半導體器件物理

本書由淺入深、系統地介紹了常用半導體器件的基本結構、工作原理和工作特性。為便於讀者自學和參考，本書首先介紹了學習半導體器件必需的半導體材料和半導體物理的基本知識；然後重點論述了PN結、雙極型晶體管、MOS場效應管和結型場效應管的各項性能指標參數及其與半導體材料參數、工藝參數和器件幾何結構參數的關係；最後簡要講述了功率MOSFET、IGBT和光電器件等其他常用半導體器件的原理及應用。

第1章 半導體物理基礎（1）

1.1 半導體晶體結構和缺陷（1）

1.1.1 半導體的晶體結構（1）

1.1.2 晶體的晶向與晶面（3）

1.1.3 半導體中的缺陷（4）

1.2 半導體的能帶與雜質能級（6）

1.2.1 半導體中電子共有化運動與能帶（6）

1.2.2 半導體中的E(k)~k關係、有效質量和k空間等能面（11）

1.2.3 Si、Ge的能帶結構及本徵半導體（14）

1.2.4 雜質半導體（15）

1.3 半導體中的平衡與非平衡載流子（19）

1.3.1 導帶電子濃度與價帶空穴濃度（19）

1.3.2 本徵載流子濃度與本徵費米能級（22）

1.3.3 雜質半導體的載流子濃度（24）

1.3.4 簡併半導體及其載流子濃度（28）

1.3.5 非平衡載流子的產生與複合及准費米能級（30）

1.3.6 非平衡載流子的壽命與複合理論（32）

1.4 半導體中載流子的輸運現象（35）

1.4.1 載流子的漂移運動與遷移率（35）

1.4.2 半導體中的主要散射機構及遷移率與平均自由時間的關係（37）

1.4.3 半導體的遷移率、電阻率與雜質濃度和溫度的關係（40）

1.4.4 載流子的擴散運動及愛因斯坦關係（43）

1.4.5 連續性方程（45）

1.5 半導體表面（46）

1.5.1 半導體表面和表面能級（46）

1.5.2 Si-SiO2系統中的表面態與表面處理（47）

1.5.3 表面能帶彎曲與反型（49）

1.5.4 表面複合（50）

思考題和練習題（50）

第2章 PN結（52）

2.1 平衡PN結（52）

2.1.1 PN結的製造工藝和雜質分佈（52）

2.1.2 平衡PN結的空間電荷區和能帶圖（54）

2.1.3 平衡PN結的載流子濃度分佈（57）

2.2 PN結的直流特性（58）

2.2.1 PN結的正向特性（58）

2.2.2 PN結的反向特性（65）

2.2.3 PN結的伏安特性（68）

2.2.4 影響PN結伏安特性的因素（70）

2.3 PN結空間電荷區的電場和寬度（76）

2.3.1 突變結空間電荷區的電場和寬度（77）

2.3.2 緩變結空間電荷區的電場和寬度（81）

2.4 PN結的擊穿特性（84）

2.4.1 擊穿機理（84）

2.4.2 雪崩擊穿電壓（86）

2.4.3 影響雪崩擊穿電壓的因素（91）

2.5 PN結的電容效應（95）

2.5.1 PN結的勢壘電容（95）

2.5.2 PN結的擴散電容（101）

2.6 PN結的開關特性（101）

2.6.1 PN結的開關作用（101）

2.6.2 PN結的反向恢復時間（103）

2.6.3 提高PN結開關速度的途徑（106）

2.7 金屬半導體的整流接觸和歐姆接觸（107）

2.7.1 金屬半導體接觸的表面勢壘（108）

2.7.2 金屬半導體接觸的整流效應與肖特基二極體（110）

2.7.3 歐姆接觸（112）

思考題和習題（114）

第3章 雙極型晶體管（115）

3.1 晶體管的基本結構、製造工藝和雜質分佈（115）

3.1.1 晶體管的基本結構和分類（115）

3.1.2 晶體管的製造工藝和雜質分佈（116）

3.1.3 均勻基區晶體管和緩變基區晶體管（118）

3.2 晶體管的電流放大原理（118）

3.2.1 晶體管的能帶及其載流子的濃度分佈（119）

3.2.2 晶體管載流子的傳輸及各極電流的形成（120）

3.2.3 晶體管的直流電流-電壓關係（123）

3.2.4 晶體管的直流電流放大係數（126）

3.2.5 影響晶體管直流電流放大係數的因素（134）

3.3 晶體管的直流伏安特性曲線（139）

3.3.1 共基極連接的直流特性曲線（140）

3.3.2 共發射極連接的直流特性曲線（141）

3.3.3 兩種組態輸出特性曲線的比較（142）

3.4 晶體管的反向電流與擊穿特性（143）

3.4.1 晶體管的反向電流（143）

3.4.2 晶體管的反向擊穿電壓（145）

3.4.3 穿通電壓（149）

3.5 晶體管的頻率特性（150）

3.5.1 晶體管交流特性和交流小信號傳輸過程（151）

3.5.2 晶體管的高頻等效電路和交流電流放大係數（154）

3.5.3 晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數（162）

3.5.4 晶體管的雜訊（167）

3.6 晶體管的功率特性（170）

3.6.1 基區大注入效應（170）

3.6.2 基區擴展效應（175）

3.6.3 發射極電流集邊效應（179）

3.6.4 集電結最大耗散功率和晶體管的熱阻（183）

3.6.5 晶體管的二次擊穿（187）

3.6.6 集電極最大工作電流和安全工作區（191）

3.7 晶體管的開關特性（193）

3.7.1 晶體管的開關作用（193）

3.7.2 晶體管的開關波形和開關時間的定義（196）

3.7.3 晶體管的開關過程和影響開關時間的因素（198）

3.7.4 提高開關晶體管開關速度的途徑（202）

3.7.5 開關晶體管的正向壓降和飽和壓降（203）

3.8 晶體管的設計（205）

3.8.1 晶體管設計的一般方法（205）

3.8.2 晶體管的縱向設計（207）

3.8.3 晶體管的橫向設計（211）

思考題和習題（219）

第4章 MOS場效應晶體管（221）

4.1 MOS場效應晶體管的結構、工作原理和輸出特性（221）

4.1.1 MOS場效應晶體管的結構（221）

4.1.2 MOS場效應管的基本工作原理和輸出特性（222）

4.1.3 MOS場效應晶體管的分類（224）

4.2 MOS場效應晶體管的閾值電壓（226）

4.2.1 MOS場效應晶體管閾值電壓的定義（226）

4.2.2 MOS場效應晶體管閾值電壓的表示式（226）

4.2.3 非理想條件下MOS場效應管的閾值電壓（229）

4.2.4 影響閾值電壓的其他因素（233）

4.2.5 閾值電壓的調整技術（236）

4.3 MOS場效應晶體管的直流電流—電壓特性（240）

4.3.1 MOS場效應晶體管線性區的電流—電壓特性（240）

4.3.2 MOS場效應晶體管飽和區的電流—電壓特性（241）

4.3.3 亞閾值區的電流—電壓特性（242）

4.3.4 MOS場效應晶體管擊穿區特性及擊穿電壓（244）

4.4 MOS電容及MOS場效應晶體管瞬態電路模型（247）

4.4.1 理想MOS結構的電容—電壓特性（247）

4.4.2 MOS場效應晶體管瞬態電路模型（SPICE模型）的建立（250）

4.5 MOS場效應管的交流小信號參數和頻率特性（253）

4.5.1 MOS場效應管的交流小信號參數（253）

4.5.2 MOS場效應晶體管的頻率特性（257）

4.6 MOS場效應晶體管的開關特性（259）

4.6.1 MOS場效應晶體管瞬態開關過程（259）

4.6.2 開關時間的計算（261）

4.7 MOS場效應晶體管的二級效應（262）

4.7.1 非常數表面遷移率效應（262）

4.7.2 體電荷效應對電流—電壓特性的影響（263）

4.7.3 MOS場效應晶體管的短溝道效應（265）

4.7.4 MOS場效應晶體管的窄溝道效應（268）

4.8 MOS場效應晶體管溫度特性（269）

4.8.1 熱電子效應（269）

4.8.2 遷移率隨溫度的變化（270）

4.8.3 閾值電壓與溫度關係（270）

4.8.4 MOS場效應晶體管幾個主要參數的溫度關係（271）

思考題和習題（273）

第5章 結型場效應晶體管及金屬半導體場效應晶體管（274）

5.1 JFET及MESFET的結構、工作原理和分類（274）

5.1.1 JFET及MESFET的結構（274）

5.1.2 JFET工作原理和輸出特性（276）

5.1.3 JFET和MESFET的分類（277）

5.2 JFET的電流電壓特性（278）

5.2.1 線性區電流電壓特性（279）

5.2.2 飽和區電流電壓特性（281）

5.2.3 亞閾值區特性（283）

5.3 JFET的直流和交流小信號參數（285）

5.3.1 JFET的直流參數（285）

5.3.2 JFET的交流小信號參數（288）

5.4 JFET的高頻參數（290）

5.4.1 截止頻率fT （291）

5.4.2 渡越時間截止頻率f0 （292）

5.4.3 最高振蕩頻率fM （292）

5.5 短溝道JFET和MESFET （293）

5.5.1 短溝道JFET和MESFET中的遷移率調製效應（293）

5.5.2 短溝道JFET和MESFET的電流—電壓方程（295）

思考題與習題（295）

第6章 其他常用半導體器件（297）

6.1 功率MOS場效應晶體管（297）

6.1.1 功率MOS場效應晶體管的基本結構（297）

6.1.2 功率MOS場效應晶體管電流電壓特性（299）

6.1.3 功率MOS場效應晶體管的跨導和輸出漏電導（302）

6.1.4 功率MOS場效應晶體管的導通電阻（302）

6.1.5 極限參數（306）

6.2 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） （307）

6.2.1 基本結構與特性（307）

6.2.2 工作原理與器件物理分析（310）

6.2.3 柵極關斷（317）

6.2.4 擎住效應（318）

6.2.5 頻率與開關特性（320）

6.3 半導體光學效應及光電二極體（322）

6.3.1 半導體PN結光伏特性（322）

6.3.2 光電導及光敏二極體（326）

6.4 發光二極體（327）

6.4.1 發光過程中的複合（327）

6.4.2 發光二極體的製備與特性（328）

6.5 半導體激光器（330）

6.5.1 半導體激光器及其結構（330）

6.5.2 半導體受激發光條件（331）

思考題與習題（334）

附錄（335）

參考文獻（336）