半導體器件基礎 (原著第二版) Fundamentals of SemiconductorDevices, Second Edition

Betty Lise Anderson
自1990年起任職於美國俄亥俄州立大學。她於1990年在佛蒙特大學獲得材料科學與電氣工程博士學位，此前還於1988年在該校取得碩士學位，專業研究領域為光子學。曾在工業界工作九年，曾任職於Tektronix, Inc.、C.S. Draper Labs 及 GTE Laboratories,有著豐富的半導體器件研發經驗。
2022年，榮獲美國國家科學委員會公共服務獎。她是國際光學工程學會（SPIE）會士，同時也是電氣電子工程師學會（IEEE）及美國光學學會（OSA）的高級會員。
任凱亮
博士，研究員，國家級人才計劃專家（青年類）,北京市海外高層次人才（全職類）。2007年，獲美國賓夕法尼亞州立大學電子工程系博士學位。2009-2014年，先後在美國賓夕法尼亞州立大學、約翰斯 ．霍普金斯大學擔任博士後、助理研究科學家等職務。2015年至今，擔任中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員。
在 Science、Advanced Materials、Advanced Sciences, Advanced Funetional Materials、Nano Energy、ACS Nano等國際著名期刊發表SCI論文超過90篇，獲授權美國專利3項、中國專利7項，另有中國專利申請10餘項。受邀在國際國內會議進行邀請報告 50餘次，文章被引用次數超過6000次。另外，還擔任電子元器件關鍵材料與技術專業委員會資深委員、天津大學微電子學院校友會常任理事等社會職務。
在電子材料領域有20年研究經驗，在電介質儲能、撓曲光伏效應、壓電聚合物與陶瓷能量收集等方面做出了有國際影響力的突出貢獻。

第1部分 材料
第1章 半導體中的電子能量和狀態 2
1.1 引言 2
1.2 簡要歷史 2
1.3 氫原子的應用 3
1.3.1 氫原子的玻爾模型 3
1.3.2 氫原子在分子上的應用：共價鍵 9
1.3.3 量子數和泡利不相容原理 10
1.3.4 晶體中的共價鍵 11
1.4 波粒二象性 16
1.5 波函數 18
1.6 電子波函數 18
1.6.1 一維自由電子 19
1.6.2 德布羅意關系 21
1.6.3 三維自由電子 22
1.6.4 準自由電子模型 23
1.6.5 反射和隧穿 27
1.7 光吸收和光發射的初步理解 28
1.8 晶體結構、晶面和晶向 32
1.9 小結 34
1.10 參考文獻 35
1.11 覆習題 35
1.12 思考題 36
第2章 均勻半導體 41
2.1 引言 41
2.2 適用於晶體中電子的準經典力學 42
2.2.1 一維晶體 42
2.2.2 三維晶體 47
2.3 導帶結構 48
2.4 價帶結構 49
2.5 本征半導體 50
2.6 非本征半導體 52
2.6.1 施主 52
2.6.2 受主 56
2.7 空穴的概念 57
2.8 電子和空穴的有效質量 59
2.9 能帶中電子的態密度函數 60
2.10 費米- 狄拉克統計 62
2.11 電子和空穴隨能量的分布 65
2.12 非簡並半導體中載流子濃度的溫度相關性 76
2.12.1 高溫下的載流子濃度 77
2.12.2 低溫下的載流子濃度（載流子凍結） 81
2.13 簡並半導體 81
2.13.1 雜質引起的帶隙變窄 81
2.13.2 表觀帶隙變窄 83
2.14 小結 85
2.14.1 非簡並半導體 86
2.14.2 簡並半導體 87
2.15 參考文獻 87
2.16 覆習題 88
2.17 思考題 88
第3章 均勻半導體的電流 96
3.1 引言 96
3.2 漂移電流 96
3.3 載流子遷移率 100
3.3.1 載流子散射 103
3.3.2 散射遷移率 104
3.3.3 雜質能帶中的遷移率 106
3.3.4 遷移率的溫度依賴性 108
3.3.5 高場效應 108
3.4 擴散電流 110
3.5 載流子產生和覆合 113
3.5.1 帶間產生和覆合 114
3.5.2 兩步過程 114
3.6 半導體中的光學過程 115
3.6.1 吸收 115
3.6.2 光發射 118
3.7 連續性方程 119
3.8 少數載流子壽命 121
3.8.1 上升時間 123
3.8.2 下降時間 124
3.9 少數載流子擴散長度 126
3.10 準費米能級 128
3.11 小結 130
3.12 參考文獻 132
3.13 覆習題 132
3.14 思考題 133
第4章 非均勻半導體 137
4.1 平衡態時費米能級的恒定性 137
4.2 緩變摻雜 139
4.3 非均勻組分 143
4.4 緩變摻雜和緩變組分的結合 146
4.5 小結 148
4.6 參考文獻 148
4.7 覆習題 148
4.8 思考題 148
第1部分補充材料 量子力學導論 152
S1.1 引言 152
S1.2 波函數 152
S1.3 概率與波函數 154
S1.4 薛定諤方程 156
S1.5 將薛定諤方程應用於電子 157
S1.6 量子力學中的一些結果 158
S1.6.1 自由電子 158
S1.6.2 準自由電子 159
S1.6.3 能量勢阱 160
S1.6.4 一維無限深勢阱 161
S1.6.5 有限深勢壘處的反射和透射 163
S1.6.6 隧穿效應 165
S1.6.7 有限深勢阱 172
S1.6.8 重新討論氫原子 173
S1.6.9 不確定性原理 174
S1.7 聲子 175
S1.7.1 聲子導致的載流子散射 178
S1.7.2 間接電子躍遷 180
S1.8 小結 183
S1.9 參考文獻 183
S1.10 覆習題 184
S1.11 思考題 184
第2部分 二極管
第5章 原型同質pn 結 193
5.1 引言 193
5.2 原型pn 結（定性分析） 194
5.2.1 原型pn 結的能帶圖 194
5.2.2 原型同質pn 結中的電流流向 200
5.2.3 隧道二極管 204
5.3 原型同質pn 結（定量分析） 206
5.3.1 平衡態能帶圖（突變結） 207
5.3.2 外加電壓下的能帶圖 209
5.3.3 同質pn 結的電流- 電壓特性 214
5.3.4 反向偏壓擊穿 232
5.4 原型同質結的小信號阻抗 234
5.4.1 結（差分） 電阻 235
5.4.2 結（差分） 電容 236
5.4.3 存儲電荷電容 237
5.5 瞬態效應 241
5.5.1 關斷瞬態 241
5.5.2 導通瞬態 243
5.6 溫度的影響 247
5.7 小結 247
5.7.1 內建電壓 248
5.7.2 結寬 248
5.7.3 結電流 249
5.7.4 結擊穿 250
5.7.5 電容 250
5.7.6 瞬態效應 251
5.8 覆習題 251
5.9 思考題 251
第6章 二極管的其他註意事項 256
6.1 引言 256
6.2 非突變同質結 256
6.2.1 線性緩變結 260
6.2.2 超突變結 262
6.3 半導體異質結 263
6.3.1 半導體- 半導體異質結能帶圖 263
6.3.2 隧穿誘導偶極子 266
6.3.3 界面態效應 270
6.3.4 晶格失配對異質結的影響 272
6.4 金屬- 半導體結 273
6.4.1 理想金屬- 半導體結（電子親和能模型） 273
6.4.2 界面誘導偶極子的影響 274
6.4.3 金屬- 半導體結的電流- 電壓特性 276
6.4.4 歐姆（低阻） 接觸 279
6.4.5 異質結二極管的I-Va 特性 280
6.5 非理想半導體結和異質結中的電容 280
6.6 小結 281
6.7 參考文獻 281
6.8 覆習題 282
6.9 思考題 282
第2部分補充材料 二極管 286
S2.1 引言 286
S2.2 介電弛豫時間 286
S2.2.1 情況1：多數載流子的介電弛豫時間 286
S2.2.2 情況2：少數載流子的介電弛豫時間 288
S2.3 結電容 289
S2.3.1 原型（突變） 結中的結電容 289
S2.3.2 非均勻摻雜結中的結電容 291
S2.3.3 變容二極管 292
S2.3.4 短基二極管的存儲電荷電容 293
S2.4 肖特基二極管的二階效應 295
S2.4.1 肖特基勢壘的隧穿 296
S2.4.2 鏡像效應導致的肖特基二極管勢壘降低 297
S2.5 小結 299
S2.6 參考文獻 300
S2.7 覆習題 300
S2.8 思考題 300
第3部分 場效應晶體管
第7章 MOSFET 311
7.1 引言 311
7.2 MOSFET（定性分析） 311
7.2.1 MOS 電容器簡介 311
7.2.2 MOS 電容器混合圖 316
7.2.3 平衡態MOSFET（定性分析） 318
7.2.4 非平衡態MOSFET （定性分析） 320
7.3 MOSFET 漂移模型（定量分析） 328
7.3.1 恒定溝道遷移率的長溝道漂移MOSFET 模型 329
7.3.2 更實際的長溝道模型：電場對遷移率的影響 341
*7.3.3 串聯電阻 356
7.4 模型與實驗數據的比較 357
7.5 MOSFET 的彈道模型 358
7.6 短溝道效應 361
7.6.1 有效溝道長度對VDS 的依賴性 361
7.6.2 漏極電壓與閾值電壓的依賴性 363
7.7 亞閾值泄漏電流 363
7.8 小結 366
7.9 參考文獻 369
7.10 覆習題 369
7.11 思考題 369
第8章 其他場效應晶體管 373
8.1 引言 373
8.2 閾值電壓和低場遷移率的測量 373
8.3 補償型MOSFET（CMOS） 377
8.3.1 CMOS 反相器的運行原理 378
8.3.2 CMOS 器件的匹配 380
8.4 CMOS 反相器電路中的開關特性 382
8.4.1 負載電容的影響 382
8.4.2 CMOS 開關電路中的傳輸（門） 延遲 383
8.4.3 COMS 開關中的直通電流 386
8.5 其他MOSFET 386
8.5.1 絕緣體上矽（SOI）MOSFET 387
8.5.2 FinFET 394
8.5.3 非易失性MOSFET 396
8.6 其他FET 398
8.6.1 異質結場效應晶體管（HFET） 398
8.6.2 金屬- 半導體場效應晶體管（MESFET） 404
8.6.3 結型場效應晶體管（JFET） 407
8.6.4 隧道場效應晶體管（TFET） 409
8.7 體溝道場效應晶體管：定量分析 411
8.8 小結 413
8.9 參考文獻 414
8.10 覆習題 415
8.11 思考題 415
第3部分補充材料 MOSFET 的其他註意事項 418
S3.1 引言 418
S3.2 溝道電荷Qch 與縱向電場L 的關系 418
S3.3 MOSFET 的閾值電壓 419
S3.3.1 固定電荷 421
S3.3.2 界面陷阱電荷 421
S3.3.3 體電荷 422
S3.3.4 電荷對閾值電壓的影響 422
S3.3.5 平帶電壓 423
S3.3.6 閾值電壓的控制 426
S3.3.7 溝道量子效應 428
S3.4 MOSFET 模擬等效電路 430
S3.4.1 小信號等效電路 431
S3.4.2 CMOS 放大器 434
S3.5 單位電流增益截止頻率fT 435
S3.6 MOS 電容 436
S3.6.1 理想MOS 電容 437
S3.6.2 實際MOS 電容的C-VG特性 441
S3.6.3 基於C-VG 測量數據的MOSFET 參數分析 442
S3.7 動態隨機存取存儲器（DRAM） 442
S3.8 MOSFET 的縮放 445
*S3.9 器件和互連的退化 447
S3.10 小結 452
S3.11 參考文獻 453
S3.12 覆習題 453
S3.13 思考題 454
第4部分 雙極晶體管（BJT）
第9章 雙極晶體管：靜態特性 462
9.1 引言 462
9.2 輸出特性（定性分析） 465
9.3 電流增益 467
9.4 雙極晶體管的原型模型 469
9.4.1 收集效率M 472
9.4.2 註入效率γ 472
9.4.3 基極傳輸效率α T 473
9.5 雙極晶體管中的緩變摻雜 479
9.5.1 緩變基區晶體管 481
9.5.2 基區電場對β 的影響 484
9.6 異質結雙極晶體管（HBT） 486
9.6.1 均勻摻雜的HBT 487
9.6.2 緩變組分的HBT——Si：SiGe 基區：Si HBT 489
9.6.3 雙異質結雙極晶體管（DHBT） 491
9.7 Si 基區BJT、SiGe 基區HBT 和GaAs 基區HBT 的對比 492
9.8 基本Ebers-Moll 直流電路模型 493
9.9 小結 495
9.10 參考文獻 497
9.11 覆習題 497
9.12 思考題 498
第10章 雙極晶體管的時變分析 502
10.1 引言 502
10.2 Ebers-Moll 交流模型 502
10.3 小信號等效電路 503
10.4 BJT 中的存儲電荷電容 509
10.5 頻率響應 513
10.5.1 單位電流增益頻率fT 514
10.5.2 基區渡越時間tT 515
10.5.3 基區- 集電區渡越時間tBC 517
10.5.4 最大振蕩頻率f max 517
10.6 高頻晶體管 517
10.7 雙極開關晶體管 519
10.7.1 輸出從低到高的轉換時間 520
10.7.2 肖特基鉗位晶體管 522
10.7.3 雙異質結雙極晶體管（DHBT） 523
10.8 BJT、MOSFET 和BiMOS 524
10.8.1 BJT 和MOSFET 的比較 524
10.8.2 雙極-MOS 管（BiMOS） 525
10.9 小結 526
10.10 參考文獻 526
10.11 覆習題 527
10.12 思考題 527
第4部分補充材料 雙極器件 529
S4.1 引言 529
S4.2 BJT 中的電流擁擠和基極電阻 529
S4.3 基區寬度調制（厄利效應） 532
S4.4 雪崩擊穿 536
S4.5 高註入 537
S4.6 基區擴展（柯克） 效應 538
S4.7 發射極- 基極結中的覆合 539
S4.8 BJT 中的失調電壓 540
S4.9 橫向雙極晶體管 541
S4.10 小結 542
S4.11 參考文獻 542
S4.12 覆習題 543
S4.13 思考題 543
第5部分 光電器件與功率半導體器件
第11章 光電器件 546
11.1 引言 546
11.2 光電探測器 547
11.2.1 通用光電探測器 547
*11.2.2 太陽能電池 553
11.2.3 pin（PIN） 光電探測器 558
11.2.4 雪崩光電二極管 559
11.3 發光二極管（LED） 560
11.3.1 正向偏置結中的自發輻射 560
*11.3.2 藍光LED、紫外LED 和白光LED 562
11.3.3 紅外LED 562
11.3.4 白光LED 和固態照明 567
11.4 激光二極管 570
11.4.1 光學增益 570
11.4.2 反饋 573
11.4.3 增益+ 反饋= 激光器 575
11.4.4 激光器結構 577
11.4.5 其他半導體激光材料 580
11.5 圖像傳感器（成像器件） 581
11.5.1 電荷耦合器件 581
11.5.2 線性圖像傳感器 583
11.5.3 面陣圖像傳感器 584
11.6 小結 585
11.7 參考文獻 586
11.8 覆習題 586
11.9 思考題 587
第12章 功率半導體器件 591
12.1 引言 591
12.2 整流二極管 591
12.2.1 結擊穿 592
12.2.2 比導通電阻 601
12.2.3 瞬態損耗 607
12.2.4 合並式PIN-肖特基（MPS）二極管 611
12.3 晶閘管（npnp 型開關器件） 612
12.3.1 四層二極管開關 613
12.3.2 晶閘管（npnp 開關） 的雙晶體管模型 615
12.3.3 可控矽整流器（SCR） 616
12.3.4 雙向晶閘管（TRIAC） 619
12.3.5 柵極關斷晶閘管（GTO） 619
12.4 功率MOSFET 621
12.5 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 626
12.6 功率MOSFET 與IGBT 629
12.7 小結 630
12.8 參考文獻 631
12.9 覆習題 631
12.10 思考題 632
附錄 634
附錄A 常數 634
附錄B 符號表 638
附錄C 半導體器件的制造 645
C.1 引言 645
C.2 襯底準備 645
C.3 摻雜 651
C.4 光刻技術 654
C.5 導體和絕緣體 654
C.6 氮氧化矽（SiOxNy 或SiON） 658
C.7 超凈間 660
C.8 封裝 660
C.9 小結 663
附錄D 一些有用的積分 664
附錄E 一些有用的公式 664
普通物理學 664
半導體材料 664
結 665
場效應晶體管 666
雙極晶體管 668
光電器件 671
功率半導體器件 672