目 錄
第1章 晶體性質(zhì)和半導體生長 1
1.1 半導體材料 1
1.2 晶格 2
1.2.1 周期結(jié)構(gòu) 2
1.2.2 立方晶格 4
1.2.3 晶面與晶向 5
1.2.4 金剛石晶格 7
1.3 大塊晶體生長 9
1.3.1 原材料的制備 9
1.3.2 單晶的生長 9
1.3.3 晶片加工 11
1.3.4 晶體摻雜 11
1.4 薄層晶體的外延生長 12
1.4.1 外延生長的晶格匹配 13
1.4.2 氣相外延 14
1.4.3 分子束外延 16
1.5 周期性結(jié)構(gòu)中波的傳播 17
小結(jié) 18
習題 19
參考讀物 20
自測題 20
第2章 原子和電子 22
2.1 關(guān)于物理模型 22
2.2 重要實驗及其結(jié)果 23
2.2.1 光電效應 23
2.2.2 原子光譜 25
2.3 玻爾模型 26
2.4 量子力學基礎知識 28
2.4.1 幾率和不確定性原理 29
2.4.2 薛定諤波動方程 30
2.4.3 勢阱問題 32
2.4.4 量子隧穿 33
2.5 原子結(jié)構(gòu)和元素周期表 34
2.5.1 氫原子 34
2.5.2 元素周期表 36
小結(jié) 39
習題 40
參考讀物 41
自測題 41
第3章 半導體的能帶和載流子 43
3.1 固體結(jié)合性質(zhì)與能帶 43
3.1.1 固體的結(jié)合性質(zhì) 43
3.1.2 能帶 45
3.1.3 金屬、半導體和絕緣體 47
3.1.4 直接禁帶半導體和間接禁帶半導體 48
3.1.5 化合物半導體能帶結(jié)構(gòu)隨組分的變化 49
3.2 半導體中的載流子 50
3.2.1 電子和空穴 51
3.2.2 有效質(zhì)量 54
3.2.3 本征半導體 56
3.2.4 非本征半導體 57
3.2.5 量子阱中的電子和空穴 60
3.3 載流子濃度 60
3.3.1 費米能級 61
3.3.2 平衡態(tài)電子和空穴濃度 62
3.3.3 載流子濃度對溫度的依賴關(guān)系 66
3.3.4 雜質(zhì)補償和空間電荷中性 67
3.4 載流子在電場和磁場中的運動 68
3.4.1 電導率和遷移率 68
3.4.2 電阻率 71
3.4.3 遷移率對溫度和摻雜濃度的依賴關(guān)系 72
3.4.4 高場效應 74
3.4.5 霍爾效應 74
3.5 平衡態(tài)費米能級的不變性 76
小結(jié) 77
習題 78
參考讀物 80
自測題 81
第4章 半導體中的過剩載流子 83
4.1 半導體對光的吸收特性 83
4.2 半導體發(fā)光 85
4.2.1 光致發(fā)光 85
4.2.2 電致發(fā)光 87
4.3 載流子壽命和光電導 87
4.3.1 電子和空穴的直接復合 87
4.3.2 間接復合；載流子俘獲 89
4.3.3 穩(wěn)態(tài)載流子濃度；準費米能級 91
4.3.4 光電導 93
4.4 載流子在半導體中的擴散 93
4.4.1 擴散機制 94
4.4.2 載流子的擴散和漂移；自建電場 96
4.4.3 擴散和復合；連續(xù)性方程 98
4.4.4 穩(wěn)態(tài)注入；擴散長度 99
4.4.5 Haynes-Shockley實驗 101
4.4.6 準費米能級的空間梯度 103
小結(jié) 104
習題 104
參考讀物 107
自測題 107
第5章 半導體p-n結(jié)和金屬-半導體結(jié) 109
5.1 p-n結(jié)的制造 109
5.1.1 熱氧化 109
5.1.2 擴散 111
5.1.3 快速熱處理 112
5.1.4 離子注入 113
5.1.5 化學氣相淀積 114
5.1.6 光刻 115
5.1.7 腐蝕(刻蝕) 117
5.1.8 金屬化 118
5.2 平衡態(tài)p-n結(jié) 120
5.2.1 接觸電勢 120
5.2.2 平衡態(tài)費米能級 123
5.2.3 結(jié)的空間電荷 124
5.3 結(jié)的正偏和反偏；穩(wěn)態(tài)特性 127
5.3.1 結(jié)電流的定性分析 127
5.3.2 載流子的注入 130
5.3.3 反向偏置 136
5.4 反向擊穿 138
5.4.1 齊納擊穿 139
5.4.2 雪崩擊穿 140
5.4.3 整流二極管 142
5.4.4 擊穿二極管 144
5.5 瞬態(tài)特性和交流特性 144
5.5.1 存儲電荷的瞬態(tài)變化 145
5.5.2 反向恢復過程 147
5.5.3 開關(guān)二極管 149
5.5.4 p-n結(jié)電容 149
5.5.5 變?nèi)荻O管 152
5.6 對二極管簡單理論的修正 153
5.6.1 接觸電勢對載流子注入的影響 154
5.6.2 空間電荷區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復合 155
5.6.3 歐姆損耗 157
5.6.4 緩變結(jié) 159
5.7 金屬-半導體結(jié) 160
5.7.1 肖特基勢壘 160
5.7.2 整流接觸 161
5.7.3 歐姆接觸 163
5.7.4 典型的肖特基勢壘 164
5.8 異質(zhì)結(jié) 165
小結(jié) 168
習題 169
參考讀物 175
自測題 175
第6章 場效應晶體管 177
6.1 場效應晶體管的工作原理 178
6.1.1 晶體管的負載線 178
6.1.2 放大和開關(guān)作用 178
6.2 結(jié)型場效應晶體管 179
6.2.1 夾斷和飽和 180
6.2.2 柵的控制作用 181
6.2.3 電流-電壓特性 182
6.3 金屬-半導體場效應晶體管 184
6.3.1 GaAs金屬-半導體場效應晶體管 184
6.3.2 高電子遷移率晶體管 185
6.3.3 短溝效應 186
6.4 金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管 187
6.4.1 MOSFET的基本工作原理 187
6.4.2 理想MOS結(jié)構(gòu)的性質(zhì) 190
6.4.3 真實表面的影響 197
6.4.4 閾值電壓 199
6.4.5 電容-電壓(C-V)特性分析 200
6.4.6 瞬態(tài)電容測量(C-t測量) 203
6.4.7 氧化層的電流-電壓(I-V)特性 204
6.5 MOS場效應晶體管 206
6.5.1 輸出特性 207
6.5.2 轉(zhuǎn)移特性 209
6.5.3 遷移率模型 211
6.5.4 短溝MOSFET的I-V特性 213
6.5.5 閾值電壓的控制 214
6.5.6 襯底偏置效應(體效應) 217
6.5.7 亞閾值區(qū)特性 219
6.5.8 MOSFET的等效電路 220
6.5.9 按比例縮小和熱電子效應 221
6.5.10 漏致勢壘降低效應 225
6.5.11 短溝效應和窄溝效應 226
6.5.12 柵誘導泄漏電流 227
6.6 先進MOSFET結(jié)構(gòu) 228
6.6.1 金屬柵-高k介質(zhì)MOS結(jié)構(gòu) 228
6.6.2 高遷移率溝道材料和應變硅材料 229
6.6.3 SOI MOSFET和FinFET 231
小結(jié) 233
習題 234
參考讀物 237
自測題 238
第7章 雙極結(jié)型晶體管 242
7.1 BJT的基本工作原理 242
7.2 BJT的放大作用 244
7.3 BJT的制造工藝簡介 247
7.4 少數(shù)載流子分布和器件的端電流 249
7.4.1 基區(qū)內(nèi)擴散方程的求解 249
7.4.2 端電流分析 252
7.4.3 端電流的近似表達式 253
7.4.4 電流傳輸系數(shù) 255
7.5 BJT的偏置狀態(tài)和工作模式 256
7.5.1 BJT的耦合二極管模型 256
7.5.2 電荷控制分析 260
7.6 BJT的開關(guān)特性 262
7.6.1 截止 262
7.6.2 飽和 263
7.6.3 開關(guān)周期 264
7.6.4 開關(guān)晶體管的主要參數(shù) 264
7.7 某些重要的物理效應 265
7.7.1 載流子在基區(qū)的漂移 266
7.7.2 基區(qū)變窄效應(Early效應) 267
7.7.3 雪崩擊穿 268
7.7.4 小注入和大注入；熱效應 269
7.7.5 基區(qū)串聯(lián)電阻：發(fā)射極電流集邊效應 269
7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型 270
7.7.7 基區(qū)變寬效應(Kirk效應) 274
7.8 BJT的頻率限制因素 275
7.8.1 結(jié)電容和充電時間 275
7.8.2 渡越時間效應 277
7.8.3 Webster效應 277
7.8.4 高頻晶體管 278
7.9 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 279
小結(jié) 281
習題 281
參考讀物 284
自測題 284
第8章 光電子器件 286
8.1 光電二極管 286
8.1.1 p-n結(jié)對光照的響應 286
8.1.2 太陽能電池 289
8.1.3 光探測器 291
8.1.4 光探測器的增益、帶寬和信噪比 293
8.2 發(fā)光二極管 295
8.2.1 發(fā)光材料 295
8.2.2 光纖通信 298
8.3 激光器 300
8.4 半導體激光器 303
8.4.1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 303
8.4.2 p-n結(jié)激光器的發(fā)射光譜 304
8.4.3 半導體激光器的主要制造步驟 305
8.4.4 半導體異質(zhì)結(jié)激光器 306
8.4.5 半導體激光器所用的材料 308
8.4.6 量子級聯(lián)激光器 309
小結(jié) 310
習題 311
參考讀物 312
自測題 313
第9章 半導體集成電路 314
9.1 集成電路的背景知識 314
9.1.1 集成化的優(yōu)點 314
9.1.2 集成電路的分類 315
9.2 集成電路的發(fā)展歷程 316
9.3 單片集成電路元件 318
9.3.1 CMOS工藝集成 319
9.3.2 其他元件的集成 329
9.4 電荷轉(zhuǎn)移器件 333
9.4.1 MOS電容的動態(tài)效應 333
9.4.2 CCD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 334
9.4.3 CCD器件結(jié)構(gòu)的改進 335
9.4.4 CCD的應用 336
9.5 超大規(guī)模集成電路 336
9.5.1 邏輯器件 338
9.5.2 半導體存儲器 345
9.6 測試、壓焊與封裝 353
9.6.1 測試 354
9.6.2 引線壓焊 354
9.6.3 芯片倒裝技術(shù) 356
9.6.4 封裝 357
小結(jié) 358
習題 359
參考讀物 359
自測題 359
第10章 高頻、大功率及納電子器件 361
10.1 隧道二極管 361
10.2 碰撞雪崩渡越時間(IMPATT)二極管 364
10.3 耿氏(Gunn)二極管 366
10.3.1 電子轉(zhuǎn)移機制 366
10.3.2 空間電荷疇的形成及其漂移 368
10.4 p-n-p-n二極管 369
10.4.1 基本結(jié)構(gòu) 370
10.4.2 雙晶體管模型 371
10.4.3 電流傳輸系數(shù)的改變 371
10.4.4 正向阻斷態(tài) 372
10.4.5 正向?qū)☉B(tài) 372
10.4.6 觸發(fā)機制 373
10.5 半導體可控整流器 374
10.5.1 柵極的控制作用 374
10.5.2 SCR的關(guān)斷 375
10.6 絕緣柵雙極型晶體管 376
10.7 納電子器件 377
10.7.1 零維量子點 378
10.7.2 一維量子線 378
10.7.3 二維層狀晶體 379
10.7.4 自旋電子存儲器 380
10.7.5 納電子阻變存儲器 382
小結(jié) 382
習題 383
參考讀物 384
自測題 384
附錄A 常用符號的定義 385
附錄B 物理常量和換算因子 389
附錄C 常用半導體材料的性質(zhì)(300 K) 390
附錄D 導帶態(tài)密度的推導 391
附錄E 費米-狄拉克分布的推導 394
附錄F Si(100)面干氧和濕氧生長SiO2層的厚度隨氧化時間和溫度的變化關(guān)系 397
附錄G 某些雜質(zhì)在Si中的固溶度 398
附錄H 某些雜質(zhì)在Si和SiO2中的擴散系數(shù) 399
附錄I Si中離子注入的射程與射程偏差隨注入能量的變化關(guān)系 400
部分自測題答案 401
術(shù)語表 403