半導體器件基礎

第一部分 半導體基礎
第1章 半導體概要
1.1 半導體材料的特性
1.1.1 材料的原子構成
1.1.2 純度
1.1.3 結構
1.2 晶體結構
1.2.1 單胞的概念
1.2.2 三維立方單胞
1.2.3 半導體晶格
1.2.4 密勒指數
1.3 晶體的生長
1.3.1 超純 的獲取
1.3.2 單晶 的形成
1.4 小結
習題
第2章 載流子模型
2.1 量子化概念
2.2 半導體模型
2.2.1 價鍵模型
2.2.2 能帶模型
2.2.3 載流子
2.2.4 帶隙和材料分類
2.3 載流子的特性
2.3.1 電荷
2.3.2 有效質量
2.3.3 本征材料內的載流子數
2.3.4 載流子數的控制—摻雜
2.3.5 與載流子有關的術語
2.4 狀態和載流子分布
2.4.1 態密度
2.4.2 費米分布函數
2.4.3 平衡載流子分布
2.5 平衡載流子濃度
2.5.1 n型和p型的公式
2.5.2 n型和p型表達式的變換
2.5.3 ni和載流子濃度乘積np
2.5.4 電中性關系
2.5.5 載流子濃度的計算
2.5.6 費米能級EF的確定
2.5.7 載流子濃度與溫度的關系
2.6 小結
習題
第3章 載流子輸運
3.1 漂移
3.1.1 漂移的定義與圖像
3.1.2 漂移電流
3.1.3 遷移率
3.1.4 電阻率
3.1.5 能帶彎曲
3.2 擴散
3.2.1 擴散的定義與圖像
3.2.2 熱探針測量法
3.2.3 擴散和總電流
3.2.4 擴散系數與遷移率的關系
3.3 復合-產生
3.3.1 復合-產生的定義與圖像
3.3.2 動量分析
3.3.3 R-G統計
3.3.4 少子壽命
3.4 狀態方程
3.4.1 連續性方程
3.4.2 少子的擴散方程
3.4.3 問題的簡化和解答
3.4.4 解答問題
3.5 補充的概念
3.5.1 擴散長度
3.5.2 準費米能級
3.6 小結
習題
第4章 器件制備基礎
4.1 制備過程
4.1.1 氧化
4.1.2 擴散
4.1.3 離子注入
4.1.4 光刻
4.1.5 薄膜澱積
4.1.6 外延
4.2 器件制備實例
4.2.1 pn結二極管的制備
4.2.2 計算機CPU的工藝流程
4.3 小結
第一部分補充讀物和復習
可選擇的/補充的閱讀資料列表
圖的出處/引用的參考文獻
術語復習一覽表
第一部分——復習題和答案
第二部分A pn結二極管
第5章 pn結的靜電特性
第7章 pn結二極管︰小信號導納
第8章 pn結二極管︰瞬態響應
第9章 光電二極管
第二部分B BJT和其他結型器件
第10章 BJT 基礎知識
第11章 BJT靜態特性
第12章 BJT動態響應模型
第13章 PNPN器件
第14章 MS接觸和肖特基二極管
第三部分 場效應器件
第15章 場效應導言——J-FET和MESFET
第16章 MOS結構基礎
第17章 MOSFET器件基礎
第18章 非理想MOS
第19章 現代場效應管結構
附錄A 量子力學基礎
附錄B MOS半導體靜電特性—精確解
附錄C MOS C-V補充
附錄D MOS I-V補充
附錄E 符號表
附錄F MATLAB程序源代碼

50多年前，世界上第一個晶體管在貝爾實驗室誕生，從此拉開了人類社會步入電子時代的序幕。在發明晶體管之後，隨著　平面工藝的進步和集成電路的發明．從小規模、中規模集成電路到大規模、超大規模、甚大規模集成電路不斷發展，出現了今天這樣的以微電子技術為基礎的電子信息技術與產業。

作為電子信息產業的強大基礎，微電子技術是一個國家綜合實力的重要標志=在全球信息產業飛速發展、網絡經濟迅速興起、知識經濟初見端倪、現代國防和未來戰爭中尖端技術不斷涌現的今天，微電子技術比以往任何時候都更顯示出其重要的戰略地位。隨著國內一批投資在百億元量級的集成電路大規模生產線的相繼投產，我國微電子產業進入了高速發晨時期。根據信息產業部的統計，僅1999~ 2002年期間，在我國微電子領域的投資額超過了前50年在該領域的總投資額的2倍。最近，國內第一條12”、100mm技術的生產線已正式投產，標志著我國集成電路生產技術已進入世界先進水平之列。中國的集成電路設計業每年正以70%的增長率而迅速發展。可以期望，再過10年或者略長的一些時間，我國不僅將成為世界微電子產業中心之一，而且將是微電子強國之一。

在高科技時代，科學技術與經濟的競爭歸根到底是人才競爭。人才是社會經濟發展最主要的制約因素，得人才者得天下。目前，集成電路方面的專業人才變得越來越緊缺。半導體器件的相關知識作為微電子技術的基礎，對于了解和掌握微電子技術有著重要的作用。為此，我所在的北京大學微電子學研究院的黃如、王漪、王金延、金海岩幾位教授，共同翻譯了Robert F．Pierret教授的Semiconductor Device Fundamentals一書。這是一本微電子技術方面的入門書籍，不僅可以作為微電子專業大學本科生的理想教材，也可以作為電子技術相關學科的學生和研究人員的重要參考書。

Robert F．Pierret教授在美國普度大學電子與計算機工程學院執教多年，由他撰寫的這本關于半導體器件的著作受到了廣泛的歡迎，被列為美國加州大學伯克利分校、南加州大學等多所大學相關課程的教材和主要教學參考書。全書分為三個部分共19章，兼顧了相關知識的深度與廣度。其中第一部分介紹了半導體基礎，講解了半導體物理方面的相關知識以及半導體制備工藝方面的基本概念；第二部分闡述了pn結、雙極結型晶體管和其他結型器件的基本物理特性，並給出了相關特性的定性與定量分析；第三部分討論了場效應器件，除了講解基礎知識之外，還分析了小尺寸器件相關的物理問題，並介紹了一些新型場效應器件。書中每一章的最後都對本章的內容進行了總結，便于讀者掌握有關的重點和思路。此外，在每一部分的最後提供了一定量的補充讀物，有興趣的讀者可以根據具體情況選擇閱讀。

本書的翻譯工作是在黃如教授的組織下完成的，她翻譯了書中的第16章~第19章以及第三部分補充讀物和復習，並對全書的內容進行了初步統稿；王漪副教授翻譯了第1章~第4章、附錄A以及第一部分補充讀物和復習；王金延副教授翻譯了第5章~第7章、第15章以及附錄B~附錄D︰金海岩副教授翻譯了第8章~第14章以及第二部分補充讀物和復習。倪學文教授、關旭東教授、趙寶瑛教授、甘學溫教授、劉曉彥教授等審閱了部分譯稿，參加本書翻譯工作的還有卜偉海、張慧邃、王文平、王懿、王成剛。最後，全書譯稿又由理論功底深厚的韓汝琦教授把關終審，因此質量有了較好的保證。由于擔任翻譯工作的成員畢竟都還是年輕學者，因此不妥之處在所難免，還望讀者不吝賜教。

我僅以此短序祝賀他們取得的成果。

王陽元
2004年秋于北京大學