半导体物理与器件(第4版英文版)/国外电子与通信教材系列

本书是微电子技术领域的基础教程。全书涵盖了量子力学、 固体物理、 半导体材料物理及半导体器件物理等内容， 分成三部分， 共15章。第一部分为半导体材料属性， 主要讨论固体晶格结构、 量子力学、 固体量子理论、 平衡半导体、 输运现象、 半导体中的非平衡过剩载流子； 第二部分为半导体器件基础， 主要讨论pn结、 pn结二极管、 金属半导体和半导体异质结、 金属氧化物半导体场效应晶体管、 双极晶体管、 结型场效应晶体管； 第三部分为专用半导体器件， 主要介绍光器件、 半导体微波器件和功率器件等。书中既讲述了半导体基础知识， 也分析讨论了小尺寸器件物理问题， 具有一定的深度和广度。另外， 全书各章难点之后均列有例题、 自测题， 每章末尾均安排有复习要点、 重要术语解释及知识点。全书各章末尾列有习题和参考文献， 书后附有部分习题答案。

第一部分  半导体材料属性 第?1?章  固体晶格结构 1 1.0  预习 1 1.1  半导体材料 1 1.2  固体类型 2 1.3  空间晶格 3 1.3.1  原胞和晶胞 3 1.3.2  基本的晶体结构 4 1.3.3  晶面和密勒指数 6 1.3.4  晶向 9 1.4  金刚石结构 10 1.5  原子价键 12 *1.6  固体中的缺陷和杂质 14 1.6.1  固体中的缺陷 14 1.6.2  固体中的杂质 16 *1.7  半导体材料的生长 17 1.7.1  在熔融体中生长 17 1.7.2  外延生长 19 1.8  小结 20 重要术语解释 20 知识点 21 复习题 21 习题 21 参考文献 24 第?2?章  量子力学初步 25 2.0  预习 25 2.1  量子力学的基本原理 25 2.1.1  能量量子化 26 2.1.2  波粒二相性 27 2.1.3  不确定原理 30 2.2  薛定谔波动方程 31 2.2.1  波动方程 31 2.2.2  波函数的物理意义 32 2.2.3  边界条件 33 2.3  薛定谔波动方程的应用 34 2.3.1  自由空间中的电子 35 2.3.2  无限深势阱 36 2.3.3  阶跃势函数 39 2.3.4  势垒和隧道效应 44 2.4  原子波动理论的延伸 46 2.4.1  单电子原子 46 2.4.2  周期表 50 2.5  小结 51 重要术语解释 51 知识点 52 复习题 52 习题 52 参考文献 57 第?3?章  固体量子理论初步 58 3.0  预习 58 3.1  允带与禁带 58 3.1.1  能带的形成 59 3.1.2  克龙尼克-潘纳模型 63 3.1.3  k 空间能带图 67 3.2  固体中电的传导 72 3.2.1  能带和键模型 72 3.2.2  漂移电流 74 3.2.3  电子的有效质量 75 3.2.4  空穴的概念 78 3.2.5  金属、绝缘体和半导体 80 3.3  三维扩展 83 3.3.1  硅和砷化镓的 k 空间能带图 83 3.3.2  有效质量的补充概念 85 3.4  状态密度函数 85 3.4.1  数学推导 85 3.4.2  扩展到半导体 88 3.5  统计力学 91 3.5.1  统计规律 91 3.5.2  费米-狄拉克概率函数 91 3.5.3  分布函数和费米能级 93 3.6  小结 98 重要术语解释 98 知识点 99 复习题 99 习题 100 参考文献 104 第 4 章  平衡半导体 106 4.0  预习 106 4.1  半导体中的载流子 106 4.1.1  电子和空穴的平衡分布 107 4.1.2  n0方程和p0方程 109 4.1.3  本征载流子浓度 113 4.1.4  本征费米能级位置 116 4.2  掺杂原子与能级 118 4.2.1  定性描述 118 4.2.2  电离能 120 4.2.3  III-V族半导体 122 4.3  非本征半导体 123 4.3.1  电子和空穴的平衡状态分布 123 4.3.2  n0和p0的乘积 127 *4.3.3  费米-狄拉克积分 128 4.3.4  简并与非简并半导体 130 4.4  施主和受主的统计学分布 131 4.4.1  概率函数 131 4.4.2  接近电离与束缚态 132 4.5  电中性状态 135 4.5.1  补偿半导体 135 4.5.2  平衡电子和空穴浓度 136 4.6  费米能级的位置 141 4.6.1  数学推导 142 4.6.2  EF随掺杂浓度和温度的变化 144 4.6.3  费米能级的应用 145 4.7  小结 147 重要术语解释 148 知识点 148 复习题 149 习题 149 参考文献 154 第 5 章  载流子输运现象 156 5.0  预习 156 5.1  载流子的漂移运动 156 5.1.1  漂移电流密度 156 5.1.2  迁移率 159 5.1.3  电导率 164 5.1.4  饱和速度 169 5.2  载流子扩散 172 5.2.1  扩散电流密度 172 5.2.2  总电流密度 175 5.3  杂质梯度分布 176 5.3.1  感生电场 176 5.3.2  爱因斯坦关系 178 *5.4  霍尔效应 180 5.5  小结 183 重要术语解释 183 知识点 184 复习题 184 习题 184 参考文献 191 第 6 章  半导体中的非平衡过剩载流子 192 6.0  预习 192 6.1  载流子的产生与复合 193 6.1.1  平衡态半导体 193 6.1.2  过剩载流子的产生与复合 194 6.2  过剩载流子的性质 198 6.2.1  连续性方程 198 6.2.2  与时间有关的扩散方程 199 6.3  双极输运 201 6.3.1  双极输运方程的推导 201 6.3.2  掺杂及小注入的约束条件 203 6.3.3  双极输运方程的应用 206 6.3.4  介电弛豫时间常数 214 *6.3.5  海恩斯-肖克莱实验 216 6.4  准费米能级 219 *6.5  过剩载流子的寿命 221 6.5.1  肖克莱-里德-霍尔复合理论 221 6.5.2  非本征掺杂和小注入的约束     条件 225 *6.6  表面效应 227 6.6.1  表面态 227 6.6.2  表面复合速度 229 6.7  小结 231 重要术语解释 231 知识点 232 复习题 233 习题 233 参考文献 240 第二部分  半导体器件基础 第 7 章  pn结 241 7.0  预习 241 7.1  pn结的基本结构 241 7.2  零偏 243 7.2.1  内建电势差 243 7.2.2  电场强度 246 7.2.3  空间电荷区宽度 249 7.3  反偏 251 7.3.1  空间电荷区宽度与电场 251 7.3.2  势垒电容（结电容） 254 7.3.3  单边突变结 256 7.4  结击穿 258 *7.5  非均匀掺杂pn结 262 7.5.1  线性缓变结 263 7.5.2  超突变结 265 7.6  小结 267 重要术语解释 268 知识点 268 复习题 269 习题 269 参考文献 275 第 8 章  pn结二极管 276 8.0  预习 276 8.1  pn结电流 276 8.1.1  pn结内电荷流动的定性描述 277 8.1.2  理想的电流-电压关系 278 8.1.3  边界条件 279 8.1.4  少数载流子分布 283 8.1.5  理想pn结电流 286 8.1.6  物理学小结 290 8.1.7  温度效应 292 8.1.8  短二极管 293 8.2  产生-复合电流和高注入级别 295 8.2.1  产生复合电流 296 8.2.2  高级注入 302 8.3  pn 结的小信号模型 304 8.3.1  扩散电阻 305 8.3.2  小信号导纳 306 8.3.3  等效电路 313 *8.4  电荷存储与二极管瞬态 314 8.4.1  关瞬态 315 8.4.2  开瞬态 317 *8.5  隧道二极管 318 8.6  小结 321 重要术语解释 322 知识点 322 复习题 323 习题 323 参考文献 330 第 9 章  金属半导体和半导体异质结 331 9.0  预习 331 9.1  肖特基势垒二极管 331 9.1.1  性质上的特征 332 9.1.2  理想结的特性 334 9.1.3  影响肖特基势垒高度的     非理想因素 338 9.1.4  电流-电压关系 342 9.1.5  肖特基势垒二极管与pn结     二极管的比较 345 9.2  金属-半导体的欧姆接触 349 9.2.1  理想非整流接触势垒 349 9.2.2  隧道效应 351 9.2.3  比接触电阻 352 9.3  异质结 354 9.3.1  形成异质结的材料 354 9.3.2  能带图 354 9.3.3  二维电子气 356 *9.3.4  静电平衡态 358 *9.3.5  电流-电压特性 363 9.4  小结 363 重要术语解释 364 知识点 364 复习题 365 习题 365 参考文献 370 第 10 章  金属-氧化物-半导体      ?场效应晶体管基础 371 10.0?预习 371 10.1?双端MOS结构 371 10.1.1  能带图 372 10.1.2  耗尽层厚度 376 10.1.3  面电荷密度 380 10.1.4  功函数差 382 10.1.5  平带电压 385 10.1.6  阈值电压 388 10.2?电容-电压特性 394 10.2.1  理想C-V特性 394 10.2.2  频率特性 399 10.2.3  固定栅氧化层电荷和     界面电荷效应 400 10.3?MOSFET基本工作原理 403 10.3.1  MOSFET结构 403 10.3.2  电流-电压关系――概念 404 *10.3.3  电流-电压关系     ――数学推导 410 *10.3.4  跨导 418 10.3.5  衬底偏置效应 419 10.4?频率特性 422 10.4.1  小信号等效电路 422 10.4.2  频率因素和截止频率 425 *10.5?CMOS技术 427 10.6?小结 430 重要术语解释 431 知识点 432 复习题 432 习题 433 参考文献 441 第 11 章  金属-氧化物-半导体      ?场效应晶体管：概念的深入 443 11.0?预习 443 11.1?非理想效应 443 11.1.1  亚阈值电导 444 11.1.2  沟道长度调制效应 446 11.1.3  迁移率变化 450 11.1.4  速度饱和 452 11.1.5  弹道输运 453 11.2?MOSFET按比例缩小理论 455 11.2.1  恒定电场按比例缩小 455 11.2.2  阈值电压――一级近似 456 11.2.3  全部按比例缩小理论 457 11.3?阈值电压的修正 457 11.3.1  短沟道效应 457 11.3.2  窄沟道效应 461 11.4?附加电学特性 464 11.4.1  击穿电压 464 *11.4.2  轻掺杂漏晶体管 470 11.4.3  通过离子注入进行阈值      调整 472 *11.5?辐射和热电子效应 475 11.5.1  辐射引入的氧化层电荷 475 11.5.2  辐射引入的界面态 478 11.5.3  热电子充电效应 480 11.6?小结 481 重要术语解释 481 知识点 482 复习题 482 习题 483 参考文献 489 第 12 章  双极晶体管 491 12.0?预习 491 12.1?双极晶体管的工作原理 491 12.1.1  基本工作原理 493 12.1.2  晶体管电流的简化表达式 495 12.1.3  工作模式 498 12.1.4  双极晶体管放大电路 500 12.2?少子的分布 501 12.2.1  正向有源模式 502 12.2.2  其他工作模式 508 12.3?低频共基极电流增益 509 12.3.1  有用的因素 509 12.3.2  电流增益的数学表达式 512 12.3.3  小结 517 12.3.4  电流增益的计算 517 12.4?非理想效应 522 12.4.1  基区宽度调制效应 522 12.4.2  大注入效应 524 12.4.3  发射区禁带变窄 526 12.4.4  电流集边效应 528 *12.4.5  基区非均匀掺杂的影响 530 12.4.6  击穿电压 531 12.5?等效电路模型 536 *12.5.1  Ebers-Moll模型 537 12.5.2  Gummel-Poon模型 540 12.5.3  H-P模型 541 12.6?频率上限 545 12.6.1  延时因子 545 12.6.2  晶体管截止频率 546 12.7?大信号开关 549 12.7.1  开关特性 549 12.7.2  肖特基钳位晶体管 551 *12.8?其他的双极晶体管结构 552 12.8.1  多晶硅发射区双极      结型晶体管 552 12.8.2  SiGe基区晶体管 554 12.8.3  异质结双极晶体管 556 12.9?小结 558 重要术语解释 559 知识点 559 复习题 560 习题 560 参考文献 569 第 13 章  结型场效应晶体管 571 13.0?预习 571 13.1?JFET概念 571 13.1.1  pn JFET的基本工作原理 572 13.1.2  MESFET的基本工作原理 576 13.2?器件的特性 578 13.2.1  内建夹断电压、夹断      电压和漏源饱和电压 578 13.2.2  耗尽型JFET的      理想直流I-V特性 582 13.2.3  跨导 587 13.2.4  MESFET 588 *13.3?非理想因素 593 13.3.1  沟道长度调制效应 594 13.3.2  饱和速度影响 596 13.3.3  亚阈值特性和栅电流效应 596 *13.4?等效电路和频率 598 13.4.1  小信号等效电路 598 13.4.2  频率因子和截止频率 600 *13.5?高电子迁移率晶体管 602 13.5.1  量子阱结构 603 13.5.2  晶体管性能 604 13.6?小结 609 重要术语解释 609 知识点 610 复习题 610 习题 611 参考文献 616 第三部分  专用半导体器件 第 14 章  光器件 618 14.0?预习 618 14.1?光学吸收 618 14.1.1  光子吸收系数 619 14.1.2  电子-空穴对的产生率 622 14.2?太阳能电池 624 14.2.1  pn结太阳能电池 624 14.2.2  转换效率与太阳光集中 627 14.2.3   非均匀吸收的影响 628 14.2.4  异质结太阳能电池 629 14.2.5  非晶态（无定形）硅      太阳能电池 630 14.3?光电探测器 633 14.3.1  光电导体 633 14.3.2  光电二极管 635 14.3.3  PIN光电二极管 640 14.3.4  雪崩二极管 641 14.3.5  光电晶体管 642 14.4?光致发光和电致发光 643 14.4.1  基本跃迁 644 14.4.2  发光效率 645 14.4.3  材料 646 14.5?光电二极管 648 14.5.1  光的产生 648 14.5.2  内量子效率 649 14.5.3  外量子效率 650 14.5.4  LED器件 652 14.6?激光二极管 654 14.6.1  受激辐射和分布反转 655 14.6.2  光学空腔谐振器 654 14.6.3  阈值电流 658 14.6.4  器件结构与特性 660 14.7?小结 661 重要术语解释 662 知识点 663 复习题 663 习题 664 参考文献 668 第 15 章  半导体功率器件 670 15.0?预习 670 15.1?隧道二极管 670 15.2?耿氏二极管 672 15.3?雪崩二极管 675 15.4?功率双极晶体管 677 15.4.1  垂直式功率晶体管结构 677 15.4.2   功率晶体管特性 678 15.4.3  达林顿组态 682 15.5?功率MOSFET 684 15.5.1  功率晶体管结构 684 15.5.2  功率MOSFET特性 685 15.5.3   寄生双极晶体管 689 15.6?半导体闸流管 691 15.6.1  基本特性 691 15.6.2  SCR的触发机理 694 15.6.3  SCR的关断 697 15.6.4  器件结构 697 15.7?小结 701 重要术语解释 702 知识点 703 复习题 703 习题 703 参考文献 706 附录A  部分参数符号列表 707 附录B  单位制、单位换算和通用常数 714 附录C  元素周期表 717 附录D  能量单位――电子伏特 718 附录E  薛定谔波动方程的推导 720 附录F  有效质量概念 721 附件G  误差函数 726 附录Ｈ  部分习题参考答案 727 索引 735