه جریان الکتریکی از طریق تزریق حاملها از یک ناحیه به ناحیه دیگر کنترل میشود. این قطعه قادر است جریان کوچک ورودی را به جریان بزرگتری در خروجی تبدیل کند و به همین دلیل در مدارهای تقویتکننده استفاده میشود. در این فصل ساختار، نحوه عملکرد و ویژگیهای الکتریکی این ترانزیستور توضیح داده میشود.
فصل سیزدهم: ترانزیستور اثر میدان با پیوند
در این فصل نوع دیگری از ترانزیستور اثر میدان معرفی میشود که در آن کنترل جریان از طریق تغییر پهنای ناحیه تخلیه در یک پیوند نیمهرسانا انجام میشود. با تغییر ولتاژ الکترود کنترلکننده، پهنای ناحیه تخلیه تغییر کرده و در نتیجه جریان عبوری از کانال کنترل میشود. این قطعه دارای مقاومت ورودی بالا است و در برخی مدارهای الکترونیکی کاربرد دارد.
فصل چهاردهم: ادوات نوری نیمهرسانا
در این فصل پدیدههای مربوط به برهمکنش نور و نیمهرسانا بررسی میشود. هنگامی که نور به نیمهرسانا تابیده میشود، میتواند باعث ایجاد حاملهای بار شود. از این پدیده در آشکارسازهای نوری و سلولهای خورشیدی استفاده میشود. همچنین در برخی مواد عبور جریان الکتریکی میتواند باعث تولید نور شود که اساس عملکرد منابع نوری نیمهرسانا است.
فصل پانزدهم: ادوات ویژه نیمهرسانا
در آخرین فصل کتاب برخی از ادوات خاص نیمهرسانا معرفی میشوند که برای کاربردهای ویژه طراحی شدهاند. این قطعات ممکن است برای کار در فرکانسهای بسیار بالا یا برای انتقال توانهای زیاد استفاده شوند. در این فصل اصول عملکرد این ادوات و کاربردهای آنها در سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی بررسی میشود. هدف این فصل آشنایی با گستره وسیع کاربردهای فناوری نیمهرسانا است.
جمعبندی
این کتاب از نظر ساختاری، یک کتاب بنیادمحور است؛ یعنی:
- اول فیزیک ماده و کوانتوم را آموزش میدهد،
- بعد فیزیک نیمههادی را توضیح میدهد،
- و در نهایت به ادوات نیمههادی و کاربردهای آنها میرسد.
در مجموع، این کتاب یک معرفی فیزیکمحور و دانشگاهی از ادوات نیمهرسانا است که از مبانی بنیادی شروع میکند، سپس به ادوات اصلی میرسد و در پایان برخی ادوات تخصصیتر را بررسی میکند. ویژگی مهم آن این است که بهجای ارائهٔ صرفِ رفتار قطعات، ابتدا بنیانهای علمی لازم برای فهم عمیق آنها را میسازد.
Semiconductor Physics and Devices, Fourth 4th Edition, 2012, Donald A. Neamen
Semiconductor Physics and Devices, Third 3rd Edition, 2003, Donald A. Neamen
Solution Manual of Semiconductor Physics and Devices, Fourth 4th Edition, 2012, Donald A. Neamen
