Principles of Semiconductor Devices and Heterojunctions pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:Bart V Van Zeghbroeck

出品人:

页数:450

译者:

出版时间:2009-12-31

价格:USD 117.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780130409041

丛书系列:

图书标签:

• 半导体器件
• 异质结
• 物理
• 电子工程
• 材料科学
• 器件物理
• 半导体
• 电子学
• 固态电子学
• 异质结构

晶体管物理与集成电路基础：从本征半导体到先进结构 本书聚焦于半导体器件的物理学基础，深入探讨了电子在半导体材料中的行为、关键器件的工作原理，以及集成电路设计中必须掌握的理论知识。全书旨在为读者构建一个全面而深入的理解框架，涵盖了从基础物理模型到实际工程应用的转化过程。 --- 第一部分：半导体基础物理与输运现象 本部分是理解所有半导体器件工作特性的基石。我们从晶体结构和能带理论的严格推导入手，详细阐述了导体、绝缘体和半导体的本质区别。 第一章：晶体结构与能带理论的几何基础 晶体对称性与布拉维晶格： 深入分析硅、锗等常见半导体的晶格结构，包括面心立方（FCC）和金刚石结构，并引入倒易空间的概念。 电子能带的形成： 从紧束缚模型（Tight-Binding Model）出发，推导能带结构（导带、价带）的形成过程，计算有效质量的概念及其对电子运动的影响。 本征半导体特性： 讨论费米能级在本征材料中的位置，以及本征载流子浓度的温度依赖性，重点分析电子-空穴对的产生机制。 第二章：掺杂与载流子统计 本章聚焦于如何通过精确控制杂质浓度来调控半导体的电学性质。 杂质能级与激活能： 详细分析施主（Donor）和受主（Acceptor）杂质的能级位置，以及它们在不同温度下的电离情况。 费米-狄拉克统计与玻尔兹曼近似： 严格推导在非简并条件下的载流子浓度公式，并讨论在强掺杂或高温条件下的简并效应。 电荷中性和电场分布： 建立描述半导体内部空间电荷区（Space-Charge Region）形成的基本方程，这是理解PN结和MOS结构的基础。 第三章：半导体中的输运机制 理解载流子如何在电场和浓度梯度下运动是器件建模的核心。 漂移（Drift）电流： 详细分析电子和空穴的迁移率（Mobility），探讨晶格振动（声子散射）和杂质散射对迁移率的限制作用。引入高场效应下的速度饱和现象。 扩散（Diffusion）电流： 基于菲克第二定律和载流子连续性方程，推导扩散系数与迁移率之间的关系（爱因斯坦关系）。 复合与产生过程： 深入探讨载流子的寿命限制机制，包括俄歇复合（Auger Recombination）、辐射复合（Radiative Recombination）和缺陷辅助的 Shockley-Read-Hall (SRH) 复合。 --- 第二部分：核心半导体器件的物理模型 本部分将前述的物理学原理应用于最基本的半导体器件，建立起描述其I-V特性的数学模型。 第四章：PN结的静态与动态特性 PN结是所有现代半导体技术的基础单元。 平衡态与内建电场： 计算PN结在热平衡状态下的能带弯曲、势垒高度以及空间电荷区宽度。 偏置条件下的分析： 详细推导在正向偏置和反向偏置条件下，电流密度与电压之间的关系。重点分析正向偏置下的对数关系，以及由少数载流子注入和复合决定的电流机制。 结电容与开关速度： 分析耗尽层电容（空间电荷区电容）和扩散电容（少数载流子存储效应），并解释它们如何限制器件的开关速度。 雪崩击穿与齐纳击穿： 阐述载流子倍增效应（Avalanche Multiplication）和势垒隧穿（Zener Tunneling）的物理机制及其对器件的限制。 第五章：双极性晶体管（BJT）的工作原理 本章侧重于晶体管作为电流放大器的物理基础。 理想双极性晶体管模型： 从基区电流和集电极电流的形成过程出发，分析少子注入、扩散和收集的机制。 Ebers-Moll 模型与混合参数模型： 推导描述BJT工作特性的简化电路模型，并讨论其在不同工作区（饱和、线性、截止）的适用性。 高频响应与增益限制： 分析由于渡越时间效应（Transit Time Effects）和结电容引入的频率响应限制，引入$eta$因子的频率滚降。 衬底效应与寄生结构： 讨论实际器件中衬底（Substrate）对性能的影响，以及寄生BJT结构的存在。 第六章：金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的原理 MOSFET是现代数字电路的核心，本章对其操作的电学特性进行全面剖析。 MOS结构电容特性： 深入分析在不同栅极电压下（积累、平带、耗尽、反型）的C-V曲线，并计算氧化层和半导体层中的电容分布。 阈值电压的精确计算： 考虑费米能级偏移、表面势、氧化物电荷和源/漏掺杂浓度对阈值电压（$V_{th}$）的影响。 沟道电流模型（长沟道）： 推导线性区（欧姆区）和饱和区的跨导方程，理解栅氧化层厚度和有效迁移率对电流驱动能力的作用。 短沟道效应分析： 探讨沟道长度调制（CLM）、DIBL（漏致势垒降低）和载流子速度饱和对理想长沟道模型的修正。 --- 第三部分：先进器件结构与结型器件 本部分将视角扩展到更复杂的结构，如异质结器件和光电子器件的基础。 第七章：异质结的形成与能带对准 异质结器件的性能优势来源于材料的带隙差异。 能带的连续性条件： 引入能带图中在界面处的连续性方程，讨论肖特基势垒（Schottky Barrier）的形成机制。 键合能（Electron Affinity）与电子势： 分析不同半导体材料的电子亲和势对界面能带排布的影响。 内建电场与界面态： 讨论由于晶格失配或界面缺陷导致的界面态密度（Interface Trap Density）及其对器件性能（如界面复合速度）的负面影响。 第八章：光电器件基础原理 本章探讨半导体与光的相互作用，重点是光电流的产生与辐射过程。 光吸收与光电导： 分析光子能量与带隙之间的关系，计算吸收系数，并推导光生载流子的产生率。 光电二极管与光电导探测器： 建立描述光电流响应与光照强度之间关系的物理模型，讨论其响应速度和量子效率。 发光二极管（LED）的效率： 阐述电致发光机制，区分辐射复合与非辐射复合对器件外部量子效率（EQE）的贡献。 --- 总结与展望 本书通过对半导体材料本征物理性质的深入挖掘，结合工程上的近似与模型，为读者提供了一套完整的分析和设计工具。理解这些基本原理是应对未来半导体技术发展，如新型低功耗晶体管、先进存储器技术和更高效率光电器件挑战的关键。本书强调从第一性原理出发构建器件理解，而非仅仅依赖于黑箱模型。

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