目 錄
第1章 晶體性質(zhì)和半導(dǎo)體生長1
1.1 半導(dǎo)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(xí)題19
參考讀物20
自測(cè)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(shí)驗(yàn)及其結(jié)果23
2.2.1 光電效應(yīng)23
2.2.2 原子光譜25
2.3 玻爾模型26
2.4 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)28
2.4.1 幾率和不確定性原理29
2.4.2 薛定諤波動(dòng)方程30
2.4.3 勢(shì)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(xí)題40
參考讀物41
自測(cè)題41
第3章 半導(dǎo)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(dǎo)體和絕緣體47
3.1.4 直接禁帶半導(dǎo)體和間接禁帶半導(dǎo)體48
3.1.5 化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)隨組分的變化49
3.2 半導(dǎo)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(dǎo)體56
3.2.4 非本征半導(dǎo)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(fèi)米能級(jí)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(duì)溫度的依賴關(guān)系66
3.3.4 雜質(zhì)補(bǔ)償和空間電荷中性67
3.4 載流子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)68
3.4.1 電導(dǎo)率和遷移率68
3.4.2 電阻率71
3.4.3 遷移率對(duì)溫度和摻雜濃度的依賴關(guān)系72
3.4.4 高場(chǎng)效應(yīng)74
3.4.5 霍爾效應(yīng)74
3.5 平衡態(tài)費(fèi)米能級(jí)的不變性76
小結(jié)77
習(xí)題78
參考讀物80
自測(cè)題81
第4章 半導(dǎo)體中的過剩載流子83
4.1 半導(dǎo)體對(duì)光的吸收特性83
4.2 半導(dǎo)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(dǎo)87
4.3.1 電子和空穴的直接復(fù)合87
4.3.2 間接復(fù)合；載流子俘獲89
4.3.3 穩(wěn)態(tài)載流子濃度；準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)91
4.3.4 光電導(dǎo)93
4.4 載流子在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散93
4.4.1 擴(kuò)散機(jī)制94
4.4.2 載流子的擴(kuò)散和漂移；自建電場(chǎng)96
4.4.3 擴(kuò)散和復(fù)合；連續(xù)性方程98
4.4.4 穩(wěn)態(tài)注入；擴(kuò)散長度99
4.4.5 Haynes-Shockley實(shí)驗(yàn)101
4.4.6 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的空間梯度103
小結(jié)104
習(xí)題104
參考讀物107
自測(cè)題107
第5章 半導(dǎo)體p-n結(jié)和金屬-半導(dǎo)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(kuò)散111
5.1.3 快速熱處理112
5.1.4 離子注入113
5.1.5 化學(xué)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(shì)120
5.2.2 平衡態(tài)費(fèi)米能級(jí)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(chǔ)電荷的瞬態(tài)變化145
5.5.2 反向恢復(fù)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�極管152
5.6 對(duì)二極管簡單理論的修正153
5.6.1 接觸電勢(shì)對(duì)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(fù)合155
5.6.3 歐姆損耗157
5.6.4 緩變結(jié)159
5.7 金屬-半導(dǎo)體結(jié)160
5.7.1 肖特基勢(shì)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(shì)壘164
5.8 異質(zhì)結(jié)165
小結(jié)168
習(xí)題169
參考讀物175
自測(cè)題175
第6章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管177
6.1 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理178
6.1.1 晶體管的負(fù)載線178
6.1.2 放大和開關(guān)作用178
6.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管184
6.3.1 GaAs金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管184
6.3.2 高電子遷移率晶體管185
6.3.3 短溝效應(yīng)186
6.4 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(shí)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(cè)量(C-t測(cè)量)203
6.4.7 氧化層的電流-電壓(I-V)特性204
6.5 MOS場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)(體效應(yīng))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(yīng)221
6.5.10 漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)225
6.5.11 短溝效應(yīng)和窄溝效應(yīng)226
6.5.12 柵誘導(dǎo)泄漏電流227
6.6 先進(jìn)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(yīng)變硅材料229
6.6.3 SOI MOSFET和FinFET231
小結(jié)233
習(xí)題234
參考讀物237
自測(cè)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(kuò)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(dá)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(yīng)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(yīng)(Early效應(yīng))267
7.7.3 雪崩擊穿268
7.7.4 小注入和大注入；熱效應(yīng)269
7.7.5 基區(qū)串聯(lián)電阻：發(fā)射極電流集邊效應(yīng)269
7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型270
7.7.7 基區(qū)變寬效應(yīng)(Kirk效應(yīng))274
7.8 BJT的頻率限制因素275
7.8.1 結(jié)電容和充電時(shí)間275
7.8.2 渡越時(shí)間效應(yīng)277
7.8.3 Webster效應(yīng)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(xí)題281
參考讀物284
自測(cè)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(duì)光照的響應(yīng)286
8.1.2 太陽能電池289
8.1.3 光探測(cè)器291
8.1.4 光探測(cè)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(dǎo)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(dǎo)體激光器的主要制造步驟305
8.4.4 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器306
8.4.5 半導(dǎo)體激光器所用的材料308
8.4.6 量子級(jí)聯(lián)激光器309
小結(jié)310
習(xí)題311
參考讀物312
自測(cè)題313
第9章 半導(dǎo)體集成電路314
9.1 集成電路的背景知識(shí)314
9.1.1 集成化的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)態(tài)效應(yīng)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(jìn)335
9.4.4 CCD的應(yīng)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(dǎo)體存儲(chǔ)器345
9.6 測(cè)試、壓焊與封裝353
9.6.1 測(cè)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(xí)題359
參考讀物359
自測(cè)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(shí)間(IMPATT)二極管364
10.3 耿氏(Gunn)二極管366
10.3.1 電子轉(zhuǎn)移機(jī)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)�通態(tài)372
10.4.6 觸發(fā)機(jī)制373
10.5 半導(dǎo)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(diǎn)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(chǔ)器380
10.7.5 納電子阻變存儲(chǔ)器382
小結(jié)382
習(xí)題383
參考讀物384
自測(cè)題384
附錄A 常用符號(hào)的定義385
附錄B 物理常量和換算因子389
附錄C 常用半導(dǎo)體材料的性質(zhì)(300 K)390
附錄D 導(dǎo)帶態(tài)密度的推導(dǎo)391
附錄E 費(fèi)米-狄拉克分布的推導(dǎo)394
附錄F Si(100)面干氧和濕氧生長SiO2層的厚度隨氧化時(shí)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(kuò)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(cè)題答案401
術(shù)語表403