半导体器件物理

前言CMOS集成电路已发展到纳米量级，各种新型器件结构和工艺不断涌现，发展集成电路芯片技术已然成为我国重要的发展战略。为适应纳米时代集成电路发展的需求，在培养学生掌握微电子器件基本结构、工作原理、主要特性和基本设计技能的基础上，让学生了解各种新型纳米级场效应晶体管的结构、原理以及电特性，以拓宽学生的视野并加深对基础知识的理解显得十分必要。故此，在多年教学实践和科研工作基础上，编写了这本包括新型小尺寸场效应晶体管的《半导体器件物理》教材。本书共分七章，第1章为半导体物理基础，为后面章节学习提供简明而必要的半导体物理知识；第2章介绍PN结的基本理论和特性；第3章在第2章基础上介绍了主要PN结二极管的应用；第4章介绍双极晶体管(BJT)，主要讨论了其放大特性、直流特性、频率特性、开关特性以及大电流特性等；第5～7章主要讨论场效应器件，首先介绍结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管(MOSFET)的基本结构、工作原理、直流特性、交流特性和频率特性，并讨论了一些短沟道效应和器件的等比缩小规则；*后对近些年出现的各种新型多栅场效应晶体管的基本结构、原理和基本电特性进行了介绍。本书遵循循序渐进的原则，对其内容进行合理编排，着重基本概念和物理现象的解释，免去了烦琐的数学推导，用简单的模型得到适用且物理概念清晰的结果。每章后面均有与本章相应知识点相关的思考题和习题，便于读者复习，加深理解。本书第1章、第2章由高俊雄编著，第3章、第4章由刘璐编著，第5～7章及附录由徐静平编著。徐静平教授负责全书大纲的制订、协调、统稿和审阅等工作。在本书编写过程中，我们参考了大量国内外相关教材和文献资料，选用了一些研究成果和图表数据，其中主要参考书和参考文献已统一列于书后，但难免会有遗漏，作者在此对所有参考书和参考文献的贡献者表示衷心感谢。由于作者学识有限，写作时间仓促，书中难免有错漏和需完善之处，敬请广大读者和同行赐予宝贵意见。学习与科学研究是一个艰苦的过程，需要有艰苦奋斗的准备，需要终生的努力。在此，将门捷列夫的名言“终生努力，便成天才”送给广大读者。

本书主要描述常用半导体器件的基本结构、工作原理以及电特性。内容包括：半导体物理基础、PN结、PN结二极管应用、双极型晶体管、结型场效应晶体管、MOSFET以及新型场效应晶体管，如FinFET、SOI FET、纳米线围栅(GAA)FET等，共计七章。与同类教材比较，本教材增加了pn结二极管应用以及新型场效应晶体管的介绍，反映了本领域的*新研究进展，丰富了BJT和MOSFET的相关内容，对重要知识点有更详尽的解释说明，便于学生自学，也可供本领域科研人员和工程技术人员参考。

简历：1978．2 － 1982.1 华中工学院固体电子学系本科毕业，获工学学士学位1982．2 － 1984.9 华中工学院固体电子学系硕士毕业，获工学硕士学位1989．9 － 1993.11 华中理工大学固体电子学系博士毕业，获工学博士学位1984．9 －1986.10 华中工学院固体电子学系 助教1986．11 － 1994.5 华中理工大学固体电子学系 讲师1994．6 － 2000.1 华中理工大学固体电子学系 副教授2000．2 － 2012.6 华中科技大学电子科学与技术系 教授，博导2012.6 - 华中科技大学光学与电子信息学院 教授，博导1995.12－1997.6 香港大学电机电子工程学系资深研究员1997.7 －1999.6 香港大学电机电子工程学系博士后研究主要科研成果：1.2019年获湖北省自然科学奖三等奖；获国家自然科学基金面上项目九项。

第1章半导体物理基础(1)

1.1半导体材料(1)

1.1.1半导体材料的原子构成(1)

1.1.2半导体材料的晶体结构(2)

1.2半导体中的电子(3)

1.2.1量子力学简介(4)

1.2.2半导体中电子的特性与能带(8)

1.2.3载流子(11)

1.3载流子的浓度(14)

1.3.1电子的统计分布规律(14)

1.3.2载流子浓度与费米能级的关系(16)

1.3.3本征半导体与杂质半导体(16)

1.3.4非平衡载流子(22)

1.3.5准费米能级(24)

1.4载流子的输运(25)

1.4.1载流子的散射(25)

1.4.2载流子的漂移运动与迁移率(25)

1.4.3漂移电流与电导率(28)

1.4.4扩散运动与扩散系数(29)

1.4.5电流密度方程与爱因斯坦关系式(30)

1.5连续性方程与扩散方程(31)

1.5.1连续性方程(31)

1.5.2扩散方程(32)

1.6泊松方程(33)

思考题1(34)

习题1(34)

第2章PN结(36)

2.1PN结的结构及其杂质分布(36)

2.1.1突变结(36)

2.1.2缓变结(37)

2.2平衡PN结(38)

2.2.1空间电荷区的形成(38)

2.2.2能带与接触电势差(39)

2.2.3载流子浓度分布(41)

2.2.4空间电荷区中的电场(42)

2.3理想PN结的伏安特性(45)

2.3.1正向特性(45)

2.3.2反向特性(48)

2.3.3理想PN结的伏安特性(51)

2.4实际PN结的特性(54)

2.4.1空间电荷区的复合电流(54)

2.4.2空间电荷区的产生电流(57)

2.4.3表面漏电流与表面复合、产生电流(58)

2.4.4大注入效应(59)

2.4.5PN结的温度特性(62)

2.5PN结的击穿(63)

2.5.1雪崩击穿(63)

2.5.2隧道击穿(66)

2.5.3热击穿(67)

2.5.4影响击穿电压的因素(68)

2.6PN结的小信号特性(70)

2.6.1交流小信号电导(70)

2.6.2势垒电容(71)

2.6.3扩散电容(73)

思考题2(74)

习题2(75)

第3章PN结二极管(76)

3.1变容二极管(76)

3.1.1PN结电容电压特性(76)

3.1.2变容二极管结构和工艺(79)

3.1.3变容二极管主要参数(80)

3.2隧道二极管(81)

3.2.1隧道二极管的工作原理(81)

3.2.2隧道电流和过量电流(83)

3.2.3等效电路及特性(84)

3.3雪崩二极管(85)

3.3.1崩越二极管(85)

3.3.2俘越二极管(88)

3.4PN结太阳能电池(89)

3.4.1光生伏特效应(89)

3.4.2PN结太阳能电池基本特性(90)

3.5发光二极管(92)

3.6激光二极管(94)

3.6.1粒子数的反转分布(95)

3.6.2光反馈和激光振荡(96)

思考题3(97)

习题3(98)

第4章双极晶体管(99)

4.1双极晶体管的结构(99)

4.1.1晶体管的基本结构(99)

4.1.2晶体管的结构特点(101)

4.2双极晶体管的放大作用(103)

4.2.1直流电流放大系数和晶体管内载流子的传输(103)

4.2.2共基极与共射极直流电流放大系数(105)

4.3双极晶体管电流增益(106)

4.3.1均匀基区晶体管直流电流增益(107)

4.3.2缓变基区晶体管直流电流增益(113)

4.3.3影响电流增益的因素(117)

4.4反向直流参数与基极电阻(121)

4.4.1BJT反向截止电流(121)

4.4.2BJT反向击穿电压(122)

4.4.3BJT基极电阻(125)

4.5双极晶体管直流伏安特性(128)

4.5.1均匀基区晶体管直流伏安特性(128)

4.5.2双极晶体管的特性曲线(129)

4.6双极晶体管频率特性(132)

4.6.1交流小信号电流传输(132)

4.6.2交流小信号传输延迟时间(135)

4.6.3交流小信号电流增益(137)

4.6.4双极晶体管频率特性参数(139)

4.7双极晶体管的开关特性(142)

4.7.1双极晶体管的开关原理(142)

4.7.2晶体管的开关过程和开关时间(144)

4.8等效电路模型(150)

4.8.1EbersMoll模型(150)

4.8.2GummelPoon模型(152)

4.9双极晶体管大电流特性(155)

4.9.1大注入效应(156)

4.9.2有效基区扩展效应(159)

4.9.3发射极电流集边效应(161)

4.9.4最大集电极电流(162)

思考题4(163)

习题4(164)

第5章结型场效应晶体管(166)

5.1JFET结构与工作原理(166)

5.1.1基本结构(166)

5.1.2工作原理(167)

5.2MESFET结构与工作原理(170)

5.2.1金半接触基本理论(170)

5.2.2MESFET基本结构(172)

5.2.3MESFET工作原理(173)

5.3JFET直流特性(174)

5.3.1夹断电压和饱和漏源电压(174)

5.3.2JFET的理想直流特性(176)

5.4直流特性的非理想效应(178)

5.4.1沟道长度调制效应(178)

5.4.2速度饱和效应(179)

5.4.3亚阈值电流及栅电流(180)

5.5JFET的交流小信号参数及等效电路(181)

5.5.1低频交流小信号参数(181)

5.5.2本征电容(183)

5.5.3交流小信号等效电路(184)

5.5.4频率限制因素及截止频率(185)

思考题5(187)

习题5(188)

第6章MOSFET(189)

6.1MOS电容器及其特性(189)

6.1.1理想MOS电容能带图(189)

6.1.2表面耗尽层宽度(191)

6.1.3理想MOS电容及CV特性(192)

6.2MOSFET结构及工作原理(194)

6.2.1MOSFET基本结构(194)

6.2.2MOSFET基本类型(195)

6.2.3MOSFET基本工作原理(197)

6.2.4MOSFET特性曲线(198)

6.3MOSFET的阈值电压(200)

6.3.1阈值电压的定义(200)

6.3.2理想MOSFET的阈值电压(201)

6.3.3实际MOSFET的阈值电压(201)

6.3.4影响阈值电压的因素(206)

6.4MOSFET的电流电压特性(212)

6.4.1IV方程(212)

6.4.2影响IV特性的非理想因素(215)

6.4.3亚阈区特性(220)

6.5MOSFET小信号等效电路和频率特性(222)

6.5.1交流小信号参数(222)

6.5.2本征电容(225)

6.5.3交流小信号等效电路(226)

6.5.4MOSFET的频率特性(227)

6.6MOSFET的小尺寸效应(229)

6.6.1短沟效应——漏源电荷分享模型(229)

6.6.2窄沟效应(232)

6.6.3漏致势垒降低(DIBL)效应(233)

6.6.4次表面穿通(236)

6.6.5其他一些特殊效应(236)

6.6.6等比例缩小规则(239)

6.7MOSFET的击穿特性(241)

6.7.1栅调制击穿(241)

6.7.2沟道雪崩击穿(242)

6.7.3寄生NPN管击穿(243)

6.7.4漏源穿通效应(245)

6.7.5栅介质击穿(245)

6.7.6轻掺杂漏结构(246)

思考题6(248)

习题6(249)

第7章新型场效应晶体管(251)

7.1SOIMOSFET(251)

7.1.1SOI衬底的制备(252)

7.1.2PDSOI MOSFET(254)

7.1.3FDSOI MOSFET(256)

7.2FinFET(267)

7.2.1FinFET的结构及分类(267)

7.2.2FinFET的工作原理及优势(269)

7.2.3多栅FinFET制造技术(270)

7.3多栅FinFET器件物理及性能(274)

7.3.1单栅SOI MOSFET(275)

7.3.2双栅SOI FinFET(276)

7.3.3四栅SOI FinFET(276)

7.3.4修正的特征长度λN(277)

7.3.5多栅FinFET的驱动电流(279)

7.3.6多栅FinFET的角效应(280)

7.3.7SOI和体硅FinFET性能比较(282)

7.4GAA FET(283)

7.4.1GAA FET的结构及原理(284)

7.4.2纳米线制造工艺(286)

7.4.3纳米线沟道的量子效应(288)

7.4.4GAA FET的IV模型(295)

思考题7(296)

习题7(297)

附录(298)

附录ASi、Ge、GaAs和GaP电阻率与杂质浓度关系(298)

附录BSi、Ge、GaAs中载流子迁移率与杂质浓度关系(299)

附录CSi、Ge和GaAs的重要性质(T=300 K)(300)

附录D常用半导体的性质(301)

附录E常用物理常数(304)

附录F国际单位制(SI单位)(305)

附录G单位词头(306)

参考文献(307) 

本书主要描述常用半导体器件的基本结构、工作原理以及电特性。内容包括：半导体物理基础、PN结、PN结二极管应用、双极型晶体管、结型场效应晶体管、MOSFET以及新型场效应晶体管，如FinFET、SOI FET、纳米线围栅(GAA)FET等，共计七章。与同类教材比较，本教材增加了pn结二极管应用以及新型场效应晶体管的介绍，反映了本领域的*新研究进展，丰富了BJT和MOSFET的相关内容，对重要知识点有更详尽的解释说明，便于学生自学，也可供本领域科研人员和工程技术人员参考。

简历：1978．2 － 1982.1 华中工学院固体电子学系本科毕业，获工学学士学位1982．2 － 1984.9 华中工学院固体电子学系硕士毕业，获工学硕士学位1989．9 － 1993.11 华中理工大学固体电子学系博士毕业，获工学博士学位1984．9 －1986.10 华中工学院固体电子学系 助教1986．11 － 1994.5 华中理工大学固体电子学系 讲师1994．6 － 2000.1 华中理工大学固体电子学系 副教授2000．2 － 2012.6 华中科技大学电子科学与技术系 教授，博导2012.6 - 华中科技大学光学与电子信息学院 教授，博导1995.12－1997.6 香港大学电机电子工程学系资深研究员1997.7 －1999.6 香港大学电机电子工程学系博士后研究主要科研成果：1.2019年获湖北省自然科学奖三等奖；获国家自然科学基金面上项目九项。