Vật lý và thiết bị bán dẫn: Nguyên lý cơ bản, Phiên bản thứ 4

Khám phá nguyên lý cơ bản của vật lý và thiết bị bán dẫn trong ấn bản thứ 4. Tài liệu hữu ích cho sinh viên và chuyên gia trong ngành.

Trường đại học

University of New Mexico

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

textbook

2012

784
2
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN MỞ ĐẦU: CHẤT BÁN DẪN VÀ MẠCH TÍCH HỢP

1. CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CHẤT RẮN

1.1. Các loại chất rắn

1.2. Mạng không gian

1.2.1. Ô nguyên thủy và ô cơ sở

1.2.2. Các cấu trúc tinh thể cơ bản

1.2.3. Mặt phẳng tinh thể và chỉ số Miller

1.2.4. Các hướng trong tinh thể

1.3. Cấu trúc kim cương

1.4. Liên kết nguyên tử

1.5. Sai hỏng và tạp chất trong chất rắn

1.5.1. Sai hỏng trong chất rắn

1.5.2. Tạp chất trong chất rắn

1.6. Nuôi cấy vật liệu bán dẫn

1.6.1. Nuôi cấy từ pha nóng chảy

2. CHƯƠNG 2: NHẬP MÔN CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

2.1. Các nguyên lý của cơ học lượng tử

2.1.1. Lưỡng tính sóng - hạt

2.1.2. Nguyên lý bất định

2.2. Phương trình sóng Schrödinger

2.2.1. Phương trình sóng

2.2.2. Ý nghĩa vật lý của hàm sóng

2.2.3. Các điều kiện biên

2.3. Ứng dụng của phương trình sóng Schrödinger

2.3.1. Electron trong không gian tự do

2.3.2. Giếng thế vô hạn

2.3.3. Hàm thế bậc thang

2.3.4. Rào thế và hiệu ứng xuyên hầm

2.4. Mở rộng lý thuyết sóng cho nguyên tử

2.4.1. Nguyên tử một electron

2.4.2. Bảng tuần hoàn

3. CHƯƠNG 3: NHẬP MÔN LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ CỦA CHẤT RẮN

3.1. Các dải năng lượng cho phép và bị cấm

3.1.1. Sự hình thành các dải năng lượng

3.1.2. Mô hình Kronig–Penney

3.1.3. Giản đồ không gian k

3.2. Sự dẫn điện trong chất rắn

3.2.1. Dải năng lượng và mô hình liên kết

3.2.2. Dòng trôi

3.2.3. Khối lượng hiệu dụng của electron

3.2.4. Khái niệm lỗ trống

3.2.5. Kim loại, chất cách điện và chất bán dẫn

3.3. Mở rộng sang không gian ba chiều

3.3.1. Giản đồ không gian k của Si và GaAs

3.3.2. Các khái niệm bổ sung về khối lượng hiệu dụng

3.4. Hàm mật độ trạng thái

3.4.1. Dẫn xuất toán học

3.4.2. Mở rộng cho chất bán dẫn

3.5. Cơ học thống kê

3.5.1. Các định luật thống kê

3.5.2. Hàm xác suất Fermi–Dirac

3.5.3. Hàm phân bố và mức năng lượng Fermi

4. CHƯƠNG 4: CHẤT BÁN DẪN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG NHIỆT

4.1. Hạt mang điện trong chất bán dẫn

4.1.1. Phân bố cân bằng của electron và lỗ trống

4.1.2. Các phương trình n0 và p0

4.1.3. Nồng độ hạt mang điện riêng

4.1.4. Vị trí mức Fermi riêng

4.2. Nguyên tử tạp chất và các mức năng lượng

4.2.1. Năng lượng ion hóa

4.2.2. Bán dẫn nhóm III–V

4.3. Chất bán dẫn không nguyên chất

4.3.1. Phân bố cân bằng của electron và lỗ trống

4.3.2. Tích phân Fermi–Dirac

4.3.3. Bán dẫn suy biến và không suy biến

4.4. Thống kê của Donor và Acceptor

4.4.1. Ion hóa hoàn toàn và hiệu ứng đông đặc hạt tải

4.4.2. Nồng độ electron và lỗ trống cân bằng

4.5. Vị trí mức năng lượng Fermi

4.5.1. Sự thay đổi của EF theo nồng độ pha tạp và nhiệt độ

4.5.2. Ý nghĩa của năng lượng Fermi

5. CHƯƠNG 5: CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN HẠT MANG ĐIỆN

5.1. Dòng trôi và mật độ dòng trôi

5.1.1. Mật độ dòng trôi

5.1.2. Độ bão hòa vận tốc

5.2. Dòng khuếch tán

5.2.1. Mật độ dòng khuếch tán

5.2.2. Mật độ dòng tổng cộng

5.3. Phân bố tạp chất biến đổi

5.3.1. Điện trường cảm ứng

5.3.2. Hệ thức Einstein

5.4. Hiệu ứng Hall

6. CHƯƠNG 6: CÁC HẠT MANG ĐIỆN DƯ KHÔNG CÂN BẰNG TRONG CHẤT BÁN DẪN

6.1. Sinh và tái hợp hạt mang điện

6.1.1. Chất bán dẫn ở trạng thái cân bằng

6.1.2. Quá trình sinh và tái hợp hạt mang điện dư

6.2. Các đặc tính của hạt mang điện dư

6.2.1. Các phương trình khuếch tán phụ thuộc thời gian

6.2.2. Dẫn xuất phương trình truyền dẫn lưỡng cực

6.2.3. Giới hạn pha tạp ngoài và mức kích nạp thấp

6.2.4. Ứng dụng của phương trình truyền dẫn lưỡng cực

6.2.5. Hằng số thời gian hồi phục điện môi

6.3. Thí nghiệm Haynes–Shockley

6.4. Các mức năng lượng Quasi-Fermi

6.5. Thời gian sống của hạt mang điện dư

6.5.1. Lý thuyết tái hợp Shockley–Read–Hall

6.5.2. Giới hạn pha tạp ngoài và mức kích nạp thấp

6.6. Hiệu ứng bề mặt

6.6.1. Dòng sinh – tái hợp

6.6.2. Vận tốc tái hợp bề mặt

7. CHƯƠNG 7: CHUYỂN TIẾP PN

7.1. Cấu trúc cơ bản của chuyển tiếp pn

7.2. Trạng thái không phân cực

7.2.1. Rào thế tích hợp

7.2.2. Độ rộng vùng điện tích không gian

7.3. Phân cực ngược

7.3.1. Độ rộng vùng điện tích không gian và điện trường

7.3.2. Chuyển tiếp một phía

7.4. Chuyển tiếp pha tạp không đồng nhất

7.4.1. Chuyển tiếp phân bố tuyến tính

8. CHƯƠNG 8: DIODE CHUYỂN TIẾP PN

8.1. Dòng điện qua chuyển tiếp pn

8.1.1. Mô tả định tính dòng điện tích trong chuyển tiếp pn

8.1.2. Quan hệ dòng điện – điện áp lý tưởng

8.1.3. Phân bố hạt mang điện thiểu số

8.1.4. Dòng điện chuyển tiếp pn lý tưởng

8.1.5. Tóm tắt các hiện tượng vật lý

8.1.6. Diode "ngắn"

8.2. Dòng sinh – tái hợp và các mức kích nạp cao

8.2.1. Dòng sinh – tái hợp

8.2.2. Kích nạp mức cao

8.3. Mô hình tín hiệu nhỏ của chuyển tiếp pn

8.3.1. Dẫn nạp tín hiệu nhỏ

8.3.2. Mạch tương đương

8.4. Tích trữ điện tích và quá trình quá độ của diode

8.4.1. Quá trình quá độ tắt

8.4.2. Quá trình quá độ mở

8.5. Diode xuyên hầm

9. CHƯƠNG 9: TIẾP XÚC KIM LOẠI – BÁN DẪN VÀ DỊ THỂ BÁN DẪN

9.1. Diode rào cản Schottky

9.1.1. Các đặc tính chuyển tiếp lý tưởng

9.1.2. Các hiệu ứng phi lý tưởng lên độ cao rào cản

9.1.3. Quan hệ dòng điện – điện áp

9.1.4. So sánh giữa Diode rào Schottky và Diode chuyển tiếp pn

9.2. Tiếp xúc Ohmic kim loại – bán dẫn

9.2.1. Rào cản không chỉnh lưu lý tưởng

9.2.2. Rào cản xuyên hầm

9.2.3. Điện trở tiếp xúc riêng

9.3. Dị thể bán dẫn

9.3.1. Giản đồ dải năng lượng

9.3.2. Khí electron hai chiều

9.3.3. Các đặc tính dòng điện – điện áp

10. CHƯƠNG 10: CƠ SỞ CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG KIM LOẠI – OXIT – BÁN DẪN (MOSFET)

10.1. Cấu trúc MOS hai cực

10.1.1. Giản đồ dải năng lượng

10.1.2. Độ dày lớp nghèo

10.1.3. Mật độ điện tích bề mặt

10.1.4. Hiệu công thoát

10.1.5. Điện áp dải phẳng

10.2. Đặc tính điện dung – điện áp

10.2.1. Đặc tính C–V lý tưởng

10.2.2. Ảnh hưởng của điện tích cố định trong oxit và điện tích mặt phân giới

10.3. Nguyên lý hoạt động cơ bản của MOSFET

10.3.1. Quan hệ dòng điện – điện áp: Khái niệm

10.3.2. Quan hệ dòng điện – điện áp: Dẫn xuất toán học

10.3.3. Độ hỗ dẫn

10.3.4. Ảnh hưởng của phân cực đế

10.4. Giới hạn tần số và mạch tương đương

10.4.1. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

10.4.2. Các yếu tố giới hạn tần số và tần số cắt

10.5. Công nghệ CMOS

11. CHƯƠNG 11: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG KIM LOẠI – OXIT – BÁN DẪN: CÁC KHÁI NIỆM NÂNG CAO

11.1. Các hiệu ứng phi lý tưởng

11.1.1. Dẫn truyền dưới ngưỡng

11.1.2. Điều chế độ dài kênh

11.1.3. Độ bão hòa vận tốc

11.1.4. Truyền dẫn đạn đạo

11.2. Thu nhỏ kích thước MOSFET

11.2.1. Thu nhỏ kích thước theo điện trường không đổi

11.2.2. Điện áp ngưỡng — Các xấp xỉ bậc nhất

11.3. Điều chỉnh điện áp ngưỡng

11.3.1. Các hiệu ứng kênh ngắn

11.3.2. Các hiệu ứng kênh hẹp

11.4. Các đặc tính điện bổ sung

11.4.1. Transistor có cực máng pha tạp nhẹ (LDD)

11.4.2. Điều chỉnh ngưỡng bằng cấy ghép ion

11.5. Các hiệu ứng bức xạ và electron nóng

11.5.1. Điện tích oxit do bức xạ sinh ra

11.5.2. Trạng thái mặt phân giới do bức xạ sinh ra

11.5.3. Các hiệu ứng tích điện do electron nóng

12. CHƯƠNG 12: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

12.1. Hoạt động của Transistor lưỡng cực

12.1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

12.1.2. Quan hệ dòng điện transistor đơn giản hóa — Thảo luận định tính

12.1.3. Các chế độ hoạt động

12.1.4. Khuếch đại với transistor lưỡng cực

12.2. Phân bố hạt mang điện thiểu số

12.2.1. Chế độ tích cực thuận

12.2.2. Các chế độ hoạt động khác

12.3. Các dòng điện transistor và hệ số khuếch đại dòng bazơ chung tần số thấp

12.3.1. Các yếu tố đóng góp vào hệ số khuếch đại dòng

12.3.2. Dẫn xuất các thành phần dòng điện và các hệ số khuếch đại dòng

12.3.3. Ví dụ tính toán các hệ số khuếch đại

12.4. Các hiệu ứng phi lý tưởng

12.4.1. Điều chế độ rộng bazơ

12.4.2. Thu hẹp độ rộng vùng cấm cực phát

12.4.3. Pha tạp bazơ không đồng nhất

12.4.4. Điện áp đánh thủng

12.5. Các mô hình mạch tương đương

12.5.1. Mô hình Ebers–Moll

12.5.2. Mô hình Gummel–Poon

12.5.3. Mô hình Hybrid-Pi

12.6. Giới hạn tần số

12.6.1. Các yếu tố trễ thời gian

12.6.2. Tần số cắt của transistor

12.7. Đóng ngắt tín hiệu lớn

12.7.1. Các đặc tính đóng ngắt

12.7.2. Transistor kẹp Schottky

12.8. Các cấu trúc transistor lưỡng cực khác

12.8.1. BJT cực phát đa tinh thể

12.8.2. Transistor bazơ Silicon–Germanium

12.8.3. Transistor lưỡng cực dị thể (HBT)

13. CHƯƠNG 13: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG CHUYỂN TIẾP (JFET)

13.1. Hoạt động cơ bản của pn JFET

13.2. Hoạt động cơ bản của MESFET

13.3. Các đặc tính của linh kiện

13.3.1. Điện áp thắt nội, điện áp thắt và điện áp bão hòa máng - nguồn

13.3.2. Quan hệ dòng điện – điện áp một chiều lý tưởng — JFET chế độ nghèo

13.4. Các hiệu ứng phi lý tưởng

13.4.1. Điều chế độ dài kênh

13.4.2. Các hiệu ứng bão hòa vận tốc

13.4.3. Các hiệu ứng dòng cực cổng và dưới ngưỡng

13.5. Mạch tương đương và giới hạn tần số

13.5.1. Mạch tương đương tín hiệu nhỏ

13.5.2. Các yếu tố giới hạn tần số và tần số cắt

13.6. Transistor có độ linh động electron cao (HEMT)

13.6.1. Cấu trúc giếng lượng tử

14. CHƯƠNG 14: CÁC LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ

14.1. Hấp thụ quang học

14.1.1. Hệ số hấp thụ photon

14.1.2. Tốc độ sinh cặp electron – lỗ trống

14.2. Pin mặt trời

14.2.1. Pin mặt trời chuyển tiếp pn

14.2.2. Hiệu suất chuyển đổi và sự tập trung ánh sáng mặt trời

14.2.3. Các hiệu ứng hấp thụ không đồng đều

14.2.4. Pin mặt trời dị thể

14.2.5. Pin mặt trời Silicon vô định hình

14.3. Đầu thu quang

14.3.1. Diode quang thác lũ

14.4. Phát quang và điện phát quang

14.4.1. Vật liệu

14.5. Diode phát quang (LED)

14.5.1. Sự tạo ánh sáng

14.5.2. Hiệu suất lượng tử nội

14.5.3. Hiệu suất lượng tử ngoại

14.6. Diode Laser

14.6.1. Phát xạ kích thích và đảo lộn mật độ cư trú

14.6.2. Dòng ngưỡng

14.6.3. Cấu trúc và đặc tính linh kiện

14.7. Tóm tắt

15. CHƯƠNG 15: CÁC LINH KIỆN CÔNG SUẤT VÀ SIÊU CAO TẦN BÁN DẪN

15.1. Diode xuyên hầm

15.2. Diode Gunn

15.3. Diode Impatt

15.4. Transistor lưỡng cực công suất

15.4.1. Cấu trúc transistor công suất dọc

15.4.2. Các đặc tính transistor công suất

15.4.3. Cấu hình cặp Darlington

15.5. MOSFET công suất

15.5.1. Các cấu trúc transistor công suất

15.5.2. Các đặc tính MOSFET công suất

15.5.3. BJT ký sinh

15.6. Thyristor

15.6.1. Các đặc tính cơ bản

15.6.2. Kích hoạt SCR

15.6.3. Tắt SCR

PHỤ LỤC A: DANH MỤC KÝ HIỆU CHỌN LỌC

PHỤ LỤC B: HỆ ĐƠN VỊ, CÁC HỆ SỐ CHUYỂN ĐỔI VÀ CÁC HẰNG SỐ CHUNG

PHỤ LỤC C: BẢNG TUẦN HOÀN CÁC NGUYÊN TỐ

PHỤ LỤC D: ĐƠN VỊ NĂNG LƯỢNG — ELECTRON VOLT

PHỤ LỤC E: "DẪN XUẤT" PHƯƠNG TRÌNH SÓNG SCHRÖDINGER

PHỤ LỤC F: CÁC KHÁI NIỆM VỀ KHỐI LƯỢNG HIỆU DỤNG

PHỤ LỤC G: HÀM SAI SỐ

PHỤ LỤC H: ĐÁP ÁN CHO CÁC BÀI TẬP CHỌN LỌC

CHỈ MỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nguyên lý cơ bản về vật lý và thiết bị bán dẫn

Nguyên lý cơ bản về vật lý và thiết bị bán dẫn là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tử. Tài liệu này cung cấp cái nhìn tổng quan về các khái niệm cơ bản, từ cấu trúc tinh thể đến các loại thiết bị bán dẫn. Việc hiểu rõ các nguyên lý này là cần thiết để phát triển và ứng dụng công nghệ bán dẫn trong thực tiễn.

1.1. Vật lý cơ bản và thiết bị bán dẫn

Vật lý cơ bản liên quan đến các khái niệm như điện tích, điện trường và từ trường. Thiết bị bán dẫn, bao gồm transistor và diode, hoạt động dựa trên những nguyên lý này.

1.2. Tầm quan trọng của thiết bị bán dẫn trong công nghệ hiện đại

Thiết bị bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điện tử, từ điện thoại di động đến máy tính. Chúng là nền tảng cho sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông.

II. Các thách thức trong nghiên cứu vật lý bán dẫn hiện nay

Nghiên cứu vật lý bán dẫn đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc phát triển vật liệu mới và cải thiện hiệu suất của thiết bị. Những thách thức này đòi hỏi sự đổi mới trong phương pháp nghiên cứu và ứng dụng công nghệ.

2.1. Vật liệu bán dẫn mới và ứng dụng

Việc phát triển các loại vật liệu bán dẫn mới như graphene và perovskite đang mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới trong điện tử và quang điện.

2.2. Cải thiện hiệu suất thiết bị bán dẫn

Nâng cao hiệu suất của thiết bị bán dẫn là một thách thức lớn. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và quy trình sản xuất.

III. Phương pháp nghiên cứu trong vật lý bán dẫn

Các phương pháp nghiên cứu trong vật lý bán dẫn bao gồm lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, và thường được kết hợp để đạt được kết quả tốt nhất.

3.1. Lý thuyết và mô phỏng trong nghiên cứu

Lý thuyết cung cấp nền tảng cho việc hiểu các hiện tượng vật lý, trong khi mô phỏng giúp dự đoán hành vi của thiết bị bán dẫn trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Thực nghiệm và ứng dụng thực tiễn

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm chứng các lý thuyết và mô phỏng. Các kết quả thực nghiệm giúp cải thiện thiết kế và hiệu suất của thiết bị.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiết bị bán dẫn trong công nghiệp

Thiết bị bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất điện tử đến năng lượng tái tạo. Những ứng dụng này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

4.1. Thiết bị bán dẫn trong điện tử tiêu dùng

Các thiết bị như smartphone, máy tính bảng và TV thông minh đều sử dụng công nghệ bán dẫn để hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong năng lượng tái tạo

Thiết bị bán dẫn cũng được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời và gió, giúp chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.

V. Kết luận và tương lai của vật lý bán dẫn

Tương lai của vật lý bán dẫn hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ mới. Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị bán dẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong sự tiến bộ của công nghệ.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong vật lý bán dẫn

Các xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển vật liệu mới và cải thiện hiệu suất thiết bị, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Tác động của công nghệ bán dẫn đến xã hội

Công nghệ bán dẫn không chỉ ảnh hưởng đến ngành công nghiệp mà còn tác động đến đời sống hàng ngày của con người, từ giao tiếp đến giải trí.

Tóm tắt và mô tả trên trang này được tạo với sự hỗ trợ của AI. Nếu bạn thấy nội dung không chính xác hoặc có vấn đề, vui lòng Báo lỗi nội dung.

14/07/2025
Semiconductors physics and devices basic principles 4th edition

Trích đoạn nội dung tài liệu

Semiconductor Physics and Devices Basic Principles Fourth Edition Donald A. Neamen University of New Mexico TM nea29583_fm_i-xxiv.indd i 12/11/10 1:01 PM TM SEMICONDUCTOR PHYSICS & DEVICES: BASIC PRINCIPLES, FOURTH EDITION Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. Copyright © 2012 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.

Previous editions © 2003, 1997 and 1992. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of The McGraw-Hill Companies, Inc., including, but not limited to, in any network or other electronic storage or trans- mission, or broadcast for distance learning. Some ancillaries, including electronic and print components, may not be available to customers outside the United States. This book is printed on acid-free paper.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 DOC/DOC 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN 978-0-07-352958-5 MHID 0-07-352958-3 Vice President & Editor-in-Chief: Marty Lange Vice President EDP/Central Publishing Services: Kimberly Meriwether David Publisher: Raghu Srinivasan Sponsoring Editor: Peter E. Massar Marketing Manager: Curt Reynolds Development Editor: Lora Neyens Project Manager: Melissa M. Leick Design Coordinator: Brenda A. Rolwes Cover Designer: Studio Montage, St.

Louis, Missouri Cover Image: © Getty Images RF Buyer: Sherry L. Kane Media Project Manager: Balaji Sundararaman Compositor: MPS Limited, a Macmillan Company Typeface: 10/12 Times Roman Printer: RR Donnelley, Crawfordsville All credits appearing on page or at the end of the book are considered to be an extension of the copyright page. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Neamen, Donald A. Semiconductor physics and devices : basic principles / Donald A.com nea29583_fm_i-xxiv.indd ii 12/11/10 1:01 PM ABOUT THE AUTHOR Donald A.

Neamen is a professor emeritus in the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of New Mexico where he taught for more than 25 years. He received his Ph. from the University of New Mexico and then became an electronics engineer at the Solid State Sciences Laboratory at Hanscom Air Force Base. In 1976, he joined the faculty in the ECE department at the University of New Mexico, where he specialized in teaching semiconductor physics and devices courses and electronic circuits courses.

He is still a part-time instructor in the depart- ment. He also recently taught for a semester at the University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University (UM-SJTU) Joint Institute in Shanghai, China. In 1980, Professor Neamen received the Outstanding Teacher Award for the University of New Mexico. In 1983 and 1985, he was recognized as Outstanding Teacher in the College of Engineering by Tau Beta Pi.

In 1990, and each year from 1994 through 2001, he received the Faculty Recognition Award, presented by gradu- ating ECE students. He was also honored with the Teaching Excellence Award in the College of Engineering in 1994. In addition to his teaching, Professor Neamen served as Associate Chair of the ECE department for several years and has also worked in industry with Martin Marietta, Sandia National Laboratories, and Raytheon Company. He has published many papers and is the author of Microelectronics Circuit Analysis and Design, 4th edition, and An Introduction to Semiconductor Devices.

nea29583_fm_i-xxiv.indd iii 12/11/10 1:01 PM CONTENTS Preface x 2.2 Schrodinger’s Wave Equation 31 Prologue—Semiconductors and the Integrated 2.1 The Wave Equation 31 Circuit xvii 2.2 Physical Meaning of the Wave Function 32 2.3 Boundary Conditions 33 P A R T I—Semiconductor Material Properties 2.3 Applications of Schrodinger’s Wave CHAPTER 1 Equation 34 The Crystal Structure of Solids 1 2.1 Electron in Free Space 35 2.2 The Infinite Potential Well 36 1.3 The Step Potential Function 39 1.4 The Potential Barrier and Tunneling 44 1.2 Types of Solids 2 2.4 Extensions of the Wave Theory 1.3 Space Lattices 3 to Atoms 46 1.1 Primitive and Unit Cell 3 2.1 The One-Electron Atom 46 1.2 Basic Crystal Structures 4 2.2 The Periodic Table 50 1.3 Crystal Planes and Miller Indices 6 2.4 Directions in Crystals 9 Problems 52 1.4 The Diamond Structure 10 1.5 Atomic Bonding 12 CHAPTER 3 *1.6 Imperfections and Impurities in Solids 14 Introduction to the Quantum Theory 1.1 Imperfections in Solids 14 of Solids 58 1.2 Impurities in Solids 16 *1.7 Growth of Semiconductor Materials 17 3.1 Growth from a Melt 17 3.1 Allowed and Forbidden Energy Bands 59 1.1 Formation of Energy Bands 59 1.2 The Kronig–Penney Model 63 Problems 21 3.3 The k-Space Diagram 67 3.2 Electrical Conduction in Solids 72 3.1 The Energy Band and the Bond Model 72 CHAPTER 2 3.2 Drift Current 74 Introduction to Quantum Mechanics 25 3.3 Electron Effective Mass 75 2.4 Concept of the Hole 78 2.1 Principles of Quantum Mechanics 26 3.5 Metals, Insulators, and Semiconductors 80 2.3 Extension to Three Dimensions 83 2.2 Wave–Particle Duality 27 3.1 The k-Space Diagrams of Si and GaAs 83 2.3 The Uncertainty Principle 30 3.2 Additional Effective Mass Concepts 85 iv nea29583_fm_i-xxiv.indd iv 12/11/10 1:01 PM Contents v 3.4 Density of States Function 85 4.1 Mathematical Derivation 85 Problems 149 3.2 Extension to Semiconductors 88 3.5 Statistical Mechanics 91 CHAPTER 5 3.1 Statistical Laws 91 Carrier Transport Phenomena 156 3.2 The Fermi–Dirac Probability Function 91 3.3 The Distribution Function and the Fermi 5.1 Drift Current Density 157 Problems 100 5.4 Velocity Saturation 169 The Semiconductor in Equilibrium 106 5.1 Diffusion Current Density 172 4.2 Total Current Density 175 4.1 Charge Carriers in Semiconductors 107 5.3 Graded Impurity Distribution 176 4.1 Equilibrium Distribution of Electrons and Holes 107 5.1 Induced Electric Field 176 4.2 The n0 and p0 Equations 109 5.2 The Einstein Relation 178 4.3 The Intrinsic Carrier Concentration 113 *5.4 The Hall Effect 180 4.4 The Intrinsic Fermi-Level Position 116 5.2 Dopant Atoms and Energy Levels 118 Problems 184 4.2 Ionization Energy 120 CHAPTER 6 4.3 Group III–V Semiconductors 122 Nonequilibrium Excess Carriers 4.3 The Extrinsic Semiconductor 123 in Semiconductors 192 4.1 Equilibrium Distribution of Electrons and Holes 123 6.1 Carrier Generation and Recombination 193 *4.3 The Fermi–Dirac Integral 128 6.1 The Semiconductor in Equilibrium 193 4.4 Degenerate and Nondegenerate 6.2 Excess Carrier Generation and Semiconductors 130 Recombination 194 4.4 Statistics of Donors and Acceptors 131 6.2 Characteristics of Excess Carriers 198 4.2 Complete Ionization and Freeze-Out 132 6.2 Time-Dependent Diffusion Equations 199 4.1 Derivation of the Ambipolar Transport 4.2 Equilibrium Electron and Hole Equation 201 Concentrations 136 6.2 Limits of Extrinsic Doping and Low 4.6 Position of Fermi Energy Level 141 Injection 203 4.3 Applications of the Ambipolar Transport 4.2 Variation of EF with Doping Concentration Equation 206 and Temperature 144 6.4 Dielectric Relaxation Time Constant 214 4.3 Relevance of the Fermi Energy 145 *6.5 Haynes–Shockley Experiment 216 nea29583_fm_i-xxiv.indd v 12/11/10 1:01 PM vi Contents 6.4 Quasi-Fermi Energy Levels 219 8.4 Minority Carrier Distribution 283 *6.5 Excess Carrier Lifetime 221 8.5 Ideal pn Junction Current 286 6.1 Shockley–Read–Hall Theory of 8.6 Summary of Physics 290 Recombination 221 8.2 Limits of Extrinsic Doping and Low 8.8 The “Short” Diode 293 Injection 225 8.2 Generation–Recombination Currents and *6.6 Surface Effects 227 High-Injection Levels 295 6.1 Generation–Recombination Currents 296 6.2 Surface Recombination Velocity 229 8.2 High-Level Injection 302 6.3 Small-Signal Model of the pn Junction 304 Problems 233 8.2 Small-Signal Admittance 306 P A R T II—Fundamental Semiconductor Devices 8.3 Equivalent Circuit 313 CHAPTER 7 *8.4 Charge Storage and Diode Transients 314 8.1 The Turn-off Transient 315 The pn Junction 241 8.2 The Turn-on Transient 317 7.5 The Tunnel Diode 318 7.1 Basic Structure of the pn Junction 242 8.2 Zero Applied Bias 243 Problems 323 7.1 Built-in Potential Barrier 243 7.3 Space Charge Width 249 CHAPTER 9 Metal–Semiconductor and Semiconductor 7.3 Reverse Applied Bias 251 Heterojunctions 331 7.1 Space Charge Width and Electric Field 251 7.3 One-Sided Junctions 256 9.1 The Schottky Barrier Diode 332 7.5 Nonuniformly Doped Junctions 262 9.2 Ideal Junction Properties 334 7.1 Linearly Graded Junctions 263 9.3 Nonideal Effects on the Barrier Height 338 7.4 Current–Voltage Relationship 342 7.5 Comparison of the Schottky Barrier Diode and the pn Junction Diode 345 Problems 269 9.2 Metal–Semiconductor Ohmic Contacts 349 9.1 Ideal Nonrectifying Barrier 349 CHAPTER 8 9.2 Tunneling Barrier 351 The pn Junction Diode 276 9.3 Specific Contact Resistance 352 8.1 pn Junction Current 277 9.1 Qualitative Description of Charge Flow 9.2 Energy-Band Diagrams 354 in a pn Junction 277 9.3 Two-Dimensional Electron Gas 356 8.2 Ideal Current–Voltage Relationship 278 *9.5 Current–Voltage Characteristics 363 nea29583_fm_i-xxiv.indd vi 12/11/10 1:01 PM Contents vii 9.2 Channel Length Modulation 446 Problems 365 11.4 Velocity Saturation 452 CHAPTER 10 11.5 Ballistic Transport 453 Fundamentals of the Metal–Oxide– 11.2 MOSFET Scaling 455 Semiconductor Field-Effect Transistor 371 11.1 Constant-Field Scaling 455 11.2 Threshold Voltage—First 10.1 The Two-Terminal MOS Structure 372 11.1 Energy-Band Diagrams 372 11.3 Threshold Voltage Modifications 457 10.2 Depletion Layer Thickness 376 11.1 Short-Channel Effects 457 10.3 Surface Charge Density 380 11.2 Narrow-Channel Effects 461 10.4 Work Function Differences 382 11.4 Additional Electrical Characteristics 464 10.5 Flat-Band Voltage 385 11.2 The Lightly Doped Drain Transistor 470 10.2 Capacitance–Voltage Characteristics 394 11.3 Threshold Adjustment by Ion 10.1 Ideal C–V Characteristics 394 Implantation 472 10.5 Radiation and Hot-Electron Effects 475 10.3 Fixed Oxide and Interface Charge 11.1 Radiation-Induced Oxide Charge 475 Effects 400 11.2 Radiation-Induced Interface States 478 10.3 The Basic MOSFET Operation 403 11.3 Hot-Electron Charging Effects 480 10.2 Current–Voltage Problems 483 Relationship—Concepts 404 *10.3 Current–Voltage Relationship— Mathematical Derivation 410 CHAPTER 12 10.4 Transconductance 418 The Bipolar Transistor 491 10.5 Substrate Bias Effects 419 12.1 The Bipolar Transistor Action 492 10.1 Small-Signal Equivalent Circuit 422 12.1 The Basic Principle of Operation 493 10.2 Frequency Limitation Factors and 12.2 Simplified Transistor Current Relation— Cutoff Frequency 425 Qualitative Discussion 495 *10.5 The CMOS Technology 427 12.3 The Modes of Operation 498 10.4 Amplification with Bipolar Transistors 500 Problems 433 12.2 Minority Carrier Distribution 501 12.1 Forward-Active Mode 502 CHAPTER 11 12.2 Other Modes of Operation 508 Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect 12.3 Transistor Currents and Low-Frequency Transistor: Additional Concepts 443 Common-Base Current Gain 509 12.1 Current Gain—Contributing Factors 509 11.2 Derivation of Transistor Current 11.1 Nonideal Effects 444 Components and Current Gain 11.1 Subthreshold Conduction 444 Factors 512 nea29583_fm_i-xxiv.indd vii 12/11/10 1:01 PM viii Contents 12.4 Example Calculations of the Gain 13.1 Channel Length Modulation 594 Factors 517 13.2 Velocity Saturation Effects 596 12.3 Subthreshold and Gate Current 12.1 Base Width Modulation 522 Effects 596 12.4 Equivalent Circuit and Frequency 12.3 Emitter Bandgap Narrowing 526 Limitations 598 12.1 Small-Signal Equivalent Circuit 598 *12.5 Nonuniform Base Doping 530 13.2 Frequency Limitation Factors and Cutoff 12.6 Breakdown Voltage 531 Frequency 600 12.5 Equivalent Circuit Models 536 *13.5 High Electron Mobility Transistor 602 *12.1 Ebers–Moll Model 537 13.1 Quantum Well Structures 603 12.2 Gummel–Poon Model 540 13.3 Hybrid-Pi Model 541 13.6 Frequency Limitations 545 Problems 611 12.1 Time-Delay Factors 545 12.2 Transistor Cutoff Frequency 546 P A R T III—Specialized Semiconductor Devices 12.7 Large-Signal Switching 549 CHAPTER 14 12.1 Switching Characteristics 549 Optical Devices 618 12.2 The Schottky-Clamped Transistor 551 *12.8 Other Bipolar Transistor Structures 552 14.1 Polysilicon Emitter BJT 552 14.2 Silicon–Germanium Base Transistor 554 14.1 Photon Absorption Coefficient 619 12.3 Heterojunction Bipolar Transistors 556 14.2 Electron–Hole Pair Generation Rate 622 12.2 Solar Cells 624 Problems 560 14.1 The pn Junction Solar Cell 624 14.2 Conversion Efficiency and Solar Concentration 627 CHAPTER 13 14.3 Nonuniform Absorption Effects 628 The Junction Field-Effect Transistor 571 14.4 The Heterojunction Solar Cell 629 13.5 Amorphous Silicon Solar Cells 630 13.1 Basic pn JFET Operation 572 14.2 Basic MESFET Operation 576 14.2 The Device Characteristics 578 14.1 Internal Pinchoff Voltage, Pinchoff 14.4 Avalanche Photodiode 641 Voltage, and Drain-to-Source Saturation 14.2 Ideal DC Current–Voltage Relationship— Electroluminescence 643 Depletion Mode JFET 582 14.3 Materials 646 nea29583_fm_i-xxiv.indd viii 12/13/10 6:09 PM Contents ix 14.5 Light Emitting Diodes 648 15.3 SCR Turn-Off 697 14.1 Generation of Light 648 15.2 Internal Quantum Efficiency 649 15.3 External Quantum Efficiency 650 Problems 703 14.6 Laser Diodes 654 APPENDIX A 14.1 Stimulated Emission and Population Selected List of Symbols 707 Inversion 655 14.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nguyên lý cơ bản về vật lý và thiết bị bán dẫn - Phiên bản thứ 4" cung cấp một cái nhìn tổng quan về các nguyên lý cơ bản trong lĩnh vực vật lý và thiết bị bán dẫn. Nội dung của tài liệu không chỉ giúp người đọc hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các thiết bị bán dẫn mà còn giải thích các ứng dụng thực tiễn của chúng trong công nghệ hiện đại. Đặc biệt, tài liệu này rất hữu ích cho sinh viên và những người làm việc trong lĩnh vực điện tử, giúp họ nắm vững kiến thức nền tảng và áp dụng vào thực tiễn.

Để mở rộng thêm kiến thức về vật liệu nano và các ứng dụng của chúng, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận văn thạc sĩ hóa vô cơ nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano perovskite gdfe1 xcoxo3 tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các vật liệu nano và tính chất của chúng.

Ngoài ra, tài liệu Luận văn thạc sĩ hóa vô cơ nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vật liệu nano perovskite hofeo3 pha tạp barium tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa cũng là một nguồn tài liệu quý giá, cung cấp thông tin về các phương pháp tổng hợp và tính chất của vật liệu nano.

Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Tài liệu nghiên cứu cấu trúc và tính chất của một số cluster silicon pha tạp kim loại bằng phương pháp hóa học tính toán, giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về các cấu trúc silicon và ứng dụng của chúng trong công nghệ bán dẫn.

Những tài liệu này sẽ mở ra nhiều cơ hội để bạn khám phá và nâng cao kiến thức trong lĩnh vực vật lý và thiết bị bán dẫn.