半導體物理與器件(第四版)（簡體書）

本書是微電子技術領域的基礎教程。全書涵蓋了量子力學、固體物理、半導體材料物理及半導體器件物理等內容，分成三部分，共計15章。第一部分為半導體材料屬性，主要討論固體晶格結構、量子力學、固體量子理論、平衡半導體、輸運現象、半導體中的非平衡過剩載流子；第二部分為半導體器件基礎，主要討論pn結、pn結二極管、金屬半導體和半導體異質結、金屬-氧化物-半導體場效應晶體管、雙極晶體管、結型場效應晶體管；第三部分為專用半導體器件，主要介紹光器件、半導體微波器件和功率器件等。書中既講述了半導體基礎知識，也分析討論了小尺寸器件物理問題，具有一定的深度和廣度。另外，全書各章難點之後均列有例題、自測題，每章末尾均安排有複習要點、重要術語解釋及知識點。全書各章末尾列有習題和參考文獻，書後附有部分習題答案。

本書可作為高等院校微電子技術專業本科生及相關專業研究生的教材或參考書，也可作為相關領域工程技術人員的參考資料。

美國新墨西哥大學電氣與計算機工程系教授，于新墨西哥大學獲博士學位後，成為Hanscom空軍基地固態科學實驗室電子工程師。1976年加入新墨西哥大學電氣與計算機工程系，從事半導體物理與器件課程和電路課程的教學工作。目前仍為該系的返聘教員。另著有Microelectronics Circuit Analysis and Design, Fourth Edition和An Introduction to Semiconductor Devices兩本教材。

譯者序
從1947年第一隻晶體管的誕生，到1958年第一塊集成電路的出現，歷經半個多世紀的發展，微電子技術推動了人類社會跨入信息時代，影響著我們生活的方方面面。具有基礎性地位的微電子技術對現代信息產業的帶動作用，長期以來一直深受世人的矚目與重視。近年來，在世界半導體集成電路設計與製造中心正加速向中國轉移的背景下，我國制定了一批旨在促進微電子產業發展的支持政策，相信在不久的將來，我國將逐漸從集成電路的消耗大國轉變成集成電路的設計、製造強國。半導體物理及器件的相關知識是微電子技術的基礎，掌握該知識對從事相關工作至關重要。基於此，我們在電子工業出版社的大力支持下，組織天津大學在微電子方向從事教學、科研的老師翻譯了本書，作為一本微電子入門書籍奉獻給讀者。本書既可以作為高等院校微電子技術相關專業本科生及研究生的教材，也可以作為從事相關領域工作的工程技術人員的參考資料。
本書作者有著多年豐富的教學和科研經驗，本書作為第四版，是在前三版作為教材使用多年的基礎上，結合當今微電子器件發展的現狀而修訂的。除了保持原書的綜合性和基礎性的特點，第四版在章節安排上進行了調整，將講述場效應晶體管（MOSFET）的兩章內容提前到雙極型晶體管（BJT）章節的前面，充分體現了現代半導體集成電路中MOSFET的重要性。其次，結合最新技術進展在第15章中增加了微波器件的內容。為了幫助讀者更好地學習，在每一章的開始，增加了本章內容的說明。書中主要內容包括量子力學基本知識、能帶理論、半導體物理、半導體器件和特種半導體器件等，既有一定廣度，又有深入的分析。全書共有15章，作者講解深入淺出，理論分析透徹，重點突出，每一章都配有小結和知識點匯總，並配以大量習題供讀者選做。從第三版使用情況來看，讀者反映良好，對於擬學習半導體物理與器件的讀者來說，是一種很好的選擇。
第四版的翻譯工作是在第三版的基礎上補充完善的，參與本版翻譯與校對工作的有趙毅強、姚素英、史再峰和盛大力等人。其中姚素英負責第1章至第3章，趙毅強負責第4章至第9章，史再峰負責第10章至第12章，盛大力負責第13章至第15章。根據我們的教學體會和讀者的反饋，最近我們對全書進行了勘誤，參與人員有葉茂、胡凱和何家驥等人。
鑒於譯者的水平有限，書中難免有不足和疏漏之處，敬請讀者批評、指正。

趙毅強
天津大學微電子學院
2018年5月

前言
宗旨與目標
出版本書第四版的目的在於將有關半導體器件的特性、工作原理及其局限性的基礎知識介紹給讀者。要想更好地理解這些基礎知識，就必須對半導體材料物理知識進行全面瞭解。本書有意將量子力學、固體量子理論、半導體材料物理和半導體器件物理綜合在一起，因為所有這些理論對瞭解當今半導體器件的工作原理及其未來的發展是非常重要的。
在本書中所包含的物理知識遠遠超過了許多半導體器件入門書籍中所涵蓋的內容。儘管本書覆蓋面很廣，但作者堅信：一旦透徹理解了這些入門知識和材料物理知識，那麼對半導體器件物理的理解就會水到渠成，而且會理解得更快，學習效率更高。本書對基礎物理知識的不惜篇幅，將有助於讀者更好地理解甚至可能開發出新型的半導體器件。
既然本書的目的在於為讀者奉獻一部有關半導體器件理論的入門書籍，因此許多深奧的理論並未涉及，同時也未對半導體的製造工藝做仔細描述。雖然本書對諸如擴散和離子注入等製造工藝有所涉獵並進行了一般性討論，但僅局限於那些對器件特性有直接影響的工藝和場合。
預備知識
由於本書針對的是電氣工程領域大學三年制和四年制的學生，因此假設讀者已經掌握了微分方程、大學物理和電磁學的基礎知識。當然，瞭解現代物理知識更好，但這並不是必需的。預先修完電子線路基礎課程對閱讀本書會更有幫助。
章節安排
本書分為三部分：第一部分介紹量子力學初步知識和半導體材料物理；第二部分介紹半導體器件物理的基本知識；第三部分介紹專用半導體器件，包括光器件、半導體微波器件和功率器件。
第一部分包括第1章至第6章。第1章先從固體晶格結構開始，然後過渡到理想單晶半導體材料。第2章和第3章介紹量子力學和固體量子理論，這些都是必須掌握的基礎物理知識。第４章到第6章覆蓋了半導體材料物理知識。其中，第4章討論熱平衡半導體物理，第５章討論半導體內部的載流子輸運現象。非平衡過剩載流子是第6章的主要內容，理解半導體中的過剩載流子行為對於理解器件物理至關重要。
第二部分包括第7章到第13章。第7章主要討論pn結電子學；第8章討論pn結電流電壓特性；第9章討論整流及非整流金屬半導體結和半導體異質結；第10章和第11章闡述MOS場效應晶體管理論；第12章探討雙極晶體管；第13章闡述結型場效應管。在詳盡介紹pn結理論後，關於這三種基本晶體管類型的章節，讀者可不必按順序閱讀，因為這些章節彼此之間是相互獨立的。
第三部分包括第14章和第15章。第14章介紹光器件，如太陽能電池和發光二極管；第15章介紹半導體微波器件和半導體功率器件。
本書末尾是8個附錄。附錄A是符號列表，以幫助讀者瞭解各種符號及其含義。附錄B包含單位轉換表與常數表。附錄H給出了部分習題答案，有助於學生檢查自身的學習情況。
使用說明
本書可作為本科生第三學期或第四學期一個學期的教材。和許多教材一樣，本書的內容不可能在一個學期內全部講授完。這就給授課老師提供了一定的自由空間，授課老師可根據教學目的對教材內容進行取捨。下文給出了兩種可供選擇的安排，但本書不是百科全書。對於可以略過而又不會影響全書連貫性的章節，我們在目錄和對應章節中用*號予以標記。這些章節儘管在半導體器件物理的發展中很重要，但可以推遲講授。
新墨西哥大學電子工程專業大三學生的一門課程廣泛使用了本書中的材料。建議用略小於半個學期的時間學習前六章；剩餘的時間用於學習pn結、金屬氧化物半導體場效應晶體管和雙極晶體管。其他的一些主題可考慮在學期末學習。
儘管MOS晶體管先於雙極晶體管或結型場效應晶體管闡述，但描述三種基本晶體管類型之一的各個章節都是彼此獨立的，任何一種類型都可以先講。
注意事項
本書引入了有關半導體材料和器件物理等理論知識。雖然許多電子工程系的學生更樂於製作電子電路和計算機編程，而不是去學習有關半導體器件的理論，但是本書的內容對於理解諸如微處理器等電子器件的局限性是至關重要的。
數學的應用貫穿全書，這看起來很枯燥，但最後的結論是其他手段不能獲得的。儘管有些描述工藝的數學模型看起來很抽象，但它們描述和預言物理過程方向的能力已完全經受住了時間的考驗。
作者鼓勵讀者經常研讀每一章的開始部分，以便深刻領會每章或每個主題的目的。這種不斷的複習對學習前五章尤為重要，因為它們講述的是基礎物理知識。
還應注意的是，儘管有些章節可以略過且不會影響連貫性，但有些教師還是會選擇這些章節。因此，標*號的章節並不意味著不重要。
有些問題可能到課程結束時也得不到解答，理解這一點也很重要。雖然作者不喜歡“它可以這樣講”之類的說法，但書中有些概念的推導確實超出了本書的範圍。本書對這一科目僅具導論性質。對那些修完課程後還沒有解決的問題，我們鼓勵讀者記下這些問題，或許在後續課程中這些問題就能得到解答。
教學順序
對於教學順序，每位教師都有自己的選擇，但通常有兩種方案。第一種方案稱為MOSFET方案，是在講授雙極晶體管之前講授MOS晶體管。讀者會注意到本書中的MOSFET內容放到了pn結二極管之後的第10章和第11章。
第二種方案稱為雙極型方案，也稱為傳統方案，是在討論pn結二極管後立即介紹雙極晶體管。由於MOSFET留在學期末講授，因此到時可能沒有足夠的時間來講授這一重要主題。遺憾的是，由於時間限制，將每一章中的所有內容在一個學期內都講完是不可能的。餘下的內容可以留到下一個學期講授或留給讀者自學。
MOSFET方案
第1章　晶格結構
第2章、第3章　量子力學和固體物理選講
第4章　半導體物理
第5章　輸運現象
第6　章非平衡過剩載流子選講
第7章　pn結
第10章、第11章　MOS晶體管
第8章　pn結二極管
第9章　肖特基二極管簡介
第12章　雙極晶體管，其他選講內容
雙極型方案
第1章　晶格結構
第2章、第3章　量子力學和固體物理選講
第4章　半導體物理
第5章　輸運現象
第6章　非平衡態特性選講
第7章、第8章　pn結和pn結二極管
第9章　肖特基二極管簡介
第12章　雙極晶體管
第10章、第11章　MOS晶體管，其他選講內容
第四版新內容
排列順序：關於MOSFET的兩章移到了雙極晶體管一章的前面。這一改變強調了MOS晶體管的重要性。
半導體微波器件：第15章中添加了一小節關於三種專用半導體微波器件的內容。
新附錄：添加了關於有效質量概念的附錄Ｆ。教材的許多計算中使用了兩個有效質量。該附錄給出了每種有效質量的理論知識，並討論了何時在特定計算中使用哪一種有效質量。
預習小節：每章以簡介開始，然後以項目列表的形式給出預習內容。每個預習項均給出了該章的一個特殊目標。
練習題：添加了超過100道練習題，每道例題後面均提供一道練習題。練習題類似于例題，以便讀者即時測試對剛講內容的理解程度。每道練習題均提供有答案。
測試理解題：每章主要小節末尾添加了約40%的新測試理解題。通常，這些練習題比每個例題後的練習題更全面。這些習題將有助於讀者在學習新內容前理解所學內容。
章末習題：添加了330多道章末習題，即這一版中有約48%的章末習題是全新的。
第四版特色
■ 數學知識更為嚴密：保留了清晰理解半導體材料和器件物理的基本數學知識。
■ 例題：書中列舉了大量的例子來強化涉及的理論概念，這種做法貫穿全書。這些例子覆蓋
了所有分析和設計的細節，因此讀者不必自行補充其忽略的步驟。
■ 小結：每一章的末尾都提供了小結，它總結了該章得出的結論並複習所描述的基本概念。
■ 重要術語解釋：每章的小結之後列出了重要術語解釋，這部分定義並總結了該章所討論的
重要術語。
■知識點：指出了學習該章應

緒論 半導體和集成電路
歷史
集成電路（IC）
製造
參考文獻
第一部分 半導體材料屬性
第1章 固體晶格結構
1.0 概述
1.1 半導體材料
1.2 固體類型
1.3 空間晶格
1.4 金剛石結構
1.5 原子價鍵
*1.6 固體中的缺陷和雜質
*1.7 半導體材料的生長
1.8 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第2章 量子力學初步
2.0 概述
2.1 量子力學的基本原理
2.2 薛定諤波動方程
2.3 薛定諤波動方程的應用
2.4 原子波動理論的延伸
2.5 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第3章 固體量子理論初步
3.0 概述
3.1 允帶與禁帶
3.2 固體中電的傳導
3.3 三維擴展
3.4 狀態密度函數
3.5 統計力學
3.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第4章平衡半導體
4.0 概述
4.1 半導體中的載流子
4.2 摻雜原子與能級
4.3 非本征半導體
4.4 施主和受主的統計學分佈
4.5 電中性狀態
4.6 費米能級的位置
4.7 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第5章 載流子輸運現象
5.0 概述
5.1 載流子的漂移運動
5.2 載流子擴散
5.3 雜質梯度分佈
*5.4 霍爾效應
5.5 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻

第6章 半導體中的非平衡過剩載流子
6.0 概述
6.1 載流子的產生與複合
6.2 過剩載流子的性質
6.3 雙極輸運
6.4 准費米能級
*6.5 過剩載流子的壽命
*6.6 表面效應
6.7 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第二部分 半導體器件基礎
第7章 pn結
7.0 概述
7.1 pn結的基本結構
7.2 零偏
7.3 反偏
7.4 結擊穿
*7.5 非均勻摻雜pn結
7.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第8章 pn結二極管
8.0 概述
8.1 pn結電流
8.2 產生複合電流和大注入
8.3 pn結的小信號模型
*8.4 電荷存儲與二極管瞬態
*8.5 隧道二極管
8.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第9章 金屬半導體和半導體異質結
9.0 概述
9.1 肖特基勢壘二極管
9.2 金屬半導體的歐姆接觸
9.3 異質結
9.4 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第10章 金屬氧化物半導體場效應晶體管基礎
10.0 概述
10.1 雙端MOS結構
10.2 電容電壓特性
10.3 MOSFET基本工作原理
10.4 頻率限制特性
*10.5 CMOS技術
10.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第11章 金屬氧化物半導體場效應晶體管： 概念的深入
11.0 概述
11.1 非理想效應
11.2 MOSFET按比例縮小理論
11.3 閾值電壓的修正
11.4 附加電學特性
*11.5 輻射和熱電子效應
11.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第12章 雙極晶體管
12.0 概述
12.1 雙極晶體管的工作原理
12.2 少子的分佈
12.3 低頻共基極電流增益
12.4 非理想效應
12.5 等效電路模型
12.6 頻率上限
12.7 大信號開關
*12.8 其他的雙極晶體管結構
12.9 小結
重要術語解釋
知識點
複習題
習題
參考文獻
第13章 結型場效應晶體管
13.0 概述
13.1 JFET概念
13.2 器件的特性
*13.3 非理想因素
*13.4 等效電路和頻率限制
*13.5 高電子遷移率晶體管
13.6 小結
重要術語解釋
知識點
複習題