固態(tài)電子學(xué)基礎(chǔ)

《固態(tài)電子學(xué)基礎(chǔ)》一書曾在Florida大學(xué)用了6個學(xué)期,這也作為向電子工程三年級約300名學(xué)生講授固態(tài)器件核心課程的教科書。物理、科學(xué)及其他工程系的大學(xué)生及研究生也參加了這門課程的學(xué)習(xí)。本書分三部分:(1)3章電子材料物理及4章器件(MOSC,p/n-m/s-歐姆二極管,MOST-FETs,BJT-HBJTs及SCRs),每章包含:(2)歷史、制作、物理特性及電路模型,以及(3)基本模塊電路。其中每章第二部分中的擴(kuò)展內(nèi)容可選作第二門課程,并可在材料及器件物理基礎(chǔ)、器件模型及復(fù)雜集成電路的基本模塊電路(B3C)方面作為做實際工作的工程師及管理人員的參考書。例如:先進(jìn)的器件物理(消離化及重?fù)诫s效應(yīng)、亞閾值電流、高場遷移率、MOSC、p/n和m/s結(jié)的反向電容及電流瞬變、歐姆接觸……)、最新的(1990-1991)器件概念(異質(zhì)結(jié)MOSFET及異質(zhì)結(jié)BJT……)、可靠性機(jī)制(溝道熱電子注入、Fowler-Mordheim隧穿、帶間熱空穴產(chǎn)生和注入、p型硅柵1.2eV比n型硅柵的欠可靠……),以及B3C(BiC-MOS,CBiCMOS,DRAM,SRAM,UV-EPROM,flash-EEPROM及FRAM)。本書從大一學(xué)生的化學(xué)及大二學(xué)生的物理基礎(chǔ)(Newtom,Coulomb,Planck及de Broglie定律)出發(fā)給出了器件物理所需的基本概念(電子及空穴、價鍵及能帶模型、平衡及非平衡態(tài)、統(tǒng)計分布、漂移與擴(kuò)散、產(chǎn)生-復(fù)合-俘獲及隧穿)。本書還給出了如亞微米硅MOSFET及硅BJTs等最先進(jìn)的器件的物理意義及數(shù)值說明。近100種經(jīng)精選及評論的中高等水平的參考書以及約500道習(xí)題均可用以擴(kuò)展本書范圍外的學(xué)習(xí)。

序言

第1章 電子、價鍵、能帶和空穴

100 引言

110 材料的分類

111 固體分類法

幾何學(xué)分類法(按結(jié)晶的不完整性分類)

純度分類法(按所含雜質(zhì)情況分類)

電學(xué)性質(zhì)分類法(按電導(dǎo)率分類)

力學(xué)性質(zhì)分類法(按鍵合力分類)

120 在電子器件制作中需要結(jié)晶型摻雜半導(dǎo)體

130 晶格和周期性結(jié)構(gòu)

131 用矢量描述晶格

Miller指數(shù)

132 三維晶體結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)(立方晶系)

閃鋅礦結(jié)構(gòu)(立方晶系)

纖維鋅礦結(jié)構(gòu)(六角晶系、六角密堆積結(jié)構(gòu))

133 原子密度計算

134 單晶生長

140物質(zhì)中電子的波運動(量子力學(xué)、波動力學(xué)和Schrdinger方程)

141 物質(zhì)粒子和電磁輻射的波粒二象性

氫原子的Bohr模型

電子能級和軌道圖像的應(yīng)用

氫原子的光發(fā)射和光吸收

外電場對質(zhì)子附近電子的作用

結(jié)語

142 選擇物質(zhì)波動方程的實驗基礎(chǔ)(Schrdinger方程的導(dǎo)出)

143 波函數(shù)的性質(zhì)和解說(經(jīng)典力學(xué)-量子力學(xué)的關(guān)聯(lián))

150 Schrdinger方程的解

151 電子在一個勢能躍變處的反射

152 矩形勢壘或勢阱的共振散射

153 電子隧穿一個矩形勢壘

154 電子隧穿一個三角形勢壘

155 在一個矩形引力勢阱中的束縛態(tài)

156 氫原子

160多電子原子中電子的組態(tài)

161 帶負(fù)電荷的雙電子氫原子

162 多質(zhì)子和多電子原子

170半導(dǎo)體和固體的電子模型

171 鍵模型

172 能帶模型

173 能帶中能級的電子充填

180 能帶模型的導(dǎo)出

181 近似自由電子模型

182 緊束縛模型

183 半導(dǎo)體的能帶圖

184 金屬和導(dǎo)體的能帶

190 不傳導(dǎo)電流的全部填滿電子的能帶(空穴的概念)

199 參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第2章 平衡狀態(tài)的均勻半導(dǎo)體

200引言

201 均勻半導(dǎo)體

202 平衡

210 純凈半導(dǎo)體

220 雜質(zhì)半導(dǎo)體

221 施主、受主和等電子陷阱

222 施主和受主的荷電狀態(tài)

223 被俘獲電子和空穴的束縛能

230 熱平衡條件下的電子和空穴濃度

231 FermiDirac分布函數(shù)

232 電子和空穴濃度(基本分析)

233 電子和空穴濃度(進(jìn)一步分析)

240 Fermi能級的計算及電子和空穴濃度

241 純凈半導(dǎo)體中的EF、N和P

242 雜質(zhì)或非本征半導(dǎo)體中的EF、N和P

質(zhì)量作用定律

電中性條件

非本征半導(dǎo)體的判據(jù)

載流子濃度分量的不可相加性

載流子濃度方程概要

243 N、P和EF的溫度關(guān)系

244 本征溫度

本征溫度Ti的定量定義

在T>T i時載流子濃度的可相加性

245 電子分布的溫度相關(guān)性

250 器件必要的高級論題

251 高載流子濃度效應(yīng)

252 雜質(zhì)不完全電離效應(yīng)

雜質(zhì)不完全電離的條件

雜質(zhì)能級被電子占有的概率

雜質(zhì)不完全電離的實例

253 雜質(zhì)能帶

254 雜質(zhì)的載流子屏蔽效應(yīng)

299參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第3章 漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生、復(fù)合、俘獲和隧穿

300 引言

3

10 漂移

311 電子在電場中的漂移速度

312 漂移電流、漂移遷移率和電導(dǎo)率

313 漂移遷移率和溫度的關(guān)系

電離雜質(zhì)散射

描述晶格振動散射的聲子

晶格散射

314 遷移率和電場的關(guān)系

315 半導(dǎo)體的本征和非本征電導(dǎo)率

純凈半導(dǎo)體的本征電導(dǎo)率

雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率

320 擴(kuò)散

321 Einstein關(guān)系

322 Boltzmann關(guān)系

323 擴(kuò)散電流的例子

330 Fermi能級的恒定性

331 準(zhǔn)Fermi能級和準(zhǔn)Fermi勢

340 電荷和電流的連續(xù)性方程

350 半導(dǎo)體的Shockley方程

360 產(chǎn)生、復(fù)合、俘獲和隧穿

3611 帶間熱產(chǎn)生和復(fù)合

3612 帶間光產(chǎn)生和復(fù)合

3613 帶間Auger復(fù)合和碰撞產(chǎn)生

3621 帶-陷阱間熱(SRH)產(chǎn)生-復(fù)合-俘獲

3622 帶-陷阱間光產(chǎn)生-復(fù)合-俘獲

3623 帶-陷阱間Auger俘獲和碰撞發(fā)射

3633n 三種陷阱間躍遷

36n0 彈性隧穿

36n4 非彈性隧穿

36n5 集體躍遷

370壽命

371 帶間熱和光復(fù)合壽命

372 帶-陷阱間熱(SRH)和光復(fù)合壽命

373 許多GRTT機(jī)理同時存在時的壽命

380 GRTT速率系數(shù)的物理意義和數(shù)據(jù)

381 熱(SRH)俘獲和發(fā)射率

382 光發(fā)射率

383 帶間光產(chǎn)生率

384 帶間碰撞產(chǎn)生率

385 帶間隧穿率

386 帶-陷阱間隧穿率

399參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第4章 金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容(MOSC)

400 引言

401 硅VLSI MOS

402 理想C-V曲線

403 實際C-V曲線

410 MOSC的電荷控制模型

411 無能帶圖的電荷控制C-V理論

(A) 耗盡電容

(B) 高頻電容

(C) 低頻電容

(D) 積累電容

(E) 平帶電容

(F)小結(jié)

412 先進(jìn)的電荷控制CV理論

半導(dǎo)體表面處電場和電勢的關(guān)系

表面勢和柵電壓的關(guān)系

精確的低頻MOS電容

耗盡和高頻電容

413 MOSC的能帶圖

420 MOSC中的瞬態(tài)特性

421 瞬態(tài)電容

422 瞬態(tài)電流

430 精確的MOSC小信號等效電路

499 參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第5章 p/n和其他結(jié)型二極管

500 引言

510 擴(kuò)散p/n結(jié)二極管的制造

511 擴(kuò)散和Fick定律

512 擴(kuò)散率的物理意義及數(shù)據(jù)

擴(kuò)散的物理意義

硅中的擴(kuò)散率數(shù)據(jù)

513 擴(kuò)散結(jié)深計算

520 p/n結(jié)的平衡電特性

521 平衡能帶圖

Fermi能級的位置

本征Fermi能級和電勢

522 p/n結(jié)中的平衡勢壘高度

523 p/n結(jié)中平衡勢的變化

524 Gauss定理對p/n結(jié)的應(yīng)用

525 耗盡近似與精確解的比較

530 p/n結(jié)的直流電特性

531 偏置p/n結(jié)的能帶圖

反向偏置

正向偏置

532 Shockley二極管方程

533 Shockley二極管方程的物理意義

534 Shockley二極管的數(shù)值例子

535 SahNoyceShockley二極管方程

536 p/n結(jié)的反向直流電流擊穿

數(shù)學(xué)公式

參數(shù)的基本物理意義

簡單的解

537 實驗-理論比較

540 p/n結(jié)的小信號特性

541 小信號電荷控制電路元件

542 Si p/n結(jié)的小信號數(shù)值例子

550 p/n結(jié)的開關(guān)瞬態(tài)

551 p/n結(jié)的電荷控制開關(guān)分析

552 p/n結(jié)的導(dǎo)通瞬態(tài)

553 p/n結(jié)的截止瞬態(tài)

554 p/n結(jié)的俘獲瞬態(tài)電容和電流

560 金屬/半導(dǎo)體二極管

561 Schottky勢壘的平衡能帶圖

562 金屬/半導(dǎo)體二極管的直流電流-電壓特性---Bethe理論

563 實驗的金屬/半導(dǎo)體二極管

564 半導(dǎo)體電壓降的影響---Mott理論

565 集成電路Schottky勢壘二極管版圖

570隧道二極管

580二極管直流端電流的限制機(jī)制

581 金屬/半導(dǎo)體二極管中的電流限制2

582 p/n結(jié)二極管的電流限制

583 接觸電阻

590 半導(dǎo)體/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二極管

591 半導(dǎo)體/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖

無陷阱的半導(dǎo)體/半導(dǎo)體界面

有陷阱的半導(dǎo)體/半導(dǎo)體界面

592 半導(dǎo)體/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的電特性

599 參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第6章 金屬-氧化物-半導(dǎo)體及其他場效應(yīng)晶體管

600 引言

610 反型溝道MOSFET的物理結(jié)構(gòu)

坐標(biāo)系

半導(dǎo)體的體

源和漏

柵氧化層，柵接觸，柵寬度

溝道類型，溝道長度和溝道厚度

場氧化層，墊片氧化層

620 MOSFET直流特性的定性描述

621 MOST溝道電流的物理

622 輸出和轉(zhuǎn)移直流特性

623 四種基本MOST的電流-電壓特性

630 n溝MOSFET的典型制造步驟

制造步驟的描述

640 MOSFET的直流特性(基本分析)

641 MOSFET的電導(dǎo)率調(diào)制模型(直流漂移電流及電荷控制分析)

由縱向電場的電流-電荷方程

由橫向電場的電壓-電荷方程

642 氧化層和界面陷阱電荷(不穩(wěn)定性，老化和失效)

643 MOSFET方程及直流特性

644 MOSFET直流特性的數(shù)值例子

65 0MOSFET的小信號等效電路模型

651 電容元件的電荷控制分析

低漏電壓和電流飽和情況下的漸近結(jié)果

652 MOS晶體管的高頻響應(yīng)

跨導(dǎo)截止頻率

增益-帶寬乘積

653 小信號特性的數(shù)值例子

654 分布式的低頻小信號模型

660 MOSFET的開關(guān)特性

661 本征延遲

662 功率-延遲乘積(優(yōu)值)

663 電容的充放電---非本征延遲

基本的MOSFET開關(guān)方程

電容的充電

電容的放電

充放電比較

充放電周期

兩個電容間的電荷轉(zhuǎn)移

670 MOSFET的電路應(yīng)用

MOST電路符號的發(fā)展演變

MOS電路分析用的電流-電壓方程

671 動態(tài)隨機(jī)存取存儲單元，DRAM

存儲器術(shù)語的定義

DRAM芯片的制造簡歷

DRAM單元的等效電路模型

DRAM芯片的單元陣列結(jié)構(gòu)

DRAM單元的基本工作原理

672 MOS倒相器電路

20種MOS倒相器電路的專門辭典

三種NMOS倒相器電路的分析

RE-NMOS倒相器

DE-NMOS倒相器

EE-NMOS倒相器

CMOS倒相器電路

673 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲單元(SRAM)

674 非揮發(fā)隨機(jī)存取MOS存儲器(ROM，PROM等)

只讀存儲器(ROM)

可編程只讀存儲器(PROM)

可擦可編程只讀存儲器(EPROMs)

680 電導(dǎo)率調(diào)制以外的模型

681 體電荷效應(yīng)(體效應(yīng):摻雜和襯底偏置)

體電荷的來源

體電荷的解析近似(耗盡模型)

閾值電壓的體效應(yīng)

體對I-V形狀的影響3

體效應(yīng)的五個說明和一個數(shù)值例子

682 亞閾值特性(擴(kuò)散電流)

亞閾值范圍的定義

本征表面---漂移電流的開始3

亞閾值電流分析

亞閾值漏電流方程

亞閾值電流與漏電壓的關(guān)系

亞閾值電流與柵電壓的關(guān)系

亞閾值電流的溫度關(guān)系

683 氧化層和界面陷阱的影響

氧化層陷阱

界面陷阱4

684 高電場和高電壓效應(yīng)

考慮電場對遷移率影響的I-V關(guān)系

產(chǎn)生-復(fù)合-俘獲與電場和電壓的關(guān)系4

685 短溝和窄柵效應(yīng)

三種短溝效應(yīng)和低摻雜漏

三種窄柵效應(yīng)

690 其他場效應(yīng)晶體管--演變歷史

MESFETs

MOSFETs

第一個JGFET(表面離子感生反型溝道)

JGFET

兩種電流飽和機(jī)構(gòu)(溝道夾斷和載流子耗盡)

高遷移率界限溝道異質(zhì)結(jié)FETs

699 參考文獻(xiàn)和習(xí)題

第7章 雙極結(jié)型晶體管及其他雙極型晶體管器件

700 引言

710 背景與歷史

720 雙擴(kuò)散硅BJT的制造

730 理想及實際的BJT直流特性

731 BJT的雙二極管直流電路描述

732 BJT的特性數(shù)據(jù)

733 p/n/p BJT直流特性的推導(dǎo)

Shockley BJT方程

SNS BJT方程

734 BJT基本及擴(kuò)展的Ebers-Moll方程

735 BJT兩端口非線性直流網(wǎng)絡(luò)表述

通用的共基極兩端口網(wǎng)絡(luò)方程

通用的共射極兩端口網(wǎng)絡(luò)方程

四種工作模式的電路模型

736 實際的多維BJT的集總直流模型

非交疊集電極二極管及基區(qū)展開電阻

737 BJT直流兩端口參數(shù)的材料與結(jié)構(gòu)相關(guān)性

準(zhǔn)中性基區(qū)層擴(kuò)散-漂移輸運時間

準(zhǔn)中性基區(qū)層中Gummel數(shù)

準(zhǔn)中性發(fā)射區(qū)層中Gummel數(shù)

從Gummel數(shù)計算發(fā)射極注入效率

738 BJT直流參數(shù)的偏置相關(guān)性

BJT及低摻雜集電區(qū)的Early效應(yīng)

BJT的SNS效應(yīng)(低電流時α及β的下降)

BJT大電流時α及β的下降

BJT的Kirk效應(yīng)

739 集電極電流倍增及負(fù)阻

數(shù)值舉例

740BJT的小信號特性

小信號條件

電荷控制及精確的小信號分析的比較

741 BJT共基極小信號Tee(CBss-Tee)模型

本征BJT的低頻CBss-Tee模型

本征BJT的高頻CBss-Tee模型

實際BJT的CBss-Tee等效電路模型

742 BJT最高振蕩頻率

Gibbons頻率

743 BJT的共射極小信號混合π(CEss-Hπ)模型

CEss-Hπ BJT模型的電導(dǎo)元件

BJT CEss-Hπ電導(dǎo)元件的嗅及數(shù)值舉例

CEss-Hπ BJT模型的本征電荷控制電容

CEss-Hπ BJT模型中的寄生

744 共射電流增益，截止頻率及帶寬

750 BJT的大信號開關(guān)特性

751 擴(kuò)散及電荷控制方程

General Slab電荷控制方程

整個BJT的電荷控制方程

準(zhǔn)中性基區(qū)層的電荷控制方程

空間電荷層的電荷控制方程

完全的基區(qū)電荷控制方程

基區(qū)輸運時間參數(shù)t BF及t BR

電荷控制與Ebers-Moll參數(shù)的關(guān)系

752 共基大信號BJT開關(guān)瞬變

共基BJT開啟瞬變

共基BJT關(guān)斷瞬變

753 共射BJT大信號開關(guān)瞬變

共射開啟瞬變

共射導(dǎo)通瞬變的電容加速

共射關(guān)斷瞬變

754 CB及CEBJT開關(guān)瞬變的比較

755 通過工藝對BJT加速

減少復(fù)合壽命τB的工藝

通過減小幾何尺寸及電阻率提高速度

756 環(huán)形振蕩器的傳輸延遲

760雙極結(jié)型晶體管的電路應(yīng)用

761 BJT數(shù)字倒相器

762 共射BJT倒相器

射-基空間電荷層電容的加速充電

有源區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)的加速充電

飽和區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)的進(jìn)一步加速充電

飽和區(qū)中基區(qū)存儲電荷的放電

有源區(qū)中基區(qū)存儲電荷的放電

空間電荷層電容的放電

CE BJT倒相器的平均傳輸延遲

763 CE BJT倒相器的加速

764 發(fā)射級耦合2-BJT倒相器(ECL)

765 CB-CE晶體管-晶體管耦合2-BJT倒相器(TTL)

766 雙極型-MOS倒相器(Bi MOS,BiCMOS,CBi CMOS)

770 異質(zhì)結(jié)雙極型結(jié)型晶體管(HBJTs或HBTs)

771 歷史背景

772 Ge x Si 1-x HBJT制造方法

773 HBJT工作原理

774 同量層的能帶與聲子譜

780 四層pnpn器件

781 四層pnpn二極管特性

782 pnpn三極管(SCR)特性

783 MOS-SCR

784 CMOS中的閂鎖

799 參考文獻(xiàn)和習(xí)題

附錄A 符號慣例

微電子學(xué)與固體電子學(xué)

“微電子學(xué)與固態(tài)電子學(xué)”是現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)核與支柱。本學(xué)科主要研究內(nèi)容：（1）信息光電子學(xué)和光通訊。（2）超高速微電子學(xué)和高速通訊技術(shù)。（3）功率半導(dǎo)體器件和功率集成電路。（4）半導(dǎo)體器件可靠性物理。（5）現(xiàn)代集成模塊與系統(tǒng)集成技術(shù)。

本書是《模擬電子學(xué)基礎(chǔ)》一書的教學(xué)參考書，基本章節(jié)完全按照《模擬電子學(xué)基礎(chǔ)》一書安排。每章基本分為三個部分:第一部分是本章內(nèi)容的重點和難點，并以例題講解和問題回答的方式對重點和難點進(jìn)行講解;第二部分是《模擬電子學(xué)基礎(chǔ)》一書中習(xí)題與思考題的詳細(xì)解答;第三部分則介紹了一些在《模擬電子學(xué)基礎(chǔ)》一書中沒有涉及的一些擴(kuò)充內(nèi)容。

本書適用于高等學(xué)校的電氣、電子類和其他相關(guān)專業(yè)，可以作為學(xué)生的輔導(dǎo)資料，也可以作為教師的教學(xué)參考，還可以供相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員參考。