Neamen、Grundmann、Streetman 與 Sze：從凝態物理基礎到半導體元件研究

半導體物理學（Semiconductor Physics）是一門結合量子力學、凝態物理學、統計力學、材料科學與電子工程的學科。從晶體中電子的量子態、能帶結構與載子傳輸，到 pn 接面、MOSFET、BJT、半導體雷射和太陽能電池，其背後都有相互連貫的物理理論。

不同的半導體教科書，對於理論深度、課程安排與預期讀者有不同考量。本文依據四本書的作者序言（Preface）和原書目錄（Contents），介紹作者的編寫目的、適用對象、各章主題及適合的閱讀順序。中文章名為本文翻譯；作者理念的摘要與本文的閱讀建議則予以區分。

本文目錄

1. Neamen：材料物理到元件
2. Grundmann：兼顧凝態物理基礎
3. Streetman：固態電子工程
4. Sze：進階元件物理
5. 四本書比較
6. 閱讀順序與交叉閱讀
7. 結語與參考書目

一、Neamen：從半導體材料物理建立元件基礎

Donald A. Neamen｜Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles｜第 4 版｜McGraw-Hill｜15 章

作者的編寫理念

Neamen 在第四版序言中指出，若要理解半導體元件的工作原理、特性及限制，必須先掌握半導體材料的物理性質。因此，他把量子力學、固體量子理論、半導體材料物理與元件物理整合在同一部教材中。作者也明確指出，本書比不少入門元件教材安排了更充分的基本物理內容。

這樣的教學理念，是先理解微觀電子行為，再建立能帶、電子與電洞的統計及輸運模型，最後利用這些模型分析 pn 接面、MOSFET 與其他元件。

適用對象與先備知識

作者主要以電機工程大三、大四學生為對象，適合一學期課程。讀者應熟悉普通物理、微積分、微分方程與基礎電磁學；近代物理和電子電路的經驗有助於閱讀，但不是必要條件。完整的量子力學課程也非必要先修，因為第二、三章已提供所需的基礎。

主要章節目錄（15 章）

Part I — Semiconductor Material Properties｜半導體材料性質

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 1	The Crystal Structure of Solids	固體的晶體結構
Chapter 2	Introduction to Quantum Mechanics	量子力學導論
Chapter 3	Introduction to the Quantum Theory of Solids	固體量子理論導論
Chapter 4	The Semiconductor in Equilibrium	熱平衡下的半導體
Chapter 5	Carrier Transport Phenomena	載子傳輸現象
Chapter 6	Nonequilibrium Excess Carriers in Semiconductors	半導體中的非平衡過剩載子

Part II — Fundamental Semiconductor Devices｜基本半導體元件

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 7	The pn Junction	pn 接面
Chapter 8	The pn Junction Diode	pn 接面二極體
Chapter 9	Metal–Semiconductor and Semiconductor Heterojunctions	金屬－半導體接面與半導體異質接面
Chapter 10	Fundamentals of the Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor	MOS 場效電晶體的基本原理
Chapter 11	Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor: Additional Concepts	MOS 場效電晶體：進階概念
Chapter 12	The Bipolar Transistor	雙極性電晶體
Chapter 13	The Junction Field-Effect Transistor	接面場效電晶體

Part III — Specialized Semiconductor Devices｜特殊半導體元件

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 14	Optical Devices	光電元件
Chapter 15	Semiconductor Microwave and Power Devices	半導體微波與功率元件

教材特色

Neamen 的長處，在於循序銜接能帶理論、費米－狄拉克統計、載子濃度、漂移擴散與元件特性。書中也安排大量例題與習題，適合希望理解模型如何推導，而不是僅記住電流－電壓公式的讀者。作者同時說明，本書著重元件理論的入門，進階凝態物理與完整半導體製程並非主要範圍。

適合的角色：以 Neamen 作為整個半導體物理與元件課程的主教材，建立由材料物理通往電子元件的完整架構。

二、Grundmann：兼顧凝態物理基礎與現代半導體應用

Marius Grundmann｜The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Nanophysics and Applications｜第 3 版｜Springer｜24 章、附錄 A–J

作者的編寫理念

Grundmann 在第三版序言中說明，本書根據德國萊比錫大學（Universität Leipzig）物理碩士班的兩學期半導體物理課程編寫。作者希望學生藉由半導體物理與元件的系統訓練，日後能選擇專門領域，並開始在指導下進行實驗室研究。其內容刻意兼顧固態物理、半導體材料、各類元件及電子學和光子學的現代應用。

為沒有修過固態物理的讀者著想

作者序言中的重要說明：Grundmann 明確表示，本書即使讀者事先對固態物理（solid-state physics）與量子力學（quantum mechanics）幾乎沒有先備知識，也能循序學習，因此同樣適合大學部學生。這是作者對適用對象的直接說明，而不只是本文的推測。

因此，雖然本書源自物理碩士課程，卻沒有完全預設讀者已經修完固態物理與量子力學。為了幫助讀者理解半導體的微觀性質，書中從原子鍵結、晶體對稱性與倒晶格談起，接著引入晶格振動、聲子、Bloch 理論、能帶、缺陷、載子傳輸和光學性質。正文與十個附錄共同提供重要的理論支援。

當然，「不要求事先修完固態物理」並不代表缺乏數學門檻。部分章節涉及較深入的物理模型，仍需要配合數學推導與反覆研讀。

主要章節目錄（24 章）

Introduction｜緒論

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 1	Introduction	緒論

Part I — Fundamentals｜基本理論

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 2	Bonds	原子鍵結
Chapter 3	Crystals	晶體
Chapter 4	Defects	晶體缺陷
Chapter 5	Mechanical Properties	機械性質
Chapter 6	Band Structure	能帶結構
Chapter 7	Electronic Defect States	電子缺陷態
Chapter 8	Transport	載子傳輸
Chapter 9	Optical Properties	光學性質
Chapter 10	Recombination	復合現象

Part II — Selected Topics｜專題選論

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 11	Surfaces	表面
Chapter 12	Heterostructures	異質結構
Chapter 13	External Fields	外加場
Chapter 14	Nanostructures	奈米結構
Chapter 15	Polarized Semiconductors	極化半導體
Chapter 16	Magnetic Semiconductors	磁性半導體
Chapter 17	Organic Semiconductors	有機半導體
Chapter 18	Graphene and Carbon Nanotubes	石墨烯與碳奈米管
Chapter 19	Dielectric Structures	介電結構
Chapter 20	Transparent Conductive Oxide Semiconductors	透明導電氧化物半導體

Part III — Applications｜應用

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 21	Diodes	二極體
Chapter 22	Light-to-Electricity Conversion	光能轉換為電能
Chapter 23	Electricity-to-Light Conversion	電能轉換為光能
Chapter 24	Transistors	電晶體

理論附錄（Appendices A–J）

附錄	英文主題	繁體中文
Appendix A	Tensors	張量
Appendix B	Point and Space Groups	點群與空間群
Appendix C	Kramers–Kronig Relations	Kramers–Kronig 關係
Appendix D	Oscillator Strength	振子強度
Appendix E	Quantum Statistics	量子統計
Appendix F	Kronig–Penney Model	Kronig–Penney 模型
Appendix G	The k·p Perturbation Theory	k·p 微擾理論
Appendix H	Effective-Mass Theory	有效質量理論
Appendix I	Boltzmann Transport Theory	Boltzmann 傳輸理論
Appendix J	Noise	雜訊

這些附錄可協助讀者理解正文中使用的數學與理論。例如，Kronig–Penney 模型提供週期位能形成能帶的範例；有效質量理論連結能帶曲率與電子動力學；Boltzmann 傳輸理論則進一步討論散射與輸運性質。

全書的教學安排與特色

作者在序言中指出，第一學期以第 1–10 章的半導體物理基礎為主，並從第 11–20 章選擇部分專題；第二學期則以第 21–24 章的二極體、光電與電晶體為主。這使它兼具由基本物理入門與通往現代半導體研究兩項功能。

相較於 Neamen 以元件分析為最終主軸，Grundmann 對聲子、缺陷、半導體光學、異質結構與奈米材料的介紹更加廣泛。它不是必須等到讀完 Neamen 後才能使用的進階補充書，而是一部本身就具備循序入門設計的半導體物理教材。

適合的角色：補強 Neamen 較精簡的凝態物理內容；若讀者主要興趣是半導體材料與微觀物理，也可以直接以 Grundmann 為主教材。

三、Streetman & Banerjee：連結半導體物理與固態電子工程

Ben G. Streetman、Sanjay Kumar Banerjee｜Solid State Electronic Devices｜第 7 版｜Pearson｜10 章

作者的編寫理念

作者在第七版序言中指出，大學部電子元件課程有兩項任務：一是讓學生真正理解現有半導體元件，為往後的電子電路與系統奠定基礎；二是培養學生日後閱讀文獻、自行理解新型元件與技術的能力。他們認為，後者對長期的工程與研究發展同樣重要。

因此本書不只是介紹二極體與電晶體的公式，也提供固態材料與電子傳導的物理背景，讓讀者能以較廣泛的眼光理解各類電子元件。

適用對象與先備知識

本書主要為電機工程大學部學生設計，也適合其他對固態電子元件有興趣的學生，以及希望更新知識的工程師和研究人員。作者預期讀者具備大學二年級程度的物理基礎；對於需要較深量子力學或統計力學才能完整推導的結果，則採取適合入門階段的呈現方式。

主要章節目錄（10 章）

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 1	Crystal Properties and Growth of Semiconductors	半導體的晶體性質與晶體成長
Chapter 2	Atoms and Electrons	原子與電子
Chapter 3	Energy Bands and Charge Carriers in Semiconductors	半導體中的能帶與電荷載子
Chapter 4	Excess Carriers in Semiconductors	半導體中的過剩載子
Chapter 5	Junctions	接面
Chapter 6	Field-Effect Transistors	場效電晶體
Chapter 7	Bipolar Junction Transistors	雙極性接面電晶體
Chapter 8	Optoelectronic Devices	光電元件
Chapter 9	Integrated Circuits	積體電路
Chapter 10	High-Frequency, High-Power and Nanoelectronic Devices	高頻、高功率與奈米電子元件

教材特色

Streetman 的結構比較精簡：前四章涵蓋半導體材料與載子物理，中間章節介紹接面與電晶體，最後延伸至光電、積體電路及高頻、高功率與奈米元件。第七版亦涉及 FinFET、應變矽、high-k 材料及奈米電子等主題。

與 Neamen 相比，Streetman 更容易讓讀者從電子工程角度觀察多種元件的共通機制，特別適合在學習 MOSFET、BJT 與積體電路時同步對照。

適合的角色：將半導體基本物理轉化為電子元件與電路應用的工程補充教材。

四、Sze、Li & Ng：進階半導體元件物理

S. M. Sze、Yiming Li、Kwok K. Ng｜Physics of Semiconductor Devices｜第 4 版｜Wiley｜14 章

作者的編寫理念

《Physics of Semiconductor Devices》長期是半導體元件物理的重要教材與研究參考書。作者在第四版序言中說明，隨著元件技術及相關研究成果快速成長，有必要以系統化方式介紹經典元件、物理機制、現代技術與文獻資料。

第四版保留基本元件的分析，同時介紹負電容場效電晶體（NCFET）、穿隧場效電晶體（TFET）、三維非揮發性記憶體等新型技術。

適用對象與先備知識

本書適合應用物理、電機電子工程及材料科學領域的高年級學生、研究生，以及半導體元件的研發工程師與研究人員。第一章雖回顧半導體物理，但不像 Neamen 或 Grundmann 那樣從多章量子與凝態物理基礎展開；直接閱讀後續章節，通常需要先熟悉能帶、載子、漂移擴散及 pn 接面等觀念。

主要章節目錄（14 章）

Part I — Semiconductor Physics｜半導體物理

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 1	Physics and Properties of Semiconductors—A Review	半導體的物理與性質：回顧

Part II — Device Building Blocks｜元件基本構成

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 2	p–n Junctions	pn 接面
Chapter 3	Metal–Semiconductor Contacts	金屬－半導體接觸
Chapter 4	Metal–Insulator–Semiconductor Capacitors	金屬－絕緣層－半導體電容器

Part III — Transistors｜電晶體

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 5	Bipolar Transistors	雙極性電晶體
Chapter 6	MOSFETs	MOS 場效電晶體
Chapter 7	Nonvolatile Memory Devices	非揮發性記憶體元件
Chapter 8	JFETs, MESFETs, and MODFETs	JFET、MESFET 與 MODFET

Part IV — Negative-Resistance and Power Devices｜負電阻與功率元件

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 9	Tunnel Devices	穿隧元件
Chapter 10	IMPATT Diodes, TED, and RST Devices	IMPATT 二極體、轉移電子元件與實空間轉移元件
Chapter 11	Thyristors and Power Devices	閘流體與功率元件

Part V — Photonic Devices and Sensors｜光子元件與感測器

章次	英文原名	繁體中文章名
Chapter 12	LEDs and Lasers	發光二極體與雷射
Chapter 13	Photodetectors and Solar Cells	光偵測器與太陽能電池
Chapter 14	Sensors	感測器

教材特色

Sze 的價值在於詳細討論元件的物理機制、非理想效應與模型，並提供大量進一步研究所需的資料。完成基本 MOSFET、BJT、接面與光電元件理論之後，再閱讀相應章節，通常能得到更多元件層次的物理理解。

適合的角色：研究所進階教材，以及深入查詢元件模型、工作特性與研究文獻的參考書。

五、四本教科書的整體比較

比較項目	Neamen	Grundmann	Streetman	Sze
主要定位	材料與基本元件	半導體與凝態物理	固態電子學	進階元件物理
主要對象	電機系高年級	物理系大學部與研究生	電機系大學部	高年級、研究生與研發人員
主要章數	15	24，另有 10 個附錄	10	14
凝態物理篇幅	入門所需基礎	較廣且深入	元件所需基礎	第一章回顧
元件討論	循序入門	物理與應用並重	電子工程導向	深入且廣泛
建議角色	主教材	物理補強或獨立主教材	工程補充	進階參考

這四本書並不是單純由「容易」排列到「困難」的線性關係。Neamen 與 Grundmann 都具備入門教學功能，但一個以元件模型為重點，另一個對凝態與材料物理的討論更完整；Streetman 重視工程整合，Sze 則深入各種類型的元件。

六、閱讀順序與交叉閱讀

路線一：以半導體元件為主要目標

Neamen → Streetman → Sze
Neamen 建立材料與元件的基本理論；Streetman 補充電子工程與積體電路觀點；Sze 進一步深入元件模型與進階技術。Grundmann 隨時用來補足凝態物理背景。

路線二：以凝態物理與半導體材料為主要目標

Grundmann → Neamen → Streetman → Sze
先透過 Grundmann 建立晶體、聲子、能帶、缺陷與載子輸運等微觀理論，再以 Neamen 將材料物理連結至接面及電晶體，最後進入工程與進階元件。

路線三：以 Neamen 為主的交叉閱讀

若目標同時包含物理理論與半導體元件，不必四本書逐一讀完才開始下一本。實際上，更有效率的做法是以 Neamen 作為學習主線，遇到材料與凝態物理觀念時立即查閱 Grundmann，元件部分再參照 Streetman 與 Sze。

學習主題	Neamen 主線	Grundmann 補強	工程／進階對照
晶體與量子基礎	Ch. 1–3	Ch. 2–6	Streetman Ch. 1–3
能帶與載子統計	Ch. 3–4	Ch. 6–7、附錄 E–H	Streetman Ch. 3
傳輸與過剩載子	Ch. 5–6	Ch. 8、10、附錄 I	Streetman Ch. 4
pn 接面與二極體	Ch. 7–9	Ch. 11–12、21	Streetman Ch. 5；Sze Ch. 2–3
MOSFET、BJT、JFET	Ch. 10–13	Ch. 24	Streetman Ch. 6–7；Sze Ch. 4–8
光電與特殊元件	Ch. 14–15	Ch. 9–10、12、22–23	Streetman Ch. 8–10；Sze Ch. 9–14

例如，在 Neamen 讀到有效質量時，可以參照 Grundmann 的能帶與有效質量理論；遇到晶格散射，則搭配晶格振動與聲子章節；研究光電元件時，再補充半導體光學、激子與復合理論。這些交叉閱讀，有助於理解元件模型背後的微觀物理。

七、結語與參考書目

Neamen 提供由半導體材料到元件的清楚路線；Grundmann 由凝態物理出發，更深入討論晶格、聲子、能帶、缺陷、光學及現代半導體材料；Streetman 把半導體物理與固態電子工程結合；Sze 則提供深入的元件分析與專業研究參考。

尤其值得注意的是，Grundmann 明確為缺乏固態物理及量子力學先備知識的讀者保留了循序學習的可能，並在正文和附錄中安排相關基礎。它既能作為 Neamen 的凝態物理補充，也能成為以半導體材料為重心的獨立主教材。

四本書最理想的關係，不是互相取代，而是從不同角度共同建立「微觀量子物理 → 凝態與材料物理 → 電子傳輸 → 半導體元件 → 進階應用」的完整知識體系。

參考書目

• Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, 4th ed., McGraw-Hill.
• Marius Grundmann, The Physics of Semiconductors: An Introduction Including Nanophysics and Applications, 3rd ed., Springer.
• Ben G. Streetman and Sanjay Kumar Banerjee, Solid State Electronic Devices, 7th ed., Pearson.
• S. M. Sze, Yiming Li, and Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, 4th ed., Wiley.