半导体器件基础

目录
译者序
前言
第1部分 半导体材料
第1章 半导体中电子的能量和状态
1.1 引言
1.2 历史回顾
1.3 氢原子实例
1.3.1 氢原子的玻尔模型
1.3.2 玻尔模型在分子方面的应用:共价键
1.3.3 量子数和泡利不相容原理
1.3.4 晶体中的共价键
1.4 波粒二象性
1.5 波函数
1.5.1 几率和波函数
1.6 电子波函数
1.6.1 一维空间的自由电子
1.6.2 德布罗意关系
1.6.3 三维空间的自由电子
1.6.4 准自由电子模型
1.6.5 反射和隧穿
1.7 光发射和光吸收初探
1.8 晶体结构、晶面和晶向
1.9 总结
1.10 阅读清单
1.11 参考文献
1.12 复习题
1.13 习题
第2章 均匀半导体
2.1 引言
2.2 晶体中的电子的准经典力学
2.2.1 一维晶体
2.2.2 三维晶体
2.3 导带结构
2.4 价带结构
2.5 本征半导体
2.6 非本征半导体
2.6.1 施主
2.6.2 受主
2.7 空穴的概念
2.7.1 空穴的电荷
2.7.2 空穴的有效质量
2.8 能带中电子的态密度函数
2.8.1 态密度和态密度有效质量
2.9 费米一狄拉克统计
2.9.1 能带中电子和空穴的费米—狄拉克统计
2.10 电子和空穴按能量的分布
2.11 非简并半导体中载流子浓度对温度的依赖关系
2.11.1 高温下的载流子浓度
2.11.2 低温下的载流子浓度(载流子冻结)
2.12 简并半导体
2.12.1 杂质导致的禁带变窄
2.12.2 表观禁带变窄
2.12.3 简并半导体中的载流子浓度
2.13 总结
2.13.1 非简并半导体
2.13.2 简并半导体
2.14 阅读清单
2.15 参考文献
2.16 复习题
2.17 习题
第3章 均匀半导体中的电流
3.1 引言
3.2 漂移电流
3.3 载流子迁移率
3.3.1 载流子散射
3.3.2 散射迁移率
3.3.3 杂质带迁移率
3.3.4 温度对迁移率的影响
3.3.5 强场迁移率
3.4 扩散电流
3.5 载流子的产生和复合
3.5.1 带间产生和复合
3.5.2 两步过程
3.6 半导体中的光过程
3.6.1 光吸收
3.6.2 光发射
3.7 连续性方程
3.8 少数载流子寿命
3.8.1 上升时间
3.8.2 下降时间
3.9 少数载流子扩散长度
3.10 准费米能级
3.11 总结
3.12 阅读清单
3.13 参考文献
3.14 复习题
3.15 习题
第4章 非均匀半导体
4.1 平衡态下费米能级的一致性
4.2 梯度掺杂
4.2.1 爱因斯坦关系
4.2.2 基区梯度掺杂晶体管
4.3 非均匀组分半导体
4.4 梯度掺杂和梯度组分同时存在的情况
4.5 总结
4.6 阅读清单
4.7 参考文献
4.8 复习题
4.9 习题
第1部分 补充内容:材料
补充内容1A
量子力学介绍
S1A.1 引言
S1A.2 波函数
S1A.3 几率和波函数
*SIA.3.1 一维势阱中的粒子
S1A.4 薛定谔方程
S1A.5 电子的薛定谔方程
S1A.6 量子力学的一些结论
SIA.6.1 自由电子
SIA.6.2 准自由电子
SIA.6.3 势阱
SIA.6.4 一维无限深势阱
SIA.6.5 有限深势垒的反射和透射
SIA.6.6 隧穿
S/A.6.7 有限深势阱
S1A.6.8 氢原子再探
S1A.6.9 不确定原理
S1A.7 总结
S1A.8 复习题
S1A.9 习题
补充内容1B
关于材料的补充问题
S1B.1 载流子浓度和迁移率的测量
S1B.1.1 电阻率测量
S1B.1.2 霍尔效应
S1B.2 束缚态电子的费米—狄拉克统计
S1B.3 半导体中的载流子冻结
S1B.4 声子
SIB.4.1 声子对载流子的散射
SIB.4.2 电子的间接跃迁
S1B.5 总结
S1B.6 阅读材料
S1B.7 参考文献
S1B.8 复习题
S1B.9 习题
第2部分 二极管
第5章 原型同质pn结
5.1 引言
5.2 原型同质pn结(定性讨论)
5.2.1 原型pn结的能带图
5.2.2 同质pn结的电流描述
5.3 原型同质pn结(定量分析)
5.3.1 平衡能带图(突变结)
5.3.2 外加偏压下的能带图
5.3.3 同质pn结的电流—电压特性
5.3.4 反向偏压下的击穿
5.4 原型同质pn结的小信号电阻
5.4.1 结电阻
5.4.2 结电容
5.4.3 存储电荷电容
5.5 瞬态特性
5.5.1 关断的瞬态特性
5.5.2 开启的瞬态特性
5.6 温度效应
5.7 总结
5.7.1 内建电势差
5.7.2 结区宽度
5.7.3 结电流
5.7.4 结击穿
5.7.5 电容
5.7.6 瞬态特性
5.8 阅读清单
5.9 复习题
5.10 习题
第6章 二极管的补充说明
6.1 引言
6.2 非突变同质结
6.2.1 线性缓变结
6.2.2 超突变结
6.3 半导体异质结
6.3.1 半导体—半导体异质结的能带图
6.3.2 界面态效应
6.3.3 异质结晶格失配的效应
6.4 金属—半导体结
6.4.1 理想的金属—半导体结(电子亲和能模型)
6.4.2 界面诱导偶极层的影响
6.4.3 金属—半导体结的电流—电压特性
6.4.4 欧姆(低阻)接触
6.4.5 异质结二极管的I-V特性
6.5 非理想结和异质结的电容
6.6 总结
6.7 阅读清单
6.8 参考文献
6.9 复习题
6.10 习题
第2部分 补充内容:二极管
S2.1 引言
S2.2 介电弛豫时间
S2.2.1 情况1:多子注入的介电弛豫时间
S2.2.2 情况2:少子注入的介电弛豫时间
S2.3 结电容
S2.3.1 原型(突变)结的结电容
S2.3.2 非均匀掺杂结的结电容
S2.3.3 变容二极管
S2.3.4 短基区二极管的存储电荷电容
S2.4 肖特基二极管的二阶效应
S2.4.1 肖特基势垒隧穿
S2.4.2 镜像效应导致的肖特基二极管的势垒降低
S2.5 二极管的SPICE模型
S2.5.1 利用SPICE作示波器
S2.5.2 瞬态分析
S2.6 总结
S2.7 阅读清单
S2.8 参考文献
S2.9 习题
第3部分 场效应晶体管
第7章 MOSFET
7.1 引言
7.2 MOSFET(定性分析)
7.2.1 MOS电容介绍
7.2.2 平衡状态的MOSFET(定性分析)
7.2.3 非平衡状态的MOSFET(定性分析)
7.3 MOSFET(定量分析)
7.3.1 迁移率为常数的长沟MOSFET模型
7.3.2 更加实际的长沟模型:电场对迁移率的影响
7.3.3 串联电阻
7.4 模型和实验的比较
7.5 总结
7.6 阅读清单
7.7 参考文献
7.8 复习题
7.9 习题
第8章 FET的补充分析
8.1 引言
8.2 阈值电压和低场迁移率的测量
8.3 亚阈值漏电流
8.4 互补MOSFET(CMOS)
8.4.1 反相器的工作原理
8.4.2 CMOS器件的匹配
8.5 CMOS反相器电路的开关过程
8.5.1 负载电容的影响
8.5.2 开关电路中的传播(栅)延迟
8.5.3 CMOS开关过程中的直通电流
8.6 MOSFET等效电路
8.6.1 小信号等效电路
8.6.2 CMOS放大器
8.7 单位电流增益截止频率
8.8 短沟道效应
8.8.1 有效沟道长度和的依赖关系
8.8.2 阈值电压和漏极电压的依赖关系
8.9 MOSFET按比例缩小
8.10 绝缘层上硅(SOI)
8.11 其他场效应晶体管
8.11.1 异质结场效应晶体管(HFET)
8.11.2 MESFET
8.11.3 结型场效应晶体管(JFET)
8.11.4 体沟道FET:定量分析
8.12 总结
8.13 阅读清单
8.14 参考文献
8.15 复习题
8.16 习题
第3部分 补充内容:场效应晶体管
S3.1 引言
S3.2 对沟道电荷公式的说明
S3.2.1 变化的耗尽层宽度对沟道电荷的影响
S3.2.2 沟道电荷与纵向电场E的依赖关系
S3.3 MOSFET的阈值电压
S3.3.1 固定电荷
S3.3.2 界面陷阱电荷
S3.3.3 体电荷
S3.3.4 电荷对阈值电压的影响
S3.3.5 平带电压
S3.3.6 阈值电压的控制
S3.3.7 沟道量子效应
S3.4 低场迁移率的普适关系式
S3.5 V的测量
S3.6 确定长沟MOSFET的V和的另一种方法
S3.7 MOS电容
S3.7.1 理想MOS电容
S3.7.2 实际MOS电容的C-V关系曲线
S3.7.3 根据C-V测量进行参数分析
S3.8 MOS电容的混合图
S3.8.1 动态随机存储器(DRAM)
S3.8.2 电荷耦合器件(CCD)
S3.9 器件的退化
S3.10 MOSFET的低温工作特性
S3.11 MOSFET器件和电路的SPICE模拟
53.11.1 MOSFET的SPICE模拟举例
S3.11.2 确定CMOS数字反相器的瞬态特性
S3.12 总结
S3.13 阅读清单
S3.14 参考文献
S3.15 复习题
S3.16 习题
第4部分 双极结型晶体管
第9章 双极结型器件:静电学特性
9.1 引言
9.2 输出特性(定性分析)
9.3 电流增益
9.4 原型BJT的模型
9.4.1 收集系数M
9.4.2 注入效率γ
9.4.3 基区输运效率a〓
9.5 双极晶体管中的掺杂梯度
9.5.1 梯度基区晶体管
9.5.2 基区电场对β的影响
9.6 基本Ebers-Moll直流模型
9.7 BJT中的电流集边和基区电阻
9.8 基区宽度调制(Early效应)
9.9 雪崩击穿
9.10 大注入
9.11 基区扩展(Kirk)效应
9.12 E-B结内的复合
9.13 总结
9.14 阅读清单
9.15 参考文献
9.16 复习题
9.17 习题
第10章 双极晶体管的时变分析
10.1 引言
10.2 Ebers-Moll交流模型
10.3 小信号等效电路
10.3 .1混合模型
10.4 双极晶体管的存储电荷电容
10.5 频率响应
10.5.1 单位电流增益频率f〓
10.5.2 基区渡越时间
10.5.3 基区—集电区渡越时间
10.5.4 最高振荡频率f〓
10.6 高频晶体管
10.6.1 双多晶Si自对准晶体管
10.7 双极开关晶体管
10.7.1 输出由低到高的转换时间
10.7.2 肖特基箝位晶体管
10.7.3 发射极耦合逻辑
10.8 BJT、MOSFET和BiMOS
10.8.1 BJT和MOSFET的比较
10.8.2 BiMOS
10.9 总结
10.10 阅读清单
10.11 参考文献
10.12 复习题
10.13 习题
第4部分补充内容: 双极器件
S4.1 引言
S4.2 异质结双极晶体管(HBT)
S4.2.1 均匀掺杂HBT
S4.2.2 组分渐变HBT
S4.3 Si基区、SiGe基区和GaAs基区HBT的比较
S4.4 晶闸管(npnp开关器件)
S4.4.1 四层二极管开关
S4.4.2 npnp开关的双晶体管模型
S4.5 可控硅整流器(SCRs)
S4.6 CMOS电路中的寄生pnpn开关
S4.7 SPICE在BJT中的应用
S4.7.1 寄生效应
S4.7.2 小电流到中等电流区
S4.7.3 大电流区
S4.8 SPICE在双极型晶体管中的应用举例
S4.9 总结
54.10 参考文献
S4.11 复习题
S4.12 习题
第5部分 光电器件
第11章 光电器件
11.1 引言
11.2 光电探测器
11.2.1 一般光电探测器
11.2.2 太阳能电池
11.2.3 p-i-n(PIN)光电探测器
11.2.4 雪崩光电二极管
11.3 发光二极管
11.3.1 正偏结的自发辐射
11.3.2 等电子陷阱
11.3.3 蓝光LEDs和白光LED
11.3.4 红外LED
11.4 激光二极管
11.4.1 光增益
11.4.2 反馈
11.4.3 增益＋反馈=激光器
11.4.4 激光器的结构
11.4.5 其他半导体激光器材料
11.5 图像传感器
11.5.1 电荷耦合图像传感器
11.5.2 MOS图像传感器
11.6 总结
11.7 阅读清单
11.8 参考文献
11.9 复习题
11.10 习题
附录
附录A 重要常数
附录B 符号表
附录C 制造
C.1 引言
C.2 衬底制备
C.2.1 原始材料
C.2.2 晶体(单晶)生长
C.2.3 缺陷
C.2.4 外延
C.3 掺杂
C.3.1 扩散
C.3.2 离子注入
C.4 光刻
C.5 导体和绝缘体
C.5.1 金属化
C.5.2 多晶硅
C.5.3 氧化
C.5.4 氮化硅
C.6 超净间
C.7 封装
C.7.1 引线键合
C.7.2 引脚框架
C.7.3 倒装焊
C.7.4 表面贴装封装
C.8 总结
附录D 态密度函数,态密度有效质量,电导率有效质量
D.1 引言
D.2 一维自由电子
D.3 二维自由电子
D.4 三维自由电子
D.5 周期性晶格中的准自由电子
D.6 态密度有效质量
D.6.1 情况1:导带在K=0处具有单一极小值
D.6.2 情况2:价带有两个子带,都在K=0处有极大值E
D.6.3 情况3:导带在K=0处具有多个等效极小值(例如Si、Ge、GaP)
D.7 电导率有效质量
D.7.1 情况1:导带在K=0处具有单一极值
D.7.2 情况2:价带中的空穴
D.7.3 情况3:具有多个等效极小值的导带中的电子
D.7.4 情况4:应变硅
D.8 对有效质量的常见结果的总结
附录E 一些有用的积分公式
附录F 有用的公式
附录G 推荐阅读的文献