半导体器件导论

第1章 固体的晶体结构

1．1 半导体材料

1．2 固体类型

1．3 空间点阵

1．3．1 原胞与晶胞

1．3．2 基本晶体结构

1．3．3 晶面和米勒指数

1．3．4 金刚石结构

1．4 原子价键

1．5 固体中的缺陷和杂质

1．5．1 固体缺陷

1．5．2 固体中的杂质

Σ1．6 半导体材料生长

1．6．1 熔体生长

1．6．2 外延生长

Σ1．7 器件制备技术： 氧化

1．8 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第2章 固体理论

2．1 量子力学的基本原理

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 波函数的物理意义

2．2．2 单电子原子

2．2．3 元素周期表

2．3 能带理论

2．3．1 能带的形成

2．3．2 能带与价键模型

2．3．3 载流子――电子和空穴

2．3．4 有效质量

2．3．5 金属、 绝缘体和半导体

2．3．6 k空间能带图

2．4 态密度函数

2．5 统计力学

2．5．1 统计规律

2．5．2 费米-狄拉克分布和费米能级

2．5．3 麦克斯韦-玻尔兹曼近似

2．6 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第3章 平衡半导体

3．1 半导体中的载流子

3．1．1 电子和空穴的平衡分布

3．1．2 平衡电子和空穴浓度方程

3．1．3 本征载流子浓度

3．1．4 本征费米能级的位置

3．2 掺杂原子与能级

3．2．1 定性描述

3．2．2 电离能

3．2．3 Ⅲ-Ⅴ族半导体

3．3 非本征半导体的载流子分布

3．3．1 电子和空穴的平衡分布

3．3．2 n0p0积

Σ3．3．3费米-狄拉克积分

3．3．4 简并与非简并半导体

3．4 施主和受主的统计分布

3．4．1 概率分布函数

Σ3．4．2完全电离与冻析

3．5 载流子浓度――掺杂的影响

3．5．1 补偿半导体

3．5．2 平衡电子和空穴浓度

3．6 费米能级的位置――掺杂和温度的影响

3．6．1 数学推导

3．6．2 EF随掺杂浓度和温度的变化

3．6．3 费米能级的关联性

Σ3．7器件制备技术： 扩散和离子注入

3．7．1 杂质原子扩散

3．7．2 离子注入

3．8 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第4章 载流子输运和过剩载流子现象

4．1 载流子的漂移运动

4．1．1 漂移电流密度

4．1．2 迁移率

4．1．3 半导体的电导率和电阻率

4．1．4 速度饱和

4．2 载流子的扩散运动

4．2．1 扩散电流密度

4．2．2 总电流密度

4．3 渐变杂质分布

4．3．1 感应电场

4．3．2 爱因斯坦关系

4．4 载流子的产生与复合

4．4．1 平衡半导体

4．4．2 过剩载流子的产生与复合

4．4．3 产生-复合过程

Σ4．5霍尔效应

4．6 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第5章 pn结和金属-半导体接触

5．1 pn结的基本结构

5．2 零偏pn结

5．2．1 内建电势

5．2．2 电场强度

5．2．3 空间电荷区宽度

5．3 反偏pn结

5．3．1 空间电荷区宽度与电场

5．3．2 势垒电容

5．3．3 单边突变结

5．4 金属-半导体接触――整流结

5．4．1 肖特基势垒结

5．4．2 反偏肖特基结

5．5 正偏结简介

5．5．1 pn结

5．5．2 肖特基势垒结

5．5．3 肖特基二极管和pn结二极管的比较

Σ5．6金属-半导体的欧姆接触

Σ5．7非均匀掺杂pn结

5．7．1 线性缓变结

5．7．2 超突变结

Σ5．8器件制备技术： 光刻、 刻蚀和键合

5．8．1 光学掩膜版和光刻

5．8．2 刻蚀

5．8．3 杂质扩散或离子注入

5．8．4 金属化、 键合和封装

5．9 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第6章 MOS场效应晶体管基础

6．1 MOS场效应晶体管作用

6．1．1 基本工作原理

6．1．2 工作模式

6．1．3 MOSFET放大

6．2 双端MOS电容

6．2．1 能带结构和电荷分布

6．2．2 耗尽层厚度

6．3 MOS电容的电势差

6．3．1 功函数差

6．3．2 氧化层电荷

6．3．3 平带电压

6．3．4 阈值电压

Σ6．3．5电场分布

6．4 电容-电压特性

6．4．1 理想C-V特性

Σ6．4．2频率影响

Σ6．4．3氧化层固定电荷和界面电荷的影响

6．5 MOSFET基本工作原理

6．5．1 MOSFET结构

6．5．2 电流-电压关系――基本概念

Σ6．5．3电流-电压关系――数学推导

6．5．4 衬底偏置效应

6．6 小信号等效电路及频率限制因素

6．6．1 跨导

6．6．2 小信号等效电路

6．6．3 频率限制因素与截止频率

Σ6．7器件制备技术

6．7．1 NMOS晶体管的制备

6．7．2 CMOS技术

6．8 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第7章 MOS场效应晶体管的其他概念

7．1 MOSFET按比例缩小法则

7．1．1 恒电场按比例缩小法则

7．1．2 阈值电压――一级近似

7．1．3 一般按比例缩小法则

7．2 非理想效应

7．2．1 亚阈值电导

7．2．2 沟道长度调制效应

7．2．3 沟道迁移率变化

7．2．4 速度饱和

7．3 阈值电压修正

7．3．1 短沟道效应

7．3．2 窄沟道效应

7．3．3 衬底偏置效应

7．4 其他电学特性

7．4．1 氧化层击穿

7．4．2 临界穿通或漏致势垒降低(DIBL)

7．4．3 热电子效应

7．4．4 离子注入调整阈值电压

7．5 器件制备技术： 特种器件

7．5．1 轻掺杂漏晶体管

7．5．2 绝缘体上MOSFET

7．5．3 功率MOSFET

7．5．4 MOS存储器

7．6 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第8章 半导体中的非平衡过剩载流子

8．1 载流子的产生与复合

8．2 过剩载流子的分析

8．2．1 连续性方程

8．2．2 时间相关的扩散方程

8．3 双极输运

8．3．1 双极输运方程的推导

8．3．2 非本征掺杂和小注入限制

8．3．3 双极输运方程的应用

8．3．4 介电弛豫时间常数

8．3．5 海恩斯-肖克利实验

8．4 准费米能级

8．5 过剩载流子的寿命

8．5．1 肖克利-里德-霍尔(SRH)复合理论

8．5．2 非本征掺杂和小注入限制

8．6 表面效应

8．6．1 表面态

8．6．2 表面复合速度

8．7 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第9章 pn结二极管与肖特基二极管

9．1 pn结和肖特基势垒结的回顾

9．1．1 pn结

9．1．2 肖特基势垒结

9．2 pn结――理想电流-电压特性

9．2．1 边界条件

9．2．2 少子分布

9．2．3 理想pn结电流

9．2．4 物理小结

9．2．5 温度效应

9．2．6 短二极管

9．2．7 本节小结

9．3 肖特基二极管――理想电流-电压关系

9．3．1 肖特基二极管

9．3．2 肖特基二极管与pn结二极管的比较

9．4 pn结二极管的小信号模型

9．4．1 扩散电阻

9．4．2 小信号导纳

9．4．3 等效电路

9．5 产生-复合电流

9．5．1 反偏产生电流

9．5．2 正偏复合电流

9．5．3 总正偏电流

9．6 结击穿

9．7 电荷存储与二极管瞬态

9．7．1 关瞬态

9．7．2 开瞬态

9．8 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第10章 双极型晶体管

10．1 双极型晶体管的工作原理

10．1．1 基本工作原理

10．1．2 简化的晶体管电流关系

10．1．3 工作模式

10．1．4 双极型晶体管放大电路

10．2 少子分布

10．2．1 正向有源模式

10．2．2 其他工作模式

10．3 低频共基极电流增益

10．3．1 贡献因子

10．3．2 电流增益系数的数学推导

10．3．3 本节小结

10．3．4 增益系数的计算实例

10．4 非理想效应

10．4．1 基区宽度调制

10．4．2 大注入效应

10．4．3 发射区带隙变窄

10．4．4 电流集边效应

Σ10．4．5非均匀基区掺杂

10．4．6 击穿电压

10．5 混合π型等效电路模型

10．6 频率限制

10．6．1 时延因子

10．6．2 晶体管的截止频率

Σ10．7大信号开关特性

Σ10．8器件制备技术

10．8．1 多晶硅发射极双极型晶体管

10．8．2 双多晶硅npn晶体管的制备

10．8．3 SiGe基区晶体管

10．8．4 功率双极型晶体管

10．9 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第11章 其他半导体器件及器件概念

11．1 结型场效应晶体管

11．1．1 pn JFET

11．1．2 MESFET

11．1．3 电学特性

11．2 异质结

11．2．1 异质结简介

11．2．2 异质结双极型晶体管

11．2．3 高电子迁移率晶体管（HEMT）

11．3 晶闸管

11．3．1 基本特性

11．3．2 SCR的触发机理

11．3．3 器件结构

11．4 MOSFET的其他概念

11．4．1 闩锁效应

11．4．2 击穿效应

11．5 微机电系统

11．5．1 加速度计

11．5．2 喷墨打印机

11．5．3 生物医学传感器

11．6 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

第12章 光子器件

12．1 光吸收

12．1．1 光吸收系数

12．1．2 电子-空穴对的产生率

12．2 太阳能电池

12．2．1 pn结太阳能电池

12．2．2 转换效率与太阳光聚集

12．2．3 异质结太阳能电池

12．2．4 非晶硅太阳能电池

12．3 光电探测器

12．3．1 光电导探测器

12．3．2 光电二极管

12．3．3 PIN光电二极管

12．3．4 雪崩光电二极管

12．3．5 光电晶体管

12．4 发光二极管

12．4．1 光产生

12．4．2 内量子效率

12．4．3 外量子效率

12．4．4 LED器件

12．5 激光二极管

12．5．1 受激辐射与粒子数反转

12．5．2 光学谐振腔

12．5．3 阈值电流

12．5．4 器件结构与特性

12．6 小结

知识点

复习题

习题

参考文献

附录A 部分参数符号列表

附录B 单位制、 单位换算和通用常数

附录C 元素周期表

附录D 能量单位――电子伏特

附录E 薛定谔方程的“推导”和应用

附录F 部分习题答案

中英文术语对照表

本书是微电子学和集成电路设计专业的基础教程，内容涵盖了量子力学、固体物理、半导体物理和半导体器件的全部内容。本书在介绍学习器件物理所必需的基础理论之后，重点讨论了pn结、金属-半导体接触、MOS场效应晶体管和双极型晶体管的工作原理和基本特性。最后论述了结型场效应晶体管、晶闸管、MEMS和半导体光电器件的相关内容。全书内容丰富，脉络清晰，说理透彻，浅显易懂。书中各章给出了大量的分析或设计实例，增强读者对基本理论和概念的理解。每章末均安排有小结和复习提纲，并提供大量的自测题和习题。

适读人群 ：本书是电子科学与技术、微电子学和集成电路设计专业本科生学习半导体器件物理的理想教材，对于从事集成电路设计和生产领域的工程技术人员也是一本非常有益的参考书。

本书实现了量子力学、固体物理、半导体物理、半导体器件及半导体工艺的完美结合，利用本书，读者可系统学习半导体器件物理的基本理论，为学习微电子相关专业的其他课程打下良好的基础。