半導體器件導論 An Introduction to Semiconductor Devices

本書是微電子學和集成電路設計專業的基礎教程，內容涵蓋了量子力學、固體物理、半導體物理和半導體器件的全部內容。本書在介紹學習器件物理所必需的基礎理論之後，重點討論了pn結、金屬-半導體接觸、MOS場效應晶體管和雙極型晶體管的工作原理和基本特性。最後論述了結型場效應晶體管、晶閘管、MEMS和半導體光電器件的相關內容。全書內容豐富，脈絡清晰，說理透徹，淺顯易懂。書中各章給出了大量的分析或設計實例，增強讀者對基本理論和概念的理解。每章末均安排有小結和復習提綱，並提供大量的自測題和習題。

第1章 固體的晶體結構 1.1 半導體材料 1.2 固體類型 1.3 空間點陣 1.3.1 原胞與晶胞 1.3.2 基本晶體結構 1.3.3 晶面和米勒指數 1.3.4 金剛石結構 1.4 原子價鍵 1.5 固體中的缺陷和雜質 1.5.1 固體缺陷 1.5.2 固體中的雜質 Σ1.6 半導體材料生長 1.6.1 熔體生長 1.6.2 外延生長 Σ1.7 器件制備技術： 氧化 1.8 小結知識點復習題習題參考文獻第2章 固體理論 2.1 量子力學的基本原理 2.1.1 能量子 2.1.2 波粒二象性 2.2 能量量子化和概率 2.2.1 波函數的物理意義 2.2.2 單電子原子 2.2.3 元素周期表 2.3 能帶理論 2.3.1 能帶的形成 2.3.2 能帶與價鍵模型 2.3.3 載流子——電子和空穴 2.3.4 有效質量 2.3.5 金屬、 絕緣體和半導體 2.3.6 k空間能帶圖 2.4 態密度函數 2.5 統計力學 2.5.1 統計規律 2.5.2 費米-狄拉克分佈和費米能級 2.5.3 麥克斯韋-玻爾茲曼近似 2.6 小結知識點復習題習題參考文獻第3章 平衡半導體 3.1 半導體中的載流子 3.1.1 電子和空穴的平衡分佈 3.1.2 平衡電子和空穴濃度方程 3.1.3 本徵載流子濃度 3.1.4 本徵費米能級的位置 3.2 摻雜原子與能級 3.2.1 定性描述 3.2.2 電離能 3.2.3 Ⅲ-Ⅴ族半導體 3.3 非本徵半導體的載流子分佈 3.3.1 電子和空穴的平衡分佈 3.3.2 n0p0積 Σ3.3.3費米-狄拉克積分 3.3.4 簡並與非簡並半導體 3.4 施主和受主的統計分佈 3.4.1 概率分佈函數 Σ3.4.2完全電離與凍析 3.5 載流子濃度——摻雜的影響 3.5.1 補償半導體 3.5.2 平衡電子和空穴濃度 3.6 費米能級的位置——摻雜和溫度的影響 3.6.1 數學推導 3.6.2 EF隨摻雜濃度和溫度的變化 3.6.3 費米能級的關聯性 Σ3.7器件制備技術： 擴散和離子註入 3.7.1 雜質原子擴散 3.7.2 離子註入 3.8 小結知識點復習題習題參考文獻第4章 載流子輸運和過剩載流子現象 4.1 載流子的漂移運動 4.1.1 漂移電流密度 4.1.2 遷移率 4.1.3 半導體的電導率和電阻率 4.1.4 速度飽和 4.2 載流子的擴散運動 4.2.1 擴散電流密度 4.2.2 總電流密度 4.3 漸變雜質分佈 4.3.1 感應電場 4.3.2 愛因斯坦關系 4.4 載流子的產生與復合 4.4.1 平衡半導體 4.4.2 過剩載流子的產生與復合 4.4.3 產生-復合過程 Σ4.5霍爾效應 4.6 小結知識點復習題習題參考文獻第5章 pn結和金屬-半導體接觸 5.1 pn結的基本結構 5.2 零偏pn結 5.2.1 內建電勢 5.2.2 電場強度 5.2.3 空間電荷區寬度 5.3 反偏pn結 5.3.1 空間電荷區寬度與電場 5.3.2 勢壘電容 5.3.3 單邊突變結 5.4 金屬-半導體接觸——整流結 5.4.1 肖特基勢壘結 5.4.2 反偏肖特基結 5.5 正偏結簡介 5.5.1 pn結 5.5.2 肖特基勢壘結 5.5.3 肖特基二極管和pn結二極管的比較 Σ5.6金屬-半導體的歐姆接觸 Σ5.7非均勻摻雜pn結 5.7.1 線性緩變結 5.7.2 超突變結 Σ5.8器件制備技術： 光刻、 刻蝕和鍵合 5.8.1 光學掩膜版和光刻 5.8.2 刻蝕 5.8.3 雜質擴散或離子註入 5.8.4 金屬化、 鍵合和封裝 5.9 小結知識點復習題習題參考文獻第6章 MOS場效應晶體管基礎 6.1 MOS場效應晶體管作用 6.1.1 基本工作原理 6.1.2 工作模式 6.1.3 MOSFET放大 6.2 雙端MOS電容 6.2.1 能帶結構和電荷分佈 6.2.2 耗盡層厚度 6.3 MOS電容的電勢差 6.3.1 功函數差 6.3.2 氧化層電荷 6.3.3 平帶電壓 6.3.4 閾值電壓 Σ6.3.5電場分佈 6.4 電容-電壓特性 6.4.1 理想C-V特性 Σ6.4.2頻率影響 Σ6.4.3氧化層固定電荷和界面電荷的影響 6.5 MOSFET基本工作原理 6.5.1 MOSFET結構 6.5.2 電流-電壓關系——基本概念 Σ6.5.3電流-電壓關系——數學推導 6.5.4 襯底偏置效應 6.6 小信號等效電路及頻率限制因素 6.6.1 跨導 6.6.2 小信號等效電路 6.6.3 頻率限制因素與截止頻率 Σ6.7器件制備技術 6.7.1 NMOS晶體管的制備 6.7.2 CMOS技術 6.8 小結知識點復習題習題參考文獻第7章 MOS場效應晶體管的其他概念 7.1 MOSFET按比例縮小法則 7.1.1 恆電場按比例縮小法則 7.1.2 閾值電壓——一級近似 7.1.3 一般按比例縮小法則 7.2 非理想效應 7.2.1 亞閾值電導 7.2.2 溝道長度調制效應 7.2.3 溝道遷移率變化 7.2.4 速度飽和 7.3 閾值電壓修正 7.3.1 短溝道效應 7.3.2 窄溝道效應 7.3.3 襯底偏置效應 7.4 其他電學特性 7.4.1 氧化層擊穿 7.4.2 臨界穿通或漏致勢壘降低(DIBL) 7.4.3 熱電子效應 7.4.4 離子註入調整閾值電壓 7.5 器件制備技術： 特種器件 7.5.1 輕摻雜漏晶體管 7.5.2 絕緣體上MOSFET 7.5.3 功率MOSFET 7.5.4 MOS存儲器 7.6 小結知識點復習題習題參考文獻第8章 半導體中的非平衡過剩載流子 8.1 載流子的產生與復合 8.2 過剩載流子的分析 8.2.1 連續性方程 8.2.2 時間相關的擴散方程 8.3 雙極輸運 8.3.1 雙極輸運方程的推導 8.3.2 非本徵摻雜和小註入限制 8.3.3 雙極輸運方程的應用 8.3.4 介電弛豫時間常數 8.3.5 海恩斯-肖克利實驗 8.4 準費米能級 8.5 過剩載流子的壽命 8.5.1 肖克利-里德-霍爾(SRH)復合理論 8.5.2 非本徵摻雜和小註入限制 8.6 錶面效應 8.6.1 錶面態 8.6.2 錶面復合速度 8.7 小結知識點復習題習題參考文獻第9章 pn結二極管與肖特基二極管 9.1 pn結和肖特基勢壘結的回顧 9.1.1 pn結 9.1.2 肖特基勢壘結 9.2 pn結——理想電流-電壓特性 9.2.1 邊界條件 9.2.2 少子分佈 9.2.3 理想pn結電流 9.2.4 物理小結 9.2.5 溫度效應 9.2.6 短二極管 9.2.7 本節小結 9.3 肖特基二極管——理想電流-電壓關系 9.3.1 肖特基二極管 9.3.2 肖特基二極管與pn結二極管的比較 9.4 pn結二極管的小信號模型 9.4.1 擴散電阻 9.4.2 小信號導納 9.4.3 等效電路 9.5 產生-復合電流 9.5.1 反偏產生電流 9.5.2 正偏復合電流 9.5.3 總正偏電流 9.6 結擊穿 9.7 電荷存儲與二極管瞬態 9.7.1 關瞬態 9.7.2 開瞬態 9.8 小結知識點復習題習題參考文獻第10章 雙極型晶體管 10.1 雙極型晶體管的工作原理 10.1.1 基本工作原理 10.1.2 簡化的晶體管電流關系 10.1.3 工作模式 10.1.4 雙極型晶體管放大電路 10.2 少子分佈 10.2.1 正向有源模式 10.2.2 其他工作模式 10.3 低頻共基極電流增益 10.3.1 貢獻因子 10.3.2 電流增益系數的數學推導 10.3.3 本節小結 10.3.4 增益系數的計算實例 10.4 非理想效應 10.4.1 基區寬度調制 10.4.2 大註入效應 10.4.3 發射區帶隙變窄 10.4.4 電流集邊效應 Σ10.4.5非均勻基區摻雜 10.4.6 擊穿電壓 10.5 混合π型等效電路模型 10.6 頻率限制 10.6.1 時延因子 10.6.2 晶體管的截止頻率 Σ10.7大信號開關特性 Σ10.8器件制備技術 10.8.1 多晶硅發射極雙極型晶體管 10.8.2 雙多晶硅npn晶體管的制備 10.8.3 SiGe基區晶體管 10.8.4 功率雙極型晶體管 10.9 小結知識點復習題習題參考文獻第11章 其他半導體器件及器件概念 11.1 結型場效應晶體管 11.1.1 pn JFET 11.1.2 MESFET 11.1.3 電學特性 11.2 異質結 11.2.1 異質結簡介 11.2.2 異質結雙極型晶體管 11.2.3 高電子遷移率晶體管（HEMT） 11.3 晶閘管 11.3.1 基本特性 11.3.2 SCR的觸發機理 11.3.3 器件結構 11.4 MOSFET的其他概念 11.4.1 閂鎖效應 11.4.2 擊穿效應 11.5 微機電系統 11.5.1 加速度計 11.5.2 噴墨打印機 11.5.3 生物醫學傳感器 11.6 小結知識點復習題習題參考文獻第12章 光子器件 12.1 光吸收 12.1.1 光吸收系數 12.1.2 電子-空穴對的產生率 12.2 太陽能電池 12.2.1 pn結太陽能電池 12.2.2 轉換效率與太陽光聚集 12.2.3 異質結太陽能電池 12.2.4 非晶硅太陽能電池 12.3 光電探測器 12.3.1 光電導探測器 12.3.2 光電二極管 12.3.3 PIN光電二極管 12.3.4 雪崩光電二極管 12.3.5 光電晶體管 12.4 發光二極管 12.4.1 光產生 12.4.2 內量子效率 12.4.3 外量子效率 12.4.4 LED器件 12.5 激光二極管 12.5.1 受激輻射與粒子數反轉 12.5.2 光學諧振腔 12.5.3 閾值電流 12.5.4 器件結構與特性 12.6 小結知識點復習題習題參考文獻附錄A 部分參數符號列表附錄B 單位制、 單位換算和通用常數附錄C 元素周期表附錄D 能量單位——電子伏特附錄E 薛定諤方程的“推導”和應用附錄F 部分習題答案中英文術語對照表