本書根據教育部新的課程改革要求,在已取得多項教學改革成果的基礎上進行編寫。內容主要包括半導體物理和晶體管原理兩部分,其中,第1章介紹半導體材料特性,第2~3章係統闡述PN結和雙極型晶體管,第4~5章係統闡述半導體錶麵特性和MOS型晶體管,第6章介紹其他幾種常用的半導體器件。全書結閤高等職業院校的教學特點,側重於物理概念與物理過程的描述,並在各章節設有操作實驗和仿真實驗,內容與企業生産實踐相結閤,適當配置工藝和版圖方麵的知識,以方便開展教學。本書為高等職業本專科院校相應課程的教材,也可作為開放大學、成人教育、自學考試、中職學校、培訓班的教材,以及半導體行業工程技術人員的參考書。本書提供免費的電子教學課件、習題參考答案等資源,相關介紹詳見前言。
目 錄
第1章 半導體特性 1
1.1 半導體的晶體結構 2
1.1.1 晶體的結構 2
1.1.2 晶麵與晶嚮 3
1.2 半導體中的電子狀態 4
1.2.1 能級與能帶 4
1.2.2 本徵半導體的導電機製 7
1.3 雜質與缺陷 8
1.3.1 雜質與雜質能級 8
1.3.2 缺陷與缺陷能級 11
實驗1 晶體缺陷的觀測 12
1.4 熱平衡載流子 13
1.4.1 費米能級與載流子濃度 14
1.4.2 本徵半導體的載流子濃度 17
1.4.3 雜質半導體的載流子濃度 18
1.5 非平衡載流子 19
1.5.1 非平衡載流子的注入 19
1.5.2 非平衡載流子的復閤 20
實驗2 高頻光電導衰減法測量矽中少子壽命 21
1.5.3 復閤機製 24
1.6 載流子的運動 25
1.6.1 載流子的漂移運動與遷移率 26
1.6.2 載流子的擴散運動與愛因斯坦關係 29
知識梳理與總結 33
思考題與習題1 35
第2章 PN結 36
2.1 平衡PN結 37
2.1.1 PN結的形成與雜質分布 37
2.1.2 PN結的能帶圖 38
2.1.3 PN結的接觸電勢差與載流子分布 39
2.2 PN結的直流特性 41
2.2.1 PN結的正嚮特性 41
2.2.2 PN結的反嚮特性 45
實驗3 PN結伏安特性與溫度效應 46
2.2.3 影響PN結伏安特性的因素 47
2.3 PN結電容 49
2.3.1 PN結電容的成因及影響 49
2.3.2 突變結的勢壘電容 50
實驗4 PN結勢壘電容的測量 53
2.3.3 擴散電容 54
2.4 PN結的擊穿特性 55
2.4.1 擊穿機理 55
2.4.2 雪崩擊穿電壓 57
2.4.3 影響雪崩擊穿電壓的因素 58
2.5 PN結的開關特性 60
2.5.1 PN結的開關作用 60
2.5.2 PN結的反嚮恢復時間 61
知識梳理與總結 63
思考題與習題2 63
第3章 雙極晶體管及其特性 65
3.1 晶體管結構與工作原理 66
3.1.1 晶體管的基本結構與雜質分布 66
3.1.2 晶體管的電流傳輸 68
3.1.3 晶體管的直流電流放大係數 70
3.2 晶體管的直流特性 75
3.2.1 晶體管的伏安特性麯綫 75
仿真實驗1 共發射極晶體管伏安特性仿真 76
實驗5 半導體管特性圖示儀測試晶體管的特性麯綫 80
3.2.2 晶體管的反嚮電流 81
3.2.3 晶體管的擊穿電壓 82
仿真實驗2 BVCEO仿真 83
實驗6 晶體管直流參數測量 85
3.2.4 晶體管的穿通電壓 87
3.3 晶體管的頻率特性 87
3.3.1 晶體管頻率特性和高頻等效電路 88
3.3.2 高頻時晶體管電流放大係數下降的原因 89
3.3.3 晶體管的電流放大係數 92
3.3.4 晶體管的極限頻率參數 93
3.4 晶體管的功率特性 96
3.4.1 大電流工作時産生的三個效應 96
3.4.2 晶體管的最大耗散功率和熱阻 100
3.4.3 功率晶體管的安全工作區 101
3.5 晶體管的開關特性 103
3.5.1 晶體管的開關作用 103
3.5.2 開關晶體管的工作狀態 103
3.5.3 晶體管的開關過程 105
3.5.4 提高晶體管開關速度的途徑 108
3.6 晶體管的版圖和工藝流程 109
3.6.1 晶體管的圖形結構 109
3.6.2 雙極晶體管的工藝流程 111
知識梳理與總結 113
思考題與習題3 114
第4章 半導體的錶麵特性 116
4.1 半導體錶麵與Si-SiO2係統 117
4.1.1 理想的半導體錶麵 117
4.1.2 Si-SiO2係統及其特性 118
4.1.3 半導體製造工藝中對錶麵的處理――清洗與鈍化 121
4.2 錶麵空間電荷區與錶麵勢 122
4.2.1 錶麵空間電荷區 122
4.2.2 錶麵勢?S 125
4.3 MOS結構的閾值電壓 127
4.3.1 理想MOS結構的閾值電壓 127
4.3.2 實際MOS結構的閾值電壓 129
4.3.3 MOS結構的應用――電荷耦閤器件 133
4.4 MOS結構的C-V特性 136
4.4.1 集成化電容的選擇――MOS電容 136
4.4.2 理想MOS電容的C-V特性 136
4.4.3 實際MOS電容的C-V特性 139
實驗7 MOS電容的測量 141
4.5 金屬與半導體接觸 143
4.5.1 金屬?半導體接觸 143
4.5.2 肖特基勢壘與整流接觸 144
4.5.3 歐姆接觸 146
4.5.4 金屬?半導體接觸的應用――肖特基勢壘二極管(SBD) 147
實驗8 SBD(肖特基)二極管伏安特性的測量 148
知識梳理與總結 149
思考題與習題4 150
第5章 MOS型場效應晶體管 151
5.1 MOS型晶體管的結構與分類 152
5.1.1 MOS型晶體管的結構與工作原理 152
5.1.2 MOS型晶體管的分類 155
5.1.3 MOS型晶體管的基本特徵 156
5.1.4 集成MOS型晶體管與分立器件MOS型晶體管的異同 157
5.2 MOS型晶體管的閾值電壓 158
5.2.1 MOS型晶體管閾值電壓的定義 158
5.2.2 理想情況下MOS型晶體管閾值電壓的錶達式 158
5.2.3 影響MOS型晶體管閾值電壓的各種因素 159
仿真實驗3 MOS型晶體管閾值電壓仿真 163
實驗9 MOS型晶體管閾值電壓VT的測量 167
5.3 MOS型晶體管的輸齣伏安特性與直流參數 169
5.3.1 MOS型晶體管的輸齣伏安特性 169
5.3.2 MOS型晶體管的輸齣伏安特性方程 172
5.3.3 影響MOS型晶體管輸齣伏安特性的一些因素 175
仿真實驗4 MOS型晶體管輸齣伏安特性麯綫仿真 176
實驗10 MOS型晶體管輸齣伏安特性麯綫的測量 181
5.3.4 MOS型晶體管的直流參數 182
5.3.5 MOS型晶體管的溫度特性與柵保護 183
5.4 MOS型晶體管頻率特性與交流小信號參數 185
5.4.1 MOS型晶體管的交流小信號等效電路 185
5.4.2 MOS型晶體管的交流小信號參數 186
5.4.3 MOS型晶體管的最高工作頻率fm 187
5.4.4 MOS型晶體管開關 189
5.5 MOS型晶體管版圖及其結構特徵 189
5.5.1 小尺寸集成MOS型晶體管的版圖(橫嚮結構) 189
5.5.2 小尺寸集成MOS型晶體管的剖麵結構(縱嚮結構) 192
5.5.3 按比例縮小設計規則 193
5.6 小尺寸集成MOS型晶體管的幾個效應 195
5.6.1 短溝道效應 196
5.6.2 窄溝道效應 196
5.6.3 熱電子效應 197
知識梳理與總結 199
思考題與習題5 199
第6章 其他常用半導體器件 200
6.1 達林頓晶體管 201
6.2 功率MOS型晶體管 202
6.2.1 功率MOS型晶體管的種類 203
6.2.2 功率MOS型晶體管的版圖結構與製造工藝 204
6.3 絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 206
6.3.1 IGBT的結構與伏安特性 206
6.3.2 IGBT的工作原理 207
6.4 發光二極管(LED) 209
6.4.1 LED發光原理 210
6.4.2 LED的結構與種類 210
6.4.3 LED的量子效率 212
6.5 太陽能電池 212
6.5.1 PN結的光生伏特效應 213
6.5.2 太陽能電池的I-V特性和效率 213
6.5.3 PERL太陽能電池 214
6.5.4 非晶矽太陽能電池 214
6.6 結型場效應晶體管(JFET) 215
6.6.1 JFET的結構 215
6.6.2 JFET的工作原理 216
6.6.3 JFET的輸齣特性 217
6.7 晶閘管 218
6.7.1 晶閘管的基本結構和特性 218
6.7.2 晶閘管的工作原理 219
6.7.3 雙嚮晶閘管 221
知識梳理與總結 222
思考題與習題6 222
附錄A XJ4810型半導體管特性圖示儀麵闆功能 223
附錄B 擴散結電容和勢壘寬度的計算麯綫 226
附錄C 矽擴散層錶麵雜質濃度與擴散層平均電導率的關係麯綫 228
參考文獻 236
近幾年,我國集成電路産業得到快速發展,已經形成瞭IC設計、製造、封裝、測試及支撐配套業等較為完善的産業鏈格局,成為全球半導體産業關注的焦點。同時,適閤集成電路産業發展的高技能應用型人纔相對匱乏,産業技能人纔的需求十分緊迫。目前,不少高職院校設置瞭“半導體器件物理”等核心課程,但實操性強且適閤高職院校學生的教材較少。現有成熟教材的特點是基礎知識點的理論性強、數學推導繁雜、內容覆蓋麵太廣,不利於技術技能型人纔的培養。
本書根據教育部新的課程改革要求,在已取得多項教學改革成果的基礎上進行編寫。本書為江蘇高校微電子技術品牌專業建設工程資助項目成果(編號PPZY2015B190)。全書結閤高等職業院校的教學特點,側重於物理概念與物理過程的描述,內容敘述力求重點突齣、條理分明、深入淺齣、圖文並茂,簡化數學推導,並在各章節設有操作實驗和仿真實驗,內容與企業生産實踐相結閤,適當配置工藝和版圖方麵的知識,以方便開展教學。
本書內容主要包括半導體物理和晶體管原理兩部分,其中,第1章介紹半導體材料特性,第2~3章係統闡述PN結和雙極型晶體管,第4~5章係統闡述半導體錶麵特性和MOS型晶體管,第6章介紹其他幾種常用的半導體器件。本課程的參考學時為68~96學時,各校可根據不同的教學環境和專業要求進行適當的內容取捨與安排。
本書由江蘇信息職業技術學院徐振邦副教授擔任主編,陸建恩擔任副主編。具體編寫分工為:第1~3章和第6.4、6.5節由徐振邦編寫,第4~5章和第6.7節由陸建恩編寫,第6.1、6.2、6.3、6.6節和各章所有的仿真實驗由黃瑋編寫,書中的操作實驗由袁琦睦編寫並繪製瞭部分插圖。全書由江蘇信息職業技術學院孫萍教授主審。
本書在編寫過程中參考瞭一些優秀的著作和資料,汲取瞭其中的部分精華內容,另外還得到瞭電子工業齣版社的大力支持,在此一並錶示誠摯的謝意。
由於作者水平有限,書中難免存在錯漏之處,懇請專傢和讀者批評指正。
本書配有免費的電子教學課件與習題參考答案等資源,請有此需要的教師登錄華信教育資源網(http://www.hxedu.com.cn)免費注冊後再進行下載。直接掃一掃書中的二維碼可閱覽更多的立體化教學資源。如有問題請在網站留言或與電子工業齣版社聯係(E-mail:hxedu@phei.com.cn)。
編者
我原本以為這會是一本枯燥的教科書,沒想到它讀起來卻如此引人入勝。作者的寫作風格非常獨特,他沒有采用那種冰冷、專業的學術腔調,而是用一種非常親切、甚至帶著點幽默的口吻來講述半導體器件的原理。我尤其喜歡書中穿插的一些曆史故事,講述瞭半導體技術發展過程中那些充滿智慧與勇氣的科學傢們的故事,這讓我對這項技術有瞭更深的感情。書中的圖示也做得非常精美,每一個插圖都恰到好處地解釋瞭復雜的概念,讓我這個視覺型學習者受益匪淺。我曾嘗試過閱讀其他相關的技術書籍,但往往讀瞭幾頁就因為專業術語太多而放棄,但這本書完全沒有這個問題,它就像一位循循善誘的老師,耐心引導我一步步深入。而且,它不僅僅是講述“是什麼”,更重要的是解釋瞭“為什麼”,讓我能夠理解背後的邏輯和設計思想。這本書讓我覺得,原來枯燥的技術也能變得如此有趣和富有魅力。
評分老實說,我是一個對物理科學知之甚少的讀者,所以抱著試試看的心態翻開瞭這本書。令我非常意外的是,它並沒有讓我感到被知識的洪流淹沒,反而像一場精心策劃的發現之旅。作者的敘述方式極其引人入勝,他善於將復雜的概念分解成一個個易於理解的小單元,並通過層層遞進的方式構建起完整的知識體係。我從未想過,像“能帶”這樣的抽象概念,也能被描繪得如此生動形象。書中反復強調瞭實驗的重要性,並引用瞭大量經典的實驗案例,讓我深刻體會到理論與實踐相結閤的力量。讀這本書的過程中,我多次停下來思考,並且嘗試著去復現一些簡單的概念,這種互動式的閱讀體驗讓我對知識的掌握更加牢固。這本書讓我覺得,學習科學知識並非遙不可及,隻要方法得當,每個人都能從中獲得樂趣和啓發。
評分這本書簡直是打開瞭我對信息世界的全新認知!我一直以為半導體隻是手機、電腦裏的一個小小零件,但讀完這本書,我纔發現它裏麵蘊含著如此深刻的物理原理。書中的概念講解非常到位,從最初的晶體管結構,到復雜的邏輯門電路,再到集成電路的設計,層層遞進,讓我這個門外漢也能逐漸理解那些看似高深的知識。尤其是對於“載流子”的解釋,作者用瞭非常形象的比喻,讓抽象的物理概念變得生動起來,我感覺自己就像是在跟著作者一起探索微觀世界的奧秘。書中涉及的數學公式和推導雖然不少,但作者都做瞭詳細的解釋,並且給齣瞭很多實際的應用案例,讓我看到瞭這些理論是如何支撐起我們日常生活中無處不在的電子設備的。讀這本書的過程,與其說是在學習,不如說是一種智力上的探險,每一次理解一個新概念,都像是在解開一個謎題,讓我成就感滿滿。總而言之,這是一本能讓你對科技産生敬畏之心,並且充滿探索欲的書籍。
評分這本書的深度和廣度都超乎我的想象。它不僅僅是介紹半導體器件的基本原理,更是深入探討瞭各種不同類型的半導體材料、製造工藝以及器件的性能優化。作者在描述 PN 結、MOSFET 等關鍵器件時,不僅解釋瞭其工作機製,還詳細分析瞭各種影響因素,比如摻雜濃度、電場分布等等,這對於我理解器件的實際應用和性能瓶頸非常有幫助。我特彆喜歡書中關於“結溫”和“擊穿電壓”的章節,這些內容對於設計和選擇閤適的器件至關重要,作者的講解清晰易懂,並提供瞭實用的參考數據。更讓我驚喜的是,書中還涉及瞭一些前沿的半導體技術,比如納米級彆的器件以及量子效應在半導體中的應用,這讓我對未來的技術發展充滿瞭期待。這本書讓我意識到,半導體領域的研究是一個非常龐大且不斷發展的體係,它需要紮實的理論基礎和持續的創新精神。
評分這本書的內容實在太紮實瞭!它就像一本寶藏,每一次翻閱都能有新的發現。我特彆欣賞作者在分析半導體器件的可靠性方麵所花費的篇幅。他不僅列舉瞭各種可能導緻器件失效的因素,比如熱應力、電遷移、靜電損傷等等,還給齣瞭相應的防護措施和設計建議。這對於我們這些從事電子産品開發的人來說,簡直是無價之寶。書中對各種測試方法和標準也有詳細的介紹,讓我能夠更好地理解産品質量的衡量標準。而且,作者的邏輯非常嚴謹,每一部分的論述都建立在前麵紮實的基礎之上,不會齣現跳躍或遺漏。雖然有些章節涉及到復雜的建模和仿真,但作者都提供瞭清晰的講解和易於理解的算法描述,讓我能夠跟隨他的思路去理解。總而言之,這是一本值得反復研讀的專業書籍,它能夠極大地提升我對半導體器件的理解深度和工程應用能力。
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