固态电子器件（第七版）

定　　价：109 元 本教材已被 1 所学校申请过！

丛书名：国外电子与通信教材系列

• 作者：（美）Ben G. Streetman（本 · G. 斯特里特曼）, Sanjay K. Banerjee（桑贾伊 · K. 班纳吉）
• 出版时间：2018/3/1
• ISBN：9787121315657
• 出 版 社：电子工业出版社

• 中图法分类：TN303 
• 纸张：胶版纸
• 版次：7
• 开本：16开
• 字数：(单位：千字)

内容简介

本书是固态电子器件的教材，全书分为固体物理基础和半导体器件物理两大部分，共10章。第1章至第4章介绍半导体材料及其生长技术、量子力学基础、半导体能带以及过剩载流子。第5章至第10章介绍各种电子器件和集成电路的结构、工作原理以及制造工艺等，包括：p-n结、金属-半导体结、异质结；场效应晶体管；双极结型晶体管；光电子器件；高频、大功率及纳电子器件。第9章使用较大篇幅介绍CMOS制造工艺，从器件物理角度介绍SRAM、DRAM、CCD、闪存等集成器件的结构和工作原理。本书的器件种类基本涵盖了所有的器件大类，反映了现代电子器件的基础理论、工作原理、二级效应以及发展趋势。各章均给出小结，并附有习题、参考读物和自测题。

编辑推荐

本书反映了现代电子器件的基础理论、工作原理、二级效应以及发展趋势。各章均给出小结，并附有习题、参考读物和自测题。

序 言

译 者 序
电子器件是信息技术的基础，也是信息技术的核心。固态电子器件是实现信息产生、获取、传输、变换、存储的硬件基础，在微电子系统、光电子系统以及集成电路中具有不可替代的作用。一部好的固态电子器件教材，首先应阐明各类器件赖以实现其特性的材料、结构、工艺等相关基础知识，其次应阐明不同器件特性的物理学、电学、光学等本质属性，第三应阐明影响或制约器件性能的各种器件物理效应，这样才能帮助读者将所涉及各项基础知识融会贯通，在透彻理解的基础上受到启发而进一步受益。译者根据自己的专业教学实践和经验，认为本书是一本适合本科生学习的好教材，这也是译者欣然受托翻译本书的本意。
本书一直处于更新之中，目前是其第七版，英文原版于2015年由Pearson出版集团出版。作为译者之一，杨建红曾于2000年将本书的第五版作为国外先进教材首次翻译，由兰州大学出版社于2005年正式出版，2007年第2次印刷(ISBN 978-7-311-02564-9)。同期，该教材也被引进到其他四个主要语种的十多个国家作为本科生教材。从读者反馈和译者体会来看，该教材吸引读者的特色之处，在于其原理性描述清晰，文字说明充分，图片(或图示)配置恰当，不拘泥于烦琐且无实际意义的数学推导。在第七版中，除更新了前几版的习题和参考读物以外，各章均增加了小结和自测题作为组成部分。在器件种类方面，增加了新兴或先进器件的内容，如先进MOSFET(第6章，包括高k栅介质、应变硅、SOI MOSFET和FinFET)、量子级联激光器(第8章)、纳电子器件(第10章，包括量子点、量子线、层状晶体结构、自旋存储器、变阻存储器)等内容。这为读者进一步学习思考留下了空间。
全书正文部分共10章，其中有公式470多个，插图340多幅，另有附录9个。李海蓉主要翻译第10章，田永辉主要翻译各章中新增的教学目的、小结和自测题部分，杨建红主要翻译第1章至第9章和其余各部分，并负责全书文稿的初审和统稿。翻译文本保持了作者的原意，在此基础上，尽量避免因中英文表达习惯不同而影响读者的阅读感受。在个别可能影响读者理解的地方，增加了译者注。对某些明显的错误，如例题解答、物理量的单位、表达式符号等错误，则直接做了更正 。
感谢电子工业出版社的信任，将本书的翻译工作交给译者；感谢杨博编辑在翻译出版过程中给予的有益指导和帮助。译者所在研究组的部分研究生庞正鹏、李玉苗、张洋等同学参与了部分章节的文字查错等工作，在此一并表示感谢。由于译者水平有限，译文中不妥或疏漏之处在所难免，敬请读者不吝指正。

译 者
2016年3月
前 言
本书的适用对象是电子工程专业、微电子学专业的本科生，也可供对固态电子器件感兴趣的学生和科技工作者作为参考读物。本书的主要内容是固态电子器件的工作原理，同时对许多新型器件和制造技术也有所介绍。本书在内容安排上力求使那些具有物理背景知识的高年级学生对专业知识有更为深入的理解，从而使他们能够阅读关于新器件及其应用的参考文献。
课程目的
在我来看，对本科生开设的电子器件课程有两个基本目的：一是让学生对现有器件有一个透彻的理解，这样才能充分体现对电子线路和电子系统课程学习的意义；二是培养学生掌握分析器件的基本方法，使他们能够有效地掌握新型器件。从长远的观点来看，第二个目的可能会更重要些，因为从事电子学领域工作的人员在其工作中需要不断地学习和掌握新器件和新工艺。基于这样的考虑，我曾尝试把半导体材料和固态导电机理两方面的基本知识融合到一起；特别是在介绍新器件时更是如此。这些观念在指导性课程讲授中常常被忽略掉了。比如，有一种观点认为没有必要在本课程的讲授中去详细介绍有关半导体p-n结和晶体管的基本知识，但我认为：培养学生的一个重要目的，就是要让学生能够通过阅读最新的、专业性很强的相关文献来理解一种新器件，而上述观点却忽视了这一点。所以，本书介绍了大多数常用的半导体术语和概念，并将它们与器件的各种性质联系起来阐述器件物理问题。
新增内容
1．针对MOS器件，新增了弹道输运场效应晶体管、鳍栅场效应晶体管(FinFET)、应变硅场效应晶体管、金属栅/高k介质栅场效应晶体管，以及III～V族高迁移率晶体管等内容。
2．针对光电子器件，新增了宽带隙氮化物半导体器件和量子级联激光器的相关内容。
3．新增了纳电子器件的相关内容，包括二维结构石墨烯、一维结构纳米线和纳米管，以及零维结构量子点等。
4．新增了自旋电子器件、阻变存储器、相变存储器的相关内容。
5．新增了大约100道习题，更新了参考读物列表。
参考读物
为培养学生独立学习的能力，在每章的参考读物列表中，给出了可供学生阅读的若干文章。某些文章选自科普期刊，比如《科学美国人》(Scientific American)和《今日物理》(Physics Today)等。还有些文章选自其他教材和专业刊物，对相关内容做了更为详细的阐述。一般来说，学生阅读这些文章并不困难。我不期望学生读遍列表中的所有文章，但鼓励他们尽可能多地阅读一些有关文章，以便为以后的工作打好基础。
课后习题
学好本课程的关键之一是多做课后习题，以便加深理解并透彻掌握基本概念。每章的后面都有一定量的习题，其中有一小部分是附加题，用以扩展或深化每章的内容。另外，每章后面增加了自测题(Self Quiz)，便于读者自我检测对相关内容的掌握程度。
物理量的单位
本书对物理量采用的单位是半导体领域的常用单位。一般情况下均采用MKS单位制，但有时采用厘米作为长度单位更方便，这在例题和习题中已给出了不少实例。出于同样的原因，本书中能量的单位更多地采用的是电子伏特(eV)而不是焦耳(J)。附录A和附录B分别列出了常用物理量的符号及其单位。
内容安排
在给本科生讲授这门课程时，有时可能会使用可以证明……这样的术语来直接引用某些更高级或更复杂的内容，但往往得不到应有的效果。为避免这种情况过多出现，可以根据需要把课程的某些内容拖后，留待研究生阶段学习，因为那时就可以把统计力学、量子理论以及其他高级知识轻易地穿插进来。当然，这样做可以使课程讲授起来容易一些，但同时也使学生失去了探索某些器件问题的乐趣。
本书的内容包括硅和化合物半导体器件，特别是对化合物半导体在光电子和高速器件应用方面日益增长的重要性做了适度的介绍。某些内容，比如异质结、三元和四元合金的晶格匹配、带隙随杂质组分的变化，以及量子阱的共振隧穿等，拓宽了讨论的范围。但是，在讲授时不要太过强调化合物半导体的应用，硅基器件照样有显著的进展；这些进展在场效应晶体管结构和硅基集成电路的讨论中得到了具体的反映。我们不可能介绍所有的、最新的器件，那是专业刊物和国际会议论文所关注的事；我们只对那些有代表性和说明性的器件加以介绍。
本书的前四章阐述半导体性质和半导体导电理论，其中第2章对量子力学的基本概念做了简要介绍，这主要是为那些尚不具备这方面基础知识的学生而准备的。第3章和第4章介绍半导体导电理论，第5章介绍半导体p-n结理论及其典型应用，第6章和第7章分别介绍场效应晶体管和双极结型晶体管的工作原理，第8章介绍光电子器件，第9章介绍集成电路(从器件物理和制造工艺的角度)。第10章基于半导体理论介绍了微波器件和功率器件，其中最后一节，即纳电子器件是新增的。书中介绍的所有器件在当今电子学中都很重要，对这些器件的学习将是充满乐趣、富有收获的，我们希望本书能让读者有这样一种体验。
致谢
那些使用过本书前六版的学生和教师提出的意见和建议使第七版受益匪浅；正是他们宝贵的、无私的意见，促成了本书的出版。在此，我们仍一如既往地向前六版序言中提到的那些人深表感谢，他们对本书的贡献巨大。特别要提到的是，Nick Holonyak在整个七个版本的完成和出版过程中一直是我们的精神动力和信息源泉。我们还要感谢得克萨斯大学奥斯汀分校的同事们给我们提供的帮助，他们是Leonard Frank Register，Emanuel Tutuc，Ray Chen，Ananth Dodabalapur，Seth Bank，Misha Belkin，Zheng Wang，Neal Hall，Deji Akinwande，Jack Lee以及Dean Neikirk。Hema Movva对本书习题解答的文字录入工作提供了有益的帮助。本书图题中提到的诸多公司和机构为本书提供了器件和工艺照片，在此也谨向他们的慷慨帮助表示感谢；特别要向为本版本提供新图片的公司和个人表示感谢，他们是：TI公司的Bob Doering，Intel公司的Mark Bohr，Micron公司的Chandra Mouli，MEMC公司的Babu Chalamala以及TEL公司的Kevin Lally。最后，我们想说的是，珍视并感谢Joe Campbell、Karl Hess和后来的Al Tasch与我们多年的共事与合作，他们既是我们的好同事，又是难得的好朋友。

Ben G . Streetman
Sanjay K. Banerjee

作者介绍

Ben G. Streetman，IEEE、美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、美国电化学学会（ECS）会士。现任美国得克萨斯大学?W斯汀分校工程学院名誉院长。他是该校电气与计算机工程退休教授，也是该校微电子研究中心的创始人和第一任主任（19841996年）。Streetman教授的教学领域和研究兴趣主要涉及半导体材料与半导体器件。Sanjay Kumar Banerjee，IEEE，美国得克萨斯大学?W斯汀分校电气与计算机工程科克雷尔讲座教授，现任该校微电子研究中心主任。
Ben G. Streetman，IEEE、美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、美国电化学学会（ECS）会士。现任美国得克萨斯大学?W斯汀分校工程学院名誉院长。他是该校电气与计算机工程退休教授，也是该校微电子研究中心的创始人和第一任主任（19841996年）。Streetman教授的教学领域和研究兴趣主要涉及半导体材料与半导体器件。Sanjay K. Banerjee，IEEE，美国得克萨斯大学?W斯汀分校电气与计算机工程科克雷尔讲座教授，现任该校微电子研究中心主任。

目 录

目 录
第1章 晶体性质和半导体生长1
1.1 半导体材料1
1.2 晶格2
1.2.1 周期结构2
1.2.2 立方晶格4
1.2.3 晶面与晶向5
1.2.4 金刚石晶格7
1.3 大块晶体生长9
1.3.1 原材料的制备9
1.3.2 单晶的生长9
1.3.3 晶片加工11
1.3.4 晶体掺杂11
1.4 薄层晶体的外延生长12
1.4.1 外延生长的晶格匹配13
1.4.2 气相外延14
1.4.3 分子束外延16
1.5 周期性结构中波的传播17
小结18
习题19
参考读物20
自测题20
第2章 原子和电子22
2.1 关于物理模型22
2.2 重要实验及其结果23
2.2.1 光电效应23
2.2.2 原子光谱25
2.3 玻尔模型26
2.4 量子力学基础知识28
2.4.1 几率和不确定性原理29
2.4.2 薛定谔波动方程30
2.4.3 势阱问题32
2.4.4 量子隧穿33
2.5 原子结构和元素周期表34
2.5.1 氢原子34
2.5.2 元素周期表36
小结39
习题40
参考读物41
自测题41
第3章 半导体的能带和载流子43
3.1 固体结合性质与能带43
3.1.1 固体的结合性质43
3.1.2 能带45
3.1.3 金属、半导体和绝缘体47
3.1.4 直接禁带半导体和间接禁带半导体48
3.1.5 化合物半导体能带结构随组分的变化49
3.2 半导体中的载流子50
3.2.1 电子和空穴51
3.2.2 有效质量54
3.2.3 本征半导体56
3.2.4 非本征半导体57
3.2.5 量子阱中的电子和空穴60
3.3 载流子浓度60
3.3.1 费米能级61
3.3.2 平衡态电子和空穴浓度62
3.3.3 载流子浓度对温度的依赖关系66
3.3.4 杂质补偿和空间电荷中性67
3.4 载流子在电场和磁场中的运动68
3.4.1 电导率和迁移率68
3.4.2 电阻率71
3.4.3 迁移率对温度和掺杂浓度的依赖关系72
3.4.4 高场效应74
3.4.5 霍尔效应74
3.5 平衡态费米能级的不变性76
小结77
习题78
参考读物80
自测题81
第4章 半导体中的过剩载流子83
4.1 半导体对光的吸收特性83
4.2 半导体发光85
4.2.1 光致发光85
4.2.2 电致发光87
4.3 载流子寿命和光电导87
4.3.1 电子和空穴的直接复合87
4.3.2 间接复合；载流子俘获89
4.3.3 稳态载流子浓度；准费米能级91
4.3.4 光电导93
4.4 载流子在半导体中的扩散93
4.4.1 扩散机制94
4.4.2 载流子的扩散和漂移；自建电场96
4.4.3 扩散和复合；连续性方程98
4.4.4 稳态注入；扩散长度99
4.4.5 Haynes-Shockley实验101
4.4.6 准费米能级的空间梯度103
小结104
习题104
参考读物107
自测题107
第5章 半导体p-n结和金属-半导体结109
5.1 p-n结的制造109
5.1.1 热氧化109
5.1.2 扩散111
5.1.3 快速热处理112
5.1.4 离子注入113
5.1.5 化学气相淀积114
5.1.6 光刻115
5.1.7 腐蚀(刻蚀)117
5.1.8 金属化118
5.2 平衡态p-n结120
5.2.1 接触电势120
5.2.2 平衡态费米能级123
5.2.3 结的空间电荷124
5.3 结的正偏和反偏；稳态特性127
5.3.1 结电流的定性分析127
5.3.2 载流子的注入130
5.3.3 反向偏置136
5.4 反向击穿138
5.4.1 齐纳击穿139
5.4.2 雪崩击穿140
5.4.3 整流二极管142
5.4.4 击穿二极管144
5.5 瞬态特性和交流特性144
5.5.1 存储电荷的瞬态变化145
5.5.2 反向恢复过程147
5.5.3 开关二极管149
5.5.4 p-n结电容149
5.5.5 变容二极管152
5.6 对二极管简单理论的修正153
5.6.1 接触电势对载流子注入的影响154
5.6.2 空间电荷区内载流子的产生和复合155
5.6.3 欧姆损耗157
5.6.4 缓变结159
5.7 金属-半导体结160
5.7.1 肖特基势垒160
5.7.2 整流接触161
5.7.3 欧姆接触163
5.7.4 典型的肖特基势垒164
5.8 异质结165
小结168
习题169
参考读物175
自测题175
第6章 场效应晶体管177
6.1 场效应晶体管的工作原理178
6.1.1 晶体管的负载线178
6.1.2 放大和开关作用178
6.2 结型场效应晶体管179
6.2.1 夹断和饱和180
6.2.2 栅的控制作用181
6.2.3 电流-电压特性182
6.3 金属-半导体场效应晶体管184
6.3.1 GaAs金属-半导体场效应晶体管184
6.3.2 高电子迁移率晶体管185
6.3.3 短沟效应186
6.4 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管187
6.4.1 MOSFET的基本工作原理187
6.4.2 理想MOS结构的性质190
6.4.3 真实表面的影响197
6.4.4 阈值电压199
6.4.5 电容-电压(C-V)特性分析200
6.4.6 瞬态电容测量(C-t测量)203
6.4.7 氧化层的电流-电压(I-V)特性204
6.5 MOS场效应晶体管206
6.5.1 输出特性207
6.5.2 转移特性209
6.5.3 迁移率模型211
6.5.4 短沟MOSFET的I-V特性213
6.5.5 阈值电压的控制214
6.5.6 衬底偏置效应(体效应)217
6.5.7 亚阈值区特性219
6.5.8 MOSFET的等效电路220
6.5.9 按比例缩小和热电子效应221
6.5.10 漏致势垒降低效应225
6.5.11 短沟效应和窄沟效应226
6.5.12 栅诱导泄漏电流227
6.6 先进MOSFET结构228
6.6.1 金属栅-高k介质MOS结构228
6.6.2 高迁移率沟道材料和应变硅材料229
6.6.3 SOI MOSFET和FinFET231
小结233
习题234
参考读物237
自测题238
第7章 双极结型晶体管242
7.1 BJT的基本工作原理242
7.2 BJT的放大作用244
7.3 BJT的制造工艺简介247
7.4 少数载流子分布和器件的端电流249
7.4.1 基区内扩散方程的求解249
7.4.2 端电流分析252
7.4.3 端电流的近似表达式253
7.4.4 电流传输系数255
7.5 BJT的偏置状态和工作模式256
7.5.1 BJT的耦合二极管模型256
7.5.2 电荷控制分析260
7.6 BJT的开关特性262
7.6.1 截止262
7.6.2 饱和263
7.6.3 开关周期264
7.6.4 开关晶体管的主要参数264
7.7 某些重要的物理效应265
7.7.1 载流子在基区的漂移266
7.7.2 基区变窄效应(Early效应)267
7.7.3 雪崩击穿268
7.7.4 小注入和大注入；热效应269
7.7.5 基区串联电阻：发射极电流集边效应269
7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型270
7.7.7 基区变宽效应(Kirk效应)274
7.8 BJT的频率限制因素275
7.8.1 结电容和充电时间275
7.8.2 渡越时间效应277
7.8.3 Webster效应277
7.8.4 高频晶体管278
7.9 异质结双极型晶体管279
小结281
习题281
参考读物284
自测题284
第8章 光电子器件286
8.1 光电二极管286
8.1.1 p-n结对光照的响应286
8.1.2 太阳能电池289
8.1.3 光探测器291
8.1.4 光探测器的增益、带宽和信噪比293
8.2 发光二极管295
8.2.1 发光材料295
8.2.2 光纤通信298
8.3 激光器300
8.4 半导体激光器303
8.4.1 粒子数反转303
8.4.2 p-n结激光器的发射光谱304
8.4.3 半导体激光器的主要制造步骤305
8.4.4 半导体异质结激光器306
8.4.5 半导体激光器所用的材料308
8.4.6 量子级联激光器309
小结310
习题311
参考读物312
自测题313
第9章 半导体集成电路314
9.1 集成电路的背景知识314
9.1.1 集成化的优点314
9.1.2 集成电路的分类315
9.2 集成电路的发展历程316
9.3 单片集成电路元件318
9.3.1 CMOS工艺集成319
9.3.2 其他元件的集成329
9.4 电荷转移器件333
9.4.1 MOS电容的动态效应333
9.4.2 CCD的基本结构和工作原理334
9.4.3 CCD器件结构的改进335
9.4.4 CCD的应用336
9.5 超大规模集成电路336
9.5.1 逻辑器件338
9.5.2 半导体存储器345
9.6 测试、压焊与封装353
9.6.1 测试354
9.6.2 引线压焊354
9.6.3 芯片倒装技术356
9.6.4 封装357
小结358
习题359
参考读物359
自测题359
第10章 高频、大功率及纳电子器件361
10.1 隧道二极管361
10.2 碰撞雪崩渡越时间(IMPATT)二极管364
10.3 耿氏(Gunn)二极管366
10.3.1 电子转移机制366
10.3.2 空间电荷畴的形成及其漂移368
10.4 p-n-p-n二极管369
10.4.1 基本结构370
10.4.2 双晶体管模型371
10.4.3 电流传输系数的改变371
10.4.4 正向阻断态372
10.4.5 正向导通态372
10.4.6 触发机制373
10.5 半导体可控整流器374
10.5.1 栅极的控制作用374
10.5.2 SCR的关断375
10.6 绝缘栅双极型晶体管376
10.7 纳电子器件377
10.7.1 零维量子点378
10.7.2 一维量子线378
10.7.3 二维层状晶体379
10.7.4 自旋电子存储器380
10.7.5 纳电子阻变存储器382
小结382
习题383
参考读物384
自测题384
附录A 常用符号的定义385
附录B 物理常量和换算因子389
附录C 常用半导体材料的性质(300 K)390
附录D 导带态密度的推导391
附录E 费米-狄拉克分布的推导394
附录F Si(100)面干氧和湿氧生长SiO2层的厚度随氧化时间和温度的变化关系397
附录G 某些杂质在Si中的固溶度398
附录H 某些杂质在Si和SiO2中的扩散系数399
附录I Si中离子注入的射程与射程偏差随注入能量的变化关系400
部分自测题答案401
术语表403