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內容簡介

本書是固態電子器件的教材，全書分為固體物理基礎和半導體器件物理兩大部分，共10章。第1章至第4章介紹半導體材料及其生長技術、量子力學基礎、半導體能帶以及過剩載流子。第5章至第10章介紹各種電子器件和集成電路的結構、工作原理以及製造工藝等，包括：p-n結、金屬-半導體結、異質結；場效應晶體管；雙極結型晶體管；光電子器件；高頻、大功率及納電子器件。第9章使用較大篇幅介紹CMOS製造工藝，從器件物理角度介紹SRAM、DRAM、CCD、閃存等集成器件的結構和工作原理。本書的器件種類基本涵蓋瞭所有的器件大類，反映瞭現代電子器件的基礎理論、工作原理、二級效應以及發展趨勢。各章均給齣小結，並附有習題、參考讀物和自測題。

作者簡介

Ben G . Streetman 美國得剋薩斯大學奧斯汀分校Cockrell工程學院名譽院長，電子與計算機工程名譽教授和Dula D. Cockrell主席(Centennial Chair)。長期從事半導體材料與器件的教學和科研工作。獲得的榮譽主要有：電子與電氣工程師學會(IEEE)教育奬、美國工程教育協會(ASEE)Frederick Emmons Terman奬、化閤物半導體國際會議Heinrich Welker奬。是美國國傢工程院院士和美國藝術與科學院院士，同時也是IEEE和電化學協會會士。

Sanjay K. Banerjee現任美國得剋薩斯大學奧斯汀分校電子與計算機工程首席教授、微電子研究中心主任。發錶瞭900多篇被引論文和會議論文，擁有30項美國專利，指導過50多名博士研究生。獲得(美國)國傢自然科學基金總統青年探索者奬、IEEE Andrew S. Grove奬等多個奬項和榮譽。是IEEE、APS和AAAS會士。

目錄

第1章 晶體性質和半導體生長
1.1 半導體材料
1.2 晶格
1.2.1 周期結構
1.2.2 立方晶格
1.2.3 晶麵與晶嚮
1.2.4 金剛石晶格
1.3 大塊晶體生長
1.3.1 原材料的製備
1.3.2 單晶的生長
1.3.3 晶片加工
1.3.4 晶體摻雜
1.4 薄層晶體的外延生長
1.4.1 外延生長的晶格匹配
1.4.2 氣相外延
1.4.3 分子束外延
1.5 周期性結構中波的傳播
小結
習題
參考讀物
自測題

第2章 原子和電子
2.1 關於物理模型
2.2 重要實驗及其結果
2.2.1 光電效應
2.2.2 原子光譜
2.3 玻爾模型
2.4 量子力學基礎知識
2.4.1 幾率和不確定性原理
2.4.2 薛定諤波動方程
2.4.3 勢阱問題
2.4.4 量子隧穿
2.5 原子結構和元素周期錶
2.5.1 氫原子
2.5.2 元素周期錶
小結
習題
參考讀物
自測題

第3章 半導體的能帶和載流子
3.1 固體結閤性質與能帶
3.1.1 固體的結閤性質
3.1.2 能帶
3.1.3 金屬、半導體和絕緣體
3.1.4 直接禁帶半導體和間接禁帶半導體
3.1.5 化閤物半導體能帶結構隨組分的變化
3.2 半導體中的載流子
3.2.1 電子和空穴
3.2.2 有效質量
3.2.3 本徵半導體
3.2.4 非本徵半導體
3.2.5 量子阱中的電子和空穴
3.3 載流子濃度
3.3.1 費米能級
3.3.2 平衡態電子和空穴濃度
3.3.3 載流子濃度對溫度的依賴關係
3.3.4 雜質補償和空間電荷中性
3.4 載流子在電場和磁場中的運動
3.4.1 電導率和遷移率
3.4.2 電阻率
3.4.3 遷移率對溫度和摻雜濃度的依賴關係
3.4.4 高場效應
3.4.5 霍爾效應
3.5 平衡態費米能級的不變性
小結
習題
參考讀物
自測題

第4章 半導體中的過剩載流子
4.1 半導體對光的吸收特性
4.2 半導體發光
4.2.1 光緻發光
4.2.2 電緻發光
4.3 載流子壽命和光電導
4.3.1 電子和空穴的直接復閤
4.3.2 間接復閤；載流子俘獲
4.3.3 穩態載流子濃度；準費米能級
4.3.4 光電導
4.4 載流子在半導體中的擴散
4.4.1 擴散機製
4.4.2 載流子的擴散和漂移；自建電場
4.4.3 擴散和復閤；連續性方程
4.4.4 穩態注入；擴散長度
4.4.5 Haynes-Shockley實驗
4.4.6 準費米能級的空間梯度
小結
習題
參考讀物
自測題

第5章 半導體p-n結和金屬-半導體結
5.1 p-n結的製造
5.1.1 熱氧化
5.1.2 擴散
5.1.3 快速熱處理
5.1.4 離子注入
5.1.5 化學氣相澱積
5.1.6 光刻
5.1.7 腐蝕(刻蝕)
5.1.8 金屬化
5.2 平衡態p-n結
5.2.1 接觸電勢
5.2.2 平衡態費米能級
5.2.3 結的空間電荷
5.3 結的正偏和反偏；穩態特性
5.3.1 結電流的定性分析
5.3.2 載流子的注入
5.3.3 反嚮偏置
5.4 反嚮擊穿
5.4.1 齊納擊穿
5.4.2 雪崩擊穿
5.4.3 整流二極管
5.4.4 擊穿二極管
5.5 瞬態特性和交流特性
5.5.1 存儲電荷的瞬態變化
5.5.2 反嚮恢復過程
5.5.3 開關二極管
5.5.4 p-n結電容
5.5.5 變容二極管
5.6 對二極管簡單理論的修正
5.6.1 接觸電勢對載流子注入的影響
5.6.2 空間電荷區內載流子的産生和復閤
5.6.3 歐姆損耗
5.6.4 緩變結
5.7 金屬-半導體結
5.7.1 肖特基勢壘
5.7.2 整流接觸
5.7.3 歐姆接觸
5.7.4 典型的肖特基勢壘
5.8 異質結
小結
習題
參考讀物
自測題

第6章 場效應晶體管
6.1 場效應晶體管的工作原理
6.1.1 晶體管的負載綫
6.1.2 放大和開關作用
6.2 結型場效應晶體管
6.2.1 夾斷和飽和
6.2.2 柵的控製作用
6.2.3 電流-電壓特性
6.3 金屬-半導體場效應晶體管
6.3.1 GaAs金屬-半導體場效應晶體管
6.3.2 高電子遷移率晶體管
6.3.3 短溝效應
6.4 金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管
6.4.1 MOSFET的基本工作原理
6.4.2 理想MOS結構的性質
6.4.3 真實錶麵的影響
6.4.4 閾值電壓
6.4.5 電容-電壓(C-V)特性分析
6.4.6 瞬態電容測量(C-t測量)
6.4.7 氧化層的電流-電壓(I-V)特性
6.5 MOS場效應晶體管
6.5.1 輸齣特性
6.5.2 轉移特性
6.5.3 遷移率模型
6.5.4 短溝MOSFET的I-V特性
6.5.5 閾值電壓的控製
6.5.6 襯底偏置效應(體效應)
6.5.7 亞閾值區特性
6.5.8 MOSFET的等效電路
6.5.9 按比例縮小和熱電子效應
6.5.10 漏緻勢壘降低效應
6.5.11 短溝效應和窄溝效應
6.5.12 柵誘導泄漏電流
6.6 先進MOSFET結構
6.6.1 金屬柵-高k介質MOS結構
6.6.2 高遷移率溝道材料和應變矽材料
6.6.3 SOI MOSFET和FinFET
小結
習題
參考讀物
自測題

第7章 雙極結型晶體管
7.1 BJT的基本工作原理
7.2 BJT的放大作用
7.3 BJT的製造工藝簡介
7.4 少數載流子分布和器件的端電流
7.4.1 基區內擴散方程的求解
7.4.2 端電流分析
7.4.3 端電流的近似錶達式
7.4.4 電流傳輸係數
7.5 BJT的偏置狀態和工作模式
7.5.1 BJT的耦閤二極管模型
7.5.2 電荷控製分析
7.6 BJT的開關特性
7.6.1 截止
7.6.2 飽和
7.6.3 開關周期
7.6.4 開關晶體管的主要參數
7.7 某些重要的物理效應
7.7.1 載流子在基區的漂移
7.7.2 基區變窄效應(Early效應)
7.7.3 雪崩擊穿
7.7.4 小注入和大注入；熱效應
7.7.5 基區串聯電阻：發射極電流集邊效應
7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型
7.7.7 基區變寬效應(Kirk效應)
7.8 BJT的頻率限製因素
7.8.1 結電容和充電時間
7.8.2 渡越時間效應
7.8.3 Webster效應
7.8.4 高頻晶體管
7.9 異質結雙極型晶體管
小結
習題
參考讀物
自測題

第8章 光電子器件
8.1 光電二極管
8.1.1 p-n結對光照的響應
8.1.2 太陽能電池
8.1.3 光探測器
8.1.4 光探測器的增益、帶寬和信噪比
8.2 發光二極管
8.2.1 發光材料
8.2.2 光縴通信
8.3 激光器
8.4 半導體激光器
8.4.1 粒子數反轉
8.4.2 p-n結激光器的發射光譜
8.4.3 半導體激光器的主要製造步驟
8.4.4 半導體異質結激光器
8.4.5 半導體激光器所用的材料
8.4.6 量子級聯激光器
小結
習題
參考讀物
自測題

第9章 半導體集成電路
9.1 集成電路的背景知識
9.1.1 集成化的優點
9.1.2 集成電路的分類
9.2 集成電路的發展曆程
9.3 單片集成電路元件
9.3.1 CMOS工藝集成
9.3.2 其他元件的集成
9.4 電荷轉移器件
9.4.1 MOS電容的動態效應
9.4.2 CCD的基本結構和工作原理
9.4.3 CCD器件結構的改進
9.4.4 CCD的應用
9.5 超大規模集成電路
9.5.1 邏輯器件
9.5.2 半導體存儲器
9.6 測試、壓焊與封裝
9.6.1 測試
9.6.2 引綫壓焊
9.6.3 芯片倒裝技術
9.6.4 封裝
小結
習題
參考讀物
自測題

第10章 高頻、大功率及納電子器件
10.1 隧道二極管
10.2 碰撞雪崩渡越時間(IMPATT)二極管
10.3 耿氏(Gunn)二極管
10.3.1 電子轉移機製
10.3.2 空間電荷疇的形成及其漂移
10.4 p-n-p-n二極管
10.4.1 基本結構
10.4.2 雙晶體管模型
10.4.3 電流傳輸係數的改變
10.4.4 正嚮阻斷態
10.4.5 正嚮導通態
10.4.6 觸發機製
10.5 半導體可控整流器
10.5.1 柵極的控製作用
10.5.2 SCR的關斷
10.6 絕緣柵雙極型晶體管
10.7 納電子器件
10.7.1 零維量子點
10.7.2 一維量子綫
10.7.3 二維層狀晶體
10.7.4 自鏇電子存儲器
10.7.5 納電子阻變存儲器
小結
習題
參考讀物
自測題
附錄A 常用符號的定義
附錄B 物理常量和換算因子
附錄C 常用半導體材料的性質(300 K)
附錄D 導帶態密度的推導
附錄E 費米-狄拉剋分布的推導
附錄F Si(100)麵乾氧和濕氧生長SiO2層的厚度隨氧化時間和溫度的變化關係
附錄G 某些雜質在Si中的固溶度
附錄H 某些雜質在Si和SiO2中的擴散係數
附錄I Si中離子注入的射程與射程偏差隨注入能量的變化關係
部分自測題答案
術語錶

前言/序言

譯 者 序

電子器件是信息技術的基礎，也是信息技術的核心。固態電子器件是實現信息産生、獲取、傳輸、變換、存儲的硬件基礎，在微電子係統、光電子係統以及集成電路中具有不可替代的作用。一部好的固態電子器件教材，首先應闡明各類器件賴以實現其特性的材料、結構、工藝等相關基礎知識，其次應闡明不同器件特性的物理學、電學、光學等本質屬性，第三應闡明影響或製約器件性能的各種器件物理效應，這樣纔能幫助讀者將所涉及各項基礎知識融會貫通，在透徹理解的基礎上受到啓發而進一步受益。譯者根據自己的專業教學實踐和經驗，認為本書是一本適閤本科生學習的好教材，這也是譯者欣然受托翻譯本書的本意。

本書一直處於更新之中，目前是其第七版，英文原版於2015年由Pearson齣版集團齣版。作為譯者之一，楊建紅曾於2000年將本書的第五版作為國外先進教材首次翻譯，由蘭州大學齣版社於2005年正式齣版，2007年第2次印刷(ISBN 978-7-311-02564-9)。同期，該教材也被引進到其他四個主要語種的十多個國傢作為本科生教材。從讀者反饋和譯者體會來看，該教材吸引讀者的特色之處，在於其原理性描述清晰，文字說明充分，圖片(或圖示)配置恰當，不拘泥於煩瑣且無實際意義的數學推導。在第七版中，除更新瞭前幾版的習題和參考讀物以外，各章均增加瞭“小結”和“自測題”作為組成部分。在器件種類方麵，增加瞭新興或先進器件的內容，如先進MOSFET(第6章，包括高k柵介質、應變矽、SOI MOSFET和FinFET)、量子級聯激光器(第8章)、納電子器件(第10章，包括量子點、量子綫、層狀晶體結構、自鏇存儲器、變阻存儲器)等內容。這為讀者進一步學習思考留下瞭空間。

全書正文部分共10章，其中有公式470多個，插圖340多幅，另有附錄9個。李海蓉主要翻譯第10章，田永輝主要翻譯各章中新增的“教學目的”、“小結”和“自測題”部分，楊建紅主要翻譯第1章至第9章和其餘各部分，並負責全書文稿的初審和統稿。翻譯文本保持瞭作者的原意，在此基礎上，盡量避免因中英文錶達習慣不同而影響讀者的閱讀感受。在個彆可能影響讀者理解的地方，增加瞭“譯者注”。對某些明顯的錯誤，如例題解答、物理量的單位、錶達式符號等錯誤，則直接做瞭更正 。

感謝電子工業齣版社的信任，將本書的翻譯工作交給譯者；感謝楊博編輯在翻譯齣版過程中給予的有益指導和幫助。譯者所在研究組的部分研究生龐正鵬、李玉苗、張洋等同學參與瞭部分章節的文字查錯等工作，在此一並錶示感謝。由於譯者水平有限，譯文中不妥或疏漏之處在所難免，敬請讀者不吝指正。

譯 者

2016年3月

前 言

本書的適用對象是電子工程專業、微電子學專業的本科生，也可供對固態電子器件感興趣的學生和科技工作者作為參考讀物。本書的主要內容是固態電子器件的工作原理，同時對許多新型器件和製造技術也有所介紹。本書在內容安排上力求使那些具有物理背景知識的高年級學生對專業知識有更為深入的理解，從而使他們能夠閱讀關於新器件及其應用的參考文獻。

課程目的

在我來看，對本科生開設的電子器件課程有兩個基本目的：一是讓學生對現有器件有一個透徹的理解，這樣纔能充分體現對電子綫路和電子係統課程學習的意義；二是培養學生掌握分析器件的基本方法，使他們能夠有效地掌握新型器件。從長遠的觀點來看，第二個目的可能會更重要些，因為從事電子學領域工作的人員在其工作中需要不斷地學習和掌握新器件和新工藝。基於這樣的考慮，我曾嘗試把半導體材料和固態導電機理兩方麵的基本知識融閤到一起；特彆是在介紹新器件時更是如此。這些觀念在指導性課程講授中常常被忽略掉瞭。比如，有一種觀點認為沒有必要在本課程的講授中去詳細介紹有關半導體p-n結和晶體管的基本知識，但我認為：培養學生的一個重要目的，就是要讓學生能夠通過閱讀最新的、專業性很強的相關文獻來理解一種新器件，而上述觀點卻忽視瞭這一點。所以，本書介紹瞭大多數常用的半導體術語和概念，並將它們與器件的各種性質聯係起來闡述器件物理問題。

新增內容

1．針對MOS器件，新增瞭彈道輸運場效應晶體管、鰭柵場效應晶體管(FinFET)、應變矽場效應晶體管、金屬柵/高k介質柵場效應晶體管，以及III～V族高遷移率晶體管等內容。

2．針對光電子器件，新增瞭寬帶隙氮化物半導體器件和量子級聯激光器的相關內容。

3．新增瞭納電子器件的相關內容，包括二維結構石墨烯、一維結構納米綫和納米管，以及零維結構量子點等。

4．新增瞭自鏇電子器件、阻變存儲器、相變存儲器的相關內容。

5．新增瞭大約100道習題，更新瞭參考讀物列錶。

參考讀物

為培養學生獨立學習的能力，在每章的參考讀物列錶中，給齣瞭可供學生閱讀的若乾文章。某些文章選自科普期刊，比如《科學美國人》(Scientific American)和《今日物理》(Physics Today)等。還有些文章選自其他教材和專業刊物，對相關內容做瞭更為詳細的闡述。一般來說，學生閱讀這些文章並不睏難。我不期望學生讀遍列錶中的所有文章，但鼓勵他們盡可能多地閱讀一些有關文章，以便為以後的工作打好基礎。

課後習題

學好本課程的關鍵之一是多做課後習題，以便加深理解並透徹掌握基本概念。每章的後麵都有一定量的習題，其中有一小部分是“附加題”，用以擴展或深化每章的內容。另外，每章後麵增加瞭自測題(Self Quiz)，便於讀者自我檢測對相關內容的掌握程度。

物理量的單位

本書對物理量采用的單位是半導體領域的常用單位。一般情況下均采用MKS單位製，但有時采用厘米作為長度單位更方便，這在例題和習題中已給齣瞭不少實例。齣於同樣的原因，本書中能量的單位更多地采用的是電子伏特(eV)而不是焦耳(J)。附錄A和附錄B分彆列齣瞭常用物理量的符號及其單位。

內容安排

在給本科生講授這門課程時，有時可能會使用“可以證明……”這樣的術語來直接引用某些更高級或更復雜的內容，但往往得不到應有的效果。為避免這種情況過多齣現，可以根據需要把課程的某些內容拖後，留待研究生階段學習，因為那時就可以把統計力學、量子理論以及其他高級知識輕易地穿插進來。當然，這樣做可以使課程講授起來容易一些，但同時也使學生失去瞭探索某些器件問題的樂趣。

本書的內容包括矽和化閤物半導體器件，特彆是對化閤物半導體在光電子和高速器件應用方麵日益增長的重要性做瞭適度的介紹。某些內容，比如異質結、三元和四元閤金的晶格匹配、帶隙隨雜質組分的變化，以及量子阱的共振隧穿等，拓寬瞭討論的範圍。但是，在講授時不要太過強調化閤物半導體的應用，矽基器件照樣有顯著的進展；這些進展在場效應晶體管結構和矽基集成電路的討論中得到瞭具體的反映。我們不可能介紹所有的、最新的器件，那是專業刊物和國際會議論文所關注的事；我們隻對那些有代錶性和說明性的器件加以介紹。

本書的前四章闡述半導體性質和半導體導電理論，其中第2章對量子力學的基本概念做瞭簡要介紹，這主要是為那些尚不具備這方麵基礎知識的學生而準備的。第3章和第4章介紹半導體導電理論，第5章介紹半導體p-n結理論及其典型應用，第6章和第7章分彆介紹場效應晶體管和雙極結型晶體管的工作原理，第8章介紹光電子器件，第9章介紹集成 固態電子器件（第七版） 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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