半導體器件原理簡明教程

前言

　　材料、能源和信息是21世紀的三大支柱產(chǎn)業(yè)，電子科學與技術是電子工程和電子信息技術發(fā)展的基礎學科。目前，許多發(fā)達國家，如美國、德國、日本、英國、法國等，都競相將電子科學與技術相關領域納入了國家發(fā)展計劃。我國對微電子技術和光電子技術等方向的研究也給予了高度重視，在多項國家級戰(zhàn)略性科技計劃中，如"863計劃”、“973計劃”、國家科技攻關計劃、國家重大科技專項等，都有大量立項。在近幾年發(fā)布的國務院《2006-2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》、《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，對我國的集成電路（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、激光技術等關鍵領域都提出了明確目標?！　‰娮涌茖W與技術主要研究制造電子、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)，并研究開發(fā)相應的設計和制造技術。它涵蓋的學科范圍很廣，是多學科交叉的綜合性學科?，F(xiàn)在，教育部本科專業(yè)目錄中，電子科學與技術專業(yè)涵蓋了微電子技術、光電子技術、物理電子技術、電子材料與元器件及電磁場與微波等專業(yè)方向。隨著學科的交叉發(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？是當前我國高校電子科學與技術專業(yè)在辦學方面所迫切需要探討的問題。教育部電子科學與技術專業(yè)教學指導分委員會起草的《普通高等學校電子科學與技術本科指導性專業(yè)規(guī)范》，對本專業(yè)的核心知識領域和知識單元的覆蓋范圍作了規(guī)定，旨在引導高等學校電子科學與技術專業(yè)在辦學方向與人才培養(yǎng)方面探索新的模式，不斷提高教學質量，增強高校教學的創(chuàng)新能力，更好地培養(yǎng)知識、能力、素質全面協(xié)調發(fā)展的，適合我國電子科學與技術各領域不同層次發(fā)展需求的有用人才。　　教育部為了推進“質量工程”，自2007年10月開始，先后三批遴選了國家級特色專業(yè)建設點。目前，有三十余個院系被批準為電子科學與技術國家級特色專業(yè)建設點。在教材建設方面，2008年10月，教育部高教司在《關于加強“質量工程”本科特色專業(yè)建設的指導性意見》中指示：“教材建設要反映教學內容改革的成果，積極推進教材、教學參考資料和教學課件三位一體的立體化教材建設，選用高質量教材，編寫新教材。”為了適應新形勢下對電子科學與技術領域人才培養(yǎng)的需求，本屆電子科學與技術教學指導分委員會經(jīng)過廣泛深入調研，依托電子科學與技術專業(yè)國家級、省級特色專業(yè)建設點，與科學出版社共同組織出版本套《普通高等教育電子科學與技術類特色專業(yè)系列規(guī)劃教材》，旨在貫徹專業(yè)規(guī)范和教學基本要求，總結和推廣各特色專業(yè)建設點的教學經(jīng)驗和教學成果，以提高我國電子科學與技術專業(yè)本科教學的整體水平。

內容概要

本書力圖用最簡明、準確的語言，介紹典型半導體器件的核心知識，主要包括半導體物理基礎、pn結、雙極型晶體管、場效應晶體管、金屬-半導體接觸和異質結、半導體光電子器件。本書在闡明基本結構和工作原理的基礎上，還介紹了微電子領域的一些新技術，如應變異質結、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科相關專業(yè)半導體器件原理課程的教材，也可供有關科研人員和工程技術人員參考。

書籍目錄

叢書序序言前言主要符號表第1章  半導體物理基礎  1.1  晶體結構    1.1.1  基元、點陣和晶格    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  能帶結構    1.2.1  能帶的形成    1.2.2  鍺、硅和砷化鎵的能帶結構    1.2.3  絕緣體、半導體和導體    1.2.4  本征半導體、半導體中的載流子、空穴  1.3  半導體中載流子的統(tǒng)計分布    1.3.1  狀態(tài)密度    1.3.2  費米統(tǒng)計律和費米分布    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  雜質半導體中的電子和空穴濃度、費米能級    1.3.5  平衡態(tài)系統(tǒng)的費米能級  1.4  載流子的漂移運動    1.4.1  散射與有效質量    1.4.2  遷移率    1.4.3  電導率、電阻率、歐姆定律和薄層電阻  1.5  載流子的擴散運動    1.5.1  擴散電流密度    1.5.2  電流密度方程    1.5.3  雜質濃度梯度及其感生電場  1.6  非平衡載流子    1.6.1  載流子的產(chǎn)生與復合、非平衡載流子    1.6.2  非平衡載流子的復合、非平衡載流子壽命    1.6.3  間接復合理論    1.6.4  準費米能級    1.6.5  連續(xù)性方程  1.7  半導體基本方程    1.7.1  基本方程    1.7.2  泊松方程    習題第2章  pn結  2.1  pn結的形成及其基本特性  2.2  pn結空間電荷區(qū)基本特性的進一步討論    2.2.1  平衡pn結的能帶結構和載流子分布    2.2.2  非平衡pn結的能帶結構和載流子分布    2.2.3  pn結的電場和電勢分布  2.3  pn結的直流特性    2.3.1  非平衡pn結擴散區(qū)的載流子分布和擴散電流    2.3.2  pn結的勢壘復合電流和產(chǎn)生電流    2.3.3  正偏pn結的大注入效應  2.4  pn結的耗盡層電容  2.5  pn結的小信號交流特性    2.5.1  pn結的擴散電容    2.5.2  pn結的交流參數(shù)和等效電路  2.6  pn結的開關特性  2.7  pn結的擊穿    2.7.1  擊穿機理概述    2.7.2  雪崩擊穿條件    2.7.3  雪崩擊穿電壓的計算    習題第3章  雙極型晶體管  3.1  雙極型晶體管的基本結構  3.2  雙極型晶體管內載流子的輸運過程  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化推導    3.3.2  均勻基區(qū)晶體管電流增益因子的數(shù)學推導    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)重摻雜條件下的禁帶變窄效應    3.3.5  大注入效應  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)擴展效應    3.4.4  發(fā)射極電流集邊效應    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  延遲時間的計算      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  雙極型晶體管的開關特性    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  晶體管的開關過程    習題第4章  場效應晶體管  4.1  結型場效應晶體管    4.1.1  結型場效應晶體管的工作原理    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  4.2  絕緣柵場效應晶體管    4.2.1  半導體表面的特性和理想M0s結構    4.2.2  MOSFET結構及其工作原理    4.2.3  MOSFET的閾值電壓      4.2.4  MOSFET的電流電壓關系    4.2.5  MOSFET的亞閾區(qū)導電    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    4.2.9  MOSFET閾值電壓的調整    4.2.10  MOSFET的縮比理論    4.2.11  熱電子效應和輻射效應      習題第5章  金屬-半導體接觸和異質結  5.1  金屬-半導體接觸    5.1.1  理想金屬一半導體接觸    5.1.2  非理想效應    5.1.3  金屬-半導體接觸的電流電壓關系    5.1.4  歐姆接觸的實現(xiàn)方法  5.2  異質結    5.2.1  異質結半導體材料能帶結構的對應關系    5.2.2  異質結能帶圖的畫法    5.2.3  異質結的基本特性    5.2.4  同型異質結  5.3  應變異質結  習題第6章  半導體光電子器件  6.1  半導體的光吸收和發(fā)射    6.1.1  光的基本性質    6.1.2  光在半導體中的吸收    6.1.3  半導體的光發(fā)射  6.2  太陽能電池  6.3  光探測器件  6.4  發(fā)光二極管    6.4.1  發(fā)光二極管基礎    6.4.2  能帶工程  6.5  半導體激光器件    6.5.1  半導體激光器件基礎    6.5.2  量子阱激光器    6.5.3  垂直腔面發(fā)射激光器    習題附錄  附錄A  物理常數(shù)  附錄B  晶體結構和晶格常數(shù)(A)  附錄C  重要半導體的基本性質  附錄D  硅、砷化鎵和鍺的重要性質  附錄E  二氧化硅和氮化硅的性質  附錄F  硅中的雜質能級  附錄G  砷化鎵中的雜質能級參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.1.1 基元、點陣和晶格　　晶體結構的第一個特點是晶體中原子排列的周期性。晶體中原子在三個方向上按一定周期重復排列，整個晶體可以看成是一個基本的結構單元——基元在空間三個不同的方向各按一定距離，周期性重復排列的結果。不同的晶體，基元是不同的。一個基元可以是一個原子、一個分子，也可以是由若干原子組成的原子團。　　為了簡單明確地描述晶體內部結構的周期性，可以把每個基元用一個抽象的點來表示。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連接起來，構成有規(guī)律性的空間格架，這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間架構稱為點陣。可以推斷，這些點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。每個代表點稱為格點，這種空間點陣又稱為布拉維格子（Bravaislattice）。因此，Kittel認為?！　↑c陣+基元一晶體結構　　基元是晶體中的一個最小周期性重復單元，每個基元中的原子數(shù)就是構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陣套在一起構成的，這種晶格又稱為復式格子?！　　?/pre>




編輯推薦
　　精練的選材——注重基本理論和基本方法，把半導體器件的外特性參數(shù)與半導體材料參數(shù)和器件結構參數(shù)聯(lián)系起來，培養(yǎng)根據(jù)外特性參數(shù)來設計和制造半導體器件的能力?！　∏逦母拍睢嫦蚬た茖I(yè)的學生，不追求復雜的理論計算，強調在基本物理概念的基礎上，進行必要的理論分析和工程計算?！　∠冗M的內容——介紹微電子領域的新技術，如應變異質結、能帶工程、量子阱激光器等，幫助讀者了解微電子技術的前沿。





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