半導(dǎo)體器件原理簡(jiǎn)明教程

前言

　　材料、能源和信息是21世紀(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，電子科學(xué)與技術(shù)是電子工程和電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等，都競(jìng)相將電子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域納入了國(guó)家發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)對(duì)微電子技術(shù)和光電子技術(shù)等方向的研究也給予了高度重視，在多項(xiàng)國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略性科技計(jì)劃中，如"863計(jì)劃”、“973計(jì)劃”、國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、國(guó)家重大科技專項(xiàng)等，都有大量立項(xiàng)。在近幾年發(fā)布的國(guó)務(wù)院《2006-2020年國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》、《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，對(duì)我國(guó)的集成電路（特別是中央處理器芯片）、新一代信息功能材料及器件、高清晰度大屏幕平板顯示、激光技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域都提出了明確目標(biāo)。　　電子科學(xué)與技術(shù)主要研究制造電子、光電子的各種材料及元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，并研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。它涵蓋的學(xué)科范圍很廣，是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科?，F(xiàn)在，教育部本科專業(yè)目錄中，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)涵蓋了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、物理電子技術(shù)、電子材料與元器件及電磁場(chǎng)與微波等專業(yè)方向。隨著學(xué)科的交叉發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的整合，各專業(yè)方向已彼此滲透交融。如何拓寬專業(yè)方向？如何體現(xiàn)專業(yè)特色？是當(dāng)前我國(guó)高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在辦學(xué)方面所迫切需要探討的問(wèn)題。教育部電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)起草的《普通高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》，對(duì)本專業(yè)的核心知識(shí)領(lǐng)域和知識(shí)單元的覆蓋范圍作了規(guī)定，旨在引導(dǎo)高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在辦學(xué)方向與人才培養(yǎng)方面探索新的模式，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)高校教學(xué)的創(chuàng)新能力，更好地培養(yǎng)知識(shí)、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的，適合我國(guó)電子科學(xué)與技術(shù)各領(lǐng)域不同層次發(fā)展需求的有用人才。　　教育部為了推進(jìn)“質(zhì)量工程”，自2007年10月開(kāi)始，先后三批遴選了國(guó)家級(jí)特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。目前，有三十余個(gè)院系被批準(zhǔn)為電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。在教材建設(shè)方面，2008年10月，教育部高教司在《關(guān)于加強(qiáng)“質(zhì)量工程”本科特色專業(yè)建設(shè)的指導(dǎo)性意見(jiàn)》中指示：“教材建設(shè)要反映教學(xué)內(nèi)容改革的成果，積極推進(jìn)教材、教學(xué)參考資料和教學(xué)課件三位一體的立體化教材建設(shè)，選用高質(zhì)量教材，編寫新教材?！睘榱诉m應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求，本屆電子科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)經(jīng)過(guò)廣泛深入調(diào)研，依托電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，與科學(xué)出版社共同組織出版本套《普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列規(guī)劃教材》，旨在貫徹專業(yè)規(guī)范和教學(xué)基本要求，總結(jié)和推廣各特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)成果，以提高我國(guó)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)的整體水平。

內(nèi)容概要

本書力圖用最簡(jiǎn)明、準(zhǔn)確的語(yǔ)言，介紹典型半導(dǎo)體器件的核心知識(shí)，主要包括半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、pn結(jié)、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬-半導(dǎo)體接觸和異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體光電子器件。本書在闡明基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，還介紹了微電子領(lǐng)域的一些新技術(shù)，如應(yīng)變異質(zhì)結(jié)、能帶工程、量子阱激光器等。    本書可作為高等院校電子信息與電氣學(xué)科相關(guān)專業(yè)半導(dǎo)體器件原理課程的教材，也可供有關(guān)科研人員和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

叢書序序言前言主要符號(hào)表第1章  半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)  1.1  晶體結(jié)構(gòu)    1.1.1  基元、點(diǎn)陣和晶格    1.1.2  原胞、基矢、晶向和晶面    1.1.3  倒格子和倒格子空間  1.2  能帶結(jié)構(gòu)    1.2.1  能帶的形成    1.2.2  鍺、硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)    1.2.3  絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體    1.2.4  本征半導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子、空穴  1.3  半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布    1.3.1  狀態(tài)密度    1.3.2  費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律和費(fèi)米分布    1.3.3  電子濃度、空穴濃度、玻爾茲曼分布和本征載流子濃度    1.3.4  雜質(zhì)半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度、費(fèi)米能級(jí)    1.3.5  平衡態(tài)系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)  1.4  載流子的漂移運(yùn)動(dòng)    1.4.1  散射與有效質(zhì)量    1.4.2  遷移率    1.4.3  電導(dǎo)率、電阻率、歐姆定律和薄層電阻  1.5  載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)    1.5.1  擴(kuò)散電流密度    1.5.2  電流密度方程    1.5.3  雜質(zhì)濃度梯度及其感生電場(chǎng)  1.6  非平衡載流子    1.6.1  載流子的產(chǎn)生與復(fù)合、非平衡載流子    1.6.2  非平衡載流子的復(fù)合、非平衡載流子壽命    1.6.3  間接復(fù)合理論    1.6.4  準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)    1.6.5  連續(xù)性方程  1.7  半導(dǎo)體基本方程    1.7.1  基本方程    1.7.2  泊松方程    習(xí)題第2章  pn結(jié)  2.1  pn結(jié)的形成及其基本特性  2.2  pn結(jié)空間電荷區(qū)基本特性的進(jìn)一步討論    2.2.1  平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布    2.2.2  非平衡pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布    2.2.3  pn結(jié)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布  2.3  pn結(jié)的直流特性    2.3.1  非平衡pn結(jié)擴(kuò)散區(qū)的載流子分布和擴(kuò)散電流    2.3.2  pn結(jié)的勢(shì)壘復(fù)合電流和產(chǎn)生電流    2.3.3  正偏pn結(jié)的大注入效應(yīng)  2.4  pn結(jié)的耗盡層電容  2.5  pn結(jié)的小信號(hào)交流特性    2.5.1  pn結(jié)的擴(kuò)散電容    2.5.2  pn結(jié)的交流參數(shù)和等效電路  2.6  pn結(jié)的開(kāi)關(guān)特性  2.7  pn結(jié)的擊穿    2.7.1  擊穿機(jī)理概述    2.7.2  雪崩擊穿條件    2.7.3  雪崩擊穿電壓的計(jì)算    習(xí)題第3章  雙極型晶體管  3.1  雙極型晶體管的基本結(jié)構(gòu)  3.2  雙極型晶體管內(nèi)載流子的輸運(yùn)過(guò)程  3.3  雙極型晶體管的電流放大系數(shù)    3.3.1  均勻基區(qū)晶體管電流增益因子的簡(jiǎn)化推導(dǎo)    3.3.2  均勻基區(qū)晶體管電流增益因子的數(shù)學(xué)推導(dǎo)    3.3.3  緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)    3.3.4  發(fā)射區(qū)重?fù)诫s條件下的禁帶變窄效應(yīng)    3.3.5  大注入效應(yīng)  3.4  晶體管的直流特性    3.4.1  晶體管的電流電壓方程    3.4.2  晶體管的擊穿電壓    3.4.3  縱向基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)    3.4.4  發(fā)射極電流集邊效應(yīng)    3.4.5  晶體管的安全工作區(qū)  3.5  雙極型晶體管的頻率特性    3.5.1  雙極型晶體管頻率特性概述    3.5.2  延遲時(shí)間的計(jì)算      3.5.3  晶體管電流放大系數(shù)的頻率特性      3.5.4  晶體管的高頻等效電路和最高振蕩頻率  3.6  雙極型晶體管的開(kāi)關(guān)特性    3.6.1  晶體管工作區(qū)域的劃分及其飽和工作狀態(tài)    3.6.2  晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程    習(xí)題第4章  場(chǎng)效應(yīng)晶體管  4.1  結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管    4.1.1  結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理    4.1.2  JFET的電流電壓方程    4.1.3  JFET的直流參數(shù)和頻率參數(shù)    4.1.4  JFET的短溝道效應(yīng)  4.2  絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管    4.2.1  半導(dǎo)體表面的特性和理想M0s結(jié)構(gòu)    4.2.2  MOSFET結(jié)構(gòu)及其工作原理    4.2.3  MOSFET的閾值電壓      4.2.4  MOSFET的電流電壓關(guān)系    4.2.5  MOSFET的亞閾區(qū)導(dǎo)電    4.2.6  MOSFET的擊穿電壓      4.2.7  MOSFET的高頻等效電路和頻率特性      4.2.8  MOSFET的短溝道效應(yīng)    4.2.9  MOSFET閾值電壓的調(diào)整    4.2.10  MOSFET的縮比理論    4.2.11  熱電子效應(yīng)和輻射效應(yīng)      習(xí)題第5章  金屬-半導(dǎo)體接觸和異質(zhì)結(jié)  5.1  金屬-半導(dǎo)體接觸    5.1.1  理想金屬一半導(dǎo)體接觸    5.1.2  非理想效應(yīng)    5.1.3  金屬-半導(dǎo)體接觸的電流電壓關(guān)系    5.1.4  歐姆接觸的實(shí)現(xiàn)方法  5.2  異質(zhì)結(jié)    5.2.1  異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系    5.2.2  異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫法    5.2.3  異質(zhì)結(jié)的基本特性    5.2.4  同型異質(zhì)結(jié)  5.3  應(yīng)變異質(zhì)結(jié)  習(xí)題第6章  半導(dǎo)體光電子器件  6.1  半導(dǎo)體的光吸收和發(fā)射    6.1.1  光的基本性質(zhì)    6.1.2  光在半導(dǎo)體中的吸收    6.1.3  半導(dǎo)體的光發(fā)射  6.2  太陽(yáng)能電池  6.3  光探測(cè)器件  6.4  發(fā)光二極管    6.4.1  發(fā)光二極管基礎(chǔ)    6.4.2  能帶工程  6.5  半導(dǎo)體激光器件    6.5.1  半導(dǎo)體激光器件基礎(chǔ)    6.5.2  量子阱激光器    6.5.3  垂直腔面發(fā)射激光器    習(xí)題附錄  附錄A  物理常數(shù)  附錄B  晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)(A)  附錄C  重要半導(dǎo)體的基本性質(zhì)  附錄D  硅、砷化鎵和鍺的重要性質(zhì)  附錄E  二氧化硅和氮化硅的性質(zhì)  附錄F  硅中的雜質(zhì)能級(jí)  附錄G  砷化鎵中的雜質(zhì)能級(jí)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1.1 基元、點(diǎn)陣和晶格　　晶體結(jié)構(gòu)的第一個(gè)特點(diǎn)是晶體中原子排列的周期性。晶體中原子在三個(gè)方向上按一定周期重復(fù)排列，整個(gè)晶體可以看成是一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)單元——基元在空間三個(gè)不同的方向各按一定距離，周期性重復(fù)排列的結(jié)果。不同的晶體，基元是不同的。一個(gè)基元可以是一個(gè)原子、一個(gè)分子，也可以是由若干原子組成的原子團(tuán)。　　為了簡(jiǎn)單明確地描述晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，可以把每個(gè)基元用一個(gè)抽象的點(diǎn)來(lái)表示。為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律，用假想的線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成有規(guī)律性的空間格架，這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間架構(gòu)稱為點(diǎn)陣。可以推斷，這些點(diǎn)在空間分布的周期性與晶體中原子排列的周期性完全相同。每個(gè)代表點(diǎn)稱為格點(diǎn)，這種空間點(diǎn)陣又稱為布拉維格子（Bravaislattice）。因此，Kittel認(rèn)為?！　↑c(diǎn)陣+基元一晶體結(jié)構(gòu)　　基元是晶體中的一個(gè)最小周期性重復(fù)單元，每個(gè)基元中的原子數(shù)就是構(gòu)成晶體的原子種類數(shù)。如果晶體是由兩種以上原子組成，那么各種原子在空間的分布也相同，并且與該晶體的空間點(diǎn)陣的分布情況一致，只有這樣，晶體中總的原子排列才具有統(tǒng)一的周期性。對(duì)于由兩種以上原子組成的晶體中的原子排列，可以分別把每種原子各自的分布看成是一套空間點(diǎn)陣，而晶體中總的原子排列則可以看成是由兩套或兩套以上分布情況完全相同的空間點(diǎn)陣套在一起構(gòu)成的，這種晶格又稱為復(fù)式格子?！　　?/pre>




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　　精練的選材——注重基本理論和基本方法，把半導(dǎo)體器件的外特性參數(shù)與半導(dǎo)體材料參數(shù)和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，培養(yǎng)根據(jù)外特性參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體器件的能力。　　清晰的概念——面向工科專業(yè)的學(xué)生，不追求復(fù)雜的理論計(jì)算，強(qiáng)調(diào)在基本物理概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)行必要的理論分析和工程計(jì)算。　　先進(jìn)的內(nèi)容——介紹微電子領(lǐng)域的新技術(shù)，如應(yīng)變異質(zhì)結(jié)、能帶工程、量子阱激光器等，幫助讀者了解微電子技術(shù)的前沿。





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