半导体器件物理教程

前言

第1章半导体材料的基本性质

1.1半导体与基本晶体结构

1.1.1半导体

1.1.2半导体材料的基本特性

1.1.3半导体的晶体结构

1.1.4晶面及其表示方法

1.1.5半导体材料简介

1.2半导体的能带

1.2.1孤立原子中电子能级

1.2.2晶体中电子的能带

1.2.3硅晶体能带的形成过程

1.2.4能带图的意义及简化表示

1.3本征半导体与本征载流子浓度

1.3.1本征半导体的导电机构

1.3.2热平衡状态与热平衡载流子浓度

1.3.3本征载流子浓度

1.3.4费米能级与载流子浓度的关系

1.4杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度

1.4.1N型半导体与P型半导体

1.4.2施主与受主杂质能级

1.4.3杂质半导体的载流子浓度

1.4.4杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系

1.4.5杂质半导体随温度的变化

1.5非平衡载流子

1.5.1非平衡载流子的产生

1.5.2非平衡载流子的寿命

1.5.3非平衡载流子的复合类型

1.5.4准费米能级

1.6载流子的漂移运动

1.6.1载流子的热运动与漂移运动

1.6.2迁移率弘

1.6.3半导体样品中的漂移电流密度

1.6.4半导体的电阻率p

1.7载流子的扩散运动

1.7.1扩散方程的建立

1.7.2根据相应的边界条件确定△P(x)的特解

1.7.3扩散系数与迁移率的关系爱因斯坦关系式

1.7.4扩散长度的物理意义

1.7.5连续性方程

本章小结

思考题和习题

第2章PN结机理与特性

2.1平衡PN结的机理与特性

2.1.1PN结的制备与杂质分布

2.1.2平衡PN结形成与能带

2.1.3平衡PN结的接触电势差

2.1.4平衡PN结的载流子浓度分布

2.2正向PN结机理与特性

2.2.1正向偏置与正向注入效应

2.2.2正向PN结边界少子浓度和少子浓度分布

2.2.3正向PN结电流-电压方程式

2.2.4PN结正向电流的讨论

2.2.5PN结的大注入效应

2.2.6正向PN结空间电荷区复合电流

2.3反向PN结的机理与特性

2.3.1反向偏置与反向抽取作用

2.3.2反向PN结边界少子浓度和少子浓度分布

2.3.3反向PN结电流-电压方程式

2.3.4反向PN结空间电荷区的产生电流

2.3.5PN结表面漏电流

2.3.6PN结的伏安特性

2.4PN结空间龟荷区的电场、位分布和宽度

2.4.1突变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度

2.4.2线性缓变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度

2.5PN结击穿机理与击穿特性

2.5.1PN结击穿机理

2.5.2PN结雪崩击穿电压

2.5.3影响雪崩击穿电压的主要因素

2.5.4几种不正常的击穿曲线

2.6PN结的电容特性

2.6.1PN结的势垒电容

2.6.2PN结的扩散电容

2.7晶体二极管特性与设计考虑

2.7.1晶体二极管的基本结构

2.7.2晶体二极管的伏安特性与主要参数

2.7.3几种特殊二极管

2.7.4半导体二极管设计考虑与制备范例

本章小结

思考题和习题

第3章双极型晶体管

3.1晶体管的结构与工作原理

3.1.1晶体管的基本结构

3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布

3.1.3晶体管的工作原理

3.1.4晶体管的放大功能

3.2晶体管的电流放大特性

3.2.1晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输

3.2.2晶体管内的电流传输与各端电流的形成

3.2.3晶体管的直流电流方程式

3.2.4晶体管的直流电流放大系数

3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析

3.2.6影响晶体管直流电流放大系数的其他因素

3.3晶体管的直流特性曲线

3.3.1共基极连接直流特性曲线

3.3.2共发射极连接直流特性曲线

3.3.3共基极与共发射极输出特性曲线的比较

3.3.4共发射极输出特性曲线的讨论

3.4晶体管的反向电流与击穿电压

3.4.1晶体管的反向电流

3.4.2晶体管的反向击穿电压

3.4.3穿通电压

3.5晶体管的频率特性

3.5.1晶体管交流电流放大系数

3.5.2晶体管频率特性参数

3.5.3交流电流放大系数随频率变化的物理原因

3.5.4晶体管高频等效电路

3.5.5共基极交流电流放大系数α及截止频率fα的定量分析

3.5.6共发射极交流电流放大系数β、fβ及fT的定量分析

3.5.7高频功率增益和最高振荡频率

3.5.8晶体管的噪声

3.6晶体管的功率特性

3.6.1晶体管集电极最大工作电流

3.6.2基区大注入效应对电流放大系数的影响

3.6.3基区扩展效应对β0和fT的影响

3.6.4发射极电流集边效应

3.6.5晶体管最大耗散功率与热阻

3.6.6晶体管的二次击穿与安全工作区

3.7晶体管的开关特性

3.7.1晶体管的开关作用

3.7.2晶体管的开关工作区域

3.7.3晶体管的开关波形和开关时间

3.7.4晶体管的开关过程和影响开关时间的因素

3.7.5提高晶体管开关速度的途径

3.7.6开关晶体管的正向压降与饱和压降

3.8晶闸管

3.8.1晶闸管的基本结构与基本特性

3.8.2晶闸管的工作原理

3.8.3晶闸管几种主要派生器件

本章小结

思考题和习题

第4章MOS场效应晶体管

4.1MOS结构与基本性质

4.1.1理想MOS结构及基本性质

4.1.2实际MOS结构及基本特性

4.2MOS场效应晶体管的工作原理与基本特性

4.2.1MOS场效应晶体管的基本工作原理

4.2.2MOS场效应晶体管的转移特性

4.2.3MOS场效应晶体管的输出特性

4.3MOS场效应晶体管的阈值电压

4.3.1阈值电压

4.3.2影响阈值电压的其他诸因素

4.4MOS场效应晶体管的直流伏安特性

4.4.1伏安特性方程基本表示式

4.4.2亚阈区的伏安特性

4.4.3击穿区的伏安特性与击穿机理

4.4.4输出特性曲线与直流参数

4.5MOS场效应晶体管的频率特性

4.5.1MOS场效应晶体管的交流小信号参数

4.5.2MOS场效应晶体管交流小信号等效电路

4.5.3MOS场效应晶体管的高频特性

4.6MOS场效应晶体管的开关特性

4.6.1MOS场效应晶体管的开关作用

4.6.2MOS场效应晶体管的开关过程

4.6.3MOS场效应晶体管的开关时间计算

4.7MOS场效应晶体管的温度特性

4.7.1迁移率随温度的变化

4.7.2阈值电压的温度特性

4.7.3MOS场效应晶体管几个主要参数的温度特性

4.8MOS场效应晶体管短沟道效应

4.8.1阈值电压的变化

4.8.2漏特性及跨导的变化

4.8.3弱反型区(亚阈值)漏电流变化

4.8.4长沟道器件的最小沟道长度限制

本章小结

思考题和习题

第5章半导体器件制备技术

5.1晶体生长与外延

5.1.1晶体基本生长技术

5.1.2晶体外延生长技术

5.2硅的热氧化

5.2.1SiO2的结构、性质与作用

5.2.2硅热氧化形成SiO2的机理

5.2.3SiO2的制备方法

5.2.4SiO2质量的宏观检验

5.3光刻与刻蚀技术

5.3.1光刻过程简介

5.3.2新一代图形曝光技术

5.3.3刻蚀技术

5.4半导体中的杂质掺杂

5.4.1杂质扩散机理与方法

5.4.2离子注入原理与系统

5.5介质薄膜化学气相淀积技术

5.5.1二氧化硅的化学气相淀积

5.5.2氮化硅的化学气相淀积

5.5.3多晶硅的化学气相淀积

5.6金属薄膜的物理气相淀积技术

5.6.1金属膜的蒸发

5.6.2金属膜的溅射

5.7制备半导体器件工艺流程

5.7.1硅平面晶体管工艺流程

5.7.2MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程

5.7.3P阱硅栅CMOS工艺和元件的形成过程

本章小结

思考题和习题

第6章Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂

6.1Ga在SiO2/Si结构开管掺杂的背景

6.1.1传统扩散杂质的选择

6.1.2开管扩镓的出现及与其他工艺的比较

6.1.3Ga在SiO2/Si结构下单温区开管掺杂的产生

6.2开管扩镓原理

6.2.1扩散装置与系统内的化学反应

6.2.2开管扩镓的主要步骤

6.2.3Ga在SiO2/Si结构下的

扩散原理

6.3Ga在SiO2/Si结构下的分布规律

6.3.1开管扩镓模型的初步建立

6.3.2Ga在SiO2/Si结构下的分布规律

6.3.3Ga在SiO2/Si界面上的分凝效应

6.4Ga基区晶体管

6.4.1Ga基区晶体管的制备及其电学性能

6.4.2Ga基区晶体管的负阻效应

6.4.3Ga基区晶体管的完善与展望

6.5开管扩镓技术在电力电子器件中的应用

6.5.1Ga阶梯式深结分布在普通晶闸管中的应用

6.5.2Ga的高斯分布在快速晶闸管中的应用

本章小结

思考题和习题

附录

附录A主要符号表

附录B物理常数表

附录C300K时锗、硅、砷化镓主要物理性质表

附录D求扩散结杂质浓度梯度aj的图表及方法

参考文献

　　本书从系统性和相对独立性考虑，在内容的选取和编排上力求实用。本书主要介绍了半导体的基本性质和PN结机理与特性，重点阐述了双极型晶体管和MOS场效应晶体管的基本工作原理、特性和电学参数，介绍了半导体器件制备技术，并涵盖了新技术及发展趋势，Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂及其在半导体器件中的应用等。同时，省略了烦琐的数学推导，在每章后附有本章小结和与内容相配套的思考题与习题，供读者强化所学知识。　　本书较系统全面地阐述了半导体物理的基础知识和典型半导体器件的工作原理、工作特性。具体内容包括：半导体材料的基本性质、PN结机理与特性、双极型晶体管、MOS场效应晶体管、半导体器件制备技术、Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂共6章。每章后附有内容小结、思考题和习题。书后有附录，附录A是本书的主要符号表，附录B是常用物理常数表，附录C是锗、硅、砷化镓主要物理性质表，附录D是求扩散结杂质浓度梯度的图表和方法。对本书各章内容可以单独选择或任意组合使用。　　本书可作为半导体、微电子技术、应用物理等电子信息类专业本科生的必修教材，也可作为电子学相关专业本科生、研究生选修课教材，以及供信息技术领域人员参考。本书配有免费的教学课件，欢迎选用本书作为教材的老师索取，索取邮箱：llm7785@sina.com。