半导体器件：计算和电信中的应用

　　本书从半导体基础开始，介绍了目前电信和计算产业中半导体器件的发展现状，在器件方面为电子工程提供了坚实的基础。内容涵盖未来计算硬件和射频功率放大器的实现方法，阐述了计算和电信的发展趋势和系统要求对半导体器件的选择、设计及工作特性的影响。
　　 本书首先讨论了半导体的基本特性；接着介绍了基本的场效应器件modfet和mosfet，以及器件尺寸不断缩小所带来的短沟道效应和面临的挑战；最后讨论了光波和无线电信系统中半导体器件的结构、特性及其工作条件。
　　 本书不仅可以作为研究生教材，也可为本领域工程师和研究人员提供参考。

译者序
前言
第1章半导体基础1
1.1半导体的定义1
1.2平衡载流子浓度与本征材料4
1.3杂质半导体材料9
思考题12
第2章载流子的运动14
2.1载流子的漂移运动与扩散运动14
2.2产生-复合18
2.3连续性方程及其解21
思考题23
第3章结24
3.1处于平衡状态的pn结24
3.2不同偏压下的同质pn结30
3.3理想二极管行为的偏离36
3.4载流子的注入、拉出、电荷控制
分析及电容39
3.5肖特基势垒44
思考题47

　　本书是佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology，Georgia Tech）的Kevin F.Brennan教授根据他在电子和计算机学院（the School of Electrical and Computer Engineering）的讲义编写而成。
　　本书以介绍半导体器件在计算和电信系统中所扮演的重要角色为主线，详细阐述了目前电信和计算产业中半导体器件的发展现状，内容上涵盖了未来计算硬件和射频功率放大器的实现方法，讨论了计算和电信的发展趋势和系统要求对半导体器件的选择、设计和工作特性的影响。
　　全书共11章，作者讲解深入浅出，理论分析透彻，重点突出，对于需要掌握半导体器件基础入门知识和了解目前计算和电信系统发展形势的人们来说，此书无疑是一个很好的选择。本书既可以作为高等院校电子科学与技术专业和电信专业本科生以及相关专业研究生教材，也可以作为相关领域工程技术人员的参考资料。
　　本书在专业名词方面力求规范、统一。本书主要由高建军、刘新宇翻译，孙玲、田学农、欧阳丽、赵萌、王永利、梁峰、王倩、黄亚森等也参与了部分翻译工作，同时，李雪、郭志宇、程加力、韩波等参加了部分书稿的校对与整理工作。
　　鉴于译者水平有限，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请读者批评指正和谅解。
　　译 者
　　2010年3月
　　

　　撰写本文时，微电子行业正处于一个重要的转折关头。近50年来，该行业不断完善，由最初发明的集成电路发展为现在的微型化硅基晶体管。CMOS电路的开发和半导体器件不断缩小共同引起了信息革命。每一代新器件都改善了存储器和微处理器的性能，降低了成本，从而加剧了计算技术的传播和发展。集成电路技术以摩尔第一定律的速度增长，即每18个月左右芯片的复杂度翻一番。有趣的是，在过去40年里，半导体产业的发展一直遵循甚至有时超过摩尔第一定律。21世纪初，人们开始质疑:半导体产业还能遵循摩尔第一定律多久?当器件尺寸缩小到0.1μm以下时，CMOS技术面临着诸多艰难的挑战。许多人预测，克服这些挑战需要付出昂贵的代价，这将威胁到CMOS技术的持续增长。因此，需要全新技术来进一步改善器件工艺。
　　也许你会问，为什么要不断提高微处理器的速度和存储容量，使之远远超过当前水平呢？其中一方面是因为光波电信、蜂窝电信等电信行业的快速发展。在过去的十年中，移动电信产业呈指数增加，成为世界上增长速度最快的产业之一。目前，移动电话服务已经应用到数据传输、互联网接入和视频信息等方面。与当前蜂窝系统相比，移动视频传输服务需要更大的带宽和更复杂的技术。光波系统已经能够处理视频和互联电信业务，并且也在不断改善带宽以提高系统工作速度。在提高电信系统容量方面，仅仅改善软件和优化算法是不够的，硬件的改善同样重要。因此，为提高电信系统性能，迫切需要更快的电子器件和更大容量的存储器，从而加快信息革命的进程。
　　作者认为，为了满足未来计算和电信系统的需求，微电子产业必将持续增长。然而，这种增长并不局限于硅CMOS技术，可能将拓展到一些其他的技术。本书的主要目的是向本科生介绍半导体器件的基本工作原理，以及微电子领域的新方法。整本书紧紧围绕计算和电信系统对半导体硬件的应用和工作要求，介绍了每种器件的重要性能指标。读者可以清晰地看到，为满足系统应用要求而设计的特定器件应该具有怎样的基本性能。
　　为什么本科教育还需要这样一本关于半导体器件的书？近年来许多大学已经不再将半导体器件方面的课程作为本科必修课，而是将它作为一门选修课。而且，已经有像《固态电子器件》（Streetman and Banerjee，2002）和《半导体器件基础》（Pierret，1996）这样的优秀教材。更重要的是，目前对本科教材的需求明显减少，在这样的形势下有必要再出一本这样的书吗？上面提到的教材毫无疑问是非常优秀的，但其中都没有讨论微电子技术的未来及其与计算和电信产业的关系。因此，本书写作的初衷就是介绍半导体器件在计算和电信系统中所扮演的重要的角色。同时，本书不仅介绍了反映当代水平的半导体器件，还为读者展现了优于现有技术水平的方法。本书不仅提供一套令人耳目一新的半导体器件教学方法，而且有助于激发学生对该领域的发展的兴趣。通过这种启发，作者认为可以扭转将微电子课程从本科课表中删除的趋势。并且，我相信微电子必将掀起巨大的浪潮。我们不该摒弃微电子教学而应该更广泛地介绍它，并且结合其他学科，尤其是在将来依赖计算硬件的分子生物学系统中。本书首次开辟了这样一个跨学科方法。
　　本书是按照我在佐治亚理工大学电子和计算机工程学院的本科教学讲义编写的。该课程为一个学期，课程基础为包括半导体器件基础的电路理论，但不要求学生具备电路知识。它可以作为半导体器件的第一门课。因为比一般的半导体器件基础的书要简略，本书适用范围既可以像佐治亚理工大学那样作为一门二级课程，也可以作为成绩优异的学生的一级课程。同时，学生必须具备有关微积分方程的数学基础知识，而像量子力学、固体物理学和统计力学等方面的知识则不作要求。本书不包括计算机方面的习题，主要是因为我们正在为本科生微电子课程编写一本基于计算机基础的习题集。这本习题集将在本书的基础上增加基于计算机的习题，以提供另一种学习的途径。
　　本书结构如下：第1章介绍半导体器件基础。第2章介绍载流子运动。第3章介绍结，包括pn异质结、肖特基势垒、欧姆接触等内容。第4章介绍双极结型晶体管。第5章介绍JFET和MESFET及其交流模型。第6章讨论MIS系统，尤其是MOS器件、长沟道MOSFET器件和CMOS电路。第7章介绍短沟道器件、尺寸缩小理论，以及进一步改善CMOS器件遇到的挑战。第8章讨论优于CMOS技术的几种不同方法，学习本章不需要有量子力学的基础，这几种方法在研究生教材《Theory of Modern Electronic Semiconductor Devices》（Kevin F.Brennan，April S.Brown，2002）里都有介绍，不过该书的侧重点是用于光波和移动电信系统的器件。第9章综合讲述了有线和无线电信系统。第9章是电信系统概述，包括无线和有线。第10章讨论了用于光波电信系统的光电器件，包括LED、激光器、掺饵光纤放大器、半导体光放大器和光检测器等。第11章讨论了用于高频高功率放大器的晶体管，包括MODFET和HBT等。
　　本书是作者所写系列书的第一本。它用经典物理学介绍了半导体器件，也简单讨论了空间量子化。因此本书适于大三大四的学生。学完本书，学生就为研究生阶段的学习打下了基础。在佐治亚理工大学，微电子系的学生通常在本科阶段学了本课程后，在研究生阶段第一学期学习《半导体物理在光电系统中的应用》（Kevin F.Brennan，1999）这门课，包括量子力学、统计力学、固体物理学这些方面的知识。然后，在此基础上继续学习现代电子器件的课程，教材为《现代半导体电子器件理论》（Kevin F.Brennan，April S.Brown，2002）。
　　在佐治亚理工大学，本书所涉及的这门课通常是一年开设3次，它要求学生有电路理论和半导体材料的基础知识。由于是二级课程，我们通常用2～3周的时间学完前3章。然后根据学生的实际预习情况，简单地回顾一下并略去第4章的内容。从第5章开始到学期末，开始做实验。第9章以及CMOS部分（在电路理论课程里已涉及）通常让学生自己阅读自学。作业是从每章后面精选的习题，每学期有两次随堂测验和一次期末考试，教师可在网上下载习题的答案，网址为：www.ece.gatech.edu/research/labs/comp_elec.下载答案需要密码，只有教师才能使用该手册，请按照网上的提示取得密码。
　　感谢佐治亚理工大学的同事和学生在本书写作过程中提出的建议。特别感谢Miker Weber在数据和创立该书的网站方面提供的帮助。感谢圣母大学的Wolfgang Porod教授和IBM公司的Phaedron Avouris博士提供复制他们的一些产品的许可证。
　　最后，感谢我的家人和朋友一直以来给我的支持和理解。
　　后记：Kevin Brennan教授是我在佐治亚理工大学的同事，也是我最好的朋友之一。他于2003年8月2日去世。在他生病期间，他一直致力于本书的写作，并在逝世前基本完成，而我负责该书的编辑和改写。在此，我想特别感谢Kevin Brennan教授的妻子Lea McLees许可我将本书写完并出版。感谢Maureen Storey女士，没有她的细致入微的工作，本书也不可能完成。她对本书的修订和增添提出了很多问题和建议。感谢剑桥大学出版社的Eric Willner说服我们出版及等待我们对本书文本的修正。感谢佐治亚理工大学电子和计算机工程学院院长Roger Webb博士给我们提供的各种帮助。感谢佐治亚理工大学Christiana Honsberg教授和Tom Gaylord教授在关键时刻解答疑难。Kevin Brennan是一位伟大的教师，优秀的学者，有创造力的作者。感谢他在人生的最后还给我们上了一课！
　　W.Russel Callen
　　佐治亚州，亚特兰大