電子材料與器件原理

前言

　　近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件正向小型化、集成化和多功能化方向發(fā)展，新型電子材料與器件的研究因而十分活躍。電子材料與器件主要包括半導(dǎo)體材料與器件、功能電介質(zhì)材料與器件、磁性材料與器件、光電子材料與器件等，在電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展產(chǎn)生著巨大的影響?！　∫怨璨牧虾凸杓夹g(shù)為代表的半導(dǎo)體材料與器件自1947年第一只晶體管發(fā)明以來(lái)，取得了令人矚目的飛速進(jìn)展，為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革命與進(jìn)步奠定了重要基礎(chǔ)。目前集成電路90nm和65nm工藝已趨成熟，隨著高k柵介質(zhì)材料與技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，45nm工藝時(shí)代也已來(lái)臨，采用45nm高k金屬柵極晶體管技術(shù)生產(chǎn)的高端處理器芯片最大集成了8．2億個(gè)晶體管，相比65nm工藝實(shí)現(xiàn)了更快的晶體管切換速度、更高的內(nèi)核速度、更低的功耗和更高的集成度，未來(lái)集成電路的特征尺寸預(yù)計(jì)將達(dá)到10nm的極限。功能電介質(zhì)材料具有電、磁、光、熱及其耦合的機(jī)電、磁電、電光等豐富多樣的功能，基于功能電介質(zhì)材料的電子元器件的發(fā)展極大地促進(jìn)了現(xiàn)代信息和電子技術(shù)的進(jìn)步，例如上世紀(jì)20年代中葉，Ni-Zn、Mn-Zn鐵氧體的發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)了電感線圈器件的變革，使電話和無(wú)線電技術(shù)進(jìn)入了新的階段；“二戰(zhàn)”期間發(fā)明的高介電BaTiO3基陶瓷，使得電容器及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生了變革，形成了規(guī)模龐大的電子元件產(chǎn)業(yè)；壓電陶瓷材料的發(fā)展深刻地改變了包括傳感器技術(shù)、超聲技術(shù)、表面波通信技術(shù)、精密定位技術(shù)等一系列工業(yè)技術(shù)；小型化的氧化物陶瓷微波元器件的出現(xiàn)使當(dāng)今無(wú)線移動(dòng)通信得以飛速增長(zhǎng)。

內(nèi)容概要

本書(shū)全面而系統(tǒng)地闡述了電子材料與器件的基礎(chǔ)理論和各類(lèi)功能材料與器件的原理和性能。全書(shū)分為上、下兩冊(cè)：上冊(cè)為理論篇，主要闡述電子材料與器件涉及的基礎(chǔ)理論。內(nèi)容包括材料科學(xué)基礎(chǔ)概論、固體中的電導(dǎo)和熱導(dǎo)、量子物理基礎(chǔ)和現(xiàn)代固體理論；下冊(cè)為應(yīng)用篇，主要討論各種功能材料與器件的原理與性能，內(nèi)容包括半導(dǎo)體、半導(dǎo)體器件、電介質(zhì)材料與絕緣、磁性與超導(dǎo)性、材料的光學(xué)特性等專題?！　”緯?shū)適合作為高等院校電子科學(xué)與工程、電氣科學(xué)與工程、材料科學(xué)、應(yīng)用物理、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)控制等相關(guān)學(xué)科的高年級(jí)本科生或研究生的專業(yè)課程教材，也可作為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師和高校師生的參考用書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

薩法·卡薩普（S.O.Kasap），是加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)（University of Saskatchewan）電氣工程系教授以及加拿大電子材料與器件首席科學(xué)家（Canada Research Chair）。他于1976年、1978年和1983年在倫敦大學(xué)帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College of Science。Technology and Medicin

書(shū)籍目錄

譯者序前言下冊(cè)（應(yīng)用篇）目錄　第5章 半導(dǎo)體　　5.1 本征半導(dǎo)體　　　5.1.1 硅晶體與能帶圖　　　5.1.2 電子與空穴　　　5.1.3 半導(dǎo)體的電導(dǎo)　　　5.1.4 電子與空穴的濃度　　5.2 非本征半導(dǎo)體　　　5.2.1 n型摻雜　　　5.2.2 p型摻雜　　　5.2.3 補(bǔ)償摻雜　　5.3 電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系　　　5.3.1 載流子濃度與溫度的關(guān)系　　　5.3.2 漂移遷移率及其與溫度和雜質(zhì)的關(guān)系　　　5.3.3 電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系　　　5.3.4 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體　　5.4 復(fù)合與少數(shù)載流子注入　　　5.4.1 直接復(fù)合與間接復(fù)合　　　5.4.2 少數(shù)載流子壽命　　5.5 擴(kuò)散方程、電導(dǎo)方程與無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)　　5.6 連續(xù)方程　　　5.6.1 與時(shí)間有關(guān)的連續(xù)方程　　　5.6.2 穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程　　5.7 光吸收　　5.8 壓阻性　　5.9 肖特基結(jié)　　　5.9.1 肖特基二極管　　　5.9.2 肖特基太陽(yáng)能電池　　5.10 歐姆接觸與熱電制冷機(jī)　　5.11 直接帶隙與間接帶隙的半導(dǎo)體　　5.12 間接復(fù)合　　5.13 非晶態(tài)半導(dǎo)體　第6章 半導(dǎo)體器件　　6.1 理想pn結(jié)　　　6.1.1 無(wú)偏壓：開(kāi)路　　　6.1.2 正偏：擴(kuò)散電流　　　6.1.3 正偏：復(fù)合和總電流　　　6.1.4 反向偏壓　　6.2 pn結(jié)能帶圖　　　6.2.1 開(kāi)路　　　6.2.2 iE偏和反偏　　6.3 pn結(jié)的耗盡層電容　　6.4 擴(kuò)散（存儲(chǔ)）電容和動(dòng)態(tài)電阻　　6.5 反向擊穿：雪崩擊穿和齊納擊穿　　　6.5.1 雪崩擊穿　　　6.5.2 齊納擊穿　　6.6 雙極晶體管　　　6.6.1 共基極直流特性　　　6.6.2 共基極放大器　　　6.6.3 共射極直流特性　　　6.6.4 低頻小信號(hào)模型　　……第7章 電介質(zhì)材料和絕緣第8章 磁性和超導(dǎo)性第9章 材料的光學(xué)特性附錄A 布喇格衍射定律與X射線衍射附錄B 通量、光通量和輻射亮度附錄C 主要符號(hào)和縮寫(xiě)附錄D 元素特性（氫至鈾）附錄E 一些常數(shù)和有用的資料

章節(jié)摘錄

　　下冊(cè)（應(yīng)用篇）目錄　　第5章 半導(dǎo)體　　本章中我們將對(duì)本征與非本征半導(dǎo)體的性質(zhì)建立基本的認(rèn)識(shí)。盡管我們討論的大部分內(nèi)容和實(shí)例是基于Si材料，但其思想適用于Ge材料和GaAs，InP以及其它化合物半導(dǎo)體。我們所說(shuō)的本征硅是指理想的、無(wú)缺陷的硅單晶，它沒(méi)有任何的雜質(zhì)或晶體缺陷（例如位錯(cuò)和晶粒邊界）。因此，該晶體中的硅原子以金剛石結(jié)構(gòu)的形式完整地相互鍵合。在溫度高于絕對(duì)零度的條件下，晶格中的硅原子將按照一種能量分布產(chǎn)生振動(dòng)。盡管這種振動(dòng)的平均能量至多為3kT，振動(dòng)的硅原子并不能破壞它們之間的鍵合，但某些區(qū)域的少數(shù)晶格振動(dòng)仍然可以具有足夠的能量使硅原子之間的鍵合斷裂。一個(gè)鍵一旦被破壞，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“自由電子”，它在晶體中作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)的作用下能參與導(dǎo)電。這個(gè)破壞的鍵失去了一個(gè)電子，因而該處帶正電；由于失去電子而在鍵中留下的空位被稱為空穴。鄰近鍵的電子能容易地隧穿到這個(gè)斷鍵并填充空穴，于是有效地產(chǎn)生了空穴向隧穿電子原來(lái)地方的轉(zhuǎn)移。因此，通過(guò)鄰近鍵的電子的隧穿，空穴也可以自由地在晶體中作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也可以在外加電場(chǎng)作用下參與電導(dǎo)。在本征半導(dǎo)體中，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)等于空穴數(shù)（斷裂的價(jià)鍵數(shù)）。在非本征半導(dǎo)體中，半導(dǎo)體添加了雜質(zhì)，雜質(zhì)可以提供額外的電子或空穴。例如在Si中摻砷（As），每個(gè)砷原子起施主的作用，為晶體提供一個(gè)自由電子。因?yàn)檫@些電子不是來(lái)自斷裂的鍵，電子與空穴的數(shù)目在非本征半導(dǎo)體中是不相等的，本例中摻砷的Si將具有過(guò)量的電子。這種硅晶體稱為n型Si，因?yàn)閷?dǎo)電主要是由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。如果摻雜（例如摻硼）而使空穴的濃度超過(guò)電子的濃度，也可以得到P型si。

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