電子材料與器件原理

前言

　　近年來，隨著電子信息技術的飛速發(fā)展，電子器件正向小型化、集成化和多功能化方向發(fā)展，新型電子材料與器件的研究因而十分活躍。電子材料與器件主要包括半導體材料與器件、功能電介質(zhì)材料與器件、磁性材料與器件、光電子材料與器件等，在電子信息技術產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著主導地位，對社會、經(jīng)濟和國防建設發(fā)展產(chǎn)生著巨大的影響。　　以硅材料和硅技術為代表的半導體材料與器件自1947年第一只晶體管發(fā)明以來，取得了令人矚目的飛速進展，為計算機和網(wǎng)絡技術的革命與進步奠定了重要基礎。目前集成電路90nm和65nm工藝已趨成熟，隨著高k柵介質(zhì)材料與技術的研究開發(fā)與應用，45nm工藝時代也已來臨，采用45nm高k金屬柵極晶體管技術生產(chǎn)的高端處理器芯片最大集成了8．2億個晶體管，相比65nm工藝實現(xiàn)了更快的晶體管切換速度、更高的內(nèi)核速度、更低的功耗和更高的集成度，未來集成電路的特征尺寸預計將達到10nm的極限。功能電介質(zhì)材料具有電、磁、光、熱及其耦合的機電、磁電、電光等豐富多樣的功能，基于功能電介質(zhì)材料的電子元器件的發(fā)展極大地促進了現(xiàn)代信息和電子技術的進步，例如上世紀20年代中葉，Ni-Zn、Mn-Zn鐵氧體的發(fā)現(xiàn)，引導了電感線圈器件的變革，使電話和無線電技術進入了新的階段；“二戰(zhàn)”期間發(fā)明的高介電BaTiO3基陶瓷，使得電容器及相關技術產(chǎn)生了變革，形成了規(guī)模龐大的電子元件產(chǎn)業(yè)；壓電陶瓷材料的發(fā)展深刻地改變了包括傳感器技術、超聲技術、表面波通信技術、精密定位技術等一系列工業(yè)技術；小型化的氧化物陶瓷微波元器件的出現(xiàn)使當今無線移動通信得以飛速增長。

內(nèi)容概要

本書全面而系統(tǒng)地闡述了電子材料與器件的基礎理論和各類功能材料與器件的原理和性能。全書分為上、下兩冊：上冊為理論篇，主要闡述電子材料與器件涉及的基礎理論。內(nèi)容包括材料科學基礎概論、固體中的電導和熱導、量子物理基礎和現(xiàn)代固體理論；下冊為應用篇，主要討論各種功能材料與器件的原理與性能，內(nèi)容包括半導體、半導體器件、電介質(zhì)材料與絕緣、磁性與超導性、材料的光學特性等專題?！　”緯m合作為高等院校電子科學與工程、電氣科學與工程、材料科學、應用物理、計算機、信息處理、自動控制等相關學科的高年級本科生或研究生的專業(yè)課程教材，也可作為相關領域的科學家、工程師和高校師生的參考用書。

作者簡介

薩法·卡薩普（S.O.Kasap），是加拿大薩斯喀徹溫大學（University of Saskatchewan）電氣工程系教授以及加拿大電子材料與器件首席科學家（Canada Research Chair）。他于1976年、1978年和1983年在倫敦大學帝國理工學院（Imperial College of Science。Technology and Medicin

書籍目錄

譯者序前言下冊（應用篇）目錄　第5章 半導體　　5.1 本征半導體　　　5.1.1 硅晶體與能帶圖　　　5.1.2 電子與空穴　　　5.1.3 半導體的電導　　　5.1.4 電子與空穴的濃度　　5.2 非本征半導體　　　5.2.1 n型摻雜　　　5.2.2 p型摻雜　　　5.2.3 補償摻雜　　5.3 電導率與溫度的關系　　　5.3.1 載流子濃度與溫度的關系　　　5.3.2 漂移遷移率及其與溫度和雜質(zhì)的關系　　　5.3.3 電導率與溫度的關系　　　5.3.4 簡并半導體與非簡并半導體　　5.4 復合與少數(shù)載流子注入　　　5.4.1 直接復合與間接復合　　　5.4.2 少數(shù)載流子壽命　　5.5 擴散方程、電導方程與無規(guī)則運動　　5.6 連續(xù)方程　　　5.6.1 與時間有關的連續(xù)方程　　　5.6.2 穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程　　5.7 光吸收　　5.8 壓阻性　　5.9 肖特基結(jié)　　　5.9.1 肖特基二極管　　　5.9.2 肖特基太陽能電池　　5.10 歐姆接觸與熱電制冷機　　5.11 直接帶隙與間接帶隙的半導體　　5.12 間接復合　　5.13 非晶態(tài)半導體　第6章 半導體器件　　6.1 理想pn結(jié)　　　6.1.1 無偏壓：開路　　　6.1.2 正偏：擴散電流　　　6.1.3 正偏：復合和總電流　　　6.1.4 反向偏壓　　6.2 pn結(jié)能帶圖　　　6.2.1 開路　　　6.2.2 iE偏和反偏　　6.3 pn結(jié)的耗盡層電容　　6.4 擴散（存儲）電容和動態(tài)電阻　　6.5 反向擊穿：雪崩擊穿和齊納擊穿　　　6.5.1 雪崩擊穿　　　6.5.2 齊納擊穿　　6.6 雙極晶體管　　　6.6.1 共基極直流特性　　　6.6.2 共基極放大器　　　6.6.3 共射極直流特性　　　6.6.4 低頻小信號模型　　……第7章 電介質(zhì)材料和絕緣第8章 磁性和超導性第9章 材料的光學特性附錄A 布喇格衍射定律與X射線衍射附錄B 通量、光通量和輻射亮度附錄C 主要符號和縮寫附錄D 元素特性（氫至鈾）附錄E 一些常數(shù)和有用的資料

章節(jié)摘錄

　　下冊（應用篇）目錄　　第5章 半導體　　本章中我們將對本征與非本征半導體的性質(zhì)建立基本的認識。盡管我們討論的大部分內(nèi)容和實例是基于Si材料，但其思想適用于Ge材料和GaAs，InP以及其它化合物半導體。我們所說的本征硅是指理想的、無缺陷的硅單晶，它沒有任何的雜質(zhì)或晶體缺陷（例如位錯和晶粒邊界）。因此，該晶體中的硅原子以金剛石結(jié)構(gòu)的形式完整地相互鍵合。在溫度高于絕對零度的條件下，晶格中的硅原子將按照一種能量分布產(chǎn)生振動。盡管這種振動的平均能量至多為3kT，振動的硅原子并不能破壞它們之間的鍵合，但某些區(qū)域的少數(shù)晶格振動仍然可以具有足夠的能量使硅原子之間的鍵合斷裂。一個鍵一旦被破壞，就會產(chǎn)生一個“自由電子”，它在晶體中作無規(guī)則運動，在電場的作用下能參與導電。這個破壞的鍵失去了一個電子，因而該處帶正電；由于失去電子而在鍵中留下的空位被稱為空穴。鄰近鍵的電子能容易地隧穿到這個斷鍵并填充空穴，于是有效地產(chǎn)生了空穴向隧穿電子原來地方的轉(zhuǎn)移。因此，通過鄰近鍵的電子的隧穿，空穴也可以自由地在晶體中作無規(guī)則運動，也可以在外加電場作用下參與電導。在本征半導體中，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)等于空穴數(shù)（斷裂的價鍵數(shù)）。在非本征半導體中，半導體添加了雜質(zhì)，雜質(zhì)可以提供額外的電子或空穴。例如在Si中摻砷（As），每個砷原子起施主的作用，為晶體提供一個自由電子。因為這些電子不是來自斷裂的鍵，電子與空穴的數(shù)目在非本征半導體中是不相等的，本例中摻砷的Si將具有過量的電子。這種硅晶體稱為n型Si，因為導電主要是由電子的運動產(chǎn)生的。如果摻雜（例如摻硼）而使空穴的濃度超過電子的濃度，也可以得到P型si。

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