半導體物理與器件

內容概要

　　本書是微電子技術領域的基礎教程。全書涵蓋了量子力學、固體物理、半導體材料物理及半導體器件物理等內容，共三部分（合計15章）。第一部分是基礎物理，包括固體晶格結構、量子力學和固體物理；第二部分是半導體材料物理，主要討論平衡態(tài)和非平衡態(tài)半導體以及載流子輸運現(xiàn)象；第三部分是半導體器件物理，主要討論同質pn結、金屬半導體接觸、異質結以及雙極晶體管、MOS場效應晶體管、結型場效應晶體管等。最后論述光子器件和功率半導體器件。書中既講述了半導體基礎知識，也分析討論了小尺寸器件物理問題，具有一定的深度和廣度。

作者簡介

　　尼曼，Donald A.
Neamen(唐納德.A.尼曼)，美國新墨西哥大學電氣與計算機工程系教授，于新墨西哥大學取得博士學位后.成為Hanscom空軍基地固態(tài)科學實驗室電子工程師。1976年，加入新墨西哥大學電氣與計算機工程系，從事半導體物理與器件課程和電路課程的教學工作。目前，尼曼仍是該系的返聘教員。近來，他曾任教于中國上海的密歇根-上海交通大學聯(lián)合研究所。
1980年，尼曼教授獲得新墨西哥大學“杰出教師獎”；1983年和1985年.獲得由美國最悠久的工程榮譽學會Tau Beta
Pi(TBI)頒發(fā)的“工程學院杰出教師獎”。1990年及從1994年開始至2001年的每一年，獲得由電氣和計算機工程系畢業(yè)生授予的“榮譽教師獎”。他還于1994年獲得工程學院的“優(yōu)秀教學獎”。
　　除教學外，尼曼教授曾任電氣與計算機工程系副主任，并曾與業(yè)界的Martin
Marietta公司、Sandia美國國家實驗室和Raytheon公司合作。發(fā)表過許多論文，同時是Microelectronics
Circuit Analysis and Design，F(xiàn)ourth Edition和An Introduction to
Semiconductor Devices兩書的作者。

書籍目錄

目錄
第一部分　半導體材料屬性
　第1章　固體晶格結構
　　1.0　預習
　　1.1　半導體材料
　　1.2　固體類型
　　1.3　空間晶格
　　　1.3.1　原胞和晶胞
　　　1.3.2　基本的晶體結構
　　　1.3.3　晶面和密勒指數
　　　1.3.4　晶向
　　1.4　金剛石結構
　　1.5　原子價鍵
　　1.6　固體中的缺陷和雜質
　　　1.6.1　固體中的缺陷
　　　1.6.2　固體中的雜志
　　1.7　半導體材料的生長
　　　1.7.1　在熔融體中生長
　　　1.7.2　外延生長
　　1.8　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻　　
　第2章　量子力學初步
　　2.0　預習
　　2.1　量子力學的基本原理
　　　2.1.1　能量量子化
　　　2.1.2　波粒二相性
　　　2.1.3　不確定原理
　　2.2　薛定諤波動方程
　　　2.2.1　波動方程
　　　2.2.2　波函數的物理意義
　　　2.2.3　邊界條件
　　2.3　薛定諤波動方程的應用
　　　2.3.1　自由空間中的電子
　　　2.3.2　無限深勢阱
　　　2.3.3　階躍勢函數
　　　2.3.4　勢壘和隧道效應
　　2.4　原子波動理論的延伸
　　　2.4.1　單電子原子
　　　2.4.2　周期表
　　2.5　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第3章　固體量子理論初步
　　3.0　預習
　　3.1　允帶與禁帶
　　　3.1.1　能帶的形成
　　　3.1.2　克龍尼克-潘納模型
　　　3.1.3　k空間能帶圖
　　3.2　固體中電的傳導
　　　3.2.1　能帶和鍵模型
　　　3.2.2　漂移電流
　　　3.2.3　電子的有效質量
　　　3.2.4　空穴的概念
　　　3.2.5　金屬、絕緣體和半導體
　　3.3　三維擴展
　　　3.3.1　硅和砷化鎵的k空間能帶圖
　　　3.3.2　有效質量的補充概念
　　3.4　狀態(tài)密度函數
　　　3.4.1　數學推導
　　　3.4.2　擴展到半導體
　　3.5　統(tǒng)計力學
　　　3.5.1　統(tǒng)計規(guī)律
　　　3.5.2　費米-狄拉克概率函數
　　　3.5.3　分布函數和費米能級
　　3.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第4章　平衡半導體
　　4.0　預習
　　4.1　半導體中的載流子
　　　4.1.1　電子和空穴的平衡分布
　　　4.1.2　n0方程和p0方程
　　　4.1.3　本征載流子濃度
　　　4.1.4　本征費米能級位置
　　4.2　摻雜原子與能級
　　　4.2.1　定性描述
　　　4.2.2　電離能
　　　4.2.3　III-V族半導體
　　4.3　非本征半導體
　　　4.3.1　電子和空穴的平衡狀態(tài)分布
　　　4.3.2　n0和p0的乘積
　　　4.3.3　費米-狄拉克積分
　　　4.3.4　簡并與非簡并半導體
　　4.4　施主和受主的統(tǒng)計學分布
　　　4.4.1　概率函數
　　　4.4.2　完全電離與束縛態(tài)
　　4.5　電中性狀態(tài)
　　　4.5.1　補償半導體
　　　4.5.2　平衡電子和空穴濃度
　　4.6　費米能級的位置
　　　4.6.1　數學推導
　　　4.6.2　EF隨摻雜濃度和溫度的變化
　　　4.6.3　費米能級的應用
　　4.7　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
第5章　載流子輸運現(xiàn)象
　　5.0　預習
　　5.1　載流子的漂移運動
　　　5.1.1　漂移電流密度
　　　5.1.2　遷移率
　　　5.1.3　電導率
　　　5.1.4　飽和速度
　　5.2　載流子擴散
　　　5.2.1　擴散電流密度
　　　5.2.2　總電流密度
　　5.3　雜質梯度分布
　　　5.3.1　感生電場
　　　5.3.2　愛因斯坦關系
　　5.4　霍爾效應
　　5.5　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第6章　半導體中的非平衡過剩載流子
　　6.0　預習
　　6.1　載流子的產生與復合
　　　6.1.1　平衡態(tài)半導體
　　　6.1.2　過剩載流子的產生與復合
　　6.2　過剩載流子的性質
　　　6.2.1　連續(xù)性方程
　　　6.2.2　與時間有關的擴散方程
　　6.3　雙極輸運
　　　6.3.1　雙極輸運方程的推導
　　　6.3.2　摻雜及小注入的約束條件
　　　6.3.3　雙極輸運方程的應用
　　　6.3.4　介電弛豫時間常數
　　　6.3.5　海恩斯-肖克萊實驗
　　6.4　準費米能級
　　6.5　過剩載流子的壽命
　　　6.5.1　肖克萊-里德-霍爾復合理論
　　　6.5.2　非本征摻雜和小注入的約束條件
　　6.6　表面效應
　　　6.6.1　表面態(tài)
　　　6.6.2　表面復合速度
　　6.7　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
第二部分　半導體器件基礎
　第7章　pn結
　　7.0　預習
　　7.1　pn結的基本結構
　　7.2　零偏
　　　7.2.1　內建電勢差
　　　7.2.2　電場強度
　　　7.2.3　空間電荷區(qū)寬度
　　7.3　反偏
　　　7.3.1　空間電荷區(qū)寬度與電場
　　　7.3.2　勢壘電容（結電容）
　　　7.3.3　單邊突變結
　　7.4　結擊穿
　　7.5　非均勻摻雜pn結
　　　7.5.1　線性緩變結
　　　7.5.2　超突變結
　　7.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第8章　pn結二極管
　　8.0　預習
　　8.1　pn結電流
　　　8.1.1　pn結內電荷流動的定性描述
　　　8.1.2　理想的電流-電壓關系
　　　8.1.3　邊界條件
　　　8.1.4　少數載流子分布
　　　8.1.5　理想pn結電流
　　　8.1.6　物理學小結
　　　8.1.7　溫度效應
　　　8.1.8　短二極管
　　8.2　產生-復合電流和高注入級別
　　　8.2.1　產生復合電流
　　　8.2.2　高級注入
　　8.3　pn結的小信號模型
　　　8.3.1　擴散電阻
　　　8.3.2　小信號導納
　　　8.3.3　等效電路
　　8.4　電荷存儲與二極管瞬態(tài)
　　　8.4.1　關瞬態(tài)
　　　8.4.2　開瞬態(tài)
　　8.5　隧道二極管
　　8.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第9章　金屬半導體和半導體異質結
　　9.0　預習
　　9.1　肖特基勢壘二極管
　　　9.1.1　性質上的特征
　　　9.1.2　理想結的特性
　　　9.1.3　影響肖特基勢壘高度的非理想因素
　　　9.1.4　電流-電壓關系
　　　9.1.5　肖特基勢壘二極管與pn結二極管的比較
　　9.2　金屬-半導體的歐姆接觸
　　　9.2.1　理想非整流接觸勢壘
　　　9.2.2　隧道效應
　　　9.2.3　比接觸電阻
　　9.3　異質結
　　　9.3.1　形成異質結的材料
　　　9.3.2　能帶圖
　　　9.3.3　二維電子氣
　　　9.3.4　靜電平衡態(tài)
　　　9.3.5　電流-電壓特性
　　9.4　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第10章　金屬-氧化物-半導體場效應晶體管基礎
　　10.0　預習
　　10.1　雙端MOS結構
　　　10.1.1　能帶圖
　　　10.1.2　耗盡層厚度
　　　10.1.3　面電荷密度
　　　10.1.4　功函數差
　　　10.1.5　平帶電壓
　　　10.1.6　閾值電壓
　　10.2　電容-電壓特性
　　　10.2.1　理想C-V特性
　　　10.2.2　頻率特性
　　　10.2.3　固定柵氧化層電荷和界面電荷效應
　　10.3　MOSFET基本工作原理
　　　10.3.1　MOSFET結構
　　　10.3.2　電流-電壓關系——概念
　　　10.3.3　電流-電壓關系——數學推導
　　　10.3.4　跨導
　　　10.3.5　襯底偏置效應
　　10.4　頻率限制特性
　　　10.4.1　小信號等效電路
　　　10.4.2　頻率限制因素和截止頻率
　　10.5　CMOS技術
　　10.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第11章　金屬-氧化物-半導體場效應晶體管：概念的深入
　　11.0　預習
　　11.1　非理想效應
　　　11.1.1　亞閾值電導
　　　11.1.2　溝道長度調制效應
　　　11.1.3　遷移率變化
　　　11.1.4　速度飽和
　　　11.1.5　彈道輸運
　　11.2　MOSFET按比例縮小理論
　　　11.2.1　恒定電場按比例縮小
　　　11.2.2　閾值電壓——一級近似
　　　11.2.3　全部按比例縮小理論
　　11.3　閾值電壓的修正
　　　11.3.1　短溝道效應
　　　11.3.2　窄溝道效應
　　11.4　附加電學特性
　　　11.4.1　擊穿電壓
　　　11.4.2　輕摻雜漏晶體管
　　　11.4.3　通過離子注入進行閾值調整
　　11.5　輻射和熱電子效應
　　　11.5.1　輻射引入的氧化層電荷
　　　11.5.2　輻射引入的界面態(tài)
　　　11.5.3　熱電子充電效應
　　11.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第12章　雙極晶體管
　　12.0　預習
　　12.1　雙極晶體管的工作原理
　　　12.1.1　基本工作原理
　　　12.1.2　晶體管電流的簡化表達式
　　　12.1.3　工作模式
　　　12.1.4　雙極晶體管放大電路
　　12.2　少子的分布
　　　12.2.1　正向有源模式
　　　12.2.2　其他工作模式
　　12.3　低頻共基極電流增益
　　　12.3.1　有用的因素
　　　12.3.2　電流增益的數學表達式
　　　12.3.3　小結
　　　12.3.4　電流增益的計算
　　12.4　非理想效應
　　　12.4.1　基區(qū)寬度調制效應
　　　12.4.2　大注入效應
　　　12.4.3　發(fā)射區(qū)禁帶變窄
　　　12.4.4　電流集邊效應
　　　12.4.5　基區(qū)非均勻摻雜的影響
　　　12.4.6　擊穿電壓
　　12.5　等效電路模型
　　　12.5.1　Ebers-Moll模型
　　　12.5.2　Gummel-Poon模型
　　　12.5.3　H-P模型
　　12.6　頻率上限
　　　12.6.1　延時因子
　　　12.6.2　晶體管截止頻率
　　12.7　大信號開關
　　　12.7.1　開關特性
　　　12.7.2　肖特基鉗位晶體管
　　12.8　其他的雙極晶體管結構
　　　12.8.1　多晶硅發(fā)射區(qū)雙極結型晶體管
　　　12.8.2　SiGe基于晶體管
　　　12.8.3　異質結雙極晶體管
　　12.9　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第13章　結型場效應晶體管
　　13.0　預習
　　13.1　JFET概念
　　　13.1.1　pnJFET的基本工作原理
　　　13.1.2　MESFET的基本工作原理
　　13.2　器件的特性
　　　13.2.1　內建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓
　　　13.2.2　耗盡型JFET的理想直流I-V特性
　　　13.2.3　跨導
　　　13.2.4　MESFET
　　13.3　非理想因素
　　　13.3.1　溝道長度調制效應
　　　13.3.2　飽和速度影響
　　　13.3.3　亞閾值特性和柵電流效應
　　13.4　等效電路和頻率限制
　　　13.4.1　小信號等效電路
　　　13.4.2　頻率限制因子和截止頻率
　　13.5　高電子遷移率晶體管
　　　13.5.1　量子阱結構
　　　13.5.2　晶體管性能
　　13.6　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
第三部分　專用半導體器件
　第14章　光器件
　　14.0　預習
　　14.1　光學吸收
　　　14.1.1　光子吸收系數
　　　14.1.2　電子-空穴對的產生率
　　14.2　太陽能電池
　　　14.2.1　pn結太陽能電池
　　　14.2.2　轉換效率與太陽光集中
　　　14.2.3　非均勻吸收的影響
　　　14.2.4　異質結太陽能電池
　　　14.2.5　非晶態(tài)（無定形）硅太陽能電池
　　14.3　光電探測器
　　　14.3.1　光電導體
　　　14.3.2　光電二極管
　　　14.3.3　PIN光電二極管
　　　14.3.4　雪崩二極管
　　　14.3.5　光電晶體管
　　14.4　光致發(fā)光和電致發(fā)光
　　　14.4.1　基本躍遷
　　　14.4.2　發(fā)光效率
　　　14.4.3　材料
　　14.5　光電二極管
　　　14.5.1　光的產生
　　　14.5.2　內量子效率
　　　14.5.3　外量子效率
　　　14.5.4　LED器件
　　14.6　激光二極管
　　　14.6.1　受激輻射和分布反轉
　　　14.6.2　光學空腔諧振器
　　　14.6.3　閾值電流
　　　14.6.4　器件結構與特性
　　14.7　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
　第15章　半導體功率器件
　　15.0　預習
　　15.1　隧道二極管
　　15.2　GUNN二極管
　　15.3　IMPATT二極管
　　15.4　功率雙極晶體管
　　　15.4.1　垂直式功率晶體管結構
　　　15.4.2　功率晶體管特性
　　　15.4.3　達林頓組態(tài)
　　15.5　功率MOSFET
　　　15.5.1　功率晶體管結構
　　　15.5.2　功率MOSFET特性
　　　15.5.3　寄生雙極晶體管
　　　15.6　半導體閘流管
　　　15.6.1　基本特性
　　　15.6.2　SCR的觸發(fā)機理
　　　15.6.3　SCR的關斷
　　　15.6.4　器件結構
　　15.7　小結
　　重要術語解釋
　　知識點
　　復習題
　　習題
　　參考文獻
附錄A　部分參數符號列表
附錄B　單位制、單位換算和通用常數
附錄C　元素周期表
附錄D　能量單位——電子伏特
附錄E　薛定諤波動方程的推導
附錄F　有效質量概念
附件G　誤差函數
附錄H　部分習題參考答案
索引

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：We have considered the effects of fixed trapped oxide charge and interface state charge on the capacitance-voltage characteristics of MOS capacitors and on the MOSFET characteristics. These charges can exist because the oxide is essentially a perfect dielectric and a net charge density can exist in a dielectric material. Two processes that generate these charges are ionizing radiation and impact ionization in the drain region of a MOSFET operating near avalanche breakdown.MOS devices are exposed to ionizing radiation, for example, in communication satellites orbiting through the Van Allen radiation belts. The ionizing radiation can produce additional fixed oxide charge and also additional interface states. In this short discussion of radiation effects in MOSFETS, we are concerned only with the permanent effects that occur in the device characteristics.Another source can generate oxide charge and interface states: the hot electron effect. Electrons near the drain terminal of a MOSFET operating near avalanche breakdown can have energies that are much larger than the thermal-equilibrium value. These hot electrons have energies sufficient to penetrate the oxide-semiconductor barrier.

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