固态电子学基础

《固态电子学基础》一书曾在Florida大学用了6个学期,这也作为向电子工程三年级约300名学生讲授固态器件核心课程的教科书。物理、科学及其他工程系的大学生及研究生也参加了这门课程的学习。本书分三部分:(1)3章电子材料物理及4章器件(MOSC,p/n-m/s-欧姆二极管,MOST-FETs,BJT-HBJTs及SCRs),每章包含:(2)历史、制作、物理特性及电路模型,以及(3)基本模块电路。其中每章第二部分中的扩展内容可选作第二门课程,并可在材料及器件物理基础、器件模型及复杂集成电路的基本模块电路(B3C)方面作为做实际工作的工程师及管理人员的参考书。例如:先进的器件物理(消离化及重掺杂效应、亚阈值电流、高场迁移率、MOSC、p/n和m/s结的反向电容及电流瞬变、欧姆接触……)、最新的(1990-1991)器件概念(异质结MOSFET及异质结BJT……)、可靠性机制(沟道热电子注入、Fowler-Mordheim隧穿、带间热空穴产生和注入、p型硅栅1.2eV比n型硅栅的欠可靠……),以及B3C(BiC-MOS,CBiCMOS,DRAM,SRAM,UV-EPROM,flash-EEPROM及FRAM)。本书从大一学生的化学及大二学生的物理基础(Newtom,Coulomb,Planck及de Broglie定律)出发给出了器件物理所需的基本概念(电子及空穴、价键及能带模型、平衡及非平衡态、统计分布、漂移与扩散、产生-复合-俘获及隧穿)。本书还给出了如亚微米硅MOSFET及硅BJTs等最先进的器件的物理意义及数值说明。近100种经精选及评论的中高等水平的参考书以及约500道习题均可用以扩展本书范围外的学习。

序言

第1章 电子、价键、能带和空穴

100 引言

110 材料的分类

111 固体分类法

几何学分类法(按结晶的不完整性分类)

纯度分类法(按所含杂质情况分类)

电学性质分类法(按电导率分类)

力学性质分类法(按键合力分类)

120 在电子器件制作中需要结晶型掺杂半导体

130 晶格和周期性结构

131 用矢量描述晶格

Miller指数

132 三维晶体结构

金刚石结构(立方晶系)

闪锌矿结构(立方晶系)

纤维锌矿结构(六角晶系、六角密堆积结构)

133 原子密度计算

134 单晶生长

140物质中电子的波运动(量子力学、波动力学和Schrdinger方程)

141 物质粒子和电磁辐射的波粒二象性

氢原子的Bohr模型

电子能级和轨道图像的应用

氢原子的光发射和光吸收

外电场对质子附近电子的作用

结语

142 选择物质波动方程的实验基础(Schrdinger方程的导出)

143 波函数的性质和解说(经典力学-量子力学的关联)

150 Schrdinger方程的解

151 电子在一个势能跃变处的反射

152 矩形势垒或势阱的共振散射

153 电子隧穿一个矩形势垒

154 电子隧穿一个三角形势垒

155 在一个矩形引力势阱中的束缚态

156 氢原子

160多电子原子中电子的组态

161 带负电荷的双电子氢原子

162 多质子和多电子原子

170半导体和固体的电子模型

171 键模型

172 能带模型

173 能带中能级的电子充填

180 能带模型的导出

181 近似自由电子模型

182 紧束缚模型

183 半导体的能带图

184 金属和导体的能带

190 不传导电流的全部填满电子的能带(空穴的概念)

199 参考文献和习题

第2章 平衡状态的均匀半导体

200引言

201 均匀半导体

202 平衡

210 纯净半导体

220 杂质半导体

221 施主、受主和等电子陷阱

222 施主和受主的荷电状态

223 被俘获电子和空穴的束缚能

230 热平衡条件下的电子和空穴浓度

231 FermiDirac分布函数

232 电子和空穴浓度(基本分析)

233 电子和空穴浓度(进一步分析)

240 Fermi能级的计算及电子和空穴浓度

241 纯净半导体中的EF、N和P

242 杂质或非本征半导体中的EF、N和P

质量作用定律

电中性条件

非本征半导体的判据

载流子浓度分量的不可相加性

载流子浓度方程概要

243 N、P和EF的温度关系

244 本征温度

本征温度Ti的定量定义

在T>T i时载流子浓度的可相加性

245 电子分布的温度相关性

250 器件必要的高级论题

251 高载流子浓度效应

252 杂质不完全电离效应

杂质不完全电离的条件

杂质能级被电子占有的概率

杂质不完全电离的实例

253 杂质能带

254 杂质的载流子屏蔽效应

299参考文献和习题

第3章 漂移、扩散、产生、复合、俘获和隧穿

300 引言

3

10 漂移

311 电子在电场中的漂移速度

312 漂移电流、漂移迁移率和电导率

313 漂移迁移率和温度的关系

电离杂质散射

描述晶格振动散射的声子

晶格散射

314 迁移率和电场的关系

315 半导体的本征和非本征电导率

纯净半导体的本征电导率

杂质半导体的电导率

320 扩散

321 Einstein关系

322 Boltzmann关系

323 扩散电流的例子

330 Fermi能级的恒定性

331 准Fermi能级和准Fermi势

340 电荷和电流的连续性方程

350 半导体的Shockley方程

360 产生、复合、俘获和隧穿

3611 带间热产生和复合

3612 带间光产生和复合

3613 带间Auger复合和碰撞产生

3621 带-陷阱间热(SRH)产生-复合-俘获

3622 带-陷阱间光产生-复合-俘获

3623 带-陷阱间Auger俘获和碰撞发射

3633n 三种陷阱间跃迁

36n0 弹性隧穿

36n4 非弹性隧穿

36n5 集体跃迁

370寿命

371 带间热和光复合寿命

372 带-陷阱间热(SRH)和光复合寿命

373 许多GRTT机理同时存在时的寿命

380 GRTT速率系数的物理意义和数据

381 热(SRH)俘获和发射率

382 光发射率

383 带间光产生率

384 带间碰撞产生率

385 带间隧穿率

386 带-陷阱间隧穿率

399参考文献和习题

第4章 金属-氧化物-半导体电容(MOSC)

400 引言

401 硅VLSI MOS

402 理想C-V曲线

403 实际C-V曲线

410 MOSC的电荷控制模型

411 无能带图的电荷控制C-V理论

(A) 耗尽电容

(B) 高频电容

(C) 低频电容

(D) 积累电容

(E) 平带电容

(F)小结

412 先进的电荷控制CV理论

半导体表面处电场和电势的关系

表面势和栅电压的关系

精确的低频MOS电容

耗尽和高频电容

413 MOSC的能带图

420 MOSC中的瞬态特性

421 瞬态电容

422 瞬态电流

430 精确的MOSC小信号等效电路

499 参考文献和习题

第5章 p/n和其他结型二极管

500 引言

510 扩散p/n结二极管的制造

511 扩散和Fick定律

512 扩散率的物理意义及数据

扩散的物理意义

硅中的扩散率数据

513 扩散结深计算

520 p/n结的平衡电特性

521 平衡能带图

Fermi能级的位置

本征Fermi能级和电势

522 p/n结中的平衡势垒高度

523 p/n结中平衡势的变化

524 Gauss定理对p/n结的应用

525 耗尽近似与精确解的比较

530 p/n结的直流电特性

531 偏置p/n结的能带图

反向偏置

正向偏置

532 Shockley二极管方程

533 Shockley二极管方程的物理意义

534 Shockley二极管的数值例子

535 SahNoyceShockley二极管方程

536 p/n结的反向直流电流击穿

数学公式

参数的基本物理意义

简单的解

537 实验-理论比较

540 p/n结的小信号特性

541 小信号电荷控制电路元件

542 Si p/n结的小信号数值例子

550 p/n结的开关瞬态

551 p/n结的电荷控制开关分析

552 p/n结的导通瞬态

553 p/n结的截止瞬态

554 p/n结的俘获瞬态电容和电流

560 金属/半导体二极管

561 Schottky势垒的平衡能带图

562 金属/半导体二极管的直流电流-电压特性---Bethe理论

563 实验的金属/半导体二极管

564 半导体电压降的影响---Mott理论

565 集成电路Schottky势垒二极管版图

570隧道二极管

580二极管直流端电流的限制机制

581 金属/半导体二极管中的电流限制2

582 p/n结二极管的电流限制

583 接触电阻

590 半导体/半导体异质结二极管

591 半导体/半导体异质结的能带图

无陷阱的半导体/半导体界面

有陷阱的半导体/半导体界面

592 半导体/半导体异质结的电特性

599 参考文献和习题

第6章 金属-氧化物-半导体及其他场效应晶体管

600 引言

610 反型沟道MOSFET的物理结构

坐标系

半导体的体

源和漏

栅氧化层，栅接触，栅宽度

沟道类型，沟道长度和沟道厚度

场氧化层，垫片氧化层

620 MOSFET直流特性的定性描述

621 MOST沟道电流的物理

622 输出和转移直流特性

623 四种基本MOST的电流-电压特性

630 n沟MOSFET的典型制造步骤

制造步骤的描述

640 MOSFET的直流特性(基本分析)

641 MOSFET的电导率调制模型(直流漂移电流及电荷控制分析)

由纵向电场的电流-电荷方程

由横向电场的电压-电荷方程

642 氧化层和界面陷阱电荷(不稳定性，老化和失效)

643 MOSFET方程及直流特性

644 MOSFET直流特性的数值例子

65 0MOSFET的小信号等效电路模型

651 电容元件的电荷控制分析

低漏电压和电流饱和情况下的渐近结果

652 MOS晶体管的高频响应

跨导截止频率

增益-带宽乘积

653 小信号特性的数值例子

654 分布式的低频小信号模型

660 MOSFET的开关特性

661 本征延迟

662 功率-延迟乘积(优值)

663 电容的充放电---非本征延迟

基本的MOSFET开关方程

电容的充电

电容的放电

充放电比较

充放电周期

两个电容间的电荷转移

670 MOSFET的电路应用

MOST电路符号的发展演变

MOS电路分析用的电流-电压方程

671 动态随机存取存储单元，DRAM

存储器术语的定义

DRAM芯片的制造简历

DRAM单元的等效电路模型

DRAM芯片的单元阵列结构

DRAM单元的基本工作原理

672 MOS倒相器电路

20种MOS倒相器电路的专门辞典

三种NMOS倒相器电路的分析

RE-NMOS倒相器

DE-NMOS倒相器

EE-NMOS倒相器

CMOS倒相器电路

673 静态随机存取存储单元(SRAM)

674 非挥发随机存取MOS存储器(ROM，PROM等)

只读存储器(ROM)

可编程只读存储器(PROM)

可擦可编程只读存储器(EPROMs)

680 电导率调制以外的模型

681 体电荷效应(体效应:掺杂和衬底偏置)

体电荷的来源

体电荷的解析近似(耗尽模型)

阈值电压的体效应

体对I-V形状的影响3

体效应的五个说明和一个数值例子

682 亚阈值特性(扩散电流)

亚阈值范围的定义

本征表面---漂移电流的开始3

亚阈值电流分析

亚阈值漏电流方程

亚阈值电流与漏电压的关系

亚阈值电流与栅电压的关系

亚阈值电流的温度关系

683 氧化层和界面陷阱的影响

氧化层陷阱

界面陷阱4

684 高电场和高电压效应

考虑电场对迁移率影响的I-V关系

产生-复合-俘获与电场和电压的关系4

685 短沟和窄栅效应

三种短沟效应和低掺杂漏

三种窄栅效应

690 其他场效应晶体管--演变历史

MESFETs

MOSFETs

第一个JGFET(表面离子感生反型沟道)

JGFET

两种电流饱和机构(沟道夹断和载流子耗尽)

高迁移率界限沟道异质结FETs

699 参考文献和习题

第7章 双极结型晶体管及其他双极型晶体管器件

700 引言

710 背景与历史

720 双扩散硅BJT的制造

730 理想及实际的BJT直流特性

731 BJT的双二极管直流电路描述

732 BJT的特性数据

733 p/n/p BJT直流特性的推导

Shockley BJT方程

SNS BJT方程

734 BJT基本及扩展的Ebers-Moll方程

735 BJT两端口非线性直流网络表述

通用的共基极两端口网络方程

通用的共射极两端口网络方程

四种工作模式的电路模型

736 实际的多维BJT的集总直流模型

非交叠集电极二极管及基区展开电阻

737 BJT直流两端口参数的材料与结构相关性

准中性基区层扩散-漂移输运时间

准中性基区层中Gummel数

准中性发射区层中Gummel数

从Gummel数计算发射极注入效率

738 BJT直流参数的偏置相关性

BJT及低掺杂集电区的Early效应

BJT的SNS效应(低电流时α及β的下降)

BJT大电流时α及β的下降

BJT的Kirk效应

739 集电极电流倍增及负阻

数值举例

740BJT的小信号特性

小信号条件

电荷控制及精确的小信号分析的比较

741 BJT共基极小信号Tee(CBss-Tee)模型

本征BJT的低频CBss-Tee模型

本征BJT的高频CBss-Tee模型

实际BJT的CBss-Tee等效电路模型

742 BJT最高振荡频率

Gibbons频率

743 BJT的共射极小信号混合π(CEss-Hπ)模型

CEss-Hπ BJT模型的电导元件

BJT CEss-Hπ电导元件的嗅及数值举例

CEss-Hπ BJT模型的本征电荷控制电容

CEss-Hπ BJT模型中的寄生

744 共射电流增益，截止频率及带宽

750 BJT的大信号开关特性

751 扩散及电荷控制方程

General Slab电荷控制方程

整个BJT的电荷控制方程

准中性基区层的电荷控制方程

空间电荷层的电荷控制方程

完全的基区电荷控制方程

基区输运时间参数t BF及t BR

电荷控制与Ebers-Moll参数的关系

752 共基大信号BJT开关瞬变

共基BJT开启瞬变

共基BJT关断瞬变

753 共射BJT大信号开关瞬变

共射开启瞬变

共射导通瞬变的电容加速

共射关断瞬变

754 CB及CEBJT开关瞬变的比较

755 通过工艺对BJT加速

减少复合寿命τB的工艺

通过减小几何尺寸及电阻率提高速度

756 环形振荡器的传输延迟

760双极结型晶体管的电路应用

761 BJT数字倒相器

762 共射BJT倒相器

射-基空间电荷层电容的加速充电

有源区中准中性基区的加速充电

饱和区中准中性基区的进一步加速充电

饱和区中基区存储电荷的放电

有源区中基区存储电荷的放电

空间电荷层电容的放电

CE BJT倒相器的平均传输延迟

763 CE BJT倒相器的加速

764 发射级耦合2-BJT倒相器(ECL)

765 CB-CE晶体管-晶体管耦合2-BJT倒相器(TTL)

766 双极型-MOS倒相器(Bi MOS,BiCMOS,CBi CMOS)

770 异质结双极型结型晶体管(HBJTs或HBTs)

771 历史背景

772 Ge x Si 1-x HBJT制造方法

773 HBJT工作原理

774 同量层的能带与声子谱

780 四层pnpn器件

781 四层pnpn二极管特性

782 pnpn三极管(SCR)特性

783 MOS-SCR

784 CMOS中的闩锁

799 参考文献和习题

附录A 符号惯例

微电子学与固体电子学

“微电子学与固态电子学”是现代信息技术的内核与支柱。本学科主要研究内容：（1）信息光电子学和光通讯。（2）超高速微电子学和高速通讯技术。（3）功率半导体器件和功率集成电路。（4）半导体器件可靠性物理。（5）现代集成模块与系统集成技术。

本书是《模拟电子学基础》一书的教学参考书，基本章节完全按照《模拟电子学基础》一书安排。每章基本分为三个部分:第一部分是本章内容的重点和难点，并以例题讲解和问题回答的方式对重点和难点进行讲解;第二部分是《模拟电子学基础》一书中习题与思考题的详细解答;第三部分则介绍了一些在《模拟电子学基础》一书中没有涉及的一些扩充内容。

本书适用于高等学校的电气、电子类和其他相关专业，可以作为学生的辅导资料，也可以作为教师的教学参考，还可以供相关领域工程技术人员参考。