半導體器件基礎

目 錄
第一部分 半導體基礎
第1章 半導體概要 2
1.1 半導體材料的特性 2
1.1.1 材料的原子構成 2
1.1.2 純度 3
1.1.3 結構 4
1.2 晶體結構 5
1.2.1 單胞的概念 5
1.2.2 三維立方單胞 5
1.2.3 半導體晶格 7
1.2.4 密勒指數 8
1.3 晶體的生長 11
1.3.1 超純硅的獲取 11
1.3.2 單晶硅的形成 12
1.4 小結 13
習題 13
第2章 載流子模型 17
2.1 量子化概念 17
2.2 半導體模型 18
2.2.1 價鍵模型 18
2.2.2 能帶模型 19
2.2.3 載流子 21
2.2.4 帶隙和材料分類 22
2.3 載流子的特性 22
2.3.1 電荷 22
2.3.2 有效質量 23
2.3.3 本徵材料內的載流子數 24
2.3.4 載流子數的控制—摻雜 24
2.3.5 與載流子相關的術語 28
2.4 狀態和載流子分佈 28
2.4.1 態密度 28
2.4.2 費米分佈函數 29
2.4.3 平衡載流子分佈 32
2.5 平衡載流子濃度 33
2.5.1 n型和p型的公式 33
2.5.2 n型和p型表達式的變換 35
2.5.3 ni和載流子濃度乘積np 36
2.5.4 電中性關系 39
2.5.5 載流子濃度的計算 40
2.5.6 費米能級EF的確定 41
2.5.7 載流子濃度與溫度的關系 43
2.6 小結 45
習題 46
第3章 載流子輸運 51
3.1 漂移 51
3.1.1 漂移的定義與圖像 51
3.1.2 漂移電流 52
3.1.3 遷移率 53
3.1.4 電阻率 58
3.1.5 能帶彎曲 61
3.2 擴散 64
3.2.1 擴散的定義與可視化 64
3.2.2 熱探針測量法 66
3.2.3 擴散和總電流 67
3.2.4 擴散系數與遷移率的關系 68
3.3 復合-產生 71
3.3.1 復合-產生的定義與可視化 71
3.3.2 動量分析 73
3.3.3 R-G統計 74
3.3.4 少子壽命 78
3.4 狀態方程 81
3.4.1 連續性方程 81
3.4.2 少子擴散方程 82
3.4.3 問題的簡化和求解 83
3.4.4 解答問題 84
3.5 補充的概念 88
3.5.1 擴散長度 88
3.5.2 準費米能級 89
3.6 小結 91
習題 93
第4章 器件制備基礎 101
4.1 制備過程 101
4.1.1 氧化 101
4.1.2 擴散 104
4.1.3 離子註入 106
4.1.4 光刻 108
4.1.5 薄膜澱積 109
4.1.6 外延 111
4.2 器件制備實例 112
4.2.1 pn結二極管的制備 112
4.2.2 電腦CPU的工藝流程 113
4.3 小結 117
第一部分補充讀物和復習 118
可選擇的/補充的閱讀資料列表 118
圖的出處/引用的參考文獻 119
術語復習一覽表 119
第一部分—復習題和答案 121
第二部分A pn結二極管
第5章 pn結的靜電特性 132
5.1 引言 132
5.1.1 結的相關術語/理想雜質分佈 132
5.1.2 泊松方程 133
5.1.3 定性解 134
5.1.4 內建電勢(Vbi) 136
5.1.5 耗盡近似 139
5.2 定量的靜電關系式 140
5.2.1 假設和定義 140
5.2.2 VA = 0條件下的突變結 141
5.2.3 VA ≠ 0條件下的突變結 144
5.2.4 結果分析 147
5.2.5 線性緩變結 150
5.3 小結 152
習題 152
第6章 pn結二極管：I -V特性 158
6.1 理想二極管方程 158
6.1.1 定性推導 158
6.1.2 定量求解方案 161
6.1.3 嚴格推導 165
6.1.4 結果分析 166
6.2 與理想情況的偏差 173
6.2.1 理論與實驗的比較 173
6.2.2 反向偏置的擊穿 175
6.2.3 復合-產生電流 181
6.2.4 VA→Vbi時的大電流現象 186
6.3 一些需要特別考慮的因素 189
6.3.1 電荷控制方法 189
6.3.2 窄基區二極管 190
6.4 小結 193
習題 194
第7章 pn結二極管：小信號導納 201
7.1 引言 201
7.2 反向偏置結電容 202
7.2.1 基本信息 202
7.2.2 C-V關系 203
7.2.3 參數提取和雜質分佈 206
7.2.4 反向偏置電導 209
7.3 正向偏置擴散導納 210
7.3.1 基本信息 210
7.3.2 導納關系式 212
7.4 小結 216
習題 217
第8章 pn結二極管：瞬態響應 219
8.1 瞬態關斷特性 219
8.1.1 引言 219
8.1.2 定性分析 220
8.1.3 存貯延遲時間 223
8.1.4 總結 224
8.2 瞬態開啟特性 227
8.3 小結 230
習題 231
第9章 光電二極管 234
9.1 引言 234
9.2 光電探測器 235
9.2.1 pn結光電二極管 235
9.2.2 p-i-n和雪崩光電二極管 237
9.3 太陽能電池 240
9.3.1 太陽能電池基礎 240
9.3.2 效率研究 240
9.3.3 太陽能電池工藝 242
9.4 LED 243
9.4.1 概述 243
9.4.2 商用LED 245
9.4.3 LED封裝和光輸出 248
第二部分B BJT和其他結型器件
第10章 BJT基礎知識 251
10.1 基本概念 251
10.2 制備工藝 254
10.3 靜電特性 255
10.4 工作原理簡介 257
10.5 特性參數 259
10.6 小結 260
習題 261
第11章 BJT靜態特性 264
11.1 理想晶體管模型 264
11.1.1 求解方法 264
11.1.2 通用解(W為任意值) 267
11.1.3 簡化關系式(W LB) 270
11.1.4 埃伯斯-莫爾方程和模型 274
11.2 理論和實驗的偏差 276
11.2.1 理想特性與實驗特性的比較 277
11.2.2 基區寬度調制 279
11.2.3 穿通 280
11.2.4 雪崩倍增和擊穿 281
11.2.5 幾何效應 285
11.2.6 復合-產生電流 287
11.2.7 緩變基區 288
11.2.8 品質因素 289
11.3 現代BJT結構 290
11.3.1 多晶硅發射極BJT 290
11.3.2 異質結雙極晶體管(HBT) 292
11.4 小結 294
習題 295
第12章 BJT動態響應模型 302
12.1 小信號等效電路 302
12.1.1 通用的雙埠模型 302
12.1.2 混合?模型 304
12.2 瞬態(開關)響應 306
12.2.1 定性研究 306
12.2.2 電荷控制關系式 308
12.2.3 定量分析 309
12.2.4 實際的瞬態過程 311
12.3 小結 312
習題 313
第13章 PNPN器件 315
13.1 可控硅整流器(SCR) 315
13.2 SCR工作原理 316
13.3 實際的開/關研究 320
13.3.1 電路工作 320
13.3.2 附加觸發機制 320
13.3.3 短路陰極結構 321
13.3.4 di/dt和dv/dt效應 321
13.3.5 觸發時間 322
13.3.6 開關的優點/缺點 322
13.4 其他的PNPN器件 322
第14章 MS接觸和肖特基二極管 325
14.1 理想的MS接觸 325
14.2 肖特基二極管 329
14.2.1 靜電特性 329
14.2.2 I-V特性 331
14.2.3 交流響應 335
14.2.4 瞬態響應 337
14.3 實際的MS接觸 337
14.3.1 整流接觸 337
14.3.2 歐姆接觸 338
14.4 小結 339
習題 340
第二部分補充讀物和復習 343
可選擇的/補充的閱讀資料列表 343
圖的出處/引用的參考文獻 343
術語復習一覽表 344
第二部分—復習題和答案 346
第三部分 場效應器件
第15章 場效應導言——J-FET和MESFET 358
15.1 引言 358
15.2 J-FET 362
15.2.1 簡介 362
15.2.2 器件工作的定性理論 362
15.2.3 定量的ID-VD關系 365
15.2.4 交流響應 372
15.3 MESFET 375
15.3.1 基礎知識 375
15.3.2 短溝道效應 376
15.4 小結 379
習題 380
第16章 MOS結構基礎 384
16.1 理想MOS結構的定義 384
16.2 靜電特性—定性描述 385
16.2.1 圖示化輔助描述 385
16.2.2 外加偏置的影響 386
16.3 靜電特性—定量公式 389
16.3.1 半導體靜電特性的定量描述 389
16.3.2 柵電壓關系 395
16.4 電容-電壓特性 397
16.4.1 理論和分析 398
16.4.2 計算和測試 402
16.5 小結 407
習題 408
第17章 MOSFET器件基礎 415
17.1 工作原理的定性分析 415
17.2 ID-VD特性的定量分析 418
17.2.1 預備知識 418
17.2.2 平方律理論 420
17.2.3 體電荷理論 423
17.2.4 薄層電荷和精確電荷理論 425
17.3 交流響應 427
17.3.1 小信號等效電路 427
17.3.2 截止頻率 428
17.3.3 小信號特性 429
17.4 小結 430
習題 431
第18章 非理想MOS 436
18.1 金屬-半導體功函數差 436
18.2 氧化層電荷 439
18.2.1 引言 439
18.2.2 可動離子 440
18.2.3 固定電荷 444
18.2.4 界面陷阱 446
18.2.5 誘導的電荷 450
18.2.6 ?VG總結 451
18.3 MOSFET的閾值設計 453
18.3.1 VT表達式 454
18.3.2 閾值、術語和工藝 455
18.3.3 閾值調整 456
18.3.4 背偏置效應 457
18.3.5 閾值總結 458
習題 460
第19章 現代FET結構 465
19.1 小尺寸效應 465
19.1.1 引言 465
19.1.2 閾值電壓改變 467
19.1.3 寄生BJT效應 470
19.1.4 熱載流子效應 471
19.2 精選的器件結構概況 472
19.2.1 MOSFET結構 472
19.2.2 MODFET(HEMT) 476
習題 478
第三部分補充讀物和復習 480
可選擇的/補充的閱讀資料列表 480
圖的出處/引用的參考文獻 480
術語復習一覽表 483
第三部分—復習題和答案 484
附錄A 量子力學基礎 496
附錄B MOS半導體靜電特性—精確解 507
附錄C MOS C-V補充 510
附錄D MOS I-V補充 512
附錄E 符號表 514
附錄F MATLAB程序源代碼 524
物理常數與換算關系 533