固态电子器件（第七版）

目 录
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 先进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FinFET 231
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的频率限制因素 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