半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

前言

　　2001年7月間，電子工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)同志邀請(qǐng)各高校十幾位通信領(lǐng)域方面的老師，商量引進(jìn)國(guó)外教材問題。與會(huì)同志對(duì)出版社提出的計(jì)劃十分贊同，大家認(rèn)為，這對(duì)我國(guó)通信事業(yè)、特別是對(duì)高等院校通信學(xué)科的教學(xué)工作會(huì)很有好處?！　〗滩慕ㄔO(shè)是高校教學(xué)建設(shè)的主要內(nèi)容之一。編寫、出版一本好的教材，意味著開設(shè)了一門好的課程，甚至可能預(yù)示著一個(gè)嶄新學(xué)科的誕生。20世紀(jì)40年代MII’林肯實(shí)驗(yàn)室出版的一套28本雷達(dá)叢書，對(duì)近代電子學(xué)科、特別是對(duì)雷達(dá)技術(shù)的推動(dòng)作用，就是一個(gè)很好的例子?！　∥覈?guó)領(lǐng)導(dǎo)部門對(duì)教材建設(shè)一直非常重視。20世紀(jì)80年代，在原教委教材編審委員會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下，匯集了高等院校幾百位富有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專家，編寫、出版了一大批教材；很多院校還根據(jù)學(xué)校的特點(diǎn)和需要，陸續(xù)編寫了大量的講義和參考書。這些教材對(duì)高校的教學(xué)工作發(fā)揮了極好的作用。近年來(lái)，隨著教學(xué)改革不斷深入和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，有的教材內(nèi)容已比較陳舊、落后，難以適應(yīng)教學(xué)的要求，特別是在電子學(xué)和通信技術(shù)發(fā)展神速、可以講是日新月異的今天，如何適應(yīng)這種情況，更是一個(gè)必須認(rèn)真考慮的問題。解決這個(gè)問題，除了依靠高校的老師和專家撰寫新的符合要求的教科書外，引進(jìn)和出版一些國(guó)外優(yōu)秀電子與通信教材，尤其是有選擇地引進(jìn)一批英文原版教材，是會(huì)有好處的?！　∫荒甓鄟?lái)，電子工業(yè)出版社為此做了很多工作。他們成立了一個(gè)“國(guó)外電子與通信教材系列”項(xiàng)目組，選派了富有經(jīng)驗(yàn)的業(yè)務(wù)骨干負(fù)責(zé)有關(guān)工作，收集了230余種通信教材和參考書的詳細(xì)資料，調(diào)來(lái)了100余種原版教材樣書，依靠由20余位專家組成的出版委員會(huì)，從中精選了40多種，內(nèi)容豐富，覆蓋了電路理論與應(yīng)用、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、微電子、通信系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波等方面，既可作為通信專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)用書，也可作為有關(guān)專業(yè)人員的參考材料。此外，這批教材，有的翻譯為中文，還有部分教材直接影印出版，以供教師用英語(yǔ)直接授課。希望這些教材的引進(jìn)和出版對(duì)高校通信教學(xué)和教材改革能起一定作用?！　≡谶@里，我還要感謝參加工作的各位教授、專家、老師與參加翻譯、編輯和出版的同志們。各位專家認(rèn)真負(fù)責(zé)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、不辭辛勞、不怕瑣碎和精益求精的態(tài)度，充分體現(xiàn)了中國(guó)教育工作者和出版工作者的良好美德?！　‰S著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)高校教學(xué)工作會(huì)不斷提出新的要求和希望。我想，無(wú)論如何，要做好引進(jìn)國(guó)外教材的工作，一定要聯(lián)系我國(guó)的實(shí)際。教材和學(xué)術(shù)專著不同，既要注意科學(xué)性、學(xué)術(shù)性，也要重視可讀性，要深入淺出，便于讀者自學(xué)；引進(jìn)的教材要適應(yīng)高校教學(xué)改革的需要，針對(duì)目前一些教材內(nèi)容較為陳舊的問題，有目的地引進(jìn)一些先進(jìn)的和正在發(fā)展中的交叉學(xué)科的參考書；要與國(guó)內(nèi)出版的教材相配套，安排好出版英文原版教材和翻譯教材的比例。我們努力使這套教材能盡量滿足上述要求，希望它們能放在學(xué)生們的課桌上，發(fā)揮一定的作用。　　最后，預(yù)?！皣?guó)外電子與通信教材系列”項(xiàng)目取得成功，為我國(guó)電子與通信教學(xué)和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培土施肥。也懇切希望讀者能對(duì)這些書籍的不足之處、特別是翻譯中存在的問題，提出意見和建議，以便再版時(shí)更正。

內(nèi)容概要

　　 本書是一本微電子技術(shù)方面的入門書籍，全面介紹了半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識(shí)。全書分為三個(gè)部分共19章，首先介紹了半導(dǎo)體基礎(chǔ)，講解了半導(dǎo)體物理方面的相關(guān)知識(shí)及半導(dǎo)體制備工藝方面的基本概念。書中闡述了pn結(jié)、雙極結(jié)型晶體管（BJT）和其他結(jié)型器件的基本物理特性，并給出了相關(guān)特性的定性與定量分析。最后，作者討論了場(chǎng)效應(yīng)器件，除了講解基礎(chǔ)知識(shí)之外，還分析了小尺寸器件相關(guān)的物理問題，并介紹了一些新型場(chǎng)效應(yīng)器件。全書內(nèi)容豐富、層析分明，兼顧了相關(guān)知識(shí)的深度與廣度，系統(tǒng)講解了解決實(shí)際器件問題所必需的分析工具，并且提供了大量利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的練習(xí)與習(xí)題。    本書可作為微電子專業(yè)的本科生及研究生的教材或參考書，也是該領(lǐng)域工程技術(shù)人員的寶貴參考資料。

作者簡(jiǎn)介

Robept F.Pierret，美國(guó)普度大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的教授，1970年成為普度大學(xué)的教師并管理本科生的半導(dǎo)體測(cè)量實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)，Pierret教授在擔(dān)任電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）課程委員會(huì)主席期間，對(duì)課程建設(shè)提出了一種提高總體質(zhì)量的革新方法。

書籍目錄

第一部分　半導(dǎo)體基礎(chǔ)　第1章　半導(dǎo)體概要　　1.1　半導(dǎo)體材料的特性　　　1.1.1　材料的原子構(gòu)成　　　1.1.2　純度　　　1.1.3　結(jié)構(gòu)　　1.2　晶體結(jié)構(gòu)　　　1.2.1　單胞的概念　　　1.2.2　三維立方單胞　　　1.2.3　半導(dǎo)體晶格　　　1.2.4　密勒指數(shù)    1.3　晶體的生長(zhǎng)　　　1.3.1　超純硅的獲取　　　1.3.2　單晶硅的形成　　1.4　小結(jié)　　習(xí)題　第2章　載流子模型　　2.1　量子化概念　　2.2　半導(dǎo)體模型　　　2.2.1　價(jià)鍵模型　　　2.2.2　能帶模型　　　2.2.3　載流子　　　2.2.4　帶隙和材料分類　　2.3　載流子的特性　　　2.3.1　電荷　　　2.3.2　有效質(zhì)量　　　2.3.3　本征材料內(nèi)的載流子數(shù)　　　2.3.4　載流子數(shù)的控制—摻雜　　　2.3.5　與載流子有關(guān)的術(shù)語(yǔ)　　2.4　狀態(tài)和載流子分布　　　2.4.1　態(tài)密度　　　2.4.2　費(fèi)米分布函數(shù)　　　2.4.3　平衡載流子分布　　2.5　平衡載流子濃度　　　2.5.1　n型和p型的公式　　　2.5.2　n型和p型表達(dá)式的變換　　　2.5.3　ni和載流子濃度乘積np　　　2.5.4　電中性關(guān)系　　　2.5.5　載流子濃度的計(jì)算　　　2.5.6　費(fèi)米能級(jí)EF的確定　　　2.5.7　載流子濃度與溫度的關(guān)系　　2.6　小結(jié)　　習(xí)題　第3章　載流子輸運(yùn)　　3.1　漂移　　　3.1.1　漂移的定義與圖像　　　3.1.2　漂移電流　　　3.1.3　遷移率　　　3.1.4　電阻率　　　3.1.5　能帶彎曲　　3.2　擴(kuò)散　　　3.2.1　擴(kuò)散的定義與圖像　　　3.2.2　熱探針測(cè)量法　　　3.2.3　擴(kuò)散和總電流　　　3.2.4　擴(kuò)散系數(shù)與遷移率的關(guān)系　　3.3　復(fù)合-產(chǎn)生　　　3.3.1　復(fù)合-產(chǎn)生的定義與圖像　　　3.3.2　動(dòng)量分析　　　3.3.3　R-G統(tǒng)計(jì)　　　3.3.4　少子壽命　　3.4　狀態(tài)方程　　　3.4.1　連續(xù)性方程　　　3.4.2　少子的擴(kuò)散方程　　　3.4.3　問題的簡(jiǎn)化和解答　　　3.4.4　解答問題　　3.5　補(bǔ)充的概念　　　3.5.1　擴(kuò)散長(zhǎng)度　　　3.5.2　準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)　　3.6　小結(jié)　　習(xí)題　第4章　器件制備基礎(chǔ)　　4.1　制備過程　　　4.1.1　氧化　　　4.1.2　擴(kuò)散　　　4.1.3　離子注入　　　4.1.4　光刻　　　4.1.5　薄膜淀積　　　4.1.6　外延　　4.2　器件制備實(shí)例　　　4.2.1　pn結(jié)二極管的制備　　　4.2.2　計(jì)算機(jī)CPU的工藝流程　　4.3　小結(jié)　　第一部分補(bǔ)充讀物和復(fù)習(xí)　　可選擇的/補(bǔ)充的閱讀資料列表　　圖的出處/引用的參考文獻(xiàn)　　術(shù)語(yǔ)復(fù)習(xí)一覽表　第一部分—復(fù)習(xí)題和答案第二部分A　pn結(jié)二極管　第5章　pn結(jié)的靜電特性　第7章　pn結(jié)二極管：小信號(hào)導(dǎo)納　第8章　pn結(jié)二極管：瞬態(tài)響應(yīng)　第9章　光電二極管第二部分B　BJT和其他結(jié)型器件　第10章　BJT 基礎(chǔ)知識(shí)　第11章　BJT靜態(tài)特性　第12章　BJT動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型　第13章　PNPN器件　第14章　MS接觸和肖特基二極管第三部分　場(chǎng)效應(yīng)器件　第15章　場(chǎng)效應(yīng)導(dǎo)言—J-FET和MESFET　第16章　MOS結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)　第17章　MOSFET器件基礎(chǔ)　第18章　非理想MOS　第19章　現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)附錄A　量子力學(xué)基礎(chǔ)附錄B　MOS半導(dǎo)體靜電特性—精確解附錄C　MOS C -V補(bǔ)充附錄D　MOS I -V補(bǔ)充2附錄E　符號(hào)表4附錄F　MATLAB程序源代碼

章節(jié)摘錄

　　第2章載流子模型　　載流子是在材料空間中輸運(yùn)電荷而形成電流的粒子。日常生活中經(jīng)常遇到的載流子是電子。亞原子粒子承載了在金屬線內(nèi)電荷的遷移。半導(dǎo)體中還有一種與電子類似且非常重要的載流子，它就是空穴。本章重點(diǎn)研究電子和空穴這兩種載流子；而在以后的章節(jié)中，我們將介紹與載流子相關(guān)的基本概念、模型、性質(zhì)和術(shù)語(yǔ)?！　”菊聦⑹冀K假設(shè)在半導(dǎo)體內(nèi)存在著平衡條件。所謂的“平衡”是指系統(tǒng)處在無(wú)外界擾動(dòng)的狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體上沒有外加電壓、磁場(chǎng)、應(yīng)力以及其他人為影響。這時(shí)，所有的直觀物理量與時(shí)間無(wú)關(guān)。“靜態(tài)條件”能提供一種很好的參照系。在平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體上加入微擾后，原有半導(dǎo)體的某些性質(zhì)就能夠得到確定和推廣?！　”M管本章對(duì)一些物理概念和物理事實(shí)未予以詳盡的闡述，而且也不可能對(duì)所遇到的每一個(gè)概念和公式進(jìn)行解釋，但我們還是運(yùn)用了一些基本的原理和結(jié)論對(duì)其現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明。如果讀者還想深入學(xué)習(xí)，可參閱第一部分末尾所列出的參考文獻(xiàn)?！　∽詈?。對(duì)于在附錄A中所涉及的并重點(diǎn)予以介紹的量子力學(xué)的概念和在2.1節(jié)里討論過的相關(guān)主題，讀者應(yīng)加以關(guān)注。　　2.1節(jié)與附錄A中的內(nèi)容雖然有所雷同，卻有其內(nèi)在的連續(xù)性?！　?.1量子化概念　　在晶體硅中，每一個(gè)原子有14個(gè)電子，每立方厘米體積內(nèi)有5×1022個(gè)原子。要想研究硅中的電子，就必須找出更接近實(shí)際、更為簡(jiǎn)單的原子系統(tǒng)。單獨(dú)的氫原子是所有原子系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的，在現(xiàn)代物理教材中可以看到一些相關(guān)的介紹。對(duì)氫原子進(jìn)行深入研究是從20世紀(jì)初開始的，那時(shí)的科學(xué)家已經(jīng)知道氫原子是由帶負(fù)電的電子圍繞實(shí)心帶正電原子核的軌道旋轉(zhuǎn)而組成，但他們卻不能解釋為什么當(dāng)氫原子被加熱到一個(gè)激發(fā)溫度時(shí)，系統(tǒng)具有發(fā)光性。確切地說(shuō)，所發(fā)出的光是在分立的不連續(xù)的波長(zhǎng)上觀察到的。按照當(dāng)時(shí)的理論，科學(xué)家認(rèn)為光波波長(zhǎng)應(yīng)該是具有連續(xù)性的。

編輯推薦

　　盡管對(duì)半導(dǎo)體器件的研究已經(jīng)超過了半個(gè)世紀(jì)，但這一領(lǐng)域仍然充滿著生機(jī)與活力；而且令人欣喜的是，新器件和改進(jìn)型器件正在快速地發(fā)展。當(dāng)在復(fù)雜的集成電路中的器件數(shù)增加到百萬(wàn)量級(jí)、芯片邊長(zhǎng)以厘米為單位來(lái)計(jì)算時(shí)，從概念上來(lái)說(shuō)獨(dú)立的器件已被縮小到原子尺度。對(duì)于給定的但實(shí)際無(wú)法得到的器件結(jié)構(gòu)，正在人工生成其所希望的半導(dǎo)體性質(zhì)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，人們正在利用工程方法獲得半導(dǎo)體特性，從而達(dá)到所需的器件指標(biāo)?！　　栋雽?dǎo)體器件基礎(chǔ)》特點(diǎn)　　介紹了與半導(dǎo)體和半導(dǎo)體器件有關(guān)的基本術(shù)語(yǔ)、模型及特性　　詳細(xì)介紹了多種“模塊化”器件結(jié)構(gòu)的內(nèi)部工作方式，如pn結(jié)二極管、肖特基二極管、雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）介紹了其他一些器件的相關(guān)信息，主要包括太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管（LED）、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和新型場(chǎng)效應(yīng)器件　　系統(tǒng)闡述了解決實(shí)際器件問題的定量分析方法　　《半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》特色　　計(jì)算機(jī)輔助練習(xí)和課后習(xí)題將使一些單調(diào)枯燥的工作變?yōu)楦哂刑魬?zhàn)性的、更為實(shí)際的問題　　補(bǔ)充讀物和復(fù)習(xí)章節(jié)包含了大量的復(fù)習(xí)術(shù)語(yǔ)、用于測(cè)驗(yàn)的復(fù)習(xí)題和答案，并詳細(xì)列出了補(bǔ)充的閱讀資料　　設(shè)計(jì)了一些只讀章節(jié)，這些章節(jié)中有關(guān)概念分析的內(nèi)容很少，主要是為了在內(nèi)容講解的節(jié)奏上有所變化，為讀者提供感興趣的資料及相關(guān)信息　　在每章末尾的習(xí)題信息表中，列出了習(xí)題所對(duì)應(yīng)的閱讀章節(jié)、難度水平及建議分值。在開始的幾章中以表格形式對(duì)一些關(guān)鍵性公式進(jìn)行了總結(jié)，并且直接使用了一些器件的測(cè)量數(shù)據(jù)及通過計(jì)算機(jī)獲得的相關(guān)圖形

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