半导体器件物理

　　本书根据教育部新的课程改革要求，在已取得多项教学改革成果的基础上进行编写。内容主要包括半导体物理和晶体管原理两部分，其中，第1章介绍半导体材料特性，第2～3章系统阐述PN结和双极型晶体管，第4～5章系统阐述半导体表面特性和MOS型晶体管，第6章介绍其他几种常用的半导体器件。全书结合高等职业院校的教学特点，侧重于物理概念与物理过程的描述，并在各章节设有操作实验和仿真实验，内容与企业生产实践相结合，适当配置工艺和版图方面的知识，以方便开展教学。本书为高等职业本专科院校相应课程的教材，也可作为开放大学、成人教育、自学考试、中职学校、培训班的教材，以及半导体行业工程技术人员的参考书。本书提供免费的电子教学课件、习题参考答案等资源，相关介绍详见前言。

　　徐振邦副教授，毕业于南京大学应用物理专业，已在江苏信息职业技术学院电信学院从事多年的电子类专业课程的教学与研究工作，教学经验丰富。

目 录

第1章 半导体特性\t1
1．1 半导体的晶体结构\t2
1．1．1 晶体的结构\t2
1．1．2 晶面与晶向\t3
1．2 半导体中的电子状态\t4
1．2．1 能级与能带\t4
1．2．2 本征半导体的导电机制\t7
1．3 杂质与缺陷\t8
1．3．1 杂质与杂质能级\t8
1．3．2 缺陷与缺陷能级\t11
实验1 晶体缺陷的观测\t12
1．4 热平衡载流子\t13
1．4．1 费米能级与载流子浓度\t14
1．4．2 本征半导体的载流子浓度\t17
1．4．3 杂质半导体的载流子浓度\t18
1．5 非平衡载流子\t19
1．5．1 非平衡载流子的注入\t19
1．5．2 非平衡载流子的复合\t20
实验2 高频光电导衰减法测量硅中少子寿命\t21
1．5．3 复合机制\t24
1．6 载流子的运动\t25
1．6．1 载流子的漂移运动与迁移率\t26
1．6．2 载流子的扩散运动与爱因斯坦关系\t29
知识梳理与总结\t33
思考题与习题1\t35
第2章 PN结\t36
2．1 平衡PN结\t37
2．1．1 PN结的形成与杂质分布\t37
2．1．2 PN结的能带图\t38
2．1．3 PN结的接触电势差与载流子分布\t39
2．2 PN结的直流特性\t41
2．2．1 PN结的正向特性\t41
2．2．2 PN结的反向特性\t45
实验3 PN结伏安特性与温度效应\t46
2．2．3 影响PN结伏安特性的因素\t47
2．3 PN结电容\t49
2．3．1 PN结电容的成因及影响\t49
2．3．2 突变结的势垒电容\t50
实验4 PN结势垒电容的测量\t53
2．3．3 扩散电容\t54
2．4 PN结的击穿特性\t55
2．4．1 击穿机理\t55
2．4．2 雪崩击穿电压\t57
2．4．3 影响雪崩击穿电压的因素\t58
2．5 PN结的开关特性\t60
2．5．1 PN结的开关作用\t60
2．5．2 PN结的反向恢复时间\t61
知识梳理与总结\t63
思考题与习题2\t63
第3章 双极晶体管及其特性\t65
3．1 晶体管结构与工作原理\t66
3．1．1 晶体管的基本结构与杂质分布\t66
3．1．2 晶体管的电流传输\t68
3．1．3 晶体管的直流电流放大系数\t70
3．2 晶体管的直流特性\t75
3．2．1 晶体管的伏安特性曲线\t75
仿真实验1 共发射极晶体管伏安特性仿真\t76
实验5 半导体管特性图示仪测试晶体管的特性曲线\t80
3．2．2 晶体管的反向电流\t81
3．2．3 晶体管的击穿电压\t82
仿真实验2 BVCEO仿真\t83
实验6 晶体管直流参数测量\t85
3．2．4 晶体管的穿通电压\t87
3．3 晶体管的频率特性\t87
3．3．1 晶体管频率特性和高频等效电路\t88
3．3．2 高频时晶体管电流放大系数下降的原因\t89
3．3．3 晶体管的电流放大系数\t92
3．3．4 晶体管的极限频率参数\t93
3．4 晶体管的功率特性\t96
3．4．1 大电流工作时产生的三个效应\t96
3．4．2 晶体管的最大耗散功率和热阻\t100
3．4．3 功率晶体管的安全工作区\t101
3．5 晶体管的开关特性\t103
3．5．1 晶体管的开关作用\t103
3．5．2 开关晶体管的工作状态\t103
3．5．3 晶体管的开关过程\t105
3．5．4 提高晶体管开关速度的途径\t108
3．6 晶体管的版图和工艺流程\t109
3．6．1 晶体管的图形结构\t109
3．6．2 双极晶体管的工艺流程\t111
知识梳理与总结\t113
思考题与习题3\t114
第4章 半导体的表面特性\t116
4．1 半导体表面与Si-SiO2系统\t117
4．1．1 理想的半导体表面\t117
4．1．2 Si-SiO2系统及其特性\t118
4．1．3 半导体制造工艺中对表面的处理――清洗与钝化\t121
4．2 表面空间电荷区与表面势\t122
4．2．1 表面空间电荷区\t122
4．2．2 表面势?S\t125
4．3 MOS结构的阈值电压\t127
4．3．1 理想MOS结构的阈值电压\t127
4．3．2 实际MOS结构的阈值电压\t129
4．3．3 MOS结构的应用――电荷耦合器件\t133
4．4 MOS结构的C-V特性\t136
4．4．1 集成化电容的选择――MOS电容\t136
4．4．2 理想MOS电容的C-V特性\t136
4．4．3 实际MOS电容的C-V特性\t139
实验7 MOS电容的测量\t141
4．5 金属与半导体接触\t143
4．5．1 金属?半导体接触\t143
4．5．2 肖特基势垒与整流接触\t144
4．5．3 欧姆接触\t146
4．5．4 金属?半导体接触的应用――肖特基势垒二极管（SBD）\t147
实验8 SBD（肖特基）二极管伏安特性的测量\t148
知识梳理与总结\t149
思考题与习题4\t150
第5章 MOS型场效应晶体管\t151
5．1 MOS型晶体管的结构与分类\t152
5．1．1 MOS型晶体管的结构与工作原理\t152
5．1．2 MOS型晶体管的分类\t155
5．1．3 MOS型晶体管的基本特征\t156
5．1．4 集成MOS型晶体管与分立器件MOS型晶体管的异同\t157
5．2 MOS型晶体管的阈值电压\t158
5．2．1 MOS型晶体管阈值电压的定义\t158
5．2．2 理想情况下MOS型晶体管阈值电压的表达式\t158
5．2．3 影响MOS型晶体管阈值电压的各种因素\t159
仿真实验3 MOS型晶体管阈值电压仿真\t163
实验9 MOS型晶体管阈值电压VT的测量\t167
5．3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数\t169
5．3．1 MOS型晶体管的输出伏安特性\t169
5．3．2 MOS型晶体管的输出伏安特性方程\t172
5．3．3 影响MOS型晶体管输出伏安特性的一些因素\t175
仿真实验4 MOS型晶体管输出伏安特性曲线仿真\t176
实验10 MOS型晶体管输出伏安特性曲线的测量\t181
5．3．4 MOS型晶体管的直流参数\t182
5．3．5 MOS型晶体管的温度特性与栅保护\t183
5．4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数\t185
5．4．1 MOS型晶体管的交流小信号等效电路\t185
5．4．2 MOS型晶体管的交流小信号参数\t186
5．4．3 MOS型晶体管的最高工作频率fm\t187
5．4．4 MOS型晶体管开关\t189
5．5 MOS型晶体管版图及其结构特征\t189
5．5．1 小尺寸集成MOS型晶体管的版图（横向结构）\t189
5．5．2 小尺寸集成MOS型晶体管的剖面结构（纵向结构）\t192
5．5．3 按比例缩小设计规则\t193
5．6 小尺寸集成MOS型晶体管的几个效应\t195
5．6．1 短沟道效应\t196
5．6．2 窄沟道效应\t196
5．6．3 热电子效应\t197
知识梳理与总结\t199
思考题与习题5\t199
第6章 其他常用半导体器件\t200
6．1 达林顿晶体管\t201
6．2 功率MOS型晶体管\t202
6．2．1 功率MOS型晶体管的种类\t203
6．2．2 功率MOS型晶体管的版图结构与制造工艺\t204
6．3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）\t206
6．3．1 IGBT的结构与伏安特性\t206
6．3．2 IGBT的工作原理\t207
6．4 发光二极管（LED）\t209
6．4．1 LED发光原理\t210
6．4．2 LED的结构与种类\t210
6．4．3 LED的量子效率\t212
6．5 太阳能电池\t212
6．5．1 PN结的光生伏特效应\t213
6．5．2 太阳能电池的I-V特性和效率\t213
6．5．3 PERL太阳能电池\t214
6．5．4 非晶硅太阳能电池\t214
6．6 结型场效应晶体管（JFET）\t215
6．6．1 JFET的结构\t215
6．6．2 JFET的工作原理\t216
6．6．3 JFET的输出特性\t217
6．7 晶闸管\t218
6．7．1 晶闸管的基本结构和特性\t218
6．7．2 晶闸管的工作原理\t219
6．7．3 双向晶闸管\t221
知识梳理与总结\t222
思考题与习题6\t222
附录A XJ4810型半导体管特性图示仪面板功能\t223
附录B 扩散结电容和势垒宽度的计算曲线\t226
附录C 硅扩散层表面杂质浓度与扩散层平均电导率的关系曲线\t228
参考文献\t236