半导体器件基础——国外电子与通信教材系列 (2008 年度畅销榜NO.3276 )

本书是一本微电子技术方面的入门书籍，全面介绍了半导体器件的基础知识。全书分为三个部分共19章，首先介绍了半导体基础，讲解了半导体物理方面的相关知识以及半导体制备工艺方面的基本概念。书中阐述了pn结、双极结型晶体管（BJT）和其他结型器件的基本物理特性，并给出了相关特性的定性与定量分析。最后，作者讨论了场效应器件，除了讲解基础知识之外，还分析了小尺寸器件相关的物理问题，并介绍了一些新型场效应器件。全书内容丰富、层次分明，兼顾了相关知识的深度与广度，系统讲解了解决实际器件问题所必需的分析工具，并且提供了大量利用计算机实现的练习与习题。\r\n 本书可作为微电子专业的本科生及研究生的教材或参考书，也是该领域工程技术人员的宝贵参考资料。

第一部分 半导体基础\r\n 第1章 半导体概要\r\n 1.1 半导体材料的特性 \r\n 1.2 晶体结构\r\n 1.3 晶体的生长\r\n 1.4 小结\r\n 习题\r\n 第2章 载流子模型\r\n 2.1 量子化概念\r\n 2.2 半导体模型\r\n 2.3 载流子的特性\r\n 2.4 状态和载流子分布\r\n 2.5 平衡载流子浓度\r\n 2.6 小结\r\n 习题\r\n 第3章 载流子输运\r\n 3.1 漂移\r\n 3.2 扩散\r\n 3.3 复合-产生\r\n 3.4 状态方程\r\n 3.5 补充的概念\r\n 3.6 小结\r\n 习题\r\n 第4章 器件制备基础\r\n 4.1 制备过程\r\n 4.2 器件制备实例\r\n 4.3 小结\r\n 第一部分补充读物和复习\r\n 可选择的/补充的阅读资料列表\r\n 图的出处/引用的参考文献\r\n 术语复习一览表\r\n 第一部分—复习题和答案\r\n第二部分A pn结二极管\r\n 第5章 pn结的静电特性\r\n 5.1 前言\r\n 5.2 定量的静电关系式\r\n 5.3 小结\r\n 习题\r\n 第6章 pn结二极管：I-V特性\r\n 6.1 理想二极管方程\r\n 6.2 与理想情况的偏差\r\n 6.3 一些需要特别考虑的因素\r\n 6.4 小结\r\n 习题\r\n 第7章 pn结二极管：小信号导纳\r\n 7.1 引言\r\n 7.2 反向偏置结电容\r\n 7.3 正向偏置扩散导纳\r\n 7.4 小结\r\n 习题\r\n 第8章 pn结二极管：瞬态响应\r\n 8.1 瞬态关断特性\r\n 8.2 瞬态开启特性\r\n 8.3 小结\r\n 习题\r\n 第9章 光电二极管\r\n第二部分B BJT和其他结型器件\r\n 第10章 BJT 基础知识\r\n 第11章 BJT静态特性 \r\n 第12章 BJT动态响应模型\r\n 第13章 PNPN器件\r\n 第14章 MS接触和肖特基二极管\r\n 第二部分补充读物和复习\r\n 可选择的/补充的阅读资料列表\r\n 图的出处 / 引用的参考文献\r\n 术语复习一览表\r\n 第二部分—复习题和答案\r\n第三部分 场效应器件\r\n 第15章 场效应导言—J-FET和MESFET\r\n 第16章 MOS结构基础\r\n 第17章 MOSFET器件基础\r\n 第18章 非理想MOS\r\n 第19章 现代场效应管结构\r\n 第三部分补充读物和复习\r\n 可选择的/补充的阅读资料列表\r\n 图的出处/引用的参考文献\r\n 术语复习一览表\r\n 第三部分—复习题和答案\r\n附录A 量子力学基础\r\n附录B MOS半导体静电特性—精确解\r\n附录C MOS C -V补充\r\n附录D MOS I -V补充\r\n附录E 符号表\r\n附录F MATLAB程序源代码

50多年前，世界上第一个晶体管在贝尔实验室诞生，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。在发明晶体管之后，随着硅平面工艺的进步和集成电路的发明，从小规模、中规模集成电路到大规模、超大规模、甚大规模集成电路不断发展，出现了今天这样的以微电子技术为基础的电子信息技术与产业。 作为电子信息产业的强大基础，微电子技术是一个国家综合实力的重要标志。在全球信息产业飞速发展、网络经济迅速兴起、知识经济初见端倪、现代国防和未来战争中尖端技术不断涌现的今天，微电子技术比以往任何时候都更显示出其重要的战略地位。随着国内一批投资在百亿元量级的集成电路大规模生产线的相继投产，我国微电子产业进入了高速发展时期。根据信息产业部的统计，仅1999～2002年期间，在我国微电子领域的投资额超过了前50年在该领域的总投资额的2倍。最近，国内第一条12病*100 nm技术的生产线已正式投产，标志着我国集成电路生产技术已进入世界先进水平之列。中国的集成电路设计业每年正以70%的增长率而迅速发展。可以期望，再过10年或者略长的一些时间，我国不仅将成为世界微电子产业中心之一，而且将是微电子强国之一。 在高科技时代，科学技术与经济的竞争归根到底是人才竞争。人才是社会经济发展最主要的制约因素，得人才者得天下。目前，集成电路方面的专业人才变得越来越紧缺。半导体器件的相关知识作为微电子技术的基础，对于了解和掌握微电子技术有着重要的作用。为此，我所在的北京大学微电子学研究院的黄如、王漪、王金延、金海岩几位教授，共同翻译了Robert F. Pierret教授的Semiconductor Device Fundamentals一书。这是一本微电子技术方面的入门书籍，不仅可以作为微电子专业大学本科生的理想教材，也可以作为电子技术相关学科的学生和研究人员的重要参考书。 Robert F. Pierret 教授在美国普度大学电子与计算机工程学院执教多年，由他撰写的这本关于半导体器件的著作受到了广泛的欢迎，被列为美国加州大学伯克利分校、南加州大学等多所大学相关课程的教材和主要教学参考书。全书分为三个部分共19章，兼顾了相关知识的深度与广度。其中第一部分介绍了半导体基础，讲解了半导体物理方面的相关知识以及半导体制备工艺方面的基本概念；第二部分阐述了pn结、双极结型晶体管和其他结型器件的基本物理特性，并给出了相关特性的定性与定量分析；第三部分讨论了场效应器件，除了讲解基础知识之外，还分析了小尺寸器件相关的物理问题，并介绍了一些新型场效应器件。书中每一章的最后都对本章的内容进行了总结，便于读者掌握有关的重点和思路。此外，在每一部分的最后提供了一定量的补充读物，有兴趣的读者可以根据具体情况选择阅读。 本书的翻译工作是在黄如教授的组织下完成的，她翻译了书中的第16章～第19章以及第三部分补充读物和复习，并对全书的内容进行了初步统稿；王漪副教授翻译了第1章～第4章、附录A以及第一部分补充读物和复习；王金延副教授翻译了第5章～第7章、第15章以及附录B～附录D；金海岩副教授翻译了第8章～第14章以及第二部分补充读物和复习。倪学文教授、关旭东教授、赵宝瑛教授、甘学温教授、刘晓彦教授等审阅了部分译稿，参加本书翻译工作的还有卜伟海、张慧邃、王文平、王懿、王成刚。最后，全书译稿又由理论功底深厚的韩汝琦教授把关终审，因此质量有了较好的保证。由于担任翻译工作的成员毕竟都还是年轻学者，因此不妥之处在所难免，还望读者不吝赐教。 我仅以此短序祝贺他们取得的成果。 王阳元 2004年秋于北京大学 与本书的写作目的一致，大量媒体都在讨论有关“信息高速公路”的问题。目前可以预想的高速公路，即维持信息流点到点之间传输的物理链路是光纤电缆。与本书内容相关的是，在高速公路中嵌入和提取信息的导通与关断过程是通过半导体（固态）器件实现的；信息流的控制，或者说信息处理以及与人类接口的转换是由计算机完成的，而中央处理单元（CPU）、存储器和计算机中的其他主要部件又都是半导体器件。在当今世界里，半导体器件已经进入从汽车到洗衣机等几乎每一个主要系统中。 尽管有关半导体器件的研究已经开展了大约半个世纪，但是这一领域一直充满着生机与活力；而且令人欣喜的是，新器件和改进型器件正在快速地发展。当在复杂的集成电路中的器件数增加到百万量级、芯片边长以厘米为单位进行计算时，从概念上来说独立的器件已被缩小到原子尺度。对于给定的但实际无法得到的器件结构，正在人工生成其所希望的半导体性质。实际上，人们正在利用工程方法获得半导体特性，从而达到所需的器件指标。 本书应该看成是读者进入半导体器件这一诱人领域的入门教材，可供至少已学习过电场理论的大学三、四年级的学生使用。本书涵盖了大量具有代表性的器件的相关内容，但是主要强调对基础器件结构内部工作机制的基本认识。下面将详细描述本书的一些特点，以帮助读者掌握相关知识。尤其在学习起步阶段，读者可以根据下面列出的特点进行学习。 ● 基于计算机的练习和每章后面的习题（课后作业）。大多数章节包含一个或多个需要利用计算机的、基于MATLAB的练习。MATLAB是一种数学工具软件程序，可以在大多数计算机平台上运行。一个廉价的MATLAB学生版本，可用于运行所有与本书相关的文件，同样也可以在IBM兼容机及Macintosh计算机上实现。在书中给出了作为练习答案的MATLAB程序，也可以获得相应的电子版本，如下所述。在习题号前用符号“●”标识的计算机习题大约占习题总量的25%，在解答计算机习题时虽然也可以使用其他的数学工具程序来完成，但推荐使用MATLAB。由于在开始几章特别设计了一些基于计算机的练习和习题来逐渐提高用户对使用MATLAB的熟练程度，因此用户在开始本书学习时并不需要十分熟悉MATLAB。但是完成前三章中的大部分计算机练习和习题是十分重要的，这样读者不仅可以自如地使用MATLAB来完成后面章节中的练习和习题，而且可以利用前几章得到的结果。 ● 计算机程序文件。与基于计算机的练习相关的MATLAB程序文件可以通过Internet（ftp.mathworks.com中的pub/books/pierret目录下）或通过MathWorks公司提供的软盘来获得。该软盘已经被格式化，以用于IBM兼容机或Macintosh计算机。每个软盘包含两组“m文件”，分别用于4.0前版本（第一个学生版本）和4.0后版本（第二个学生版本）的MATLAB。书中列出的相关内容主要由Macintosh计算机的4.0后版本导出，除了有时会出现希腊字母之外，其他与相应的IBM兼容机得到的结果一致。 ● 补充读物和复习章节。本书可分为三个部分，每一部分的最后是补充和复习章节，其中包含可选择的/补充的阅读资料列表、前面几章引用的参考文献、术语复习一览表以及复习题和答案，复习题来自我们的闭卷和开卷考试题。 ● 只读章节。第4章、第9章、第13章和第19章被分类为“只读”章节，这些只读章节主要包含一些补充的定性分析内容，其中的两章讨论了一些最新的器件结构。为了让读者能够对这些内容产生兴趣，我们将只读章节有目的地安排在不同位置，主要是为了在内容讲解的节奏上有所变化。这几章仅包含少量的公式，没有练习，仅在所在章节的末尾安排了一些习题。从考试的角度来看，这几章可以跳过，基本上不会影响整本书内容的连续性，也可以安排为自主阅读章节。 ● 习题信息表。在每章习题前面插入了一个简洁的习题信息表，提供的信息包括：(i)习题应该在哪一节或小节后完成；(ii) 估计的习题难度，用1～5表示，其中1表示很容易，5表示很难或很花时间；(iii) 建议的分值或分值分配；(iv) 简短的习题描述。在习题号前的“●”表明是基于计算机的习题，星号表明习题的一部分解题过程要使用计算机。 ● 公式总结。第2章最基本的载流子模型公式、第3章的载流子运动方程以及书中涉及的公式分别在表2.4和表3.3中再次给出。这些表涵盖了第一部分的主要内容，对于闭卷考试，可以将其看成本书第一部分内容的复习总结。 ● 测试及数据。在介绍性的内容中有时会给出草图和理想图，但是器件特性曲线一般是在测试实验室实际测量得到的，很少是完全符合理想情况的。书中包括了来自于作者管理的本科EE实验室的详细测试结果，可以从中总结出实际情况的一些特有性质。对于测试中的一些细节信息以及其他相关的一些测试，读者可以参考Addison-Wesley出版的Semiconductor Measurement Laboratory Operations Manual一书。 ● 可选择的内容。2.1节给出了对于原子系统中能量量子化知识所需掌握的最少内容。附录A包含了更深入的有关量子化概念和其他内容的介绍，可以提供给那些希望在这方面了解更多补充内容的读者。2.1节可以由附录A代替，这不会影响整个内容的连续性。

Robert F.Pierret是美国普度大学电子与计算机工程学院的教授，1970年成为普度大学的教师并管理本科生的半导体量实验室。近年来Pierret教授在担任电子计算机工程课程委员会主席期间，对课程建设提出了一种提高总体质量的革新方法。Pierret教授还是Addison-Wesley出版的固态器件毓丛书的策划和其中四卷的作者。

关于固态器件的大学教材在过去的十年里至少已经出版了14本，为什么还要再写一本呢？尽管原因很多，但最重要的是，我们希望写出一本能结合计算机辅助学习的、适用于21世纪的教材。在最近的一次调查中，普度大学电子与计算机工程学院的大学课程委员会的成员们提出，应该把计算机实践融入学习过程中。目前在美国范围内，已经建立了强调计算机辅助学习的大学联盟。1992年1月 ，Student Edition of MATLAB一书开始发行，这本书实际上就是一个原始的MATLAB用户手册，并且配备了廉价版本的数学工具软件。第一年，这本书及相应的软件就售出了37 000多套。相继又有几个出版社出版了一系列关于MATLAB的参考书和教材，其中主要讲解了有关MATLAB软件的使用。进入21世纪以后，计算机辅助学习将会变得越来越普遍，这一发展方向已非常明确。在分析固态器件时，利用计算机能够处理更为实际的问题，可以通过“假设分析”更容易地完成实验，而且可以方便地获得图形化的输出结果。利用计算机，可以在比手工计算单个点的值少很多的时间内轻松获得完整的器件特性。 需要说明的是，本书有一部分的内容取材自Addison-Wesley出版的固态器件系列丛书（Modular Series on Solid State Devices）的卷I～卷IV。但是，本书并不是将各卷的内容简单地组合在一起，而是修改并重写了其中的大部分内容，并且在这些内容的基础上又新增了两章及一些补充小节。本书还包含了基于计算机的一部分练习以及大量的习题，同时新增了一些在“序言”中详细介绍的特点。 如同所有的工程开发一样，器件设计中处处包含了各种折中情况。本书在内容的设计上也进行了权衡考虑。例如，可以对几个主题进行详细的描述（深度），也可以对较多主题进行概述性的介绍（广度）。同样，可以强调对概念的理解，也可以介绍一些实际应用的有关知识。Addison-Wesley出版的固态器件系列丛书的卷I～卷IV就因其强调概念的深度而得到了广泛关注。本书既保留了原内容的深度，又增加了以扩展广度和扩充实际应用知识为目标的四章“只读”内容。在这些章节里，主要介绍了正在蓬勃发展的现代器件和化合物半导体器件，另外也考虑了学生的定性分析和定量分析能力的折中培养。由于使用了计算机，大大提高了定量分析能力，因此特别要注意不能忽视“直观分析”能力的培养。当然，我们并没有刻意兼顾内容的深度和广度，而是将许多内容留待以后阐述（利用另一门课程或其他的教材）。我们希望，本书在内容上已经达到了合理的折中，读者可以通过本书对固态器件的相关内容获得较为深入的理解，并且适当熟悉固态器件的分析过程。 本书适合至少学过一门电场理论相关课程的大学三、四年级的学生使用。全书共分为三个主要部分，第二部分又分为A和B两部分。在普度大学电子与计算机工程学院三、四年级的一学期课程（3学分时）中，本书这三部分的内容经过少许删节后，每个部分可用五周的时间进行授课。如果课时有限，作为阅读材料的只读部分—第4章、第9章、第13章和第19章可以不作为课程讲解的内容。（教师可以指定这些章节为自主阅读内容，并且采用出题考试的形式，学习过相关内容的学生可以获得附加分，以示奖励。）除了15.1节有关场效应的概述性介绍之外，第12章、第14章和第15章可以不纳入授课的内容，这并不会影响课程的连续性。 虽然在“序言”中完整地列出了本书的特点，但是教师还应特别注意每章习题前面的习题信息表。这些表格对给学生布置练习及进行作业评分很有帮助。本书每个部分最后一章中的复习题可作为教师制定测验题时的参考，这些复习题都出自本门课程的“开卷”和“闭卷”考试题。对于书中提供的计算机练习与习题，推荐读者使用MATLAB学生版或专业版来完成，但不做规定。本书提供给教师的练习和习题答案是用MATLAB完成的。尽管MATLAB软件对学习很有帮助，但在开始学习本书时，并不要求读者熟练掌握MATLAB。随着课程内容的不断深入，有关MATLAB方面的习题会越来越复杂，读者对MATLAB的掌握程度也会越来越深入。也就是说，一开始的练习和习题只是让读者通过使用MATLAB来学习MATLAB，但是完成前三章中的大部分计算机练习和习题是十分重要的。这样，读者不仅可以自如地使用MATLAB来完成后面章节中的练习和习题，而且可以利用前几章得到的结果。