半導(dǎo)體物理與器件（第四版 英文版）

第一部分　半導(dǎo)體材料屬性
第?1?章　固體晶格結(jié)構(gòu) 1
1．0　預(yù)習(xí) 1
1．1　半導(dǎo)體材料 1
1．2　固體類型 2
1．3　空間晶格 3
1．3．1　原胞和晶胞 3
1．3．2　基本的晶體結(jié)構(gòu) 4
1．3．3　晶面和密勒指數(shù) 6
1．3．4　晶向 9
1．4　金剛石結(jié)構(gòu) 10
1．5　原子價(jià)鍵 12
*1．6　固體中的缺陷和雜質(zhì) 14
1．6．1　固體中的缺陷 14
1．6．2　固體中的雜質(zhì) 16
*1．7　半導(dǎo)體材料的生長 17
1．7．1　在熔融體中生長 17
1．7．2　外延生長 19
1．8　小結(jié) 20
重要術(shù)語解釋 20
知識(shí)點(diǎn) 21
復(fù)習(xí)題 21
習(xí)題 21
參考文獻(xiàn) 24
第?2?章　量子力學(xué)初步 25
2．0　預(yù)習(xí) 25
2．1　量子力學(xué)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　不確定原理 30
2．2　薛定諤波動(dòng)方程 31
2．2．1　波動(dòng)方程 31
2．2．2　波函數(shù)的物理意義 32
2．2．3　邊界條件 33
2．3　薛定諤波動(dòng)方程的應(yīng)用 34
2．3．1　自由空間中的電子 35
2．3．2　無限深勢(shì)阱 36
2．3．3　階躍勢(shì)函數(shù) 39
2．3．4　勢(shì)壘和隧道效應(yīng) 44
2．4　原子波動(dòng)理論的延伸 46
2．4．1　單電子原子 46
2．4．2　周期表 50
2．5　小結(jié) 51
重要術(shù)語解釋 51
知識(shí)點(diǎn) 52
復(fù)習(xí)題 52
習(xí)題 52
參考文獻(xiàn) 57
第?3?章　固體量子理論初步 58
3．0　預(yù)習(xí) 58
3．1　允帶與禁帶 58
3．1．1　能帶的形成 59
3．1．2　克龍尼克-潘納模型 63
3．1．3　k 空間能帶圖 67
3．2　固體中電的傳導(dǎo) 72
3．2．1　能帶和鍵模型 72
3．2．2　漂移電流 74
3．2．3　電子的有效質(zhì)量 75
3．2．4　空穴的概念 78
3．2．5　金屬、絕緣體和半導(dǎo)體 80
3．3　三維擴(kuò)展 83
3．3．1　硅和砷化鎵的 k 空間能帶圖 83
3．3．2　有效質(zhì)量的補(bǔ)充概念 85
3．4　狀態(tài)密度函數(shù) 85
3．4．1　數(shù)學(xué)推導(dǎo) 85
3．4．2　擴(kuò)展到半導(dǎo)體 88
3．5　統(tǒng)計(jì)力學(xué) 91
3．5．1　統(tǒng)計(jì)規(guī)律 91
3．5．2　費(fèi)米-狄拉克概率函數(shù) 91
3．5．3　分布函數(shù)和費(fèi)米能級(jí) 93
3．6　小結(jié) 98
重要術(shù)語解釋 98
知識(shí)點(diǎn) 99
復(fù)習(xí)題 99
習(xí)題 100
參考文獻(xiàn) 104
第 4 章　平衡半導(dǎo)體 106
4．0　預(yù)習(xí) 106
4．1　半導(dǎo)體中的載流子 106
4．1．1　電子和空穴的平衡分布 107
4．1．2　n0方程和p0方程 109
4．1．3　本征載流子濃度 113
4．1．4　本征費(fèi)米能級(jí)位置 116
4．2　摻雜原子與能級(jí) 118
4．2．1　定性描述 118
4．2．2　電離能 120
4．2．3　III-V族半導(dǎo)體 122
4．3　非本征半導(dǎo)體 123
4．3．1　電子和空穴的平衡狀態(tài)分布 123
4．3．2　n0和p0的乘積 127
*4．3．3　費(fèi)米-狄拉克積分 128
4．3．4　簡并與非簡并半導(dǎo)體 130
4．4　施主和受主的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布 131
4．4．1　概率函數(shù) 131
4．4．2　完全電離與束縛態(tài) 132
4．5　電中性狀態(tài) 135
4．5．1　補(bǔ)償半導(dǎo)體 135
4．5．2　平衡電子和空穴濃度 136
4．6　費(fèi)米能級(jí)的位置 141
4．6．1　數(shù)學(xué)推導(dǎo) 142
4．6．2　EF隨摻雜濃度和溫度的變化 144
4．6．3　費(fèi)米能級(jí)的應(yīng)用 145
4．7　小結(jié) 147
重要術(shù)語解釋 148
知識(shí)點(diǎn) 148
復(fù)習(xí)題 149
習(xí)題 149
參考文獻(xiàn) 154
第 5 章　載流子輸運(yùn)現(xiàn)象 156
5．0　預(yù)習(xí) 156
5．1　載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 156
5．1．1　漂移電流密度 156
5．1．2　遷移率 159
5．1．3　電導(dǎo)率 164
5．1．4　飽和速度 169
5．2　載流子擴(kuò)散 172
5．2．1　擴(kuò)散電流密度 172
5．2．2　總電流密度 175
5．3　雜質(zhì)梯度分布 176
5．3．1　感生電場(chǎng) 176
5．3．2　愛因斯坦關(guān)系 178
*5．4　霍爾效應(yīng) 180
5．5　小結(jié) 183
重要術(shù)語解釋 183
知識(shí)點(diǎn) 184
復(fù)習(xí)題 184
習(xí)題 184
參考文獻(xiàn) 191
第 6 章　半導(dǎo)體中的非平衡過剩載流子 192
6．0　預(yù)習(xí) 192
6．1　載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 193
6．1．1　平衡態(tài)半導(dǎo)體 193
6．1．2　過剩載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 194
6．2　過剩載流子的性質(zhì) 198
6．2．1　連續(xù)性方程 198
6．2．2　與時(shí)間有關(guān)的擴(kuò)散方程 199
6．3　雙極輸運(yùn) 201
6．3．1　雙極輸運(yùn)方程的推導(dǎo) 201
6．3．2　摻雜及小注入的約束條件 203
6．3．3　雙極輸運(yùn)方程的應(yīng)用 206
6．3．4　介電弛豫時(shí)間常數(shù) 214
*6．3．5　海恩斯-肖克萊實(shí)驗(yàn) 216
6．4　準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 219
*6．5　過剩載流子的壽命 221
6．5．1　肖克萊-里德-霍爾復(fù)合理論 221
6．5．2　非本征摻雜和小注入的約束
條件 225
*6．6　表面效應(yīng) 227
6．6．1　表面態(tài) 227
6．6．2　表面復(fù)合速度 229
6．7　小結(jié) 231
重要術(shù)語解釋 231
知識(shí)點(diǎn) 232
復(fù)習(xí)題 233
習(xí)題 233
參考文獻(xiàn) 240
第二部分　半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)
第 7 章　pn結(jié) 241
7．0　預(yù)習(xí) 241
7．1　pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu) 241
7．2　零偏 243
7．2．1　內(nèi)建電勢(shì)差 243
7．2．2　電場(chǎng)強(qiáng)度 246
7．2．3　空間電荷區(qū)寬度 249
7．3　反偏 251
7．3．1　空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng) 251
7．3．2　勢(shì)壘電容（結(jié)電容） 254
7．3．3　單邊突變結(jié) 256
7．4　結(jié)擊穿 258
*7．5　非均勻摻雜pn結(jié) 262
7．5．1　線性緩變結(jié) 263
7．5．2　超突變結(jié) 265
7．6　小結(jié) 267
重要術(shù)語解釋 268
知識(shí)點(diǎn) 268
復(fù)習(xí)題 269
習(xí)題 269
參考文獻(xiàn) 275
第 8 章　pn結(jié)二極管 276
8．0　預(yù)習(xí) 276
8．1　pn結(jié)電流 276
8．1．1　pn結(jié)內(nèi)電荷流動(dòng)的定性描述 277
8．1．2　理想的電流-電壓關(guān)系 278
8．1．3　邊界條件 279
8．1．4　少數(shù)載流子分布 283
8．1．5　理想pn結(jié)電流 286
8．1．6　物理學(xué)小結(jié) 290
8．1．7　溫度效應(yīng) 292
8．1．8　短二極管 293
8．2　產(chǎn)生-復(fù)合電流和高注入級(jí)別 295
8．2．1　產(chǎn)生復(fù)合電流 296
8．2．2　高級(jí)注入 302
8．3　pn 結(jié)的小信號(hào)模型 304
8．3．1　擴(kuò)散電阻 305
8．3．2　小信號(hào)導(dǎo)納 306
8．3．3　等效電路 313
*8．4　電荷存儲(chǔ)與二極管瞬態(tài) 314
8．4．1　關(guān)瞬態(tài) 315
8．4．2　開瞬態(tài) 317
*8．5　隧道二極管 318
8．6　小結(jié) 321
重要術(shù)語解釋 322
知識(shí)點(diǎn) 322
復(fù)習(xí)題 323
習(xí)題 323
參考文獻(xiàn) 330
第 9 章　金屬半導(dǎo)體和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 331
9．0　預(yù)習(xí) 331
9．1　肖特基勢(shì)壘二極管 331
9．1．1　性質(zhì)上的特征 332
9．1．2　理想結(jié)的特性 334
9．1．3　影響肖特基勢(shì)壘高度的
非理想因素 338
9．1．4　電流-電壓關(guān)系 342
9．1．5　肖特基勢(shì)壘二極管與pn結(jié)
二極管的比較 345
9．2　金屬-半導(dǎo)體的歐姆接觸 349
9．2．1　理想非整流接觸勢(shì)壘 349
9．2．2　隧道效應(yīng) 351
9．2．3　比接觸電阻 352
9．3　異質(zhì)結(jié) 354
9．3．1　形成異質(zhì)結(jié)的材料 354
9．3．2　能帶圖 354
9．3．3　二維電子氣 356
*9．3．4　靜電平衡態(tài) 358
*9．3．5　電流-電壓特性 363
9．4　小結(jié) 363
重要術(shù)語解釋 364
知識(shí)點(diǎn) 364
復(fù)習(xí)題 365
習(xí)題 365
參考文獻(xiàn) 370
第 10 章　金屬-氧化物-半導(dǎo)體
?場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ) 371
10．0?預(yù)習(xí) 371
10．1?雙端MOS結(jié)構(gòu) 371
10．1．1　能帶圖 372
10．1．2　耗盡層厚度 376
10．1．3　面電荷密度 380
10．1．4　功函數(shù)差 382
10．1．5　平帶電壓 385
10．1．6　閾值電壓 388
10．2?電容-電壓特性 394
10．2．1　理想C-V特性 394
10．2．2　頻率特性 399
10．2．3　固定柵氧化層電荷和
界面電荷效應(yīng) 400
10．3?MOSFET基本工作原理 403
10．3．1　MOSFET結(jié)構(gòu) 403
10．3．2　電流-電壓關(guān)系――概念 404
*10．3．3　電流-電壓關(guān)系
――數(shù)學(xué)推導(dǎo) 410
*10．3．4　跨導(dǎo) 418
10．3．5　襯底偏置效應(yīng) 419
10．4?頻率限制特性 422
10．4．1　小信號(hào)等效電路 422
10．4．2　頻率限制因素和截止頻率 425
*10．5?CMOS技術(shù) 427
10．6?小結(jié) 430
重要術(shù)語解釋 431
知識(shí)點(diǎn) 432
復(fù)習(xí)題 432
習(xí)題 433
參考文獻(xiàn) 441
第 11 章　金屬-氧化物-半導(dǎo)體
?場(chǎng)效應(yīng)晶體管：概念的深入 443
11．0?預(yù)習(xí) 443
11．1?非理想效應(yīng) 443
11．1．1　亞閾值電導(dǎo) 444
11．1．2　溝道長度調(diào)制效應(yīng) 446
11．1．3　遷移率變化 450
11．1．4　速度飽和 452
11．1．5　彈道輸運(yùn) 453
11．2?MOSFET按比例縮小理論 455
11．2．1　恒定電場(chǎng)按比例縮小 455
11．2．2　閾值電壓――一級(jí)近似 456
11．2．3　全部按比例縮小理論 457
11．3?閾值電壓的修正 457
11．3．1　短溝道效應(yīng) 457
11．3．2　窄溝道效應(yīng) 461
11．4?附加電學(xué)特性 464
11．4．1　擊穿電壓 464
*11．4．2　輕摻雜漏晶體管 470
11．4．3　通過離子注入進(jìn)行閾值
調(diào)整 472
*11．5?輻射和熱電子效應(yīng) 475
11．5．1　輻射引入的氧化層電荷 475
11．5．2　輻射引入的界面態(tài) 478
11．5．3　熱電子充電效應(yīng) 480
11．6?小結(jié) 481
重要術(shù)語解釋 481
知識(shí)點(diǎn) 482
復(fù)習(xí)題 482
習(xí)題 483
參考文獻(xiàn) 489
第 12 章　雙極晶體管 491
12．0?預(yù)習(xí) 491
12．1?雙極晶體管的工作原理 491
12．1．1　基本工作原理 493
12．1．2　晶體管電流的簡化表達(dá)式 495
12．1．3　工作模式 498
12．1．4　雙極晶體管放大電路 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?低頻共基極電流增益 509
12．3．1　有用的因素 509
12．3．2　電流增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式 512
12．3．3　小結(jié) 517
12．3．4　電流增益的計(jì)算 517
12．4?非理想效應(yīng) 522
12．4．1　基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) 522
12．4．2　大注入效應(yīng) 524
12．4．3　發(fā)射區(qū)禁帶變窄 526
12．4．4　電流集邊效應(yīng) 528
*12．4．5　基區(qū)非均勻摻雜的影響 530
12．4．6　擊穿電壓 531
12．5?等效電路模型 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?頻率上限 545
12．6．1　延時(shí)因子 545
12．6．2　晶體管截止頻率 546
12．7?大信號(hào)開關(guān) 549
12．7．1　開關(guān)特性 549
12．7．2　肖特基鉗位晶體管 551
*12．8?其他的雙極晶體管結(jié)構(gòu) 552
12．8．1　多晶硅發(fā)射區(qū)雙極
結(jié)型晶體管 552
12．8．2　SiGe基區(qū)晶體管 554
12．8．3　異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 556
12．9?小結(jié) 558
重要術(shù)語解釋 559
知識(shí)點(diǎn) 559
復(fù)習(xí)題 560
習(xí)題 560
參考文獻(xiàn) 569
第 13 章　結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 571
13．0?預(yù)習(xí) 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　內(nèi)建夾斷電壓、夾斷
電壓和漏源飽和電壓 578
13．2．2　耗盡型JFET的
理想直流I-V特性 582
13．2．3　跨導(dǎo) 587
13．2．4　MESFET 588
*13．3?非理想因素 593
13．3．1　溝道長度調(diào)制效應(yīng) 594
13．3．2　飽和速度影響 596
13．3．3　亞閾值特性和柵電流效應(yīng) 596
*13．4?等效電路和頻率限制 598
13．4．1　小信號(hào)等效電路 598
13．4．2　頻率限制因子和截止頻率 600
*13．5?高電子遷移率晶體管 602
13．5．1　量子阱結(jié)構(gòu) 603
13．5．2　晶體管性能 604
13．6?小結(jié) 609
重要術(shù)語解釋 609
知識(shí)點(diǎn) 610
復(fù)習(xí)題 610
習(xí)題 611
參考文獻(xiàn) 616
第三部分　專用半導(dǎo)體器件
第 14 章　光器件 618
14．0?預(yù)習(xí) 618
14．1?光學(xué)吸收 618
14．1．1　光子吸收系數(shù) 619
14．1．2　電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率 622
14．2?太陽能電池 624
14．2．1　pn結(jié)太陽能電池 624
14．2．2　轉(zhuǎn)換效率與太陽光集中 627
14．2．3 　非均勻吸收的影響 628
14．2．4　異質(zhì)結(jié)太陽能電池 629
14．2．5　非晶態(tài)（無定形）硅
太陽能電池 630
14．3?光電探測(cè)器 633
14．3．1　光電導(dǎo)體 633
14．3．2　光電二極管 635
14．3．3　PIN光電二極管 640
14．3．4　雪崩二極管 641
14．3．5　光電晶體管 642
14．4?光致發(fā)光和電致發(fā)光 643
14．4．1　基本躍遷 644
14．4．2　發(fā)光效率 645
14．4．3　材料 646
14．5?光電二極管 648
14．5．1　光的產(chǎn)生 648
14．5．2　內(nèi)量子效率 649
14．5．3　外量子效率 650
14．5．4　LED器件 652
14．6?激光二極管 654
14．6．1　受激輻射和分布反轉(zhuǎn) 655
14．6．2　光學(xué)空腔諧振器 654
14．6．3　閾值電流 658
14．6．4　器件結(jié)構(gòu)與特性 660
14．7?小結(jié) 661
重要術(shù)語解釋 662
知識(shí)點(diǎn) 663
復(fù)習(xí)題 663
習(xí)題 664
參考文獻(xiàn) 668
第 15 章　半導(dǎo)體功率器件 670
15．0?預(yù)習(xí) 670
15．1?隧道二極管 670
15．2?耿氏二極管 672
15．3?雪崩二極管 675
15．4?功率雙極晶體管 677
15．4．1　垂直式功率晶體管結(jié)構(gòu) 677
15．4．2 　功率晶體管特性 678
15．4．3　達(dá)林頓組態(tài) 682
15．5?功率MOSFET 684
15．5．1　功率晶體管結(jié)構(gòu) 684
15．5．2　功率MOSFET特性 685
15．5．3 　寄生雙極晶體管 689
15．6?半導(dǎo)體閘流管 691
15．6．1　基本特性 691
15．6．2　SCR的觸發(fā)機(jī)理 694
15．6．3　SCR的關(guān)斷 697
15．6．4　器件結(jié)構(gòu) 697
15．7?小結(jié) 701
重要術(shù)語解釋 702
知識(shí)點(diǎn) 703
復(fù)習(xí)題 703
習(xí)題 703
參考文獻(xiàn) 706
附錄A　部分參數(shù)符號(hào)列表 707
附錄B　單位制、單位換算和通用常數(shù) 714
附錄C　元素周期表 717
附錄D　能量單位――電子伏特 718
附錄E　薛定諤波動(dòng)方程的推導(dǎo) 720
附錄F　有效質(zhì)量概念 721
附件G　誤差函數(shù) 726
附錄Ｈ　部分習(xí)題參考答案 727
索引 735