半导体器件基础 （原著第二版）

《半导体器件基础（原著第二版）》通俗易懂地讲解现代半导体器件知识，贴合实际且注重实用，着重帮助读者扎实理解各类半导体材料与器件电学特性背后的物理过程。

本书内容丰富全面。分为5大部分：材料，二极管，场效应晶体管（FET），双极晶体管（BJT），光电器件与功率半导体器件。同时还有大量补充材料，以帮助读者拓展学习；书后还设有常数、符号表、半导体制造工艺等实用附录。

无论是半导体领域的初学者，还是希望深入理解半导体器件物理过程的专业人士，本书都是不可多得的学习与参考资料。本书各章配有大量例题、复习题与思考题，也非常适合作为电气工程、微电子、集成电路及相关专业的教材。

贝蒂·利斯·安德森（Betty Lise Anderson），自1990年起任职于美国俄亥俄州立大学。她于1990年在佛蒙特大学获得材料科学与电气工程博士学位，此前还于1988年在该校取得硕士学位，专业研究领域为光子学。曾在工业界工作九年，曾任职于Tektronix, Inc.、C.S. Draper Labs及GTE Laboratories，有着丰富的半导体器件研发经验。

2022年，荣获美国国家科学委员会公共服务奖。她是国际光学工程学会（SPIE）会士，同时也是电气电子工程师学会（IEEE）及美国光学学会（OSA）的高级会员。

任凯亮，博士，研究员；国家级人才计划专家（青年类），北京市海外高层次人才（全职类）。2007年，获美国宾夕法尼亚州立大学电子工程系博士学位。2009—2014年，先后在美国宾夕法尼亚州立大学、约翰斯·霍普金斯大学担任博士后、助理研究科学家等职务。2015年至今，担任中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员。

在Science、Advanced Materials、Advanced Sciences、Advanced Functional Materials、Nano Energy、ACS Nano等国际著名期刊发表SCI论文超过90篇，获授权美国专利3项、中国专利7项，另有中国专利申请10余项。受邀在国际国内会议进行邀请报告50余次，文章被引用次数超过6000次。另外，还担任电子元器件关键材料与技术专业委员会资深委员、天津大学微电子学院校友会常任理事等社会职务。

在电子材料领域有20年研究经验，在电介质储能、挠曲光电效应、压电聚合物与陶瓷能量收集等方面做出了有国际影响力的突出贡献。

第1部分 材料

第1章 半导体中的电子能量和状态

1.1 引言

1.2 简要历史

1.3 氢原子的应用

1.3.1 氢原子的玻尔模型

1.3.2 氢原子在分子上的应用：共价键

1.3.3 量子数和泡利不相容原理

1.3.4 晶体中的共价键

1.4 波粒二象性

1.5 波函数

1.6 电子波函数

1.6.1 一维自由电子

1.6.2 德布罗意关系

1.6.3 三维自由电子

1.6.4 准自由电子模型

1.6.5 反射和隧穿

1.7 光吸收和光发射的初步理解

1.8 晶体结构、晶面和晶向

1.9 小结

1.10 参考文献

1.11 复习题

1.12 思考题

第2章 均匀半导体

2.1 引言

2.2 适用于晶体中电子的准经典力学

2.2.1 一维晶体

2.2.2 三维晶体

2.3 导带结构

2.4 价带结构

2.5 本征半导体

2.6 非本征半导体

2.6.1 施主

2.6.2 受主

2.7 空穴的概念

2.8 电子和空穴的有效质量

2.9 能带中电子的态密度函数

2.10 费米-狄拉克统计

2.11 电子和空穴随能量的分布

2.12 非简并半导体中载流子浓度的温度相关性

2.12.1 高温下的载流子浓度

2.12.2 低温下的载流子浓度（载流子冻结）

2.13 简并半导体

2.13.1 杂质引起的带隙变窄

2.13.2 表观带隙变窄

2.14 小结

2.14.1 非简并半导体

2.14.2 简并半导体

2.15 参考文献

2.16 复习题

2.17 思考题

第3章 均匀半导体的电流

3.1 引言

3.2 漂移电流

3.3 载流子迁移率

3.3.1 载流子散射

3.3.2 散射迁移率

3.3.3 杂质能带中的迁移率

3.3.4 迁移率的温度依赖性

3.3.5 高场效应

3.4 扩散电流

3.5 载流子产生和复合

3.5.1 带间产生和复合

3.5.2 两步过程

3.6 半导体中的光学过程

3.6.1 吸收

3.6.2 光发射

3.7 连续性方程

3.8 少数载流子寿命

3.8.1 上升时间

3.8.2 下降时间

3.9 少数载流子扩散长度

3.10 准费米能级

3.11 小结

3.12 参考文献

3.13 复习题

3.14 思考题

第4章 非均匀半导体

4.1 平衡态时费米能级的恒定性

4.2 缓变掺杂

4.3 非均匀组分

4.4 缓变掺杂和缓变组分的结合

4.5 小结

4.6 参考文献

4.7 复习题

4.8 思考题

第1部分补充材料量子力学导论

S1.1 引言

S1.2 波函数

S1.3 概率与波函数

S1.4 薛定谔方程

S1.5 将薛定谔方程应用于电子

S1.6 量子力学中的一些结果

S1.6.1 自由电子

S1.6.2 准自由电子

S1.6.3 能量势阱

S1.6.4 一维无限深势阱

S1.6.5 有限深势垒处的反射和透射

S1.6.6 隧穿效应

S1.6.7 有限深势阱

S1.6.8 重新讨论氢原子

S1.6.9 不确定性原理

S1.7 声子

S1.7.1 声子导致的载流子散射

S1.7.2 间接电子跃迁

S1.8 小结

S1.9 参考文献

S1.10 复习题

S1.11 思考题

第2部分 二极管

第5章 原型同质pn结

5.1 引言

5.2 原型pn结（定性分析）

5.2.1 原型pn结的能带图

5.2.2 原型同质pn结中的电流流向

5.2.3 隧道二极管

5.3 原型同质pn结（定量分析）

5.3.1 平衡态能带图（突变结）

5.3.2 外加电压下的能带图

5.3.3 同质pn结的电流-电压特性

5.3.4 反向偏压击穿

5.4 原型同质结的小信号阻抗

5.4.1 结（差分）电阻

5.4.2 结（差分）电容

5.4.3 存储电荷电容

5.5 瞬态效应

5.5.1 关断瞬态

5.5.2 导通瞬态

5.6 温度的影响

5.7 小结

5.7.1 内建电压

5.7.2 结宽

5.7.3 结电流

5.7.4 结击穿

5.7.5 电容

5.7.6 瞬态效应

5.8 复习题

5.9 思考题

第6章 二极管的其他注意事项

6.1 引言

6.2 非突变同质结

6.2.1 线性缓变结

6.2.2 超突变结

6.3 半导体异质结

6.3.1 半导体-半导体异质结能带图

6.3.2 隧穿诱导偶极子

6.3.3 界面态效应

6.3.4 晶格失配对异质结的影响

6.4 金属-半导体结

6.4.1 理想金属-半导体结（电子亲和能模型）

6.4.2 界面诱导偶极子的影响

6.4.3 金属-半导体结的电流-电压特性

6.4.4 欧姆（低阻）接触

6.4.5 异质结二极管的I-Va特性

6.5 非理想半导体结和异质结中的电容

6.6 小结

6.7 参考文献

6.8 复习题

6.9 思考题

第2部分补充材料二极管

S2.1 引言

S2.2 介电弛豫时间

S2.2.1 情况1：多数载流子的介电弛豫时间

S2.2.2 情况2：少数载流子的介电弛豫时间

S2.3 结电容

S2.3.1 原型（突变）结中的结电容

S2.3.2 非均匀掺杂结中的结电容

S2.3.3 变容二极管

S2.3.4 短基二极管的存储电荷电容

S2.4 肖特基二极管的二阶效应

S2.4.1 肖特基势垒的隧穿

S2.4.2 镜像效应导致的肖特基二极管势垒降低

S2.5 小结

S2.6 参考文献

S2.7 复习题

S2.8 思考题

第3部分 场效应晶体管

第7章 MOSFET

7.1 引言

7.2 MOSFET（定性分析）

7.2.1 MOS电容器简介

7.2.2 MOS电容器混合图

7.2.3 平衡态MOSFET（定性分析）

7.2.4 非平衡态MOSFET（定性分析）

7.3 MOSFET漂移模型（定量分析）

7.3.1 恒定沟道迁移率的长沟道漂移MOSFET模型

7.3.2 更实际的长沟道模型：电场对迁移率的影响

7.3.3 串联电阻

7.4 模型与实验数据的比较

7.5 MOSFET的弹道模型

7.6 短沟道效应

7.6.1 有效沟道长度对VDS的依赖性

7.6.2 漏极电压与阈值电压的依赖性

7.7 亚阈值泄漏电流

7.8 小结

7.9 参考文献

7.10 复习题

7.11 思考题

第8章 其他场效应晶体管

8.1 引言

8.2 阈值电压和低场迁移率的测量

8.3 补偿型MOSFET（CMOS）

8.3.1 CMOS反相器的运行原理

8.3.2 CMOS器件的匹配

8.4 CMOS反相器电路中的开关特性

8.4.1 负载电容的影响

8.4.2 CMOS开关电路中的传输（门）延迟

8.4.3 COMS开关中的直通电流

8.5 其他MOSFET

8.5.1 绝缘体上硅（SOI）MOSFET

8.5.2 FinFET

8.5.3 非易失性MOSFET

8.6 其他FET

8.6.1 异质结场效应晶体管（HFET）

8.6.2 金属-半导体场效应晶体管（MESFET）

8.6.3 结型场效应晶体管（JFET）

8.6.4 隧道场效应晶体管（TFET）

8.7 体沟道场效应晶体管：定量分析

8.8 小结

8.9 参考文献

8.10 复习题

8.11 思考题

第3部分补充材料MOSFET的其他注意事项

S3.1 引言

S3.2 沟道电荷Qch与纵向电场L的关系

S3.3 MOSFET的阈值电压

S3.3.1 固定电荷

S3.3.2 界面陷阱电荷

S3.3.3 体电荷

S3.3.4 电荷对阈值电压的影响

S3.3.5 平带电压

S3.3.6 阈值电压的控制

S3.3.7 沟道量子效应

S3.4 MOSFET模拟等效电路

S3.4.1 小信号等效电路

S3.4.2 CMOS放大器

S3.5 单位电流增益截止频率fT

S3.6 MOS电容

S3.6.1 理想MOS电容

S3.6.2 实际MOS电容的C-VG特性

S3.6.3 基于C-VG测量数据的MOSFET参数分析

S3.7 动态随机存取存储器（DRAM）

S3.8 MOSFET的缩放

S3.9 器件和互连的退化

S3.10 小结

S3.11 参考文献

S3.12 复习题

S3.13 思考题

第4部分 双极晶体管（BJT）

第9章 双极晶体管：静态特性

9.1 引言

9.2 输出特性（定性分析）

9.3 电流增益

9.4 双极晶体管的原型模型

9.4.1 收集效率M

9.4.2 注入效率γ

9.4.3 基极传输效率αT

9.5 双极晶体管中的缓变掺杂

9.5.1 缓变基区晶体管

9.5.2 基区电场对β的影响

9.6 异质结双极晶体管（HBT）

9.6.1 均匀掺杂的HBT

9.6.2 缓变组分的HBT——Si:SiGe基区:SiHBT

9.6.3 双异质结双极晶体管（DHBT）

9.7 Si基区BJT、SiGe基区HBT和GaAs基区HBT的对比

9.8 基本Ebers-Moll直流电路模型

9.9 小结

9.10 参考文献

9.11 复习题

9.12 思考题

第10章 双极晶体管的时变分析

10.1 引言

10.2 Ebers-Moll交流模型

10.3 小信号等效电路

10.4 BJT中的存储电荷电容

10.5 频率响应

10.5.1 单位电流增益频率fT

10.5.2 基区渡越时间tT

10.5.3 基区-集电区渡越时间tBC

10.5.4 最大振荡频率fmax

10.6 高频晶体管

10.7 双极开关晶体管

10.7.1 输出从低到高的转换时间

10.7.2 肖特基钳位晶体管

10.7.3 双异质结双极晶体管（DHBT）

10.8 BJT、MOSFET和BiMOS

10.8.1 BJT和MOSFET的比较

10.8.2 双极-MOS管（BiMOS）

10.9 小结

10.10 参考文献

10.11 复习题

10.12 思考题

第4部分补充材料双极器件

S4.1 引言

S4.2 BJT中的电流拥挤和基极电阻

S4.3 基区宽度调制（厄利效应）

S4.4 雪崩击穿

S4.5 高注入

S4.6 基区扩展（柯克）效应

S4.7 发射极-基极结中的复合

S4.8 BJT中的失调电压

S4.9 横向双极晶体管

S4.10 小结

S4.11 参考文献

S4.12 复习题

S4.13 思考题

第5部分 光电器件与功率半导体器件

第11章 光电器件

11.1 引言

11.2 光电探测器

11.2.1 通用光电探测器

11.2.2 太阳能电池

11.2.3 pin（PIN）光电探测器

11.2.4 雪崩光电二极管

11.3 发光二极管（LED）

11.3.1 正向偏置结中的自发辐射

11.3.2 蓝光LED、紫外LED和白光LED

11.3.3 红外LED

11.3.4 白光LED和固态照明

11.4 激光二极管

11.4.1 光学增益

11.4.2 反馈

11.4.3 增益+反馈=激光器

11.4.4 激光器结构

11.4.5 其他半导体激光材料

11.5 图像传感器（成像器件）

11.5.1 电荷耦合器件

11.5.2 线性图像传感器

11.5.3 面阵图像传感器

11.6 小结

11.7 参考文献

11.8 复习题

11.9 思考题

第12章 功率半导体器件

12.1 引言

12.2 整流二极管

12.2.1 结击穿

12.2.2 比导通电阻

12.2.3 瞬态损耗

12.2.4 合并式PIN-肖特基（MPS）二极管

12.3 晶闸管（npnp型开关器件）

12.3.1 四层二极管开关

12.3.2 晶闸管（npnp开关）的双晶体管模型

12.3.3 可控硅整流器（SCR）

12.3.4 双向晶闸管（TRIAC）

12.3.5 栅极关断晶闸管（GTO）

12.4 功率MOSFET

12.5 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

12.6 功率MOSFET与IGBT

12.7 小结

12.8 参考文献

12.9 复习题

12.10 思考题

附录

附录A 常数

附录B 符号表

附录C 半导体器件的制造

C.1 引言

C.2 衬底准备

C.3 掺杂

C.4 光刻技术

C.5 导体和绝缘体

C.6 氮氧化硅（SiOxNy或SiON）

C.7 超净间

C.8 封装

C.9 小结

附录D 一些有用的积分

附录E 一些有用的公式