本書內(nèi)容從半導體相關基礎知識入手，首先介紹半導體的物理特性，以及與其相關的晶體、原子、能帶理論、空穴、摻雜等基本概念；再從晶體管入手，講述晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理、制備工藝，以及集成電路的相關知識；最后，落地到應用，介紹了半導體器件的使用和具體的應用電路，以及半導體器件參數(shù)和等效電路。由于半導體技術涉及材料、微電子、電子、物理、化學等專業(yè)，屬于交叉學科，還涉及許多全新的領域，相關教材及參考書籍較少，適合初學者入門的書籍更少。為此，本書在編寫過程中，通過提供詳細的圖表和豐富的實例來提高可讀性與易懂性，為讀者進入半導體這一領域提供了一本入門指南。本書涵蓋大量具有代表性的與半導體相關的內(nèi)容，主要強調(diào)對基礎器件結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工作機制的基本認識。本書內(nèi)容深入淺出、圖文并茂，適合半導體領域的工程技術人員、大專院校的學生作為專業(yè)技術的學習資料，也可以作為廣大科技愛好者了解半導體技術的初級讀物。讀者通過對本書內(nèi)容的閱讀，也將為后續(xù)的深入學習，如集成電路制造、集成電路設計、集成電路測試等打下理論基礎。
1、通過提供詳細的圖表和豐富的實例來提高可讀性與易懂性，為讀者進入半導體這一領域提供了一本入門指南。2、內(nèi)容從半導體相關基礎知識入手，涵蓋大量具有代表性的與半導體相關的內(nèi)容，主要強調(diào)對基礎器件結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工作機制的基本認識。3、本書內(nèi)容深入淺出、圖文并茂，適合半導體領域的工程技術人員、大專院校的學生作為專業(yè)技術的學習資料，也可以作為廣大科技愛好者了解半導體技術的初級讀物。讀者通過對本書內(nèi)容的閱讀，也將為后續(xù)的深入學習，如集成電路制造、集成電路設計、集成電路測試等打下理論基礎。
我國半導體與集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的宏觀環(huán)境十分有利：市場需求持續(xù)旺盛，產(chǎn)業(yè)政策和投資環(huán)境持續(xù)向好，這些因素都促使半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，對人才的需求也不斷增加。由于半導體技術涉及材料、微電子、電子、物理、化學等專業(yè)，屬于交叉學科，還涉及許多全新領域，相關教材及參考書籍較少，適合初學者入門的書籍更少。為此，本書在編寫過程中，通過提供詳細的圖表和豐富的實例來提高可讀性與易懂性，為讀者進入半導體這一領域提供了一本入門指南。1947年，貝爾實驗室成功制造出了第一個晶體管。但是，晶體管真正作為一種實物出現(xiàn)在我們眼前，是1956年前后的事情。當時人們的震驚是難以想象的。之前只知道電子管（也叫真空管）的人們，突然被展示了尺寸只有1mm的小顆粒，并被告知它可以用來放大信號，而且，它不需要燈絲，不會摔壞，壽命幾乎是永久的簡直是優(yōu)點多到數(shù)不過來，就像未知的宇宙飛船降臨地球一樣。晶體管在多個方面引發(fā)了革命。首先是材料革命，在此之前，真空管需要切割和彎曲金屬作為電極，并封裝在玻璃管中；電阻器也是類似陶器一樣的東西；當然，陰極等材料早已被研究過。但電子工程學本質(zhì)上還是一種連接金屬線的技術。其次，晶體管是通過控制物質(zhì)內(nèi)部電子的運動來發(fā)揮作用的，這種新理念成為下一代電子工程學的巨大跳板。電子工程學從連接金屬線的階段邁向了物理學領域，并逐漸創(chuàng)造出新的科學分支。此外，晶體管的小型化本身也是一種革命。如果要制造非常復雜的電子電路，傳統(tǒng)技術會導致電路本身變得過于復雜，難以實際操作，因此很多人都放棄了。然而，隨著晶體管時代的到來，這個夢想似乎可以實現(xiàn)了。信息處理學科也因此迅速發(fā)展。如今，大家都很熟悉計算機的強大功能，而晶體管的出現(xiàn)正是使電子計算機成為可能的關鍵。從晶體管的發(fā)明到現(xiàn)在，還不到80年。以歷史發(fā)展的角度來看，這是一段非常短的時間。然而，晶體管的發(fā)展速度卻令人難以置信。在現(xiàn)代科學中，很少有技術能像晶體管這樣快速迭代�？紤]到這種驚人的速度，再過10年會有什么新東西出現(xiàn)，簡直無法想象。其中一個重要的成果就是集成電路（IC），大家應該都耳熟能詳了�？吹絀C時，你會覺得它超越了人類智慧，像是宇宙時代的產(chǎn)物。然而，它卻是由人類親手制造出來的，這實在令人驚嘆。從晶體管到IC，半導體材料的發(fā)展留下了很多足跡。未來，它還會繼續(xù)前進。然而，半導體的原理確實不容易理解。很多人覺得它不像金屬線那樣直觀可見，因為它看不見。正如之前所述，晶體管和半導體的歷史其實非常短暫�？赡苡腥苏J為晶體管已經(jīng)完全開發(fā)完成，只需要使用就可以了。但實際上，我們每個人都處在半導體發(fā)展的歷史進程中，并非旁觀者。我們可以吸收前人積累的知識，但也要有決心創(chuàng)造屬于自己的歷史。半導體領域仍然是一個充滿創(chuàng)意的領域，值得每個人去探索和創(chuàng)新。為了做到這一點，我們需要首先了解半導體內(nèi)部發(fā)生了什么。本書將深入淺出地講解半導體的原理，并介紹晶體管的工作原理及簡單電路的運行方式。半導體技術不斷推動人類進步，助力人類收獲諸多科技成果。例如，被稱為LSI（大規(guī)模集成電路）的技術，能夠部分替代人類大腦的功能。如今，我們身邊已經(jīng)有了個人計算器和數(shù)字手表等產(chǎn)品。以前被認為不可想象的高端技術，現(xiàn)在已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的部分。再過10年，我們可能會看到一個全新的電子世界，這是我們現(xiàn)在無法想象的。而半導體仍將是這一全新的電子世界的核心推動力量。編者 2025年2月
陳譯，工學博士，擔任廈門理工學院碩士研究生導師，研究領域包括超結(jié)MOSFET、分裂柵型場效應管SGT-MOSFTE、IGBT、第三代功率半導體SiC和GaN、智能功率模塊，以及半導體工藝流程的設計與開發(fā)。曾任職于日本三墾電氣株式會社，從事功率器件芯片、大功率模塊的研發(fā)，具有豐富的半導體設計和開發(fā)經(jīng)驗。曾入選廈門市高層次留學人才、高層次人才雙百計劃領軍型創(chuàng)業(yè)人才、福建省百人計劃創(chuàng)業(yè)人才。主持并參與多項國家級和省部級項目，授權(quán)發(fā)明專利70余項。著有《芯片制造半導體工藝與設備》等圖書。呂蘭蘭，理學博士，擔任廈門理工學院碩士研究生導師，長期從事人機交互、數(shù)字媒體技術、器件芯片結(jié)構(gòu)與工藝，以及人工智能嵌入式領域的研究。近年來，專注于數(shù)字電路設計、半導體制造工藝等方面的研究，參與《芯片制造半導體真空技術與設備》等著作的 編寫。主持并參與多項國家級和省部級項目，發(fā)表SCI/EI檢索的論文10余篇。主要講授《人工智能導論》《數(shù)字電路基礎》《人機交互原理》等大學本科課程。
目 錄前言第1章 什么是半導體11.1 人類生活和物質(zhì)21.2 從電學的角度來對物質(zhì)進行分類31.3 半導體的定義 31.4 半導體為什么重要5第2章 晶體的故事72.1 晶體是什么82.2 為什么使用晶體更好92.3 如何區(qū)分晶體122.4 制造人工晶體13第3章 原子的故事173.1 電子高速公路183.2 量子力學的奧秘203.3 原子和繁星203.4 原子的結(jié)合之手213.5 當有很多原子存在的時候23第4章 能帶理論254.1 原子的結(jié)合264.2 能帶的組成284.3 各能帶的作用314.4 熱能驅(qū)動電子314.5 根據(jù)禁帶寬度對物質(zhì)進行分類32第5章 空穴的故事355.1 空穴的定義365.2 空穴的移動方式385.3 能帶中的空穴395.4 有雜質(zhì)會怎么樣40第6章 摻雜的作用426.1 雜質(zhì)太少了436.2 5價的雜質(zhì)原子436.3 摻雜后能帶圖的變化466.4 3價的雜質(zhì)原子476.5 雜質(zhì)的摻雜方法496.6 雜質(zhì)半導體的電阻值49第7章 半導體中的載流子動態(tài)527.1 雜質(zhì)半導體537.2 電子和空穴哪個移動得更快557.3 電子和人類誰跑得更快567.4 空穴在n型半導體中的移動方式587.5 空穴的壽命60第8章 費米能級的故事618.1 物體所持的電壓628.2 費米能級638.3 電子的費米能級64第9章 pn結(jié)及其作用669.1 什么是pn結(jié)679.2 如果把p型和n型半導體粘在一起會發(fā)生什么679.3 為什么會產(chǎn)生電壓709.4 真正的pn結(jié)729.5 半導體中的費米能級739.6 當p型和n型半導體結(jié)合變成pn結(jié)時759.7 pn結(jié)和能帶圖789.8 整流作用789.9 擊穿現(xiàn)象與齊納二極管809.10 隧道二極管829.11 pn結(jié)與光839.12 太陽能電池和光電二極管849.13 發(fā)光二極管859.14 變?nèi)荻䴓O管859.15 注入效應和抽取作用869.16 熱敏電阻和壓敏電阻879.17 壓電效應和感壓二極管889.18 肖特基勢壘二極管88第10章 晶體管的結(jié)構(gòu)9010.1 通過兩個pn結(jié)形成晶體管9110.2 不能用導線直接連接制造晶體管嗎9310.3 晶體管的發(fā)明9410.4 晶體管發(fā)射極的作用9410.5 晶體管集電極的作用9610.6 晶體管基極的作用 97第11章 晶體管的工作原理9911.1 從發(fā)射極注入空穴10011.2 基極中注入空穴的運動方式10211.3 載流子的擴散距離10411.4 救出空穴10511.5 集電極就像水槽10711.6 基極中電流的流動方式10711.7 晶體管整體的電流流動方式10911.8 場效應晶體管11111.9 晶閘管112第12章 晶體管放大的原理11412.1 什么是放大11512.2 變壓器能進行放大嗎11612.3 硅晶體管中的電流放大和電壓放大11712.4 發(fā)射極接地的情況11812.5 基極接地的情況12112.6 關鍵的內(nèi)部電阻12212.7 集電極接地的情況12312.8 晶體管配置的相位關系124第13章 晶體管的制備工藝12613.1 生長結(jié)型晶體管12713.2 合金晶體管12713.3 漂移晶體管13113.4 臺面晶體管13113.5 平面晶體管133第14章 集成電路13614.1 轉(zhuǎn)變思維13714.2 集成電路的大小13714.3 集成電路為何能實現(xiàn)很好的價格13814.4 高可靠性的集成電路14014.5 集成電路的內(nèi)部構(gòu)造14014.6 集成電路的制造14314.7 集成電路的未來14514.8 技術演進：突破物理法則的四大路徑14614.9 應用場景：從計算工具到文明器官14714.10 挑戰(zhàn)與未來：向后硅時代遷徙147第15章 半導體器件的使用14915.1 半導體是優(yōu)等生15015.2 熱與半導體15015.3 電與半導體15215.4 水與半導體15315.5 光與半導體155第16章 晶體管的電氣特性15616.1 扎實掌握基礎知識15716.2 二極管的電氣特性15716.3 測量二極管的電氣特性15916.4 電阻的本質(zhì)16016.5 二極管的電阻特性16216.6 晶體管的電氣特性16316.7 集電極的輸出特性16516.8 基極電流為參數(shù)167第17章 半導體器件的應用電路17117.1 增幅電路的基礎17217.2 偏置電路的基礎17817.3 偏置電路的設計193第18章 半導體器件參數(shù)和等效電路20318.1 晶體管的身份證明20418.2 參數(shù)的必要性20418.3 能動回路網(wǎng)20718.4 回路電阻212
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