半导体物理与器件

目录

第一部分 半导体材料属性

第1章 固体晶格结构1

1.0预习1

1.1 半导体材料1

1.2 固体类型2

1.3 空间晶格3

1.3.1 原胞和晶胞3

1.3.2 基本的晶体结构4

1.3.3 晶面和密勒指数6

1.3.4 晶向9

1.4 金刚石结构10

1.5 原子价键12

*1.6 固体中的缺陷和杂质14

1.6.1 固体中的缺陷14

1.6.2 固体中的杂志16

*1.7 半导体材料的生长17

1.7.1 在熔融体中生长17

1.7.2 外延生长19

1.8 小结20

重要术语解释20

知识点21

复习题21

习题21

参考文献24

第2章 量子力学初步25

2.0预习25

2.1 量子力学的基本原理25

2.1.1 能量量子化26

2.1.2 波粒二相性27

2.1.3 不确定原理30

2.2 薛定谔波动方程31

2.2.1 波动方程31

2.2.2 波函数的物理意义32

2.2.3 边界条件33

2.3 薛定谔波动方程的应用34

2.3.1 自由空间中的电子35

2.3.2 无限深势阱36

2.3.3 阶跃势函数39

2.3.4 势垒和隧道效应44

2.4 原子波动理论的延伸46

2.4.1 单电子原子46

2.4.2 周期表50

2.5 小结51

重要术语解释51

知识点52

复习题52

习题52

参考文献57

第3章 固体量子理论初步58

3.0预习58

3.1 允带与禁带58

3.1.1 能带的形成59

3.1.2 克龙尼克-潘纳模型63

3.1.3 k空间能带图67

3.2 固体中电的传导72

3.2.1 能带和键模型72

3.2.2 漂移电流74

3.2.3 电子的有效质量75

3.2.4 空穴的概念78

3.2.5 金属、绝缘体和半导体80

3.3 三维扩展83

3.3.1 硅和砷化镓的k空间能带图83

3.3.2 有效质量的补充概念85

3.4 状态密度函数85

3.4.1 数学推导85

3.4.2 扩展到半导体88

3.5 统计力学91

3.5.1 统计规律91

3.5.2 费米-狄拉克概率函数91

3.5.3 分布函数和费米能级93

3.6 小结98

重要术语解释98

知识点99

复习题99

习题100

参考文献104

第4章 平衡半导体106

4.0预习106

4.1 半导体中的载流子106

4.1.1 电子和空穴的平衡分布107

4.1.2 n0方程和p0方程109

4.1.3 本征载流子浓度113

4.1.4 本征费米能级位置116

4.2 掺杂原子与能级118

4.2.1 定性描述118

4.2.2 电离能120

4.2.3 III-V族半导体122

4.3 非本征半导体123

4.3.1 电子和空穴的平衡状态分布123

4.3.2 n0和p0的乘积127

*4.3.3 费米-狄拉克积分128

4.3.4 简并与非简并半导体130

4.4 施主和受主的统计学分布131

4.4.1 概率函数131

4.4.2 完全电离与束缚态132

4.5 电中性状态135

4.5.1 补偿半导体135

4.5.2 平衡电子和空穴浓度136

4.6 费米能级的位置141

4.6.1 数学推导142

4.6.2 EF随掺杂浓度和温度的变化144

4.6.3 费米能级的应用145

4.7 小结147

重要术语解释148

知识点148

复习题149

习题149

参考文献154

第5章 载流子输运现象156

5.0预习156

5.1 载流子的漂移运动156

5.1.1 漂移电流密度156

5.1.2 迁移率159

5.1.3 电导率164

5.1.4 饱和速度169

5.2 载流子扩散172

5.2.1 扩散电流密度172

5.2.2 总电流密度175

5.3 杂质梯度分布176

5.3.1 感生电场176

5.3.2 爱因斯坦关系178

*5.4 霍尔效应180

5.5 小结183

重要术语解释183

知识点184

复习题184

习题184

参考文献191

第6章 半导体中的非平衡过剩载流子192

6.0预习192

6.1 载流子的产生与复合193

6.1.1 平衡态半导体193

6.1.2 过剩载流子的产生与复合194

6.2 过剩载流子的性质198

6.2.1 连续性方程198

6.2.2 与时间有关的扩散方程199

6.3 双极输运201

6.3.1 双极输运方程的推导201

6.3.2 掺杂及小注入的约束条件203

6.3.3 双极输运方程的应用206

6.3.4 介电弛豫时间常数214

*6.3.5 海恩斯-肖克莱实验216

6.4 准费米能级219

*6.5 过剩载流子的寿命221

6.5.1 肖克莱-里德-霍尔复合理论221

6.5.2 非本征掺杂和小注入的约束条件225

*6.6 表面效应227

6.6.1 表面态227

6.6.2 表面复合速度229

6.7 小结231

重要术语解释231

知识点232

复习题233

习题233

参考文献240

第二部分 半导体器件基础

第7章 pn结241

7.0预习241

7.1 pn结的基本结构241

7.2 零偏243

7.2.1 内建电势差243

7.2.2 电场强度246

7.2.3 空间电荷区宽度249

7.3 反偏251

7.3.1 空间电荷区宽度与电场251

7.3.2 势垒电容（结电容）254

7.3.3 单边突变结256

7.4 结击穿258

*7.5 非均匀掺杂pn结262

7.5.1 线性缓变结263

7.5.2 超突变结265

7.6 小结267

重要术语解释268

知识点268

复习题269

习题269

参考文献275

第8章 pn结二极管276

8.0预习276

8.1 pn结电流276

8.1.1 pn结内电荷流动的定性描述277

8.1.2 理想的电流-电压关系278

8.1.3 边界条件279

8.1.4 少数载流子分布283

8.1.5 理想pn结电流286

8.1.6 物理学小结290

8.1.7 温度效应292

8.1.8 短二极管293

8.2 产生-复合电流和高注入级别295

8.2.1 产生复合电流296

8.2.2 高级注入302

8.3 pn结的小信号模型304

8.3.1 扩散电阻305

8.3.2 小信号导纳306

8.3.3 等效电路313

*8.4 电荷存储与二极管瞬态314

8.4.1 关瞬态315

8.4.2 开瞬态317

*8.5 隧道二极管318

8.6 小结321

重要术语解释322

知识点322

复习题323

习题323

参考文献330

第9章 金属半导体和半导体异质结331

9.0预习331

9.1 肖特基势垒二极管331

9.1.1 性质上的特征332

9.1.2 理想结的特性334

9.1.3 影响肖特基势垒高度的

非理想因素338

9.1.4 电流-电压关系342

9.1.5 肖特基势垒二极管与pn结

二极管的比较345

9.2 金属-半导体的欧姆接触349

9.2.1 理想非整流接触势垒349

9.2.2 隧道效应351

9.2.3 比接触电阻352

9.3 异质结354

9.3.1 形成异质结的材料354

9.3.2 能带图354

9.3.3 二维电子气356

*9.3.4 静电平衡态358

*9.3.5 电流-电压特性363

9.4 小结363

重要术语解释364

知识点364

复习题365

习题365

参考文献370

第10章 金属-氧化物-半导体

场效应晶体管基础371

10.0预习371

10.1 双端MOS结构371

10.1.1 能带图372

10.1.2 耗尽层厚度376

10.1.3 面电荷密度380

10.1.4 功函数差382

10.1.5 平带电压385

10.1.6 阈值电压388

10.2 电容-电压特性394

10.2.1 理想C-V特性394

10.2.2 频率特性399

10.2.3 固定栅氧化层电荷和

界面电荷效应400

10.3 MOSFET基本工作原理403

10.3.1 MOSFET结构403

10.3.2 电流-电压关系——概念404

*10.3.3 电流-电压关系——数学推导410

*10.3.4 跨导418

10.3.5 衬底偏置效应419

10.4 频率限制特性422

10.4.1 小信号等效电路422

10.4.2 频率限制因素和截止频率425

*10.5 CMOS技术427

10.6 小结430

重要术语解释431

知识点432

复习题432

习题433

参考文献441

第11章 金属-氧化物-半导体

场效应晶体管：概念的深入443

11.0预习443

11.1 非理想效应443

11.1.1 亚阈值电导444

11.1.2 沟道长度调制效应446

11.1.3 迁移率变化450

11.1.4 速度饱和452

11.1.5 弹道输运453

11.2 MOSFET按比例缩小理论455

11.2.1 恒定电场按比例缩小455

11.2.2 阈值电压——一级近似456

11.2.3 全部按比例缩小理论457

11.3 阈值电压的修正457

11.3.1 短沟道效应457

11.3.2 窄沟道效应461

11.4 附加电学特性464

11.4.1 击穿电压464

*11.4.2 轻掺杂漏晶体管470

11.4.3 通过离子注入进行阈值调整472

*11.5 辐射和热电子效应475

11.5.1 辐射引入的氧化层电荷475

11.5.2 辐射引入的界面态478

11.5.3 热电子充电效应480

11.6 小结481

重要术语解释481

知识点482

复习题482

习题483

参考文献489

第12章 双极晶体管491

12.0预习491

12.1 双极晶体管的工作原理491

12.1.1 基本工作原理493

12.1.2 晶体管电流的简化表达式495

12.1.3 工作模式498

12.1.4 双极晶体管放大电路500

12.2 少子的分布501

12.2.1 正向有源模式502

12.2.2 其他工作模式508

12.3 低频共基极电流增益509

12.3.1 有用的因素509

12.3.2 电流增益的数学表达式512

12.3.3 小结517

12.3.4 电流增益的计算517

12.4 非理想效应522

12.4.1 基区宽度调制效应522

12.4.2 大注入效应524

12.4.3 发射区禁带变窄526

12.4.4 电流集边效应528

*12.4.5 基区非均匀掺杂的影响530

12.4.6 击穿电压531

12.5 等效电路模型536

*12.5.1 Ebers-Moll模型537

12.5.2 Gummel-Poon模型540

12.5.3 H-P模型541

12.6 频率上限545

12.6.1 延时因子545

12.6.2 晶体管截止频率546

12.7 大信号开关549

12.7.1 开关特性549

12.7.2 肖特基钳位晶体管551

*12.8 其他的双极晶体管结构552

12.8.1 多晶硅发射区

双极结型晶体管552

12.8.2 SiGe基于晶体管554

12.8.3 异质结双极晶体管556

12.9 小结558

重要术语解释559

知识点559

复习题560

习题560

参考文献569

第13章 结型场效应晶体管571

13.0预习571

13.1 JFET概念571

13.1.1 pnJFET的基本工作原理572

13.1.2 MESFET的基本工作原理576

13.2 器件的特性578

13.2.1 内建夹断电压、夹断

电压和漏源饱和电压578

13.2.2 耗尽型JFET的

理想直流I-V特性582

13.2.3 跨导587

13.2.4 MESFET588

*13.3 非理想因素593

13.3.1 沟道长度调制效应594

13.3.2 饱和速度影响596

13.3.3 亚阈值特性和栅电流效应596

*13.4 等效电路和频率限制598

13.4.1 小信号等效电路598

13.4.2 频率限制因子和截止频率600

*13.5 高电子迁移率晶体管602

13.5.1 量子阱结构603

13.5.2 晶体管性能604

13.6 小结609

重要术语解释609

知识点610

复习题610

习题611

参考文献616

第三部分 专用半导体器件

第14章 光器件618

14.0预习618

14.1 光学吸收618

14.1.1 光子吸收系数619

14.1.2 电子-空穴对的产生率622

14.2 太阳能电池624

14.2.1 pn结太阳能电池624

14.2.2 转换效率与太阳光集中627

14.2.3 非均匀吸收的影响628

14.2.4 异质结太阳能电池629

14.2.5 非晶态（无定形）硅太阳能电池630

14.3 光电探测器633

14.3.1 光电导体633

14.3.2 光电二极管635

14.3.3 PIN光电二极管640

14.3.4 雪崩二极管641

14.3.5 光电晶体管642

14.4 光致发光和电致发光643

14.4.1 基本跃迁644

14.4.2 发光效率645

14.4.3 材料646

14.5 光电二极管648

14.5.1 光的产生648

14.5.2 内量子效率649

14.5.3 外量子效率650

14.5.4 LED器件652

14.6 激光二极管654

14.6.1 受激辐射和分布反转655

14.6.2 光学空腔谐振器654

14.6.3 阈值电流658

14.6.4 器件结构与特性660

14.7 小结661

重要术语解释662

知识点663

复习题663

习题664

参考文献668

第15章 半导体功率器件670

15.0预习670

15.1 隧道二极管670

15.2 GUNN二极管672

15.3 IMPATT二极管675

15.4 功率双极晶体管677

15.4.1 垂直式功率晶体管结构677

15.4.2 功率晶体管特性678

15.4.3 达林顿组态682

15.5 功率MOSFET684

15.5.1 功率晶体管结构684

15.5.2 功率MOSFET特性685

15.5.3 寄生双极晶体管689

15.6 半导体闸流管691

15.6.1 基本特性691

15.6.2 SCR的触发机理694

15.6.3 SCR的关断697

15.6.4 器件结构697

15.7 小结701

重要术语解释702

知识点703

复习题703

习题703

参考文献706

附录A 部分参数符号列表707

附录B 单位制、单位换算和通用常数714

附录C 元素周期表717

附录D 能量单位——电子伏特718

附录E 薛定谔波动方程的推导720

附录F 有效质量概念722

附件G 误差函数727

附录Ｈ 部分习题参考答案728

索引736

《半导体物理与器件(第4版)(英文版)》是微电子技术领域的基础教程。全书涵盖了量子力学、固体物理、半导体材料物理及半导体器件物理等内容，共分为三部分，十五章。第一部分是半导体材料属性，包括固体晶格结构、量子力学、固体量子理论、平衡态半导体、输运现象、半导体中的非平衡过剩载流子；第二部分是半导体器件基础，主要讨论pn结、pn结二极管、金属半导体和半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、双极晶体管、结型场效应晶体管；第三部分是专业半导体器件，主要介绍光器件、半导体微波和功率器件等。书中既讲述了半导体基础知识，也分析讨论了小尺寸器件物理问题，具有一定的深度和广度。全书内容丰富、概念清楚、讲解深入浅出、理论分析透彻。另外，全书各章难点之后均列有例题、自测题，每章末尾均安排有复习要点、重要术语解释及知识点。全书各章末列有习题和参考文献，书后附有部分习题的答案。《半导体物理与器件(第4版)(英文版)》是微电子技术领域的基础教程。全书涵盖了量子力学、固体物理、半导体材料物理及半导体器件物理等内容，共三部分（合计15章）。第一部分是基础物理，包括固体晶格结构、量子力学和固体物理；第二部分是半导体材料物理，主要讨论平衡态和非平衡态半导体以及载流子输运现象；第三部分是半导体器件物理，主要讨论同质pn结、金属半导体接触、异质结以及双极晶体管、MOS场效应晶体管、结型场效应晶体管等。最后论述光子器件和功率半导体器件。书中既讲述了半导体基础知识，也分析讨论了小尺寸器件物理问题，具有一定的深度和广度。【作者简介】作者：(美国)尼曼 (Donald Neamen) 尼曼，Donald A. Neamen(唐纳德.A.尼曼)，美国新墨西哥大学电气与计算机工程系教授，于新墨西哥大学取得博士学位后.成为Hanscom空军基地固态科学实验室电子工程师。1976年，加入新墨西哥大学电气与计算机工程系，从事半导体物理与器件课程和电路课程的教学工作。目前，尼曼仍是该系的返聘教员。近来，他曾任教于中国上海的密歇根-上海交通大学联合研究所。1980年，尼曼教授获得新墨西哥大学“杰出教师奖”；1983年和1985年.获得由美国最悠久的工程荣誉学会Tau Beta Pi(TBI)颁发的“工程学院杰出教师奖”。1990年及从1994年开始至2001年的每一年，获得由电气和计算机工程系毕业生授予的“荣誉教师奖”。他还于1994年获得工程学院的“优秀教学奖”。除教学外，尼曼教授曾任电气与计算机工程系副主任，并曾与业界的Martin Marietta公司、Sandia美国国家实验室和Raytheon公司合作。发表过许多论文，同时是Microelectronics Circuit Analysis and Design，Fourth Edition和An Introduction to Semiconductor Devices两书的作者。