固体物理基础

固体物理是近代物理学的重要组成部分之一，是包含电子科学与技术在内的诸多学科的基础。本书是清华大学电子信息科学与技术大类本科生核心课“固体物理基础”教材。
电子信息科学与技术大类的专业方向是以物理和数学为基础，研究通过电磁形式表达信息的基本规律，以及运用这些基本规律实现电子信息系统的方法； 涵盖物理电子学与光电子学、电路与系统、电磁场与微波技术、通信与信息系统、信号与信息处理、复杂系统与网络等研究领域，涉及各类电子/光子的系统，这些系统又是由各种电子/光子器件构成的。无论是电子器件还是光子器件，它们的工作原理都离不开电磁场与物质的相互作用，主要是各种波段的电磁场与物质中电子的相互作用。只有了解了构成器件的物质中电子的运动规律，才能知道如何控制电磁场与电子的相互作用，从而设计出具有各种功能的器件，构建起满足实际应用需求的系统。
本书主要诠释固体中电子的运动规律，同时给出晶格振动的分析。运用量子力学的理论，描述原子结合、晶体结构、能带理论、晶格振动等固体物理学的核心概念和理论; 在此基础上，推导出固体的电学、磁学、热学、光学特性。学生通过“固体物理基础”课程的学习，不仅可以掌握本学科相关主要物质材料的结构、特性，为理解电子/光子器件的工作原理打下基础，还将建立起对物质世界正确的认识方法。理解物质世界是“测不准”的、非确定性的、量子化的，又是相互联系、相互作用的，物质与电磁场的相互作用是构成各种器件的基础; 同时认识到人类对物质世界的认识是不断发展的，了解固体物理学的发展脉络，把握物质材料及其结构研究的前沿，激发在新器件和新系统研发中的创新思维。
本书力求把固体物理的知识体系化、结构化，以薛定谔方程贯穿始终，给出固体物理的知识结构以及各个基本概念之间的相互联系。同时，针对电子信息科学与技术大类的专业特点调整了内容顺序。与多数的固体物理教材不同，本书将晶格振动格波以及热特性的内容放到电子能带理论和固体电特性的章节之后，这样既有利于理解声子这种准粒子能带的概念，也便于电子信息类专业的学生集中掌握电子运动规律及固体电特性。另外，本书突出物理概念的描述，略去了一些冗繁的公式推导，同时没有涉及赝势、相图等固体物理学中更深层次的内容。需要进一步深入学习的读者，请参考固体物理学的相关著作。
清华大学电子工程系冯雪副教授、汪莱副教授、孙长征教授、盛兴副教授参加了本课程的授课工作和讲义内容的讨论，张巍教授、刘仿教授为第9章内容的编写提供了帮助，天津大学胡小龙教授对第6章、第8章的编写提出修改建议，电子工程系教学实验中心马晓红教授、吕晖、龚颖等老师及电子工程系部分研究生协助了教材的编写工作，完成了课堂录像和文字整理工作，在此一并表示衷心的感谢！
由于本人水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请读者批评指正。
黄翊东2022年10月

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本书主要诠释固体中电子的运动规律，同时给出晶格振动的分析。运用量子力学的理论，描述原子结合、晶体结构、能带理论、晶格振动等固体物理学的核心概念和理论；在此基础上，推导出固体的电学、磁学、热学、光学特性。力求把固体物理的知识体系化、结构化，以薛定谔方程贯穿始终，给出固体物理的知识结构以及各个基本概念之间的相互联系，有助于读者的理解掌握。 本书是清华大学电子信息科学与技术大类本科生核心课程“固体物理基础”的教材，既适用于电子信息大类专业的课程教学，也可供相关领域的科研人员、工程技术人员参考。

黄翊东，清华大学学术委员会副主任，“长江学者”特聘教授，“新世纪百千万人才工程”国家级人选。长期从事光电子器件领域的科学研究及人才培养工作，曾任清华大学电子工程系系主任、清华大学天津电子信息研究院院长，是清华大学电子信息大类课程体系的主要创建人之一。发明“八分之一波长位移分布反馈”的新结构，开发出光通信抗反射DFB激光器，两次获得NEC研究功绩奖；近二十年聚焦微纳结构光电子器件，承担国家自然科学基金重点项目、973项目以及多项国际合作项目，带领课题组研制出世界首创具有自由电子辐射、实时光谱成像、动态轨道角动量辐射、量子态产生及操控等功能的集成光电子芯片。发表论文300余篇，引用数千次；拥有数十项国际专利。是光电子芯片企业华慧芯科技、与光科技的创始人。现任美国光学学会会士、中国光学学会常务理事、中国电子教育学会副理事长、高等教育分会副会长、ACS Photonics期刊副主编。

绪论

第1章晶体的结构

1．1晶格与点阵

1．2晶格的几何描述

1．2．1晶胞

1．2．2晶向与晶面

1．3晶体的宏观对称性

1．4倒格子与布里渊区

1．5晶格结构的观测

1．6晶格中的缺陷与扩散

1．7非晶体、准晶体

习题

第2章固体的结合

2．1固体结合的规律

2．2晶体结合的量子理论

2．3固体结合的类型

2．3．1离子结合

2．3．2共价结合

2．3．3金属性结合

2．4原子和分子固体

习题

第3章固体电子论

3．1索末菲自由电子论

3．1．1波函数与Ek关系

3．1．2能级与态函数

3．2周期势场中电子的运动状态

3．2．1布洛赫定理

3．2．2近自由电子近似

3．2．3紧束缚近似

3．3费米统计分布与费米面

习题

第4章固体的电特性

4．1外场中电子运动状态的变化

4．1．1波包和电子速度

4．1．2加速度、有效质量、准动量

4．1．3恒定电场作用下电子的运动

4．1．4导体、绝缘体和半导体的能带论解释

4．2金属中电子输运过程

4．3半导体中载流子的输运过程

4．3．1载流子浓度

4．3．2本征激发 

4．3．3杂质能级与杂质激发

4．3．4载流子的迁移与扩散

4．3．5非平衡载流子

4．4霍尔效应

习题

第5章固体间接触的电特性

5．1功函数与接触电势

5．2PN结

5．2．1PN结的形成

5．2．2PN结的单向导电特性

5．3异质结

5．4金属半导体结

5．5金属绝缘体半导体系统

习题

第6章固体的磁特性

6．1原子的磁性

6．1．1固有磁矩

6．1．2感生磁矩

6．2固体的磁性

6．2．1抗磁性与顺磁性

6．2．2铁磁性

习题 

第7章晶格振动和固体热性质

7．1一维原子链的晶格振动 

7．1．1晶格振动的简谐近似

7．1．2一维单原子链的晶格振动

7．1．3一维双原子链的晶格振动

7．2晶格振动的量子化——声子 

7．3固体的热性质 

7．3．1热容

7．3．2热传导

7．3．3非简谐效应

习题 

第8章超导态的基本现象和基本规律

8．1超导态的基本现象

8．1．1零电阻性

8．1．2迈斯纳效应

8．1．3磁通量子化

8．1．4超导能隙

8．1．5同位素效应

8．2超导态的理论模型

8．2．1唯象理论

8．2．2微观理论

8．3约瑟夫森效应

第9章固体的光特性

9．1电磁场与物质相互作用的经典理论 

9．1．1电介质在电场中的极化

9．1．2介电常数与电极化率

9．1．3洛伦兹模型

9．2共振与非共振相互作用

9．2．1非共振相互作用

9．2．2共振相互作用

9．3光场与金属的相互作用 

9．3．1金属的介电常数

9．3．2表面等离激元

附录A索引

附录B基本物理常数

附录C主要参数符号

参考文献

本书是清华大学电子信息科学与技术大类本科生的核心课“固体物理”的教材。本书力求把固体物理的知识体系化、结构化，以薛定谔方程贯穿始终，给出固体物理的知识结构以及各个基本概念之间的相互联系；针对电子信息科学与技术大类的专业特点调整内容顺序；突出物理概念的描述，略去一些冗繁的公式推导，是学习固体物理基础知识的合适教材。
学生通过本书的学习，不仅可以掌握本学科相关主要物质材料的结构、特性，为理解电子/光子器件的工作原理打下基础，还将建立起对物质世界正确的认识方法。理解物质世界是“测不准”的、非确定性的、量子化的，又是相互联系、相互作用的，物质与电磁场的相互作用是构成各种器件的基础；同时认识到人类对物质世界的认识是不断发展的，了解固体物理学的发展脉络，把握物质材料及其结构研究的前沿，激发在新器件和新系统研发中的创新思维。
本书配套PPT课件、习题解答等教学资源，便于授课教师开展混合式课堂教学。