內容簡介

本書根據教育部新的課程改革要求，在已取得多項教學改革成果的基礎上進行編寫。內容主要包括半導體物理和晶體管原理兩部分，其中，第1章介紹半導體材料特性，第2～3章係統闡述PN結和雙極型晶體管，第4～5章係統闡述半導體錶麵特性和MOS型晶體管，第6章介紹其他幾種常用的半導體器件。全書結閤高等職業院校的教學特點，側重於物理概念與物理過程的描述，並在各章節設有操作實驗和仿真實驗，內容與企業生産實踐相結閤，適當配置工藝和版圖方麵的知識，以方便開展教學。本書為高等職業本專科院校相應課程的教材，也可作為開放大學、成人教育、自學考試、中職學校、培訓班的教材，以及半導體行業工程技術人員的參考書。本書提供免費的電子教學課件、習題參考答案等資源，相關介紹詳見前言。

作者簡介

目錄

目 錄



第1章 半導體特性 1
1．1 半導體的晶體結構 2
1．1．1 晶體的結構 2
1．1．2 晶麵與晶嚮 3
1．2 半導體中的電子狀態 4
1．2．1 能級與能帶 4
1．2．2 本徵半導體的導電機製 7
1．3 雜質與缺陷 8
1．3．1 雜質與雜質能級 8
1．3．2 缺陷與缺陷能級 11
實驗1 晶體缺陷的觀測 12
1．4 熱平衡載流子 13
1．4．1 費米能級與載流子濃度 14
1．4．2 本徵半導體的載流子濃度 17
1．4．3 雜質半導體的載流子濃度 18
1．5 非平衡載流子 19
1．5．1 非平衡載流子的注入 19
1．5．2 非平衡載流子的復閤 20
實驗2 高頻光電導衰減法測量矽中少子壽命 21
1．5．3 復閤機製 24
1．6 載流子的運動 25
1．6．1 載流子的漂移運動與遷移率 26
1．6．2 載流子的擴散運動與愛因斯坦關係 29
知識梳理與總結 33
思考題與習題1 35
第2章 PN結 36
2．1 平衡PN結 37
2．1．1 PN結的形成與雜質分布 37
2．1．2 PN結的能帶圖 38
2．1．3 PN結的接觸電勢差與載流子分布 39
2．2 PN結的直流特性 41
2．2．1 PN結的正嚮特性 41
2．2．2 PN結的反嚮特性 45
實驗3 PN結伏安特性與溫度效應 46
2．2．3 影響PN結伏安特性的因素 47
2．3 PN結電容 49
2．3．1 PN結電容的成因及影響 49
2．3．2 突變結的勢壘電容 50
實驗4 PN結勢壘電容的測量 53
2．3．3 擴散電容 54
2．4 PN結的擊穿特性 55
2．4．1 擊穿機理 55
2．4．2 雪崩擊穿電壓 57
2．4．3 影響雪崩擊穿電壓的因素 58
2．5 PN結的開關特性 60
2．5．1 PN結的開關作用 60
2．5．2 PN結的反嚮恢復時間 61
知識梳理與總結 63
思考題與習題2 63
第3章 雙極晶體管及其特性 65
3．1 晶體管結構與工作原理 66
3．1．1 晶體管的基本結構與雜質分布 66
3．1．2 晶體管的電流傳輸 68
3．1．3 晶體管的直流電流放大係數 70
3．2 晶體管的直流特性 75
3．2．1 晶體管的伏安特性麯綫 75
仿真實驗1 共發射極晶體管伏安特性仿真 76
實驗5 半導體管特性圖示儀測試晶體管的特性麯綫 80
3．2．2 晶體管的反嚮電流 81
3．2．3 晶體管的擊穿電壓 82
仿真實驗2 BVCEO仿真 83
實驗6 晶體管直流參數測量 85
3．2．4 晶體管的穿通電壓 87
3．3 晶體管的頻率特性 87
3．3．1 晶體管頻率特性和高頻等效電路 88
3．3．2 高頻時晶體管電流放大係數下降的原因 89
3．3．3 晶體管的電流放大係數 92
3．3．4 晶體管的極限頻率參數 93
3．4 晶體管的功率特性 96
3．4．1 大電流工作時産生的三個效應 96
3．4．2 晶體管的最大耗散功率和熱阻 100
3．4．3 功率晶體管的安全工作區 101
3．5 晶體管的開關特性 103
3．5．1 晶體管的開關作用 103
3．5．2 開關晶體管的工作狀態 103
3．5．3 晶體管的開關過程 105
3．5．4 提高晶體管開關速度的途徑 108
3．6 晶體管的版圖和工藝流程 109
3．6．1 晶體管的圖形結構 109
3．6．2 雙極晶體管的工藝流程 111
知識梳理與總結 113
思考題與習題3 114
第4章 半導體的錶麵特性 116
4．1 半導體錶麵與Si-SiO2係統 117
4．1．1 理想的半導體錶麵 117
4．1．2 Si-SiO2係統及其特性 118
4．1．3 半導體製造工藝中對錶麵的處理――清洗與鈍化 121
4．2 錶麵空間電荷區與錶麵勢 122
4．2．1 錶麵空間電荷區 122
4．2．2 錶麵勢?S 125
4．3 MOS結構的閾值電壓 127
4．3．1 理想MOS結構的閾值電壓 127
4．3．2 實際MOS結構的閾值電壓 129
4．3．3 MOS結構的應用――電荷耦閤器件 133
4．4 MOS結構的C-V特性 136
4．4．1 集成化電容的選擇――MOS電容 136
4．4．2 理想MOS電容的C-V特性 136
4．4．3 實際MOS電容的C-V特性 139
實驗7 MOS電容的測量 141
4．5 金屬與半導體接觸 143
4．5．1 金屬?半導體接觸 143
4．5．2 肖特基勢壘與整流接觸 144
4．5．3 歐姆接觸 146
4．5．4 金屬?半導體接觸的應用――肖特基勢壘二極管（SBD） 147
實驗8 SBD（肖特基）二極管伏安特性的測量 148
知識梳理與總結 149
思考題與習題4 150
第5章 MOS型場效應晶體管 151
5．1 MOS型晶體管的結構與分類 152
5．1．1 MOS型晶體管的結構與工作原理 152
5．1．2 MOS型晶體管的分類 155
5．1．3 MOS型晶體管的基本特徵 156
5．1．4 集成MOS型晶體管與分立器件MOS型晶體管的異同 157
5．2 MOS型晶體管的閾值電壓 158
5．2．1 MOS型晶體管閾值電壓的定義 158
5．2．2 理想情況下MOS型晶體管閾值電壓的錶達式 158
5．2．3 影響MOS型晶體管閾值電壓的各種因素 159
仿真實驗3 MOS型晶體管閾值電壓仿真 163
實驗9 MOS型晶體管閾值電壓VT的測量 167
5．3 MOS型晶體管的輸齣伏安特性與直流參數 169
5．3．1 MOS型晶體管的輸齣伏安特性 169
5．3．2 MOS型晶體管的輸齣伏安特性方程 172
5．3．3 影響MOS型晶體管輸齣伏安特性的一些因素 175
仿真實驗4 MOS型晶體管輸齣伏安特性麯綫仿真 176
實驗10 MOS型晶體管輸齣伏安特性麯綫的測量 181
5．3．4 MOS型晶體管的直流參數 182
5．3．5 MOS型晶體管的溫度特性與柵保護 183
5．4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數 185
5．4．1 MOS型晶體管的交流小信號等效電路 185
5．4．2 MOS型晶體管的交流小信號參數 186
5．4．3 MOS型晶體管的最高工作頻率fm 187
5．4．4 MOS型晶體管開關 189
5．5 MOS型晶體管版圖及其結構特徵 189
5．5．1 小尺寸集成MOS型晶體管的版圖（橫嚮結構） 189
5．5．2 小尺寸集成MOS型晶體管的剖麵結構（縱嚮結構） 192
5．5．3 按比例縮小設計規則 193
5．6 小尺寸集成MOS型晶體管的幾個效應 195
5．6．1 短溝道效應 196
5．6．2 窄溝道效應 196
5．6．3 熱電子效應 197
知識梳理與總結 199
思考題與習題5 199
第6章 其他常用半導體器件 200
6．1 達林頓晶體管 201
6．2 功率MOS型晶體管 202
6．2．1 功率MOS型晶體管的種類 203
6．2．2 功率MOS型晶體管的版圖結構與製造工藝 204
6．3 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 206
6．3．1 IGBT的結構與伏安特性 206
6．3．2 IGBT的工作原理 207
6．4 發光二極管（LED） 209
6．4．1 LED發光原理 210
6．4．2 LED的結構與種類 210
6．4．3 LED的量子效率 212
6．5 太陽能電池 212
6．5．1 PN結的光生伏特效應 213
6．5．2 太陽能電池的I-V特性和效率 213
6．5．3 PERL太陽能電池 214
6．5．4 非晶矽太陽能電池 214
6．6 結型場效應晶體管（JFET） 215
6．6．1 JFET的結構 215
6．6．2 JFET的工作原理 216
6．6．3 JFET的輸齣特性 217
6．7 晶閘管 218
6．7．1 晶閘管的基本結構和特性 218
6．7．2 晶閘管的工作原理 219
6．7．3 雙嚮晶閘管 221
知識梳理與總結 222
思考題與習題6 222
附錄A XJ4810型半導體管特性圖示儀麵闆功能 223
附錄B 擴散結電容和勢壘寬度的計算麯綫 226
附錄C 矽擴散層錶麵雜質濃度與擴散層平均電導率的關係麯綫 228
參考文獻 236

前言/序言

近幾年，我國集成電路産業得到快速發展，已經形成瞭IC設計、製造、封裝、測試及支撐配套業等較為完善的産業鏈格局，成為全球半導體産業關注的焦點。同時，適閤集成電路産業發展的高技能應用型人纔相對匱乏，産業技能人纔的需求十分緊迫。目前，不少高職院校設置瞭“半導體器件物理”等核心課程，但實操性強且適閤高職院校學生的教材較少。現有成熟教材的特點是基礎知識點的理論性強、數學推導繁雜、內容覆蓋麵太廣，不利於技術技能型人纔的培養。

本書根據教育部新的課程改革要求，在已取得多項教學改革成果的基礎上進行編寫。本書為江蘇高校微電子技術品牌專業建設工程資助項目成果（編號PPZY2015B190）。全書結閤高等職業院校的教學特點，側重於物理概念與物理過程的描述，內容敘述力求重點突齣、條理分明、深入淺齣、圖文並茂，簡化數學推導，並在各章節設有操作實驗和仿真實驗，內容與企業生産實踐相結閤，適當配置工藝和版圖方麵的知識，以方便開展教學。

本書內容主要包括半導體物理和晶體管原理兩部分，其中，第1章介紹半導體材料特性，第2～3章係統闡述PN結和雙極型晶體管，第4～5章係統闡述半導體錶麵特性和MOS型晶體管，第6章介紹其他幾種常用的半導體器件。本課程的參考學時為68～96學時，各校可根據不同的教學環境和專業要求進行適當的內容取捨與安排。

本書由江蘇信息職業技術學院徐振邦副教授擔任主編，陸建恩擔任副主編。具體編寫分工為：第1～3章和第6.4、6.5節由徐振邦編寫，第4～5章和第6.7節由陸建恩編寫，第6.1、6.2、6.3、6.6節和各章所有的仿真實驗由黃瑋編寫，書中的操作實驗由袁琦睦編寫並繪製瞭部分插圖。全書由江蘇信息職業技術學院孫萍教授主審。

本書在編寫過程中參考瞭一些優秀的著作和資料，汲取瞭其中的部分精華內容，另外還得到瞭電子工業齣版社的大力支持，在此一並錶示誠摯的謝意。

由於作者水平有限，書中難免存在錯漏之處，懇請專傢和讀者批評指正。

本書配有免費的電子教學課件與習題參考答案等資源，請有此需要的教師登錄華信教育資源網（http：//www.hxedu.com.cn）免費注冊後再進行下載。直接掃一掃書中的二維碼可閱覽更多的立體化教學資源。如有問題請在網站留言或與電子工業齣版社聯係（E-mail：hxedu@phei.com.cn）。

編者