半导体器件物理

本书主要描述常用半导体器件的基本结构、工作原理以及电特性。内容包括：半导体物理基础、PN结、PN结二极管应用、双极型晶体管、结型场效应晶体管、MOSFET以及新型场效应晶体管，如FinFET、SOI FET、纳米线围栅(GAA)FET等，共计七章。与同类教材比较，本教材增加了pn结二极管应用以及新型场效应晶体管的介绍，反映了本领域的最新研究进展，丰富了BJT和MOSFET的相关内容，对重要知识点有更详尽的解释说明，便于学生自学，也可供本领域科研人员和工程技术人员参考。

简历：1978．2 － 1982.1 华中工学院固体电子学系本科毕业，获工学学士学位1982．2 － 1984.9 华中工学院固体电子学系硕士毕业，获工学硕士学位1989．9 － 1993.11 华中理工大学固体电子学系博士毕业，获工学博士学位1984．9 －1986.10 华中工学院固体电子学系 助教1986．11 － 1994.5 华中理工大学固体电子学系 讲师1994．6 － 2000.1 华中理工大学固体电子学系 副教授2000．2 － 2012.6 华中科技大学电子科学与技术系 教授，博导2012.6 - 华中科技大学光学与电子信息学院 教授，博导1995.12－1997.6 香港大学电机电子工程学系资深研究员1997.7 －1999.6 香港大学电机电子工程学系博士后研究主要科研成果：1.2019年获湖北省自然科学奖三等奖；获国家自然科学基金面上项目九项。

目录 第1章半导体物理基础(1) 1.1半导体材料(1) 1.1.1半导体材料的原子构成(1) 1.1.2半导体材料的晶体结构(2) 1.2半导体中的电子(3) 1.2.1量子力学简介(4) 1.2.2半导体中电子的特性与能带(8) 1.2.3载流子(11) 1.3载流子的浓度(14) 1.3.1电子的统计分布规律(14) 1.3.2载流子浓度与费米能级的关系(16) 1.3.3本征半导体与杂质半导体(16) 1.3.4非平衡载流子(22) 1.3.5准费米能级(24) 1.4载流子的输运(25) 1.4.1载流子的散射(25) 1.4.2载流子的漂移运动与迁移率(25) 1.4.3漂移电流与电导率(28) 1.4.4扩散运动与扩散系数(29) 1.4.5电流密度方程与爱因斯坦关系式(30) 1.5连续性方程与扩散方程(31) 1.5.1连续性方程(31) 1.5.2扩散方程(32) 1.6泊松方程(33) 思考题1(34) 习题1(34) 第2章PN结(36) 2.1PN结的结构及其杂质分布(36) 2.1.1突变结(36) 2.1.2缓变结(37) 2.2平衡PN结(38) 2.2.1空间电荷区的形成(38) 2.2.2能带与接触电势差(39) 2.2.3载流子浓度分布(41) 2.2.4空间电荷区中的电场(42) 2.3理想PN结的伏安特性(45) 2.3.1正向特性(45) 2.3.2反向特性(48) 2.3.3理想PN结的伏安特性(51) 2.4实际PN结的特性(54) 2.4.1空间电荷区的复合电流(54) 2.4.2空间电荷区的产生电流(57) 2.4.3表面漏电流与表面复合、产生电流(58) 2.4.4大注入效应(59) 2.4.5PN结的温度特性(62) 2.5PN结的击穿(63) 2.5.1雪崩击穿(63) 2.5.2隧道击穿(66) 2.5.3热击穿(67) 2.5.4影响击穿电压的因素(68) 2.6PN结的小信号特性(70) 2.6.1交流小信号电导(70) 2.6.2势垒电容(71) 2.6.3扩散电容(73) 思考题2(74) 习题2(75) 第3章PN结二极管(76) 3.1变容二极管(76) 3.1.1PN结电容电压特性(76) 3.1.2变容二极管结构和工艺(79) 3.1.3变容二极管主要参数(80) 3.2隧道二极管(81) 3.2.1隧道二极管的工作原理(81) 3.2.2隧道电流和过量电流(83) 3.2.3等效电路及特性(84) 3.3雪崩二极管(85) 3.3.1崩越二极管(85) 3.3.2俘越二极管(88) 3.4PN结太阳能电池(89) 3.4.1光生伏特效应(89) 3.4.2PN结太阳能电池基本特性(90) 3.5发光二极管(92) 3.6激光二极管(94) 3.6.1粒子数的反转分布(95) 3.6.2光反馈和激光振荡(96) 思考题3(97) 习题3(98) 第4章双极晶体管(99) 4.1双极晶体管的结构(99) 4.1.1晶体管的基本结构(99) 4.1.2晶体管的结构特点(101) 4.2双极晶体管的放大作用(103) 4.2.1直流电流放大系数和晶体管内载流子的传输(103) 4.2.2共基极与共射极直流电流放大系数(105) 4.3双极晶体管电流增益(106) 4.3.1均匀基区晶体管直流电流增益(107) 4.3.2缓变基区晶体管直流电流增益(113) 4.3.3影响电流增益的因素(117) 4.4反向直流参数与基极电阻(121) 4.4.1BJT反向截止电流(121) 4.4.2BJT反向击穿电压(122) 4.4.3BJT基极电阻(125) 4.5双极晶体管直流伏安特性(128) 4.5.1均匀基区晶体管直流伏安特性(128) 4.5.2双极晶体管的特性曲线(129) 4.6双极晶体管频率特性(132) 4.6.1交流小信号电流传输(132) 4.6.2交流小信号传输延迟时间(135) 4.6.3交流小信号电流增益(137) 4.6.4双极晶体管频率特性参数(139) 4.7双极晶体管的开关特性(142) 4.7.1双极晶体管的开关原理(142) 4.7.2晶体管的开关过程和开关时间(144) 4.8等效电路模型(150) 4.8.1EbersMoll模型(150) 4.8.2GummelPoon模型(152) 4.9双极晶体管大电流特性(155) 4.9.1大注入效应(156) 4.9.2有效基区扩展效应(159) 4.9.3发射极电流集边效应(161) 4.9.4最大集电极电流(162) 思考题4(163) 习题4(164) 第5章结型场效应晶体管(166) 5.1JFET结构与工作原理(166) 5.1.1基本结构(166) 5.1.2工作原理(167) 5.2MESFET结构与工作原理(170) 5.2.1金半接触基本理论(170) 5.2.2MESFET基本结构(172) 5.2.3MESFET工作原理(173) 5.3JFET直流特性(174) 5.3.1夹断电压和饱和漏源电压(174) 5.3.2JFET的理想直流特性(176) 5.4直流特性的非理想效应(178) 5.4.1沟道长度调制效应(178) 5.4.2速度饱和效应(179) 5.4.3亚阈值电流及栅电流(180) 5.5JFET的交流小信号参数及等效电路(181) 5.5.1低频交流小信号参数(181) 5.5.2本征电容(183) 5.5.3交流小信号等效电路(184) 5.5.4频率限制因素及截止频率(185) 思考题5(187) 习题5(188) 第6章MOSFET(189) 6.1MOS电容器及其特性(189) 6.1.1理想MOS电容能带图(189) 6.1.2表面耗尽层宽度(191) 6.1.3理想MOS电容及CV特性(192) 6.2MOSFET结构及工作原理(194) 6.2.1MOSFET基本结构(194) 6.2.2MOSFET基本类型(195) 6.2.3MOSFET基本工作原理(197) 6.2.4MOSFET特性曲线(198) 6.3MOSFET的阈值电压(200) 6.3.1阈值电压的定义(200) 6.3.2理想MOSFET的阈值电压(201) 6.3.3实际MOSFET的阈值电压(201) 6.3.4影响阈值电压的因素(206) 6.4MOSFET的电流电压特性(212) 6.4.1IV方程(212) 6.4.2影响IV特性的非理想因素(215) 6.4.3亚阈区特性(220) 6.5MOSFET小信号等效电路和频率特性(222) 6.5.1交流小信号参数(222) 6.5.2本征电容(225) 6.5.3交流小信号等效电路(226) 6.5.4MOSFET的频率特性(227) 6.6MOSFET的小尺寸效应(229) 6.6.1短沟效应——漏源电荷分享模型(229) 6.6.2窄沟效应(232) 6.6.3漏致势垒降低(DIBL)效应(233) 6.6.4次表面穿通(236) 6.6.5其他一些特殊效应(236) 6.6.6等比例缩小规则(239) 6.7MOSFET的击穿特性(241) 6.7.1栅调制击穿(241) 6.7.2沟道雪崩击穿(242) 6.7.3寄生NPN管击穿(243) 6.7.4漏源穿通效应(245) 6.7.5栅介质击穿(245) 6.7.6轻掺杂漏结构(246) 思考题6(248) 习题6(249) 第7章新型场效应晶体管(251) 7.1SOIMOSFET(251) 7.1.1SOI衬底的制备(252) 7.1.2PDSOI MOSFET(254) 7.1.3FDSOI MOSFET(256) 7.2FinFET(267) 7.2.1FinFET的结构及分类(267) 7.2.2FinFET的工作原理及优势(269) 7.2.3多栅FinFET制造技术(270) 7.3多栅FinFET器件物理及性能(274) 7.3.1单栅SOI MOSFET(275) 7.3.2双栅SOI FinFET(276) 7.3.3四栅SOI FinFET(276) 7.3.4修正的特征长度λN(277) 7.3.5多栅FinFET的驱动电流(279) 7.3.6多栅FinFET的角效应(280) 7.3.7SOI和体硅FinFET性能比较(282) 7.4GAA FET(283) 7.4.1GAA FET的结构及原理(284) 7.4.2纳米线制造工艺(286) 7.4.3纳米线沟道的量子效应(288) 7.4.4GAA FET的IV模型(295) 思考题7(296) 习题7(297) 附录(298) 附录ASi、Ge、GaAs和GaP电阻率与杂质浓度关系(298) 附录BSi、Ge、GaAs中载流子迁移率与杂质浓度关系(299) 附录CSi、Ge和GaAs的重要性质(T=300 K)(300) 附录D常用半导体的性质(301) 附录E常用物理常数(304) 附录F国际单位制(SI单位)(305) 附录G单位词头(306) 参考文献(307)