固態(tài)電子器件

前言

　　本書是關(guān)于半導(dǎo)體器件的導(dǎo)論性讀本，適合作為電子工程專業(yè)的本科生教材和對(duì)固態(tài)電子器件感興趣的學(xué)生的參考書，也可作為工程技術(shù)人員和科技工作者更新其現(xiàn)代電子學(xué)知識(shí)的參考讀本。本書在內(nèi)容安排上力求使具有大學(xué)二年級(jí)物理知識(shí)的學(xué)生進(jìn)一步深化其專業(yè)知識(shí)，最終能夠閱讀并理解當(dāng)前大多數(shù)論述新型器件及其應(yīng)用方面的專業(yè)文獻(xiàn)?！　∧繕?biāo)　　為本科生開設(shè)的電子器件方面的課程有兩個(gè)基本目的：（1）讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)有的器件有透徹的理解，使他們能夠更好地學(xué)習(xí)和理解后續(xù)的電子線路和電子系統(tǒng)課程，（2）引導(dǎo)和幫助學(xué)生掌握分析器件的基本方法，使他們以后能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于各種新型器件的研發(fā)與應(yīng)用。從長遠(yuǎn)來看，第二個(gè)目的具有更重要的意義，因?yàn)閺氖码娮訉W(xué)領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家在其工作中需要不斷地學(xué)習(xí)和掌握將來的新器件和新工藝?；谶@樣的考慮，我們嘗試把半導(dǎo)體材料和固體導(dǎo)電機(jī)理兩方面的基本知識(shí)融合到一起，這種做法也反復(fù)出現(xiàn)在介紹新型器件的文獻(xiàn)中。這些知識(shí)在一些概論性課程中常常被省略了，因?yàn)橐话阏J(rèn)為并不需要理解結(jié)和晶體管的基本原理。但我們認(rèn)為，培養(yǎng)學(xué)生的一個(gè)重要目的就是要讓學(xué)生能夠通過閱讀最新的專業(yè)文獻(xiàn)來理解新器件，而上述觀點(diǎn)卻忽視了這一點(diǎn)。因此，本書介紹了大多數(shù)常用的半導(dǎo)體術(shù)語和概念，它們和很多電子器件都有緊密的聯(lián)系?！　⒖甲x物　　為培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)新技術(shù)的能力，每章的后面都附了一些可供學(xué)生自由選讀的參考文獻(xiàn)。我們并不期望學(xué)生能夠讀遍所推薦的所有文章，但盡可能多地閱讀一些相關(guān)的文獻(xiàn)會(huì)有助于學(xué)生的知識(shí)更新，并為自我繼續(xù)教育打下良好基礎(chǔ)。同時(shí)，我們在每一章的末尾歸納總結(jié)了本章的重要概念。習(xí)題　　學(xué)好本書的關(guān)鍵之一是多做課后的習(xí)題，以便加深理解并透徹掌握基本概念。每章的后面都有一定量的習(xí)題，其中一小部分是很簡單的“附加”題，用以擴(kuò)展或深化每章的內(nèi)容。而且，我們還設(shè)置了“自我測驗(yàn)”題目，用以檢測學(xué)生對(duì)基本概念的理解。單位　　為達(dá)到上述目標(biāo)，本書中的例題和習(xí)題所采用的單位都是半導(dǎo)體文獻(xiàn)中常用的。一般情況下均采用MKS單位制，但有時(shí)采用厘米作為長度單位更方便。

內(nèi)容概要

　　《固態(tài)電子器件(第6版)》是介紹半導(dǎo)體器件工作原理的經(jīng)典入門教材，其主要內(nèi)容包括固體物理基礎(chǔ)和半導(dǎo)體器件物理兩大部分，同時(shí)也涵蓋半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)與材料生長技術(shù)、集成電路原理與制造工藝以及光電子器件與高頻大功率器件等相關(guān)內(nèi)容。　　《固態(tài)電子器件(第6版)》注重基本物理概念，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，可作為高等院校電子信息類專業(yè)“固態(tài)器件與電路”專業(yè)基礎(chǔ)課的教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員參考。

作者簡介

　　Ben G.Streetman，IEEE，美國國家工程院院士，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士，美國電化學(xué)學(xué)會(huì)（ECS）會(huì)士?，F(xiàn)任美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校工學(xué)院院長和該校電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)工程講座教授，也是該校微電子研究中心的創(chuàng)始人和第一任主任（1984年-1996年）。Streetman教授的教學(xué)領(lǐng)域和研究興趣主要涉及半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體器件?！　　　anjay Kumar Banerjee，IEEE，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校電氣與計(jì)算機(jī)工程科克里爾講座教授，現(xiàn)任該校微電子研究中心主任。

書籍目錄

第1章　晶體性質(zhì)和半導(dǎo)體生長　11.1　半導(dǎo)體材料　11.2　晶格　21.2.1　周期結(jié)構(gòu)　21.2.2　立方晶格　41.2.3　晶面與晶向　51.2.4　金剛石晶格　71.3　塊狀晶體生長　91.3.1　制備原材料　91.3.2　單晶的生長　91.3.3　圓片　101.3.4　摻雜　111.4　外延生長　121.4.1　外延生長的晶格匹配　121.4.2　汽相外延　141.4.3　分子束外延　15小結(jié)　17習(xí)題　17參考讀物　18自我測驗(yàn)　18第2章　原子和電子　212.1　物理模型介紹　212.2　重要實(shí)驗(yàn)　222.2.1　光電效應(yīng)　222.2.2　原子光譜　232.3　玻爾模型　242.4　量子力學(xué)　262.4.1　幾率和不確定性原理　262.4.2　薛定諤波動(dòng)方程　272.4.3　勢阱問題　292.4.4　隧穿　302.5　原子結(jié)構(gòu)和元素周期表　312.5.1　氫原子　322.5.2　元素周期表　33小結(jié)　37習(xí)題　37參考讀物　38自我測驗(yàn)　39第3章　半導(dǎo)體能帶和載流子　413.1　固體的結(jié)合力和能帶　413.1.1　固體的結(jié)合力　413.1.2　能帶　423.1.3　金屬、半導(dǎo)體和絕緣體　443.1.4　直接禁帶半導(dǎo)體和間接禁帶半導(dǎo)體　453.1.5　能帶結(jié)構(gòu)隨合金組分的變化　473.2　半導(dǎo)體中的載流子　483.2.1　電子和空穴　483.2.2　有效質(zhì)量　503.2.3　本征材料　533.2.4　非本征材料　543.2.5　量子阱中的電子和空穴　563.3　載流子濃度　573.3.1　費(fèi)米能級(jí)　573.3.2　平衡態(tài)下電子和空穴的濃度　593.3.3　載流子濃度對(duì)溫度的依賴關(guān)系　633.3.4　雜質(zhì)補(bǔ)償和空間電荷的中性　643.4　載流子在電場和磁場中的運(yùn)動(dòng)　653.4.1　電導(dǎo)率和遷移率　663.4.2　漂移和電阻　683.4.3　溫度和摻雜對(duì)遷移率的影響　693.4.4　高電場效應(yīng)　703.4.5　霍爾效應(yīng)　723.5　平衡態(tài)費(fèi)米能級(jí)的不變性　73小結(jié)　74習(xí)題　75參考讀物　76自我測驗(yàn)　77第4章　半導(dǎo)體中的過剩載流子　794.1　光吸收　794.2　發(fā)光機(jī)理　814.2.1　光致發(fā)光　814.2.2　電致發(fā)光　834.3　載流子壽命和光導(dǎo)電性　834.3.1　電子和空穴的直接復(fù)合　844.3.2　間接復(fù)合與陷阱　854.3.3　穩(wěn)態(tài)載流子產(chǎn)生；準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)　874.3.4　光導(dǎo)器件　894.4　載流子的擴(kuò)散　904.4.1　擴(kuò)散過程　904.4.2　載流子的擴(kuò)散和漂移，內(nèi)建電場　924.4.3　擴(kuò)散和復(fù)合，連續(xù)性方程　944.4.4　穩(wěn)態(tài)載流子注入和擴(kuò)散長度　954.4.5　海恩斯－肖克萊實(shí)驗(yàn)　974.4.6　準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的梯度　99小結(jié)　100習(xí)題　101參考讀物　102自我測驗(yàn)　102第5章　PN結(jié)　1045.1　PN結(jié)的制造　1045.1.1　熱氧化　1045.1.2　擴(kuò)散　1055.1.3　快速熱處理　1065.1.4　離子注入　1075.1.5　化學(xué)氣相淀積　1085.1.6　光刻　1095.1.7　刻蝕　1125.1.8　金屬化　1135.2　平衡態(tài)的PN結(jié)　1145.2.1　接觸電勢　1155.2.2　平衡態(tài)時(shí)的費(fèi)米能級(jí)　1185.2.3　結(jié)的空間電荷　1185.3　正偏結(jié)、反偏結(jié)和穩(wěn)態(tài)條件　1215.3.1　結(jié)電流的定性分析　1225.3.2　載流子的注入　1245.3.3　反向偏置　1305.4　反向擊穿　1325.4.1　齊納擊穿　1335.4.2　雪崩擊穿　1345.4.3　整流器　1355.4.4　擊穿二極管　1385.5　瞬態(tài)特性和交流特性　1385.5.1　存儲(chǔ)電荷的瞬態(tài)變化　1395.5.2　反向恢復(fù)過程　1415.5.3　開關(guān)二極管　1435.5.4　PN結(jié)電容　1435.5.5　變?nèi)荻O管　1475.6　簡單理論的修正　1475.6.1　接觸電勢對(duì)載流子注入的影響　1485.6.2　耗盡層中載流子的復(fù)合和產(chǎn)生　1495.6.3　歐姆損耗　1515.6.4　緩變結(jié)　1525.7　金屬半導(dǎo)體結(jié)　1535.7.1　肖特基勢壘　1545.7.2　整流接觸　1555.7.3　歐姆接觸　1565.7.4　典型的肖特基勢壘　1575.8　異質(zhì)結(jié)　158小結(jié)　162習(xí)題　163參考讀物　166自我測驗(yàn)　166第6章　場效應(yīng)晶體管　1696.1　晶體管的工作原理　1706.1.1　負(fù)載線　1706.1.2　放大和開關(guān)　1716.2　結(jié)型場效應(yīng)晶體管　1716.2.1　夾斷與飽和　1726.2.2　柵極的控制　1736.2.3　電流－電壓特性　1756.3　金屬半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管　1766.3.1　GaAs型MESFET　1766.3.2　高電子遷移率型晶體管　1776.3.3　短溝道效應(yīng)　1786.4　金屬絕緣半導(dǎo)體型場效應(yīng)晶體管　1796.4.1　基本原理和構(gòu)造　1796.4.2　理想MOS電容　1826.4.3　實(shí)際的表面效應(yīng)　1906.4.4　閾值電壓　1926.4.5　MOS管的電容－電壓特性分析　1946.4.6　時(shí)變電容的測量　1966.4.7　MOS管柵氧的電流－電壓特性　1976.5　MOS場效應(yīng)晶體管　1996.5.1　輸出特性　2006.5.2　傳輸特性　2016.5.3　遷移率模型　2046.5.4　短溝道MOSFET的伏安特性　2056.5.5　閾值電壓的控制　2066.5.6　襯底偏置效應(yīng)　2106.5.7　亞閾值特性　2116.5.8　MOSFET等效電路　2126.5.9　MOSFET的尺寸縮放及熱電子效應(yīng)　2146.5.10　漏極感應(yīng)勢壘降低　2176.5.11　短溝道效應(yīng)和窄寬度效應(yīng)　2196.5.12　柵極感應(yīng)的漏極漏電流　220小結(jié)　221習(xí)題　222參考讀物　225自我測驗(yàn)　225第7章　雙極結(jié)型晶體管　2297.1　BJT的基本工作原理　2297.2　BJT的放大作用　2317.3　BJT制造　2347.4　少數(shù)載流子分布和端電流　2367.4.1　基區(qū)擴(kuò)散方程的求解　2377.4.2　端電流計(jì)算　2387.4.3　端電流的近似表達(dá)式　2407.4.4　電流傳輸系數(shù)　2427.5　BJT的一般偏置狀態(tài)　2437.5.1　耦合二極管模型　2437.5.2　電荷控制分析　2477.6　BJT的開關(guān)特性　2487.6.1　截止　2497.6.2　飽和　2507.6.3　開關(guān)周期　2517.6.4　開關(guān)晶體管的主要參數(shù)　2527.7　某些重要的物理效應(yīng)　2527.7.1　基區(qū)內(nèi)的載流子漂移　2527.7.2　基區(qū)變窄效應(yīng)　2537.7.3　雪崩擊穿　2547.7.4　注入和熱效應(yīng)　2557.7.5　基區(qū)電阻和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)　2567.7.6　Gummel-Poon模型　2577.7.7　Kirk效應(yīng)　2617.8　晶體管的頻率限制　2627.8.1　結(jié)電容和充電時(shí)間　　2627.8.2　渡越時(shí)間效應(yīng)　2647.8.3　Webster效應(yīng)　2647.8.4　高頻晶體管　2657.9　異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管　266小結(jié)　267習(xí)題　268參考讀物　270自我測驗(yàn)　270第8章　光電器件　2728.1　光電二極管　2728.1.1　光照下PN結(jié)的電流和電壓　2728.1.2　光單元　2758.1.3　光檢測器　2778.1.4　光檢測器的增益、帶寬和信噪比　2798.2　發(fā)光二極管　2808.2.1　發(fā)光材料　2808.2.2　光纖－光通信　2828.3　激光器　2858.4　半導(dǎo)體激光器　2878.4.1　PN結(jié)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)　2878.4.2　PN結(jié)激光器的發(fā)射光譜　2898.4.3　基本的半導(dǎo)體激光器　2908.4.4　異質(zhì)結(jié)激光器　2908.4.5　半導(dǎo)體激光器材料　292小結(jié)　294習(xí)題　294參考讀物　296自我測驗(yàn)　296第9章　集成電路　2989.1　背景知識(shí)　2989.1.1　集成的優(yōu)勢　2989.1.2　集成電路的分類　2999.2　集成電路的發(fā)展歷程　3009.3　單片集成電路元件　3029.3.1　CMOS工藝集成　3029.3.2　絕緣體上硅（SOI）　3129.3.3　其他電路元件的集成　3149.4　電荷轉(zhuǎn)移器件　3179.4.1　MOS電容的動(dòng)態(tài)效應(yīng)　3179.4.2　基本CCD　3189.4.3　CCD基本結(jié)構(gòu)的改進(jìn)　3189.4.4　CCD的應(yīng)用　3209.5　ULSI　3209.5.1　邏輯器件　3239.5.2　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器　3299.6　測試、焊接和封裝　3379.6.1　測試　3389.6.2　引線壓焊　3399.6.3　倒裝片焊接技術(shù)　3409.6.4　封裝　341小結(jié)　343習(xí)題　343參考讀物　343自我測驗(yàn)　344第10章　高頻和大功率器件　34510.1　隧穿二極管　34510.2　崩越二極管　34710.3　Gunn二極管　35010.3.1　電子輸運(yùn)機(jī)制　35010.3.2　空間電荷區(qū)的形成和漂移　35210.4　PN-PN二極管　35310.4.1　基本結(jié)構(gòu)　35310.4.2　雙晶體管近似　35410.4.3　載流子注入時(shí)a的變化　35510.4.4　正偏關(guān)斷狀態(tài)　35510.4.5　導(dǎo)通狀態(tài)　35610.4.6　觸發(fā)機(jī)制　35610.5　半導(dǎo)體控制整流器　35710.6　絕緣柵雙極晶體管　359小結(jié)　361習(xí)題　361參考讀物　362自我測驗(yàn)　362附錄A　常用符號(hào)定義　363附錄B　物理常數(shù)以及轉(zhuǎn)換系數(shù)　367附錄C　半導(dǎo)體材料的特性　368附錄D　導(dǎo)帶狀態(tài)密度的推導(dǎo)　369附錄E　費(fèi)米－迪拉克統(tǒng)計(jì)的推導(dǎo)　373附錄F　在Si（100）上生長的干、濕熱氧化層厚度隨時(shí)間、溫度變化的關(guān)系　376附錄G　雜質(zhì)在Si中的固溶度　377附錄H　Si和SiO2中雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)　378附錄I　Si中注入深度和范圍與入射能量之間的關(guān)系　379自我測驗(yàn)題部分答案　380索引　384

章節(jié)摘錄

　　第2章 原子和電子　　既然本書主要是介紹固態(tài)電子器件，似乎就應(yīng)該直接切入主題，而不該花費(fèi)過多的篇幅闡述原子理論、量子力學(xué)以及電子模型等內(nèi)容。但是，固態(tài)器件的很多性質(zhì)恰恰與這些內(nèi)容直接相關(guān)。舉個(gè)例子來說，如果不了解電子以及電子與品格相互作用的背景知識(shí)，就難以理解半導(dǎo)體器件中電子是如何傳輸?shù)?。有鑒于此，本章將著重圍繞以下兩點(diǎn)電子的重要性質(zhì)展開討論：（1）原子中的電子結(jié)構(gòu)，（2）原子和受激發(fā)電子的互作用規(guī)律（如光的吸收和發(fā)射）。只有理解了原子中的電子能量，才能理解半導(dǎo)體品格對(duì)參與固體導(dǎo)電的電子有何影響.我們的討論涉及電子和光子的互作用規(guī)律，這是描述光激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電性改變、光敏器件以及激光器性質(zhì)的基礎(chǔ)?！　”菊率紫然仡櫼幌屡c現(xiàn)代原子物理有關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)觀察，然后簡要介紹量子力學(xué)理論。著重介紹的內(nèi)容是：按照量子規(guī)則，原子中的電子被限制在特定的能級(jí)上；原子中的電子結(jié)構(gòu)由量子條件決定；這種“量子化”決定了電子的躍遷以及躍遷時(shí)能量的釋放和吸收。　　2.1 物理模型介紹　　科學(xué)的主要任務(wù)就是盡可能完整、簡明地闡述事物運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律。物理學(xué)的任務(wù)是觀察自然現(xiàn)象，并把觀察結(jié)果同以前的理論聯(lián)系起來，最終根據(jù)觀察結(jié)果建立物理模型。例如，我們之所以能夠容易地描述彈簧下懸掛的重物所發(fā)生的周期性運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)榉奖愕乩昧伺ｎD經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)建立起來的描述簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程。　　研究新的物理現(xiàn)象時(shí)，有必要分析一下這些現(xiàn)象是否與現(xiàn)有的物理模型和物理規(guī)律相吻合。在絕大多數(shù)情況下，我們只要根據(jù)新問題的特定條件，把已知規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式直接加以修正，便可應(yīng)用于解決新的問題。實(shí)際上，這種情況并不少見，科學(xué)家或者工程師只需要仔細(xì)研究并修正現(xiàn)有的物理模型或理論，在沒有觀察到之前，就可以預(yù)料到某種新現(xiàn)象的發(fā)生。很多自然現(xiàn)象并不是互相孤立的，而是相互聯(lián)系的。科學(xué)的美就在于能夠把這種聯(lián)系通過解析形式的物理定律表達(dá)出來。但是，偶爾也會(huì)遇到這樣的情況，即某些觀察到的新現(xiàn)象不能用現(xiàn)有的理論來解釋，在這種情況下就應(yīng)該建立新的物理模型。新模型應(yīng)盡可能地以現(xiàn)有的理論為基礎(chǔ)，同時(shí)也要能夠反映新現(xiàn)象的特點(diǎn)。提出新模型或者新原理是一項(xiàng)嚴(yán)肅的工作，只有在現(xiàn)有理論嘗試無用的時(shí)候才可為之。提出新假設(shè)或新模型后，接下來就要圍繞以下這些問題對(duì)他們進(jìn)行反復(fù)的考察：“該模型能夠足夠精確地描述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎？根據(jù)該模型能夠得出可靠的結(jié)構(gòu)或者推論嗎？”模型的好壞取決于對(duì)這些問題的回答。　　在20世紀(jì)20年代，人們就曾迫切需要建立一套理論來描述在原子級(jí)別上發(fā)生的現(xiàn)象。在此之前，人們已經(jīng)做過大量的觀察實(shí)驗(yàn)，證實(shí)原子和電子的行為在很多方面不遵守經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。因此，必須建立一套新的理論來描述這種小尺度的粒子行為。后來，人們建立起了量子力學(xué)理論。

編輯推薦

　　《固態(tài)電子器件(第6版)》被公認(rèn)為論述半導(dǎo)體材料、物理、器件與工藝技術(shù)的經(jīng)典入門教材，突出強(qiáng)調(diào)基本的半導(dǎo)體物理概念，使學(xué)生不僅能牢固掌握當(dāng)前各類半導(dǎo)體器件的工作原理，而且還能夠進(jìn)一步應(yīng)用這些概念去分析各種新型半導(dǎo)體器件的特性，將其靈活地應(yīng)用于各種微電子及光電子的電路與系統(tǒng)中。　　書中主要內(nèi)容包括：固體材料和半導(dǎo)體材料導(dǎo)電的基本知識(shí)，PN結(jié)、雙極型晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管以及光電子等各類半導(dǎo)體器件的工作原理、固態(tài)集成電路及其他相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，發(fā)光二極管器件、雪崩光電二極管和波導(dǎo)光電二極管以及太陽能電池方面的最新研究進(jìn)展。另外，書中還配有約200道練習(xí)題，供學(xué)生進(jìn)一步復(fù)習(xí)、鞏固并擴(kuò)展課本中所學(xué)的基本概念。

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