固态电子器件

本书是固态电子器件的教材，全书分为固体物理基础和半导体器件物理两大部分，共10章。靠前章至第4章介绍半导体材料及其生长技术、量子力学基础、半导体能带以及过剩载流子。第5章至靠前0章介绍各种电子器件和集成电路的结构、工作原理以及制造工艺等，包括：p-n结、金属-半导体结、异质结；场效应晶体管；双极结型晶体管；光电子器件；高频、大功率及纳电子器件。第9章使用较大篇幅介绍CMOS制造工艺，从器件物理角度介绍SRAM、DRAM、CCD、闪存等集成器件的结构和工作原理。本书的器件种类基本涵盖了所有的器件大类，反映了现代电子器件的基础理论、工作原理、二级效应以及发展趋势。各章均给出小结，并附有习题、参考读物和自测题。

本·G.斯特里特曼，美国得克萨斯大学奥斯汀分校Cockrell工程学院名誉院长，电子与计算机工程名誉教授和Dula D.Cockrell(Centennial Chair)。长期从事半导体材料与器件的教学和科研工作。获得的荣誉主要有：电子与电气工程师学会(IEEE)教育奖、美国工程教育协会(ASEE)Frederick Emmons Terman奖、化合物半导体靠前会议Heinrich Welker奖。是美国国家工程院院士和美国艺术与科学院院士，同时也是IEEE和电化学协会会士。
桑贾伊·K.班纳吉，现任美国得克萨斯大学奥斯汀分校电子与计算机工程首席教授、微电子研究中心主任。发表了900多篇被引论文和会议论文，拥有30项美国专利，指导过50多名博士研究生。获得(美国)国家自然科学基金总统青年探索者奖、IEEEAndrew S.Grove奖等多个奖项和荣誉。是IEEE、APS和AAAS会士。

第1章 晶体性质和半导体生长1
1.1 半导体材料1
1.2 晶格2
1.2.1 周期结构2
1.2.2 立方晶格4
1.2.3 晶面与晶向5
1.2.4 金刚石晶格7
1.3 大块晶体生长9
1.3.1 原材料的制备9
1.3.2 单晶的生长9
1.3.3 晶片加工11
1.3.4 晶体掺杂11
1.4 薄层晶体的外延生长12
1.4.1 外延生长的晶格匹配13
1.4.2 气相外延14
1.4.3 分子束外延16
1.5 周期性结构中波的传播17
小结18
习题19
参考读物20
自测题20
第2章 原子和电子22
2.1 关于物理模型22
2.2 重要实验及其结果23
2.2.1 光电效应23
2.2.2 原子光谱25
2.3 玻尔模型26
2.4 量子力学基础知识28
2.4.1 几率和不确定性原理29
2.4.2 薛定谔波动方程30
2.4.3 势阱问题32
2.4.4 量子隧穿33
2.5 原子结构和元素周期表34
2.5.1 氢原子34
2.5.2 元素周期表36
小结39
习题40
参考读物41
自测题41
第3章 半导体的能带和载流子43
3.1 固体结合性质与能带43
3.1.1 固体的结合性质43
3.1.2 能带45
3.1.3 金属、半导体和绝缘体47
3.1.4 直接禁带半导体和间接禁带半导体48
3.1.5 化合物半导体能带结构随组分的变化49
3.2 半导体中的载流子50
3.2.1 电子和空穴51
3.2.2 有效质量54
3.2.3 本征半导体56
3.2.4 非本征半导体57
3.2.5 量子阱中的电子和空穴60
3.3 载流子浓度60
3.3.1 费米能级61
3.3.2 平衡态电子和空穴浓度62
3.3.3 载流子浓度对温度的依赖关系66
3.3.4 杂质补偿和空间电荷中性67
3.4 载流子在电场和磁场中的运动68
3.4.1 电导率和迁移率68
3.4.2 电阻率71
3.4.3 迁移率对温度和掺杂浓度的依赖关系72
3.4.4 高场效应74
3.4.5 霍尔效应74
3.5 平衡态费米能级的不变性76
小结77
习题78
参考读物80
自测题81
第4章 半导体中的过剩载流子83
4.1 半导体对光的吸收特性83
4.2 半导体发光85
4.2.1 光致发光85
4.2.2 电致发光87
4.3 载流子寿命和光电导87
4.3.1 电子和空穴的直接复合87
4.3.2 间接复合；载流子俘获89
4.3.3 稳态载流子浓度；准费米能级91
4.3.4 光电导93
4.4 载流子在半导体中的扩散93
4.4.1 扩散机制94
4.4.2 载流子的扩散和漂移；自建电场96
4.4.3 扩散和复合；连续性方程98
4.4.4 稳态注入；扩散长度99
4.4.5 Haynes-Shockley实验101
4.4.6 准费米能级的空间梯度103
小结104
习题104
参考读物107
自测题107
第5章 半导体p-n结和金属-半导体结109
5.1 p-n结的制造109
5.1.1 热氧化109
5.1.2 扩散111
5.1.3 快速热处理112
5.1.4 离子注入113
5.1.5 化学气相淀积114
5.1.6 光刻115
5.1.7 腐蚀(刻蚀)117
5.1.8 金属化118
5.2 平衡态p-n结120
5.2.1 接触电势120
5.2.2 平衡态费米能级123
5.2.3 结的空间电荷124
5.3 结的正偏和反偏；稳态特性127
5.3.1 结电流的定性分析127
5.3.2 载流子的注入130
5.3.3 反向偏置136
5.4 反向击穿138
5.4.1 齐纳击穿139
5.4.2 雪崩击穿140
5.4.3 整流二极管142
5.4.4 击穿二极管144
5.5 瞬态特性和交流特性144
5.5.1 存储电荷的瞬态变化145
5.5.2 反向恢复过程147
5.5.3 开关二极管149
5.5.4 p-n结电容149
5.5.5 变容二极管152
5.6 对二极管简单理论的修正153
5.6.1 接触电势对载流子注入的影响154
5.6.2 空间电荷区内载流子的产生和复合155
5.6.3 欧姆损耗157
5.6.4 缓变结159
5.7 金属-半导体结160
5.7.1 肖特基势垒160
5.7.2 整流接触161
5.7.3 欧姆接触163
5.7.4 典型的肖特基势垒164
5.8 异质结165
小结168
习题169
参考读物175
自测题175
第6章 场效应晶体管177
6.1 场效应晶体管的工作原理178
6.1.1 晶体管的负载线178
6.1.2 放大和开关作用178
6.2 结型场效应晶体管179
6.2.1 夹断和饱和180
6.2.2 栅的控制作用181
6.2.3 电流-电压特性182
6.3 金属-半导体场效应晶体管184
6.3.1 GaAs金属-半导体场效应晶体管184
6.3.2 高电子迁移率晶体管185
6.3.3 短沟效应186
6.4 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管187
6.4.1 MOSFET的基本工作原理187
6.4.2 理想MOS结构的性质190
6.4.3 真实表面的影响197
6.4.4 阈值电压199
6.4.5 电容-电压(C-V)特性分析200
6.4.6 瞬态电容测量(C-t测量)203
6.4.7 氧化层的电流-电压(I-V)特性204
6.5 MOS场效应晶体管206
6.5.1 输出特性207
6.5.2 转移特性209
6.5.3 迁移率模型211
6.5.4 短沟MOSFET的I-V特性213
6.5.5 阈值电压的控制214
6.5.6 衬底偏置效应(体效应)217
6.5.7 亚阈值区特性219
6.5.8 MOSFET的等效电路220
6.5.9 按比例缩小和热电子效应221
6.5.10 漏致势垒降低效应225
6.5.11 短沟效应和窄沟效应226
6.5.12 栅诱导泄漏电流227
6.6 优选MOSFET结构228
6.6.1 金属栅-高k介质MOS结构228
6.6.2 高迁移率沟道材料和应变硅材料229
6.6.3 SOI MOSFET和FinFET231
小结233
习题234
参考读物237
自测题238
第7章 双极结型晶体管242
7.1 BJT的基本工作原理242
7.2 BJT的放大作用244
7.3 BJT的制造工艺简介247
7.4 少数载流子分布和器件的端电流249
7.4.1 基区内扩散方程的求解249
7.4.2 端电流分析252
7.4.3 端电流的近似表达式253
7.4.4 电流传输系数255
7.5 BJT的偏置状态和工作模式256
7.5.1 BJT的耦合二极管模型256
7.5.2 电荷控制分析260
7.6 BJT的开关特性262
7.6.1 截止262
7.6.2 饱和263
7.6.3 开关周期264
7.6.4 开关晶体管的主要参数264
7.7 某些重要的物理效应265
7.7.1 载流子在基区的漂移266
7.7.2 基区变窄效应(Early效应)267
7.7.3 雪崩击穿268
7.7.4 小注入和大注入；热效应269
7.7.5 基区串联电阻：发射极电流集边效应269
7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型270
7.7.7 基区变宽效应(Kirk效应)274
7.8 BJT的频率因素275
7.8.1 结电容和充电时间275
7.8.2 渡越时间效应277
7.8.3 Webster效应277
7.8.4 高频晶体管278
7.9 异质结双极型晶体管279
小结281
习题281
参考读物284
自测题284
第8章 光电子器件286
8.1 光电二极管286
8.1.1 p-n结对光照的响应286
8.1.2 太阳能电池289
8.1.3 光探测器291
8.1.4 光探测器的增益、带宽和信噪比293
8.2 发光二极管295
8.2.1 发光材料295
8.2.2 光纤通信298
8.3 激光器300
8.4 半导体激光器303
8.4.1 粒子数反转303
8.4.2 p-n结激光器的发射光谱304
8.4.3 半导体激光器的主要制造步骤305
8.4.4 半导体异质结激光器306
8.4.5 半导体激光器所用的材料308
8.4.6 量子级联激光器309
小结310
习题311
参考读物312
自测题313
第9章 半导体集成电路314
9.1 集成电路的背景知识314
9.1.1 集成化的优点314
9.1.2 集成电路的分类315
9.2 集成电路的发展历程316
9.3 单片集成电路元件318
9.3.1 CMOS工艺集成319
9.3.2 其他元件的集成329
9.4 电荷转移器件333
9.4.1 MOS电容的动态效应333
9.4.2 CCD的基本结构和工作原理334
9.4.3 CCD器件结构的改进335
9.4.4 CCD的应用336
9.5 超大规模集成电路336
9.5.1 逻辑器件338
9.5.2 半导体存储器345
9.6 测试、压焊与封装353
9.6.1 测试354
9.6.2 引线压焊354
9.6.3 芯片倒装技术356
9.6.4 封装357
小结358
习题359
参考读物359
自测题359
第10章 高频、大功率及纳电子器件361
10.1 隧道二极管361
10.2 碰撞雪崩渡越时间(IMPATT)二极管364
10.3 耿氏(Gunn)二极管366
10.3.1 电子转移机制366
10.3.2 空间电荷畴的形成及其漂移368
10.4 p-n-p-n二极管369
10.4.1 基本结构370
10.4.2 双晶体管模型371
10.4.3 电流传输系数的改变371
10.4.4 正向阻断态372
10.4.5 正向导通态372
10.4.6 触发机制373
10.5 半导体可控整流器374
10.5.1 栅极的控制作用374
10.5.2 SCR的关断375
10.6 绝缘栅双极型晶体管376
10.7 纳电子器件377
10.7.1 零维量子点378
10.7.2 一维量子线378
10.7.3 二维层状晶体379
10.7.4 自旋电子存储器380
10.7.5 纳电子阻变存储器382
小结382
习题383
参考读物384
自测题384
附录A 常用符号的定义385
附录B 物理常量和换算因子389
附录C 常用半导体材料的性质(300 K)390
附录D 导带态密度的推导391
附录E 费米-狄拉克分布的推导394
附录F Si(100)面干氧和湿氧生长SiO2层的厚度随氧化时间和温度的变化关系397
附录G 某些杂质在Si中的固溶度398
附录H 某些杂质在Si和SiO2中的扩散系数399
附录I Si中离子注入的射程与射程偏差随注入能量的变化关系400
部分自测题答案401
术语表403