半導(dǎo)體物理學(xué)

前言

　　本教材系按中國(guó)電子工業(yè)總公司的工科電子類專業(yè)教材1991年一1995年編審出版規(guī)劃，由“電子材料與固體器件”教材編審委員會(huì)“半導(dǎo)體物理與器件”編審小組征稿，推薦出版，責(zé)任編委李衛(wèi)?！　”窘滩挠晌靼步煌ù髮W(xué)劉恩科擔(dān)任主編，西安電子科技大學(xué)周南生擔(dān)任主審?！　”窘滩牡?版于1979年12月由國(guó)防工業(yè)出版社出版。第2版于1984年5月由上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版。1987年12月獲電子工業(yè)部1977年一1985年工科電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)，1988年1月獲全國(guó)高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎(jiǎng)。第3版于1989年5月由國(guó)防工業(yè)出版社出版，1992年1月獲第二屆機(jī)械電子工業(yè)部電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)，1992年11月獲第二屆普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材全國(guó)特等獎(jiǎng)?！　”菊n程參考學(xué)時(shí)數(shù)為120學(xué)時(shí)。本教材共13章，其主要內(nèi)容為：半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，雜質(zhì)和缺陷能級(jí)，載流子的統(tǒng)計(jì)分布，載流子的散射及電導(dǎo)問題，非平衡載流子產(chǎn)生、復(fù)合及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，半導(dǎo)體的表面和界面——包括p-n結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、半導(dǎo)體表面及MIS結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)，半導(dǎo)體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象和非晶態(tài)半導(dǎo)體。　　按照“半導(dǎo)體物理與器件”編審小組的意見，本教材在第二次修訂時(shí)適當(dāng)增加一些新內(nèi)容，如四元化合物半導(dǎo)體的能帶、半導(dǎo)體超晶格、二維電子氣、朗道能級(jí)、磁光吸收、量子化霍耳效應(yīng)、非晶態(tài)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上，這次修訂又作了如下補(bǔ)充：第1章適當(dāng)增加了Si1-xGex能帶和Ⅱ一Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和能帶；第5章增加了俄歇復(fù)合；第8章增加了深耗盡和二維電子氣概念；第9章適當(dāng)深化二維電子氣內(nèi)容；第10章簡(jiǎn)要介紹室溫激子；第2章、第9章補(bǔ)充了思考題和習(xí)題；根據(jù)半導(dǎo)體研究的進(jìn)展修改了一些不合適的內(nèi)容，如第1章、第4章中砷化鎵導(dǎo)帶第二極小值、第8章中硅一二氧化硅系統(tǒng)界面態(tài)密度分布等內(nèi)容。這次重印將附錄中最常用的si本征載流子濃度、本征電阻率數(shù)據(jù)作了修改?！　”窘滩氖褂脮r(shí)應(yīng)以前9章為主。第10章～第12章各校自行掌握，可以光學(xué)效應(yīng)為主。非晶態(tài)半導(dǎo)體可視情況而定。除進(jìn)行課堂講授外，可輔以必要的習(xí)題課和課堂討論?！　”窘滩挠蓜⒍骺凭帉懙?章、第4章、第11章、第12章；朱秉升編寫第2章、第3章、第6章、第9章；羅晉生編寫第8章、第13章；亢潤(rùn)民編寫第5章、第7章；屠善潔編寫第10章。附錄由劉恩科、亢潤(rùn)民整理。劉恩科統(tǒng)編全稿。第二次和這次均由劉恩科修訂第1章、第4章、第7章、第10章～第12章和第9章部分內(nèi)容；朱秉升修訂第2章、第3章、第5章、第6章、第9章；羅晉生修訂第8章、第13章。主審和編審小組全體委員都為本書提出許多寶貴意見，這里表示誠(chéng)摯的感謝。由于編者水平有限，書中難免還存在一些缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，殷切希望廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書全面地論述了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容包括半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布、非平衡載流子及載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；討論了p—n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、表面及MIS結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體表面和界面問題；介紹了半導(dǎo)體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象；最后較全面地介紹了非晶態(tài)半導(dǎo)體的基本特性。    本書為高等學(xué)校工科電子類半導(dǎo)體器件與微電子學(xué)專業(yè)教材，亦可供從事半導(dǎo)體方面工作的技術(shù)人員閱讀參考。

書籍目錄

主要參數(shù)符號(hào)表 第1章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)   1.1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)   1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶   1.3 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量   1.4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴   1.5 回旋共振   1.6 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)   1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)   1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第2章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)   2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)   2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)   2.3 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第3章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布   3.1 狀態(tài)密度   3.2 費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布   3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度   3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度   3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布   3.6 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體   補(bǔ)充材料：電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的概率   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第4章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性   4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率   4.2 載流子的散射   4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系   4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系   4.5 玻耳茲曼方程 電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論   4.6 強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng) 熱載流子   4.7 多能谷散射 耿氏效應(yīng)   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第5章 非平衡載流子   5.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合   5.2 非平衡載流子的壽命   5.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)   5.4 復(fù)合理論   5.5 陷阱效應(yīng)   5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)   5.7 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 愛因斯坦關(guān)系式   5.8 連續(xù)性方程式   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第6章 p-n結(jié)   6.1 p-n結(jié)及其能帶圖   6.2 p-n結(jié)電流電壓特性   6.3 p-n結(jié)電容   6.4 p-n結(jié)擊穿   6.5 p-n結(jié)隧道效應(yīng)   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第7章 金屬和半導(dǎo)體的接觸   7.1 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖   7.2 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論   7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第8章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)   8.1 表面態(tài)   8.2 表面電場(chǎng)效應(yīng)   8.3 MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性   8.4 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)   8.5 表面電導(dǎo)及遷移率   8.6 表面電場(chǎng)對(duì)p-n結(jié)特性的影響   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第9章 異質(zhì)結(jié)   9.1 異質(zhì)結(jié)及其能帶圖   9.2 異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)   9.3 異質(zhì)結(jié)在器件中的應(yīng)用   9.4 半導(dǎo)體超晶格   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第10章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象   10.1 半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù)   10.2 半導(dǎo)體的光吸收   10.3 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)   10.4 半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)   10.5 半導(dǎo)體發(fā)光   10.6 半導(dǎo)體激光   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第11章 半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)   11.1 熱電效應(yīng)的一般描述   11.2 半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率   11.3 半導(dǎo)體的珀耳貼效應(yīng)   11.4 半導(dǎo)體的湯姆孫效應(yīng)   11.5 半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率   11.6 半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的應(yīng)用   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第12章 半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)   12.1 霍耳效應(yīng)   12.2 磁阻效應(yīng)   12.3 磁光效應(yīng)   12.4 量子化霍耳效應(yīng)   12.5 熱磁效應(yīng)   12.6 光磁電效應(yīng)   12.7 壓阻效應(yīng)   12.8 聲波和載流子的相互作用   習(xí)題   參考文獻(xiàn) 第13章 非晶態(tài)半導(dǎo)體   13.1 非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)   13.2 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)   13.3 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應(yīng)   13.4 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)   13.5 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的光學(xué)性質(zhì)   13.6 α-Si：H的p-n結(jié)與金-半接觸特性   參考文獻(xiàn) 附錄   附錄1 常用物理常數(shù)和能量表達(dá)變換表     附表1-1 常用物理常數(shù)表     附表1-2 能量表達(dá)變換表   附錄2 半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)表     附表2-1 Ⅳ族半導(dǎo)體材料的性質(zhì)     附表2-2 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料的性質(zhì)     附表2-3 Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料的性質(zhì)     附表2-4 Ⅳ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料的性質(zhì)     附表2-5 Ⅲ-Ⅴ族三元化合物半導(dǎo)體材料的性質(zhì)   參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)　　在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在著偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。首先，原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格的格點(diǎn)位置上，而是在其平衡位置附近振動(dòng)；其次，半導(dǎo)體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)，即在半導(dǎo)體晶格中存在著與組成半導(dǎo)體材料的元素不同的其他化學(xué)元素的原子；第三，實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷。這就是說，在半導(dǎo)體中的某些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞，形成了各種缺陷。一般地將缺陷分為三類：①點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子；②線缺陷，如位錯(cuò)；③面缺陷，如層錯(cuò)、多晶體中的晶粒間界等。　　實(shí)踐表明，極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。當(dāng)然，也嚴(yán)重地影響著半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。例如，在硅晶體中，若以105個(gè)硅原子中摻入一個(gè)雜質(zhì)原子的比例摻入硼原子，則純硅晶體的電導(dǎo)率在室溫下將增加103倍。又如，目前用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，要求控制位錯(cuò)密度在103cm-2以下，若位錯(cuò)密度過高，則不可能生產(chǎn)出性能良好的器件?！　〈嬖谟诎雽?dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷，為什么會(huì)起著這么重要的作用呢？根據(jù)理論分析認(rèn)為［11］，由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會(huì)使嚴(yán)格按周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（能級(jí)）。正是由于雜質(zhì)和缺陷能夠在禁帶中引入能級(jí)，才使它們對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響?！　￡P(guān)于雜質(zhì)和缺陷在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生能級(jí)的問題，雖然已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作，使人們的認(rèn)識(shí)日益完善，但是還沒有達(dá)到能夠用系統(tǒng)的理論進(jìn)行與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果完全相一致的定量計(jì)算。因此，本章將不涉及雜質(zhì)和缺陷的有關(guān)理論，而主要介紹目前在電子技術(shù)中占重要地位的硅（si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）在禁帶中引入雜質(zhì)和缺陷能級(jí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。至于雜質(zhì)和缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響，將在以后各章討論?！　?.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)　　1.替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)　　半導(dǎo)體中的雜質(zhì)，主要來源于制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠，半導(dǎo)體單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污，或是為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為地?fù)饺肽撤N化學(xué)元素的原子。雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體以后，它們分布在什么位置呢？下面以硅中的雜質(zhì)為例來說明。

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