半导体物理与器件（第四版 英文版）

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　完全电离与束缚态 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?频率限制特性 422
10．4．1　小信号等效电路 422
10．4．2　频率限制因素和截止频率 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?等效电路和频率限制 598
13．4．1　小信号等效电路 598
13．4．2　频率限制因子和截止频率 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