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半導體器件物理(第3版普通高等教育電子科學與技術特色專業系列教材) 版權信息
- ISBN:9787030729156
- 條形碼:9787030729156 ; 978-7-03-072915-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
半導體器件物理(第3版普通高等教育電子科學與技術特色專業系列教材) 內容簡介
本書是普通高等教育“十一五”重量規劃教材。本書介紹了常用半導體器件的基本結構、工作原理、主要性能和基本工藝技術。內容包括:半導體物理基礎、PN結、雙極結型晶體管、金屬-半導體結、結型場效應晶體管和金屬-半導體場效應晶體管、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管、電荷轉移器件、半導體太陽電池和光電二極管、發光二極管和半導體激光器等。 本書可作為高等院校電子科學與技術、微電子學、光電子技術等專業的半導體器件物理相關課程的教材,也可供有關科研人員和工程技術人員參考。
半導體器件物理(第3版普通高等教育電子科學與技術特色專業系列教材) 目錄
第1章半導體物理基礎1
1.1半導體中的電子狀態1
1.1.1周期性勢場1
1.1.2周期性勢場中電子的波函數、布洛赫定理2
1.1.3周期性邊界條件7
1.2能帶8
1.3有效質量10
1.4導帶電子和價帶空穴12
1.4.1金屬、半導體和絕緣體的區別12
1.4.2空穴14
1.5硅、鍺、砷化鎵的能帶結構15
1.5.1等能面15
1.5.2能帶圖16
1.6雜質和缺陷能級17
1.6.1施主雜質和施主能級、N型半導體18
1.6.2受主雜質和受主能級、P型半導體18
1.6.3Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體中的雜質19
1.6.4深能級雜質20
1.6.5缺陷能級21
1.7載流子的統計分布22
1.7.1狀態密度22
1.7.2費米分布函數與費米能級23
1.7.3能帶中的電子和空穴濃度24
1.7.4本征半導體25
1.7.5只有一種雜質的半導體26
1.7.6雜質補償半導體28
1.7.7簡并半導體29
1.8載流子的散射32
1.8.1格波與聲子32
1.8.2載流子的散射過程34
1.9電荷輸運現象36
1.9.1漂移運動、遷移率與電導率37
1.9.2擴散運動、擴散流密度和擴散電流39
1.9.3流密度、電流密度和電流方程40
1.10非均勻半導體中的自建電場40
1.10.1半導體中的靜電場和靜電勢40
1.10.2愛因斯坦關系41
1.10.3非均勻半導體和自建電場42
1.11非平衡載流子43
1.12準費米能級45
1.12.1準費米能級的定義45
1.12.2修正的歐姆定律46
1.13復合機制46
1.13.1直接復合47
1.13.2通過復合中心的復合48
1.14表面復合和表面復合速度51
1.15半導體中的基本控制方程52
習題53
參考文獻54
第2章PN結56
2.1引言56
2.2PN結制備工藝56
2.2.1合金結56
2.2.2平面工藝57
2.2.3平面PN結60
2.2.4突變結和線性緩變結61
2.3熱平衡PN結62
2.3.1PN結空間電荷區62
2.3.2電場分布與電勢分布63
2.3.3線性緩變結的電場分布與電勢分布68
2.4加偏壓的PN結70
2.4.1PN結的單向導電性70
2.4.2少數載流子的注入與輸運71
2.5理想PN結二極管的直流電流-電壓特性73
2.5.1理想PN結的基本假設74
2.5.2理想PN結二極管的I-V特性74
2.6空間電荷區復合電流和產生電流85
2.6.1正偏復合電流85
2.6.2反偏產生電流87
2.7大注入效應88
2.7.1大注入時的少子邊界條件88
2.7.2大注入時的I-V方程88
2.8隧道電流90
2.9溫度對PN結I-V特性的影響92
2.10耗盡層電容、求雜質分布和變容二極管93
2.10.1反偏PN結的C-V特性94
2.10.2求雜質分布95
2.10.3變容二極管97
2.11PN結二極管的頻率特性98
2.12PN結二極管的開關特性102
2.12.1電荷存儲效應和反向瞬變102
2.12.2階躍恢復二極管104
2.13PN結擊穿105
習題110
參考文獻112
第3章雙極結型晶體管113
3.1引言113
3.2雙極結型晶體管的結構和制造工藝114
3.3雙極結型晶體管的基本工作原理115
3.3.1放大作用116
3.3.2電流分量117
3.3.3直流電流增益117
3.4理想雙極結型晶體管中的電流傳輸120
3.4.1理想BJT的基本假設120
3.4.2載流子分布與電流分量121
3.4.3不同工作模式下的少子分布和少子電流123
3.5非理想效應129
3.5.1基區寬度調變效應129
3.5.2基區擴展電阻和電流集聚效應130
3.5.3緩變基區晶體管131
3.5.4發射區禁帶寬度變窄效應133
3.6埃伯斯-莫爾方程134
3.6.1埃伯斯-莫爾模型134
3.6.2工作模式和少子分布136
3.6.3反向電流和浮空電勢137
3.7反向擊穿特性140
3.7.1共基極擊穿電壓140
3.7.2共發射極擊穿電壓141
3.7.3穿通擊穿141
3.8BJT的混接π模型及頻率響應特性142
3.8.1交流電流增益143
3.8.2混接π模型143
3.8.3BJT的截止頻率和特征頻率147
3.8.4BJT頻率響應的物理機制149
3.8.5基區展寬效應151
3.9晶體管的開關特性152
3.9.1開關工作原理152
3.9.2開關時間153
3.10*PNPN結構156
3.11*異質結雙極晶體管158
3.11.1熱平衡異質結158
3.11.2加偏壓的異質結161
3.11.3異質結雙極晶體管放大的基本理論162
3.12*幾類常見的HBT164
習題165
參考文獻166
第4章金屬-半導體結168
4.1引言168
4.2肖特基勢壘169
4.2.1肖特基勢壘的形成169
4.2.2加偏壓的肖特基勢壘170
4.3界面態對勢壘高度的影響172
4.4鏡像力對勢壘高度的影響174
4.5肖特基勢壘二極管的結構177
4.6肖特基勢壘二極管的電流-電壓特性177
4.6.1肖特基勢壘二極管的電流機制178
4.6.2肖特基勢壘二極管的熱離子發射理論179
4.6.3利用I-V關系測量肖特基勢壘高度182
4.6.4少子空穴的注入電流184
4.7金屬-絕緣體-半導體隧道二極管185
4.8肖特基勢壘二極管和PN結二極管之間的比較185
4.9肖特基勢壘二極管的應用186
4.9.1肖特基勢壘檢波器或混頻器187
4.9.2肖特基鉗位晶體管187
4.10歐姆接觸188
習題189
參考文獻190
第5章結型場效應晶體管和金屬-半導體場效應晶體管191
5.1引言191
5.2JFET的基本結構和工作原理191
5.2.1JFET的基本結構191
5.2.2JFET的工作原理192
5.2.3JFET的特點194
5.3理想JFET的I-V特性195
5.3.1理想JFET的基本假設195
5.3.2夾斷電壓和內夾斷電壓196
5.3.3直流I-V方程197
5.4JFET的特性198
5.4.1線性區199
5.4.2飽和區199
5.4.3擊穿特性200
5.4.4輸出導納201
5.4.5跨導201
5.5非理想因素的影響202
5.5.1溝道長度調制效應202
5.5.2速度飽和效應203
5.6等效電路和截止頻率205
5.6.1交流小信號等效電路205
5.6.2JFET的*高工作頻率207
5.7金屬-半導體場效應晶體管207
5.8JFET和MESFET的類型209
5.9*異質結MESFET和HEMT209
習題211
參考文獻211
第6章金屬-氧化物-半導體場效應晶體管213
6.1引言213
6.2理想MOS結構的表面空間電荷區214
6.2.1半導體表面空間電荷區215
6.2.2載流子積累、耗盡和反型215
6.2.3反型和強反型條件217
6.3理想MOS電容器218
6.4溝道電導與閾值電壓225
6.4.1溝道電導225
6.4.2閾值電壓226
6.5實際MOS的電容-電壓特性和閾值電壓227
6.5.1功函數差的影響227
6.5.2界面陷阱和氧化物電荷的影響229
6.5.3閾值電壓和C-V曲線231
6.6MOS場效應晶體管234
6.6.1基本結構和工作原理234
6.6.2MOSFET的I-V方程236
6.7等效電路和頻率響應240
6.7.1小信號參數241
6.7.2頻率響應242
6.8MOS場效應晶體管的類型243
6.9影響閾值電壓的因素244
6.9.1摻雜濃度的影響244
6.9.2氧化層厚度的影響245
6.9.3襯底偏壓的影響246
6.10MOSFET的亞閾值特性247
6.11MOSFET的非理想效應250
6.11.1溝道長度調制效應250
6.11.2漏致勢壘降低效應251
6.11.3遷移率的影響252
6.11.4漂移速度飽和效應253
6.11.5彈道輸運255
6.12短溝道效應及器件尺寸按比例縮小255
6.12.1短溝道效應256
6.12.2保持電場恒定的按比例縮小規則256
6.12.3*小溝道長度限定的縮小規則259
習題261
參考文獻262
第7章電荷轉移器件264
7.1電荷轉移264
7.2深耗盡狀態和表面勢阱265
7.3MOS電容的瞬態特性267
7.4信號電荷的輸運傳輸效率269
7.5電極排列和CCD制造工藝271
7.5.1三相CCD271
7.5.2二相CCD273
7.6埋溝CCD274
7.7信號電荷的注入和檢測275
7.7.1信號電荷的注入275
7.7.2信號電荷的檢測276
7.8集成斗鏈器件277
7.9*電荷耦合圖像器278
習題279
參考文獻279
第8章半導體太陽電池和光電二極管280
8.1半導體中光吸收280
8.2太陽電池的結構及工作原理282
8.2.1太陽電池的基本結構282
8.2.2PN結的光生伏打效應283
8.3太陽電池的I-V特性284
8.4太陽電池的效率285
8.5光產生電流與收集效率286
8.6影響太陽電池效率的因素288
8.7肖特基勢壘和MIS太陽電池291
8.8*非晶硅(a-Si)太陽電池292
8.8.1非晶硅PIN結太陽電池293
8.8.2非晶硅肖特基勢壘太陽電池293
8.9光電二極管的基本結構與工作原理294
8.9.1PIN光電二極管294
8.9.2*雪崩光電二極管295
8.9.3*金屬-半導體光電二極管296
8.9.4*異質結光電二極管296
8.10光電二極管的特性參數297
8.10.1量子效率和響應度297
8.10.2響應速度298
8.10.3噪聲特性299
8.10.4其他幾個概念299
習題301
參考文獻302
第9章發光二極管和半導體激光器303
9.1輻射復合與非輻射復合303
9.1.1輻射復合304
9.1.2非輻射復合309
9.2LED的基本結構和工作原理311
9.3LED的特性參數312
9.3.1I-V特性312<
半導體器件物理(第3版普通高等教育電子科學與技術特色專業系列教材) 節選
第1章半導體物理基礎 半導體物理知識是學習半導體器件物理課程的基礎。為了方便學過半導體物理的學生在使用本書時對半導體物理的有關知識進行回顧和查閱,也為了給沒有學過半導體物理的讀者提供必要的參考,在本章簡要介紹半導體的基本性質,主要內容包括半導體能帶理論的主要結果、半導體中載流子的統計分布、費米能級的計算、載流子的輸運和半導體中的基本控制方程等。半導體表面和半導體光學性質等是半導體物理的重要內容。為使本章的內容不過于冗長,并便于學習相關器件的物理知識,分別把它們放在有關章節(見第8、9章)進行介紹。相信這些內容可為讀者學習半導體器件物理提供足夠的預備知識。如果讀者還覺得本書所介紹的內容不夠全面、深入和詳盡,可參閱標準的半導體物理和固體物理等教材。 1.1半導體中的電子狀態 電子狀態是指電子的運動狀態,簡稱為電子態、量子態等。半導體之所以具有異于金屬和絕緣體的物理性質是源于半導體內電子的運動規律。半導體內電子的運動規律是由半導體中的電子狀態決定的。 1.1.1周期性勢場 晶體中原子的排列是長程有序的,這種現象稱為晶體內部結構的周期性。晶體內部結構的周期性可以用晶格來形象地描繪。晶格是由無數個相同單元周期性重復排列組成的。這種重復排列的單元稱為晶胞。晶胞的選取是任意的,其中結構*簡單、體積*小的晶胞稱為原胞。原胞是平行六面體。原胞只含有一個格點,格點位于平行六面體的頂角上。 以原胞的任一格點為原點,方向分別沿三個互不平行的邊,長度分別等于原胞三個邊長的一組基矢量稱為原胞的基矢(basis vector),記為a1, a2, a3。矢量 稱為晶格矢量。式中,m1,m2,m3是任意整數。r和r'=r+Rm為不同原胞的對應點,兩者相差一個晶格矢量。可以說,不同原胞的對應點相差一個晶格矢量。反過來也可以說,相差一個晶格矢量的兩點是不同原胞的對應點。通過晶格矢量的平移可以定出所有原胞的位置,所以Rm也稱為晶格平移矢量(translation vector)。 晶體內部結構的周期性意味著,在晶體內部不同原胞的對應點處原子的排列情況相同,晶體的微觀物理性質相同。因此,對于不同原胞的對應點,晶體的電子勢能函數相同,即 式(1-1-2)是晶體的周期性勢場的數學描述。 在絕熱近似和單電子近似下,晶體中電子所處的勢場可以看作周期性勢場。圖1-1所示為一維周期性勢場的示意圖。V1, V2, V3, 分別代表原子1, 2, 3, 的勢場,V代表疊加后的晶體勢場。 圖1-1一維周期性勢場的示意圖 具有能量E1或E2的電子可以在原子1的勢場中運動,根據量子力學的隧道效應,它還可以通過隧道效應越過勢壘V到勢阱2,勢阱3, 中運動。換言之,在周期性勢場中,屬于某個原子的電子既可以在該原子附近運動,也可以在其他的原子附近運動。通常把前者稱為局域化運動,而把后者稱為共有化運動。相應的電子態分別稱為局域態(local states)(原子軌道)和擴展態(extended states)(晶格軌道)。晶體中電子的運動既有局域化的特征又有共有化的特征。如果電子能量較低,如圖1-1(a)中的E2,那么在該能態電子受原子核束縛較強,勢壘V-E2較大,電子從勢阱1穿過勢壘進入勢阱2的概率就比較小。對于處在這種能量狀態的電子,它的共有化運動的程度就比較小。但對于束縛能較弱的狀態E1,由于勢壘V-E1的值較小,穿透隧道的概率就比較大。因此,處于狀態E1的電子共有化的程度比較大。價電子是原子的*外層電子,受原子的束縛比較弱,所以共有化的特征就比較顯著。在研究半導體中的電子狀態時,*感興趣的正是價電子的電子狀態。 1.1.2周期性勢場中電子的波函數、布洛赫定理 晶體是由規則地周期性排列起來的原子所組成的,每個原子又包含有原子核和核外電子。原子核和電子之間、電子和電子之間存在著庫侖作用。因此,它們的運動不是彼此無關的,應該把它們作為一個體系統一地加以考慮。也就是說,晶體中電子運動的問題是一個多體問題。為使問題簡化,可以近似地把每個電子的運動單獨地加以考慮,即在研究一個電子的運動時,把在晶體中各處的其他電子和原子核對這個電子的庫侖作用,按照它們的概率分布,平均地加以考慮,這種近似稱為單電子近似(single electron approximation),也稱為哈特里-福克(Hartree-Fock)近似。這樣,一個電子所受的庫侖作用僅隨它自己位置的變化而變化,它的運動便由僅包含這個電子的坐標的薛定諤方程(波動方程)決定,表示為 式中,為電子的動能算符,V(r)為電子的勢能算符,E為電子的能量,ψ(r)為電子的波函數,h為普朗克常量,稱為約化普朗克常量。 布洛赫(Bloch)定理指出:如果勢函數V(r)有晶格的周期性,即 則方程(1-1-3)的解ψ(r)表示為 式中,uk(r)為一個與晶格具有同樣周期性的周期性函數,即 Rm為式(1-1-1)所定義的晶格平移矢量。k為波矢量,是任意實數矢量,它是標志電子運動狀態的量。k=稱為波數,為波長。由式(1-1-4)所確定的波函數稱為布洛赫函數或布洛赫波。在r + Rm處,有 即 式(1-1-6)是布洛赫定理的另一種表述。式(1-1-6)說明,晶體中不同原胞對應點處的電子波函數只差一個模量為1的因子。也就是說,在晶體中各個原胞對應點處電子出現的概率相同,即電子可以在整個晶體中運動—共有化運動。 現在考察波矢量為k和波矢量為k'=k + Kn的兩個狀態,其中 稱為倒格矢。b1, b2, b3稱為與基矢a1, a2, a3相應的倒基矢(reciprocal basis vector)。n1, n2, n3為任意整數。由b1, b2, b3所構成的空間稱為倒空間或倒格子(reciprocal lattice)。b1, b2, b3與a1, a2, a3之間具有正交關系,表示為 且 其中 為晶格原胞的體積。顯然,晶格平移矢量Rm和倒格矢Kn之間滿足 利用上式,有 由于k是標志電子運動狀態的量,因此上式說明相差倒格矢Kn的兩個k代表的是同一個狀態。這樣,為了表示晶體中不同的電子態,只需要把k限制在以下范圍(**布里淵(Brillouin)區)就可以了,即 或寫為 式(1-1-11)所定義的區域稱為k空間的**布里淵區。 布里淵區是把倒空間劃分成的一些區域,它是這樣劃分的:在倒空間,作原點與所有倒格點之間連線的中垂面,這些平面便把倒空間劃分成一些區域,其中,距原點*近的一個區域為**布里淵區,距原點次近的若干個區域組成第二布里淵區,以此類推。這些中垂面就是布里淵區的分界面。 在布里淵區邊界上的k的代表點,都位于倒格矢Kn的中垂面上,它們滿足下面的平面方程: 即 k取遍k空間除原點以外的所有k的代表點。可以證明,這樣劃分的布里淵區,具有以下特性: (1)每個布里淵區的體積都相等,而且等于一個倒原胞的體積。 (2)每個布里淵區的各個部分經過平移適當的倒格矢Kn之后,可使一個布里淵區與另一個布里淵區相重合。 (3)每個布里淵區都是以原點為中心而對稱地分布著,而且具有正格子和倒格子的點群對稱性。布里淵區可以組成倒空間的周期性的重復單元。 常見金剛石結構和閃鋅礦結構具有面心立方晶格,其**布里淵區如圖1-2所示。布里淵區中心用Γ表示。6個對稱的〈100〉軸用表示。8個對稱的〈111〉軸用表示。12個對稱的〈110〉軸用Σ表示。符號X,L,K分別表示〈100〉、〈111〉、〈110〉軸與布里淵區邊界的交點。 在6個對稱的X點中,每一個點都與另一個相對于原點同它對稱的點相距一個倒格矢,它們是彼此等價的。不等價的X點只有三個。同理,在8個對稱的L點中不等價的只有4個。 下面來證明布洛赫定理。 引入電子的哈密頓算符 則波動方程(1-1-3)可以簡寫成 引入平移算符(translation operator)T(Rm),其定義為,當它作用在任意函數f?(r)上后,將函數中的變量r換成r+Rm,得到r的另一函數f(r+Rm),即 對于任意兩個平移算符T(Rm)和T(Rn),有 這說明兩個平移操作接連進行的結果,不依賴于它們的先后次序,即平移算符彼此之間是可以交換的,即 在周期性勢場中運動的電子的勢函數V(r)具有晶格的周期性,如式(1-1-2)所示,因而有 上式表明,任意一個晶格平移算符T(Rm)和電子的哈密頓算符H是對易的,即 根據量子力學的一個普遍定理,這些線性算符具有共同的本征函數。或者說,存在這樣的表象,在此表象中,這些算符的矩陣元素同時對角化。 容易證明,為了選擇H的本征函數,使得它們同時也是所有平移算符的本征函數,只需要它們是三個基本平移算符T(a1),T(a2),T(a3)的本征函數就夠了。也就是說,如果ψ(r)是基本平移算符T(aj)的本征函數,則它也是平移算符T(Rm)的本征函數。 證明如下:假設ψ(r)是三個基本平移算符T(a1),T(a2),T(a3)的本征函數,即 于是 可見,若C(a1),C(a2),C(a3)分別是三個基本平移算符的本征值,則就是平移算符T(Rm)的本征值。ψ(r)也就是算符T(Rm)的屬于本征值的本征函數。于是,可以這樣來選擇波動方程(1-1-3)的解,使它們同時也是所有平移算符的本征函數。 由于平移算符T(Rm)和H滿足對易關系,因此若ψ(r)是H的本征函數,則經過平移后的函數ψ(r+Rm)一定也都是H的本征函數。要求這些函數都滿足歸一化條件,因而它們之間的比例系數的絕對值必須等于1,即 (m1,m2,m3是任意整數) 該式成立的充分必要條件是 即要求這三個常數只可能是模量為1的復數。它們一般可以寫成 式中,β1,β2,β3為三個任意實數。以這三個實數為系數,把三個倒基矢線性組合起來,得到一個實數矢量k 根據正基矢與倒基矢之間的正交關系可以把式(1-1-18)改寫為 代替β1,β2,β3,引入了矢量k。 需要說明的是,在量子力學中,算符代表一定的力學量,力學量的本征值是實數,相應的算符為厄米算符。平移算符只是一種對稱操作,不代表物理量,不具有厄米算符的性質,故其本征值可以是復數。將式(1-1-20)代入式(1-1-17),得到 此即前面給出的式(1-1-6)。 利用波函數ψ(r)可以定義一個新的函數 根據式(1-1-6),容易證明,函數u(r)具有晶格的周期性 于是,由式(1-1-21)可以將周期性勢場中電子的波函數表示為 式中,u(r)具有晶格的周期性。 根據以上分析,周期性勢場中電子的波函數可以表示成一個平面波和一個周期性因子的乘積。平面波的波矢量為實數矢量k,它可以用來標志電子的運動狀態。不同的k代表不同的電子態,因此,k也同時起著一個量子數的作用。為明確起見,在波函數上附加一個指標k,寫為 至此,布洛赫定理得證。 相應的本征值(即能量譜值)為E = E(k)。 根據式(1-1-23)可以得出以下幾點。 (1)波矢量k只能取實數值,若k取為復數,則在波函數中將出現衰減因子,這樣的解不能代表電子在完整晶體中的穩定狀態。 (2)平面波因子eik r與自由電子的波函數相同,它描述電子在各原胞之間的運動—共有化運動。
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