半導(dǎo)體器件

前言

撰寫本文時(shí)，微電子行業(yè)正處于一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折關(guān)頭。近50年來，該行業(yè)小斷完善，由最初發(fā)明的集成電路發(fā)展為現(xiàn)在的微型化硅基晶體管。CMOS電路的開發(fā)和半導(dǎo)體器件不斷縮小共同引起了信息革命。每一代新器件都改善了存儲(chǔ)器和微處理器的性能，降低了成本，從而加劇了計(jì)算技術(shù)的傳播和發(fā)展。集成電路技術(shù)以摩爾第一定律的速度增長(zhǎng)，即每18個(gè)月左右芯片的復(fù)雜度翻一番。有趣的是，在過去40年里，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直遵循甚至有時(shí)超過摩爾第一定律。21世紀(jì)初，人們開始質(zhì)疑：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還能遵循摩爾第一定律多久？當(dāng)器件尺寸縮小到0.1 pm以下時(shí)，CMOS技術(shù)面臨著諸多艱難的挑戰(zhàn)。許多人預(yù)測(cè)，克服這些挑戰(zhàn)需要付出昂貴的代價(jià)，這將威脅到CMOS技術(shù)的持續(xù)增長(zhǎng)。因此，需要全新技術(shù)來進(jìn)一步改善器件工藝。也許你會(huì)問，為什么要不斷提高微處理器的速度和存儲(chǔ)容量，使之遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前水平呢？其中一方面是因?yàn)楣獠娦?、蜂窩電信等電信行業(yè)的快速發(fā)展。在過去的十年中，移動(dòng)電信產(chǎn)業(yè)呈指數(shù)增加，成為世界上增長(zhǎng)速度最快的產(chǎn)業(yè)之一。目前，移動(dòng)電話服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)傳輸、互聯(lián)網(wǎng)接入和視頻信息等方面。與當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)相比，移動(dòng)視頻傳輸服務(wù)需要更大的帶寬和更復(fù)雜的技術(shù)。光波系統(tǒng)已經(jīng)能夠處理視頻和互聯(lián)電信業(yè)務(wù)，并且也在不斷改善帶寬以提高系統(tǒng)工作速度。在提高電信系統(tǒng)容量方面，僅僅改善軟件和優(yōu)化算法是不夠的，硬件的改善同樣重要。因此，為提高電信系統(tǒng)性能，迫切需要更快的電子器件和更大容量的存儲(chǔ)器，從而加快信息革命的進(jìn)程。作者認(rèn)為，為了滿足未來計(jì)算和電信系統(tǒng)的需求，微電子產(chǎn)業(yè)必將持續(xù)增長(zhǎng)。然而，這種增長(zhǎng)并不局限于硅CMOS技術(shù)，可能將拓展到一些其他的技術(shù)。本書的主要目的是向本科生介紹半導(dǎo)體器件的基本工作原理，以及微電子領(lǐng)域的新方法。整本書緊緊圍繞計(jì)算和電信系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體硬件的應(yīng)用和工作要求，介紹了每種器件的重要性能指標(biāo)。讀者可以清晰地看到，為滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的特定器件應(yīng)該具有怎樣的基本性能。

內(nèi)容概要

本書從半導(dǎo)體基礎(chǔ)開始，介紹了目前電信和計(jì)算產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀，在器件方面為電子工程提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。內(nèi)容涵蓋未來計(jì)算硬件和射頻功率放大器的實(shí)現(xiàn)方法，闡述了計(jì)算和電信的發(fā)展趨勢(shì)和系統(tǒng)要求對(duì)半導(dǎo)體器件的選擇、設(shè)計(jì)及工作特性的影響?！　”緯紫扔懻摿税雽?dǎo)體的基本特性；接著介紹了基本的場(chǎng)效應(yīng)器件MODFET和MOSFET，以及器件尺寸不斷縮小所帶來的短溝道效應(yīng)和面臨的挑戰(zhàn)；最后討論了光波和無線電信系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、特性及其工作條件?！　”緯粌H可以作為研究生教材，也可為本領(lǐng)域工程師和研究人員提供參考。

作者簡(jiǎn)介

Kevin F.Brennan，曾獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的青年科學(xué)家獎(jiǎng)。2002年被佐治亞理工大學(xué)ECE學(xué)院任命為杰出教授，同年還獲得特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，以表彰他對(duì)研究生教育所作出的貢獻(xiàn)。2003年，他獲得佐治亞理工大學(xué)教職會(huì)員最高榮譽(yù)——杰出教授獎(jiǎng)。他還是IEEE電子器件學(xué)會(huì)杰出講師。

書籍目錄

譯者序 　前言 第1章　半導(dǎo)體基礎(chǔ) 　1.1　半導(dǎo)體的定義 　1.2　平衡載流子濃度與本征材料 　1.3　雜質(zhì)半導(dǎo)體材料 　思考題 第2章　載流子的運(yùn)動(dòng) 　2.1　載流子的漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 　2.2　產(chǎn)生-復(fù)合 　2.3　連續(xù)性方程及其解 　思考題 第3章　結(jié) 　3.1　處于平衡狀態(tài)的pn結(jié) 　3.2　不同偏壓下的同質(zhì)pn結(jié) 　3.3　理想二極管行為的偏離 　3.4　載流子的注入、拉出、電荷控制分析及電容 　3.5　肖特基勢(shì)壘 　思考題 第4章　雙極結(jié)型晶體管 　4.1　BJT工作原理 　4.2　BJT的二階效應(yīng) 　　4.2.1　基區(qū)漂移 　　4.2.2　基區(qū)寬度調(diào)制/Early效應(yīng) 　　4.2.3　雪崩擊穿 　4.3　BJT的高頻特性 　思考題 第5章　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 　5.1　JFET工作原理 　5.2　MESFET和MODFET工作原理 　5.3　JFET和MESFET的定量描述 　5.4　JFET小信號(hào)模型 　思考題 第6章　金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和MOSFET 　6.1　平衡態(tài)下的MIS系統(tǒng) 　6.2　加偏壓時(shí)的MIS結(jié)構(gòu) 　6.3　MOSFET的基本工作原理 　6.4　MESFET和MOSFET的小信號(hào)特性 　6.5　CMOS電路 　思考題 第7章　短溝道效應(yīng)及其對(duì)CMOS的挑戰(zhàn) 　7.1　短溝道效應(yīng) 　7.2　尺寸縮小理論 　7.3　CMOS進(jìn)一步小型化中遇到的挑戰(zhàn) 　思考題 第8章　超越CMOS 　8.1　超越CMOS之外的發(fā)展 　8.2　碳納米管 　8.3　傳統(tǒng)計(jì)算與感知計(jì)算、分子和生物計(jì)算 　8.4　分子電子學(xué)——分子二極管和二極管—二極管邏輯門 　8.5　容錯(cuò)計(jì)算 　8.6　量子原胞自動(dòng)機(jī) 　思考題 第9章　電信系統(tǒng)概述 　9.1　光纖傳輸 　9.2　放大器與中繼器 　9.3　移動(dòng)蜂窩電信系統(tǒng) 　9.4　蜂窩系統(tǒng)的器件類型 第10章　光電器件——發(fā)射器、光放大器和探測(cè)器 　10.1　發(fā)光二極管 　10.2　受激發(fā)射 　10.3　激光器工作原理 　10.4　半導(dǎo)體激光器的類型 　10.5　摻鉺光纖放大器 　10.6　半導(dǎo)體光放大器 　10.7　p-i-n光電探測(cè)器 　10.8　雪崩二極管 　思考題 第11章　無線系統(tǒng)中高頻大功率晶體管 　11.1　無線傳輸系統(tǒng)中晶體管的特性 　11.2　異質(zhì)結(jié) 　11.3　MODFET器件 　11.4　異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBTs） 　11.5　寬帶隙半導(dǎo)體 　思考題 參考書目

章節(jié)摘錄

插圖：本章將回顧在本書中用到的半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)。我們只討論在計(jì)算與電信系統(tǒng)中所使用的半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)。半導(dǎo)體器件用于很多方面。本書主要研究半導(dǎo)體器件在計(jì)算與電信系統(tǒng)中的應(yīng)用。本書將研究數(shù)字集成電路系統(tǒng)中使用的主要器件——金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管將集中討論MOSFET器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。據(jù)預(yù)計(jì)，計(jì)算機(jī)硬件將繼續(xù)發(fā)展，將來利用本書討論的部分或全部新技術(shù)便可提供更快更有效的計(jì)算機(jī)。無論怎樣，為保持計(jì)算機(jī)的開發(fā)速度，計(jì)算硬件肯定會(huì)有很大發(fā)展。本書將介紹在未來計(jì)算平臺(tái)中發(fā)揮作用的新興技術(shù)。本書的第二個(gè)主題討論用于電信系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，具體來說是光波電信以及無線電信網(wǎng)絡(luò)中使用的器件，包括發(fā)射機(jī)、檢測(cè)器、放大器與中繼器。半導(dǎo)體器件技術(shù)對(duì)許多商業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)生有重大影響。藍(lán)光LED、藍(lán)綠光LED以及激光器的發(fā)展導(dǎo)致了一批效率高、壽命長(zhǎng)的發(fā)光元件的誕生。商用LED白色光發(fā)射機(jī)價(jià)格等于甚至低于白熾燈，效率卻比白熾燈的效率高，壽命可達(dá)數(shù)年，而白熾燈的壽命僅為幾個(gè)月。據(jù)預(yù)計(jì)，用LED代替白熾燈可節(jié)省大量能源，從而潛在地減少礦物燃料的使用，進(jìn)而減少溫室氣體排放，緩解全球變暖與環(huán)境惡化。藍(lán)光激光器促進(jìn)了用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻和音頻系統(tǒng)的小光盤的發(fā)展，大大擴(kuò)展了CD的存儲(chǔ)容量。新的半導(dǎo)體材料，如GAN、SIC等，由于其承受的溫度、工作電流密度和頻率比現(xiàn)有器件更高，因此這些材料在制作高功率、高頻與高溫器件方面有很大的發(fā)展空間。具體應(yīng)用場(chǎng)合包括無線電信系統(tǒng)基站用的功率放大器、混合電動(dòng)車、電力高壓輸電網(wǎng)的整流元件、雷達(dá)與衛(wèi)星電信的高功率放大器等。因此，作為重要的半導(dǎo)體材料，GAN與SIC將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。1.1 半導(dǎo)體的定義為什么半導(dǎo)體材料在電氣工程中如此重要呢？為了回答這個(gè)問題，首先我們考慮一個(gè)基于固體電氣特性，特別是電導(dǎo)率的表征方法。一般說來，所有晶體可分為四類，按電導(dǎo)率由高至低排列依次為金屬、半金屬、半導(dǎo)體和絕緣體。當(dāng)然，這四類也并非嚴(yán)格區(qū)分的。例如，根據(jù)晶化形式的不同，有些材料可以歸為金屬或半金屬。另外，對(duì)于寬帶隙材料，半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別也不是很明顯。不過，將固體劃分為這四類很方便。在四類材料中，半導(dǎo)體材料對(duì)于電氣工程無疑是最重要的，主要原因在于其電特性使得它們易于處理。半導(dǎo)體的特殊之處在于可以采用幾種不同方法對(duì)其電導(dǎo)率做較大改變。而其他三種固體材料則不具備該特點(diǎn)，因此它們?cè)陔姎夤こ谭矫娌痪邆浒雽?dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)。改變半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的方法有很多。本書將論述大部分方法以及怎樣利用這些方法制作有用的半導(dǎo)體器件，首先回顧一下什么是半導(dǎo)體。

編輯推薦

《半導(dǎo)體器件:計(jì)算和電信中的應(yīng)用》:電子與電氣工程叢書。

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