半导体器件物理 by 徐振邦主编.pdf

全国高等职业教育“十二五”规划教材“十二五”江苏省高等学校重点教材 中国电子教育学会推荐教材 全国高等院校“+互联网”系列精品教材 半半导导体体器器件件物物理理 主 编 徐振邦 副主编 陆建恩 主 审 孙 萍 内 容 简 介 本书根据教育部新的课程改革要求，在已取得多项教学改革成果的基础上进行编写。内容主要包括半导体物理和晶体管原理两部分，其中，第 1 章介绍半导体材料特性，第 23 章系统阐述 PN 结和双极型晶体管，第 45 章系统阐述半导体表面特性和 MOS 型晶体管，第 6 章介绍其他几种常用的半导体器件。全书结合高等职业院校的教学特点，侧重于物理概念与物理过程的描述，并在各章节设有操作实验和仿真实验，内容与企业生产实践相结合，适当配置工艺和版图方面的知识，以方便开展教学。本书为高等职业本专科院校相应课程的教材，也可作为开放大学、成人教育、自学考试、中职学校、培训班的教材，以及半导体行业工程技术人员的参考书。本书提供免费的电子教学课件、习题参考答案等资源，相关介绍详见前言。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 半导体器件物理/徐振邦主编.北京：电子工业出版社，2017.8 全国高等院校“+互联网”系列精品教材 ISBN 978-7-121-31790-3.半 .徐 .半导体器件半导体物理高等学校教材 .TN303O47 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 129508 号 策划编辑：陈健德（E-mail:）责任编辑：桑 昀 印 刷：涿州市京南印刷厂 装 订：涿州市京南印刷厂 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：15.5 字数：400 千字 版 次：2017 年 8 月第 1 版 印 次：2017 年 8 月第 1 次印刷 定 价：40.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：。前 言 近几年，我国集成电路产业得到快速发展，已经形成了 IC 设计、制造、封装、测试及支撑配套业等较为完善的产业链格局，成为全球半导体产业关注的焦点。同时，适合集成电路产业发展的高技能应用型人才相对匮乏，产业技能人才的需求十分紧迫。目前，不少高职院校设置了“半导体器件物理”等核心课程，但实操性强且适合高职院校学生的教材较少。现有成熟教材的特点是基础知识点的理论性强、数学推导繁杂、内容覆盖面太广，不利于技术技能型人才的培养。本书根据教育部新的课程改革要求，在已取得多项教学改革成果的基础上进行编写。本书为江苏高校微电子技术品牌专业建设工程资助项目成果（编号 PPZY2015B190）。全书结合高等职业院校的教学特点，侧重于物理概念与物理过程的描述，内容叙述力求重点突出、条理分明、深入浅出、图文并茂，简化数学推导，并在各章节设有操作实验和仿真实验，内容与企业生产实践相结合，适当配置工艺和版图方面的知识，以方便开展教学。本书内容主要包括半导体物理和晶体管原理两部分，其中，第 1 章介绍半导体材料特性，第 23 章系统阐述 PN 结和双极型晶体管，第 45 章系统阐述半导体表面特性和 MOS 型晶体管，第 6 章介绍其他几种常用的半导体器件。本课程的参考学时为 6896 学时，各校可根据不同的教学环境和专业要求进行适当的内容取舍与安排。本书由江苏信息职业技术学院徐振邦副教授担任主编，陆建恩担任副主编。具体编写分工为：第 13 章和第 6.4、6.5 节由徐振邦编写，第 45 章和第 6.7 节由陆建恩编写，第 6.1、6.2、6.3、6.6 节和各章所有的仿真实验由黄玮编写，书中的操作实验由袁琦睦编写并绘制了部分插图。全书由江苏信息职业技术学院孙萍教授主审。本书在编写过程中参考了一些优秀的著作和资料，汲取了其中的部分精华内容，另外还得到了电子工业出版社的大力支持，在此一并表示诚挚的谢意。由于作者水平有限，书中难免存在错漏之处，恳请专家和读者批评指正。本书配有免费的电子教学课件与习题参考答案等资源，请有此需要的教师登录华信教育资源网（http：/）免费注册后再进行下载。直接扫一扫书中的二维码可阅览更多的立体化教学资源。如有问题请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail：）。编 者 扫一扫下载 本课程模 拟试卷一 扫一扫下载 本课程模 拟试卷二 扫一扫下载 模拟试卷一 参考答案 扫一扫下载 模拟试卷二 参考答案 V 目 录 第 1 章 半导体特性 1 1.1 半导体的晶体结构 2 1.1.1 晶体的结构 2 1.1.2 晶面与晶向 3 1.2 半导体中的电子状态 4 1.2.1 能级与能带 4 1.2.2 本征半导体的导电机制 7 1.3 杂质与缺陷 8 1.3.1 杂质与杂质能级 8 1.3.2 缺陷与缺陷能级 11 实验 1 晶体缺陷的观测 12 1.4 热平衡载流子 13 1.4.1 费米能级与载流子浓度 14 1.4.2 本征半导体的载流子浓度 17 1.4.3 杂质半导体的载流子浓度 18 1.5 非平衡载流子 19 1.5.1 非平衡载流子的注入 19 1.5.2 非平衡载流子的复合 20 实验 2 高频光电导衰减法测量硅中少子寿命 21 1.5.3 复合机制 24 1.6 载流子的运动 25 1.6.1 载流子的漂移运动与迁移率 26 1.6.2 载流子的扩散运动与爱因斯坦关系 29 知识梳理与总结 33 思考题与习题 1 35 第 2 章 PN 结 36 2.1 平衡 PN 结 37 2.1.1 PN 结的形成与杂质分布 37 2.1.2 PN 结的能带图 38 2.1.3 PN 结的接触电势差与载流子分布 39 2.2 PN 结的直流特性 41 2.2.1 PN 结的正向特性 41 2.2.2 PN 结的反向特性 45 实验 3 PN 结伏安特性与温度效应 46 2.2.3 影响 PN 结伏安特性的因素 47 VI 2.3 PN 结电容 49 2.3.1 PN 结电容的成因及影响 49 2.3.2 突变结的势垒电容 50 实验 4 PN 结势垒电容的测量 53 2.3.3 扩散电容 54 2.4 PN 结的击穿特性 55 2.4.1 击穿机理 55 2.4.2 雪崩击穿电压 57 2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素 58 2.5 PN 结的开关特性 60 2.5.1 PN 结的开关作用 60 2.5.2 PN 结的反向恢复时间 61 知识梳理与总结 63 思考题与习题 2 63 第 3 章 双极晶体管及其特性 65 3.1 晶体管结构与工作原理 66 3.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布 66 3.1.2 晶体管的电流传输 68 3.1.3 晶体管的直流电流放大系数 70 3.2 晶体管的直流特性 75 3.2.1 晶体管的伏安特性曲线 75 仿真实验 1 共发射极晶体管伏安特性仿真 76 实验 5 半导体管特性图示仪测试晶体管的特性曲线 80 3.2.2 晶体管的反向电流 81 3.2.3 晶体管的击穿电压 82 仿真实验 2 BVCEO仿真 83 实验 6 晶体管直流参数测量 85 3.2.4 晶体管的穿通电压 87 3.3 晶体管的频率特性 87 3.3.1 晶体管频率特性和高频等效电路 88 3.3.2 高频时晶体管电流放大系数下降的原因 89 3.3.3 晶体管的电流放大系数 92 3.3.4 晶体管的极限频率参数 93 3.4 晶体管的功率特性 96 3.4.1 大电流工作时产生的三个效应 96 3.4.2 晶体管的最大耗散功率和热阻 100 3.4.3 功率晶体管的安全工作区 101 3.5 晶体管的开关特性 103 3.5.1 晶体管的开关作用 103 3.5.2 开关晶体管的工作状态 103 VII 3.5.3 晶体管的开关过程 105 3.5.4 提高晶体管开关速度的途径 108 3.6 晶体管的版图和工艺流程 109 3.6.1 晶体管的图形结构 109 3.6.2 双极晶体管的工艺流程 111 知识梳理与总结 113 思考题与习题 3 114 第 4 章 半导体的表面特性 116 4.1 半导体表面与 Si-SiO2系统 117 4.1.1 理想的半导体表面 117 4.1.2 Si-SiO2系统及其特性 118 4.1.3 半导体制造工艺中对表面的处理清洗与钝化 121 4.2 表面空间电荷区与表面势 122 4.2.1 表面空间电荷区 122 4.2.2 表面势S 125 4.3 MOS 结构的阈值电压 127 4.3.1 理想 MOS 结构的阈值电压 127 4.3.2 实际 MOS 结构的阈值电压 129 4.3.3 MOS 结构的应用电荷耦合器件 133 4.4 MOS 结构的 C-V 特性 136 4.4.1 集成化电容的选择MOS 电容 136 4.4.2 理想 MOS 电容的 C-V 特性 136 4.4.3 实际 MOS 电容的 C-V 特性 139 实验 7 MOS 电容的测量 141 4.5 金属与半导体接触 143 4.5.1 金属半导体接触 143 4.5.2 肖特基势垒与整流接触 144 4.5.3 欧姆接触 146 4.5.4 金属半导体接触的应用肖特基势垒二极管（SBD）147 实验 8 SBD（肖特基）二极管伏安特性的测量 148 知识梳理与总结 149 思考题与习题 4 150 第 5 章 MOS 型场效应晶体管 151 5.1 MOS 型晶体管的结构与分类 152 5.1.1 MOS 型晶体管的结构与工作原理 152 5.1.2 MOS 型晶体管的分类 155 5.1.3 MOS 型晶体管的基本特征 156 5.1.4 集成 MOS 型晶体管与分立器件 MOS 型晶体管的异同 157 5.2 MOS 型晶体管的阈值电压 158 5.2.1 MOS 型晶体管阈值电压的定义 158 VIII 5.2.2 理想情况下 MOS 型晶体管阈值电压的表达式 158 5.2.3 影响 MOS 型晶体管阈值电压的各种因素 159 仿真实验 3 MOS 型晶体管阈值电压仿真 163 实验 9 MOS 型晶体管阈值电压 VT的测量 167 5.3 MOS 型晶体管的输出伏安特性与直流参数 169 5.3.1 MOS 型晶体管的输出伏安特性 169 5.3.2 MOS 型晶体管的输出伏安特性方程 172 5.3.3 影响 MOS 型晶体管输出伏安特性的一些因素 175 仿真实验 4 MOS 型晶体管输出伏安特性曲线仿真 176 实验 10 MOS 型晶体管输出伏安特性曲线的测量 181 5.3.4 MOS 型晶体管的直流参数 182 5.3.5 MOS 型晶体管的温度特性与栅保护 183 5.4 MOS 型晶体管频率特性与交流小信号参数 185 5.4.1 MOS 型晶体管的交流小信号等效电路 185 5.4.2 MOS 型晶体管的交流小信号参数 186 5.4.3 MOS 型晶体管的最高工作频率 fm 187 5.4.4 MOS 型晶体管开关 189 5.5 MOS 型晶体管版图及其结构特征 189 5.5.1 小尺寸集成 MOS 型晶体管的版图（横向结构）189 5.5.2 小尺寸集成 MOS 型晶体管的剖面结构（纵向结构）192 5.5.3 按比例缩小设计规则 193 5.6 小尺寸集成 MOS 型晶体管的几个效应 195 5.6.1 短沟道效应 196 5.6.2 窄沟道效应 196 5.6.3 热电子效应 197 知识梳理与总结 199 思考题与习题 5 199 第 6 章 其他常用半导体器件 200 6.1 达林顿晶体管 201 6.2 功率 MOS 型晶体管 202 6.2.1 功率 MOS 型晶体管的种类 203