半導(dǎo)體器件物理

前言

　　2005年1月，科學(xué)出版社出版了我和劉海波、孟慶輝編著的《半導(dǎo)體器件物理》。在深入進(jìn)行教研、教改的過(guò)程中，吉林大學(xué)建設(shè)了“半導(dǎo)體器件物理與實(shí)驗(yàn)”課程?！鞍雽?dǎo)體器件物理”與傳統(tǒng)的“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)”、“半導(dǎo)體器件平面工藝實(shí)驗(yàn)”、“半導(dǎo)體器件性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)”三大實(shí)驗(yàn)課成為“半導(dǎo)體器件物理與實(shí)驗(yàn)”課程的四個(gè)模塊?！　　鞍雽?dǎo)體器件物理與實(shí)驗(yàn)”課程于2005年5月和8月先后被評(píng)為吉林大學(xué)和吉林省精品課程建設(shè)項(xiàng)目，于2007年12月被評(píng)為國(guó)家精品課程建設(shè)項(xiàng)目。在課程建設(shè)過(guò)程中，我們對(duì)2005年版的《半導(dǎo)體器件物理》教材進(jìn)行了修訂，修訂教材被列入普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材?！　“雽?dǎo)體器件種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)各異、性能干差萬(wàn)別，新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品層出不窮，發(fā)展極其迅速。由于篇幅和學(xué)時(shí)所限，任何一本教材都無(wú)法囊括所有器件及其工藝技術(shù)，也不能把每種器件的各個(gè)性能詳盡地加以介紹，更無(wú)法跟上新工藝技術(shù)的飛速發(fā)展。這一事實(shí)使得“半導(dǎo)體器件物理”作為專業(yè)基礎(chǔ)課永恒地存在著基礎(chǔ)與專業(yè)、傳統(tǒng)與現(xiàn)代、當(dāng)前與發(fā)展的三個(gè)矛盾。課程建設(shè)的目標(biāo)就是要不斷地解決上述的三個(gè)矛盾，永遠(yuǎn)地追求“三個(gè)統(tǒng)一”：“基礎(chǔ)精深，專業(yè)寬新”的基礎(chǔ)與專業(yè)的統(tǒng)一，“延續(xù)傳統(tǒng)，注重現(xiàn)代”的傳統(tǒng)與現(xiàn)代的統(tǒng)一，“立足當(dāng)前，關(guān)注發(fā)展”的當(dāng)前與發(fā)展的統(tǒng)一。因此，選擇有限數(shù)量和種類(lèi)的基本的、主要的、常用的器件，通過(guò)對(duì)它們的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性和基本工藝技術(shù)的介紹，在夯實(shí)學(xué)生半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生具備舉一反三、觸類(lèi)旁通和進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)、研究以及設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件的能力是本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中乃至我在教學(xué)過(guò)程中始終貫徹的指導(dǎo)思想?！　〗陙?lái)，許多教材在章末附有本章小結(jié)。小結(jié)提綱挈領(lǐng)地給出了本章的知識(shí)要點(diǎn)，很有益于學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)了解和掌握?？紤]到本章小結(jié)難免粗闊，本書(shū)給出了每節(jié)的節(jié)小結(jié)和教學(xué)要求，本章小結(jié)在配套出版的《半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)》中給出。教學(xué)要求是教師從教學(xué)的角度根據(jù)教學(xué)大綱對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程提出的要求。教學(xué)要求把本節(jié)應(yīng)該掌握的知識(shí)以條目列出，學(xué)生可以把教學(xué)要求作為檢驗(yàn)自己學(xué)習(xí)質(zhì)量的判據(jù)。教學(xué)要求中所有問(wèn)題的答案均在《半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)》中給出?！　　拔锢韴D像清晰，理論運(yùn)用準(zhǔn)確，數(shù)學(xué)推導(dǎo)正確、簡(jiǎn)明”是本書(shū)編寫(xiě)的原則。在教學(xué)過(guò)程中，半導(dǎo)體器件中物理過(guò)程的解釋、公式的理論推導(dǎo)與命題的證明、圖表的分析和使用是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。為了不使教材內(nèi)容臃腫、增加篇幅，書(shū)中幾乎全部的基本概念、物理過(guò)程解釋、理論推導(dǎo)與命題證明、圖表的分析和使用也均在《半導(dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)》中給出。

內(nèi)容概要

本書(shū)是普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。本書(shū)介紹了常用半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要性能和基本工藝技術(shù)。全書(shū)內(nèi)容包括：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、PN結(jié)、雙極結(jié)型晶體管、金屬-半導(dǎo)體結(jié)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電荷轉(zhuǎn)移器件、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池及光電二極管、發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等。    本書(shū)可作為高等院校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)、光電子技術(shù)等專業(yè)的半導(dǎo)體器件物理相關(guān)課程的教材，也可供有關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

從書(shū)序第二版前言第一版前言主要符號(hào)表第1章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)  1.1 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)    1.1.1 周期性勢(shì)場(chǎng)    1.1.2 周期性勢(shì)場(chǎng)中電子的波函數(shù)布洛赫定理    1.1.3 周期性邊界條件  1.2 能帶  1.3 有效質(zhì)量  1.4 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴    1.4.1 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別    1.4.2 空穴  1.5 硅、鍺、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)    1.5.1 等能面    1.5.2 能帶圖  1.6 雜質(zhì)和缺陷能級(jí)    1.6.1 施主雜質(zhì)和施主能級(jí) N型半導(dǎo)體    1.6.2 受主雜質(zhì)和受主能級(jí) P型半導(dǎo)體    1.6.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)    1.6.4 深能級(jí)    1.6.5 缺陷能級(jí)  1.7 載流子的統(tǒng)計(jì)分布    1.7.1 狀態(tài)密度    1.7.2 費(fèi)米分布函數(shù)與費(fèi)米能級(jí)    1.7.3 能帶中的電子和空穴濃度    1.7.4 本征半導(dǎo)體    1.7.5 只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體    1.7.6 雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體    1.7.7 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體  1.8 載流子的散射    1.8.1 格波與聲子    1.8.2 載流子的散射過(guò)程  1.9 電荷輸運(yùn)現(xiàn)象    1.9.1 漂移運(yùn)動(dòng)、遷移率與電導(dǎo)率    1.9.2 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流    1.9.3 流密度、電流密度和電流方程  1.10 非均勻半導(dǎo)體中的自建電場(chǎng)    1.10.1 半導(dǎo)體中的靜電場(chǎng)和勢(shì)    1.10.2 愛(ài)因斯坦關(guān)系    1.10.3 非均勻半導(dǎo)體和自建電場(chǎng)  1.11 非平衡載流子  1.12 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)    1.12.1 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的定義    1.12.2 修正的歐姆定律  1.13 復(fù)合機(jī)制    1.13.1 直接復(fù)合    1.13.2 通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合  1.14 表面復(fù)合和表面復(fù)合速度  1.15 半導(dǎo)體中的基本控制方程  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第2章 PN結(jié)  2.1 熱平衡PN結(jié)    2.1.1 PN結(jié)空間電荷區(qū)    2.1.2 電場(chǎng)分布與電勢(shì)分布  2.2 加偏壓的PN結(jié)    2.2.1 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?   2.2.2 少數(shù)載流子的注入與輸運(yùn)  2.3 理想PN結(jié)二極管的直流電流-電壓特性  2.4 空間電荷區(qū)復(fù)合電流和產(chǎn)生電流    2.4.1 正偏復(fù)合電流    2.4.2 反偏產(chǎn)生電流  2.5 隧道電流  2.6 溫度對(duì)PN結(jié)I-V特性的影響  2.7 耗盡層電容、求雜質(zhì)分布和變?nèi)荻O管    2.7.1 C-V關(guān)系    2.7.2 求雜質(zhì)分布    2.7.3 變?nèi)荻O管  2.8 PN結(jié)二極管的頻率特性  2.9 PN結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性    2.9.1 電荷存儲(chǔ)效應(yīng)和反向瞬變    2.9.2 階躍恢復(fù)二極管  2.10 PN結(jié)擊穿  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第3章 雙極結(jié)型晶體管  3.1 雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝  3.2 雙極結(jié)型晶體管的基本工作原理    3.2.1 放大作用    3.2.2 電流分量    3.2.3 直流電流增益  3.3 理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸    3.3.1 載流子分布與電流分量    3.3.2 正向有源模式  3.4 埃伯斯-莫爾方程    3.4.1 埃伯斯-莫爾模型    3.4.2 工作模式和少子分布  3.5 緩變基區(qū)晶體管  3.6 基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚效應(yīng)  3.7 基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)  3.8 晶體管的頻率響應(yīng)  3.9 混接丌模型等效電路  3.10 晶體管的開(kāi)關(guān)特性  3.11 反向電流和擊穿電壓  3.12* PNPN結(jié)構(gòu)  3.13* 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管    3.13.1 平衡異質(zhì)結(jié)    3.13.2 加偏壓的異質(zhì)結(jié)    3.13.3 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管放大的基本理論  3.14* 幾類(lèi)常見(jiàn)的HBT  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第4章 金屬-半導(dǎo)體結(jié)  4.1 肖特基勢(shì)壘    4.1.1 肖特基勢(shì)壘的形成    4.1.2 加偏壓的肖特基勢(shì)壘  4.2 界面態(tài)對(duì)勢(shì)壘高度的影響  4.3 鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響  4.4 肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)  4.5 肖特基勢(shì)壘二極管的電流一電壓特性  4.6 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體肖特基二極管  4.7 肖特基勢(shì)壘二極管和PN結(jié)二極管的比較  4.8 肖特基勢(shì)壘二極管的應(yīng)用    4.8.1 肖特基勢(shì)壘檢波器或混頻器    4.8.2 肖特基勢(shì)壘箝位晶體管  4.9 歐姆接觸——非整流的M-S結(jié)  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第5章 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管  5.1 JFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理  5.2 理想JFET的I-V特性  5.3 靜態(tài)特性    5.3.1 線性區(qū)    5.3.2 飽和區(qū)    5.3.3 擊穿電壓  5.4 小信號(hào)參數(shù)和等效電路  5.5 JFET的最高工作頻率  5.6 夾斷后的JFET的性能  5.7 金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管  5.8 JFET和MESFET的類(lèi)型    5.9* 異質(zhì)結(jié)MESFET和HEMT  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第6章 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管  6.1 理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)    6.1.1 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)    6.1.2 載流子積累、耗盡和反型    6.1.3 反型和強(qiáng)反型條件  6.2 理想MOS電容器  6.3 溝道電導(dǎo)與閾值電壓  6.4 實(shí)際MOS的電容-電壓特性和閾值電壓    6.4.1 功函數(shù)差的影響    6.4.2 界面陷阱和氧化物電荷的影響    6.4.3 閾值電壓和C-V曲線  6.5 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管    6.5.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理    6.5.2 I-V特性  6.6 等效電路和頻率響應(yīng)    6.6.1 小信號(hào)參數(shù)    6.6.2 頻率響應(yīng)  6.7 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型  6.8 亞閾值區(qū)  6.9* 影響閾值電壓的其余因素    6.10* 器件尺寸按比例縮小    6.10.1 短溝道效應(yīng)    6.10.2 器件的小型化  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第7章 電荷轉(zhuǎn)移器件  7.1 電荷轉(zhuǎn)移  7.2 深耗盡狀態(tài)和表面勢(shì)阱  7.3 MOS電容的瞬態(tài)特性  7.4 信號(hào)電荷的輸運(yùn)傳輸效率  7.5 電極排列和CCD制造工藝    7.5.1 三相CCD    7.5.2 二相CCD  7.6 埋溝CCD  7.7 信號(hào)電荷的注入和檢測(cè)    7.7.1 信號(hào)電荷的注入    7.7.2 信號(hào)電荷的檢測(cè)  7.8 集成斗鏈器件  7.9* 電荷耦合圖像器  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第8章 半導(dǎo)體太陽(yáng)電池和光電二極管  8.1 半導(dǎo)體中光吸收  8.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)    8.2.1 太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)    8.2.2 PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)  8.3 太陽(yáng)電池的I-V特性  8.4 太陽(yáng)電池的效率  8.5 光產(chǎn)生電流與收集效率  8.6 影響太陽(yáng)電池效率的因素  8.7 肖特基勢(shì)壘和MIS太陽(yáng)電池  8.8* 非晶硅(a-Si)太陽(yáng)電池    8.8.1 非晶硅PIN結(jié)太陽(yáng)電池    8.8.2 非晶硅肖特基勢(shì)壘太陽(yáng)電池  8.9 光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理    8.9.1 PIN光電二極管    8.9.2* 雪崩光電二極管    8.9.3* 金屬一半導(dǎo)體光電二極管    8.9.4* 異質(zhì)結(jié)光電二極管  8.10 光電二極管的特性參數(shù)    8.10.1 量子效率和響應(yīng)度    8.10.2 響應(yīng)速度    8.10.3 噪聲特性    8.10.4 其他幾個(gè)概念  習(xí)題  參考文獻(xiàn)第9章 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器  9.1 輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合    9.1.1 輻射復(fù)合    9.1.2 非輻射復(fù)合  9.2 LED的基本結(jié)構(gòu)和工作原理  9.3 LED的特性參數(shù)    9.3.1 I-V特性    9.3.2 量子效率    9.3.3 光譜分布  9.4 可見(jiàn)光LED    9.4.1 GaP LED    9.4.2 GaAs1-XPx LED    9.4.3 GaN LED  9.5 紅外LED  9.6* 異質(zhì)結(jié)LED  9.7* 半導(dǎo)體激光器及其基本結(jié)構(gòu)  9.8 半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件    9.8.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布    9.8.2 光學(xué)諧振腔    9.8.3 振蕩的閾值條件    9.8.4 閾值電流  9.9 結(jié)型半導(dǎo)體激光器的特性    9.9.1 閾值特性    9.9.2 轉(zhuǎn)換效率    9.9.3 光譜分布  9.10 異質(zhì)結(jié)激光器    9.10.1 單異質(zhì)結(jié)激光器    9.10.2 雙異質(zhì)結(jié)激光器  習(xí)題  參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

　　1.6.3?、?V族化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)　　在Ⅳ族元素半導(dǎo)體中，取代Ⅳ族原子占據(jù)晶格位置的V族原子成為施主雜質(zhì)，而Ⅲ族原子則成為受主雜質(zhì)。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)與晶格原子的價(jià)電子數(shù)之間的關(guān)系是決定雜質(zhì)行為的一個(gè)重要因素。按照這種看法，在Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體中，取代晶格中V族原子的Ⅵ族原子應(yīng)該是施主雜質(zhì)；取代Ⅲ族原子的Ⅱ族原子應(yīng)該是受主雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，Ⅵ族元素中的硒和碲確實(shí)是施主雜質(zhì)，而Ⅱ族元素中的鋅和鎘確實(shí)是受主雜質(zhì)?！　、糇逶釉冖?V族化合物半導(dǎo)體中的行為比較復(fù)雜。如果Ⅳ族原子只取代晶格中的Ⅲ族原子，則它們起施主雜質(zhì)的作用；如果只取代V族原子，則它們就起受主雜質(zhì)的作用。Ⅳ族原子也可以既取代Ⅲ族原子，又取代V族原子。究竟哪一種原子被取代得多，與Ⅳ族原子的濃度和外部條件有關(guān)。例如，Si原子在GaAs中兩種晶格原子位置上的分布就與Si原子的濃度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，在Si原子的濃度小于1018cm-3時(shí)，Si原子基本上只取代Ga原子，起施主雜質(zhì)的作用；而在Si原子的濃度大于1018cm-3時(shí)，也有部分Si原子取代As原子成為受主雜質(zhì)，對(duì)于取代Ga原子的Si施主起補(bǔ)償作用。以Si原子為雜質(zhì)，溫度高時(shí)大部分Si原子占據(jù)Ga原子的位置。隨著溫度降低，越來(lái)越多的Si原子占據(jù)As原子的位置，增加到適當(dāng)?shù)牧烤蜁?huì)發(fā)生半導(dǎo)體轉(zhuǎn)型。這樣，采用一個(gè)熔體，通過(guò)改變溫度，以一次液相外延形成的PN結(jié)，具有較好的均勻性和完整性。

編輯推薦

　　每章增加了精心設(shè)計(jì)的習(xí)題，幫助讀者鞏固所學(xué)知識(shí)，抓住學(xué)習(xí)重點(diǎn)。　　章節(jié)之前大都增加了教學(xué)要求，之后增加了小結(jié)，更有利于教學(xué)?！　h減了內(nèi)容陳舊的章節(jié)，更新了數(shù)據(jù)與實(shí)例，使內(nèi)容更精煉?！　∨溆小栋雽?dǎo)體器件物理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)》，包括習(xí)題解答、理論推導(dǎo)、命題證明、圖表分析。幫助讀者全面攻克學(xué)習(xí)難點(diǎn)?！　〗讨肝扑]用書(shū)。

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