半導體元件物理學第四版（上冊）

導論
本書的內容可分為五個部分，分別是半導體物理、元件建構區塊、電晶體、負電阻與功率元件，以及光子元件與感測器等部分。第一部分「半導體物理」包含第一章，總覽半導體的基本特性，作為理解以及計算元件特性的基礎，其中簡短地概述能帶、載子濃度及傳輸特性，並將重點放在兩個最重要的半導體：矽(Si) 及砷化鎵(GaAs)。為便於參考，這些半導體的建議值或是最精確值將收錄於第一章的圖表及附錄之中。
第二部分「元件建構區塊」包含第二章到第四章，論述基本的元件建構區段，這些基本的區段可以構成所有的半導體元件。第二章探討 p-n 接面的特性，因為 p-n 接面的建構區塊出現在大部分半導體元件中，所以 p-n 接面理論為半導體元件物理的基礎；該章也討論由兩種不同的半導體所形成的異質接面結構，例如使用砷化鎵(GaAs) 及砷化鋁(AlAs) 來形成異質接面。
異質接面為高速元件與發光元件的關鍵建構區塊。第三章則論述金屬—半導體接觸，即金屬與半導體之間作緊密接觸。當與金屬接觸的半導體只做適當的摻雜時，此接觸產生類似 p-n 接面的整流作用。然而，對半導體作重摻雜時，則形成歐姆接觸。歐姆接觸可以忽略在電流通過時造成的電壓降，並讓任一方向的電流通過，可作為提供元件與外界的必要連結。第四章論述金屬—絕緣體－半導體(MIS) 電容器，其中以矽材料為基礎的金屬—氧化物－半導體(MOS) 結構為主。將表面物理的知識與MOS 電容的觀念結合是很重要的，因為這樣不但可以了解與MOS 相關的元件，像是金氧半場效電晶體(MOSFET) 與浮動閘極非揮發性記憶體，同時也是因為其與所有半導體元件表面，以及絕緣區域的穩定度與可靠度有關。
第三部分「電晶體」以第五章到第八章來討論電晶體家族。第五章探討雙極性電晶體，即由兩個緊密結合的 p-n 接面間交互作用所形成之元件。雙極性電晶體為最重要的初始半導體元件之一，因為其可以視為第三次工業革命（1947–2000 年）的技術驅動器，而開發了計算機、微晶片與衛星等。第六章討論金氧半場效電晶體是第四次工業革命（自2000 年以來）(註1) 的重要技術驅動器。金氧半場效電晶體是先進積體電路中最重要的元件之一，並且廣泛地應用在微處理器以及動態隨機存取記憶體(DRAM) 上。第七章論述非揮發性記憶體（特別是浮動閘極記憶體），其使得全球快速連結（手機）、人工智慧、大數據、雲端運算、物聯網、機器人與固態硬碟等得以發展。第八章介紹三種其它的場效電晶體：接面場效電晶體(JFET)、金半場效電晶體(MESFET) 以及調變摻雜場效電晶體(MODFET)。JFET 是較早開發的元件，現在主要用在功率元件；而MESFET 與MODFET 則用在高速、高輸入阻抗放大器，以及單晶微波積體電路上。
第四部分「負電阻與功率元件」從第九章到第十一章，探討負電阻以及功率元件。第九章討論穿隧二極體（重摻雜的 p-n 接面）和共振穿隧二極體（利用多個異質接面形成雙能障的結構）。這些元件顯示出由量子力學穿隧所造成的負微分電阻，它們可以產生微波或作為功能性元件，也就是說可以大幅地減少元件數量而達到特定的電路功能。第十章討論傳渡時間和傳渡電子元件。當一個 p-n 接面或者金屬－半導體接面操作在累增崩潰區的情況下，適當的條件可使其成為衝擊離子化累崩渡時二極體(IMPATT diode)。在毫米波頻率（即大於30 GHz）下，IMPATT 二極體能夠產生所有的固態元件中最高的連續波(continuous wave, CW) 功率輸出。轉移電子效應是導電帶的電子從高移動率的低能谷，轉移到低移動率的高能谷（動量空間），利用此機制也可以產生微波振盪。閘流體基本上是由三個緊密串聯的 p-n 接面形成 p-n-p-n 結構，將於第十一章討論。本章也會討論金氧半控制閘流體（為MOSFET 與傳統閘流體的結合）以及絕緣閘極雙極性電晶體（IGBT，為MOSFET 與傳統雙極性電晶體的結合）。這些元件具有廣泛的功率處理範圍及切換能力，可以處理從幾個毫安培到數千安培的電流，以及超過6000伏特的電壓。
第五部分「光子元件與感測器」，從第十二章到第十四章介紹光子元件(photonic device) 與感測器。光子元件可以作為偵測、產生，或是將光能轉換為電能，反之亦然。第十二章中討論發光二極體(LED) 及雷射等半導體光源，發光二極體有多方面的應用，例如作為電子設備與交通號誌上的顯示元件、手電筒及車前頭燈的照明元件等。半導體雷射則可用在光纖通訊、影視播放器及高速雷射印表機等。各種具有高量子效率與高響應速度的光偵測器將在第十三章討論。本章也會討論太陽能電池，其能夠將光能轉換成電能，與光偵測器相似，但有不同的重點與元件配置。全世界的能源需求增加與化石燃料造成全球暖化，因此迫切需發展替代性能源。太陽能電池被視為主要的替代方案之一，因為其擁有良好的轉換效率，能夠直接將太陽光轉換為電，在低操作成本下提供幾乎無止境的能量，並且不會產生污染。第十四章討論重要的半導體感測器，感測器定義為可以偵測或量測外部訊號的元件，基本上訊號可區分為六種：電、光、熱、機械、磁以及化學類型，藉由感測器可以提供我們利用感官直接察覺這些訊號以外的其他資訊。基於感測器的定義，傳統的半導體元件都是感測器，因為它們具有輸入以及輸出的功能，而且兩者皆為電的型式。我們從第二章到第十一章討論電訊號的感測器，而第十二及第十三章則探討光訊號感測器。在第十四章，我們討論剩下四種訊號的感測器，即熱、機械、磁以及化學類型。
我們建議讀者先研讀半導體物理（第一部分）以及元件建構區段（第二部分），第三部分到第四部分的每一章皆討論單一個主要元件或其相關的元件家族，而大致與其他章節獨立。所以，讀者可以將這本書來當作參考書，且教師可以在課堂上選擇適當的章節以及偏愛順序。半導體元件有非常多的文獻，迄今已超過1500,000 篇的論文在這個領域中發表，而且預計在未來十年間的總量可達到兩百萬篇。這本書的每一個章節皆以簡單和一致的風格來闡述，沒有過於依賴原始文獻。然而，我們在每個章節的最後仍廣泛地列出關鍵性的論文以作為參考，並提供進一步的閱讀。

註1：自18 世紀中葉以來，有四次工業革命，第一次工業革命自1769-1830 年，詹姆士．瓦特(James Watt) 發明的蒸汽引擎為工業革命技術的驅動器，第二次工業革命自1876 至1914 年，湯瑪斯．愛迪生(Thomas Edison) 發明的電燈泡是為工業革命的技術驅動器。

導論
本書的內容可分為五個部分，分別是半導體物理、元件建構區塊、電晶體、負電阻與功率元件，以及光子元件與感測器等部分。第一部分「半導體物理」包含第一章，總覽半導體的基本特性，作為理解以及計算元件特性的基礎，其中簡短地概述能帶、載子濃度及傳輸特性，並將重點放在兩個最重要的半導體：矽(Si) 及砷化鎵(GaAs)。為便於參考，這些半導體的建議值或是最精確值將收錄於第一章的圖表及附錄之中。
第二部分「元件建構區塊」包含第二章到第四章，論述基本的元件建構區段，這些基本的區段可以構成所有的半導體元件。第二章探討 p-n ...

序言
自1947 年貝爾電話實驗室研究團隊（現在為諾基亞貝爾實驗室）發現電晶體效應以來，半導體元件領域快速成長。隨著此領域的發展，半導體元件的文獻逐漸增加並呈現多元化，要吸收這方面的大量資訊，需要一本完整介紹元件物理及操作原理的書籍。
第一版、第二版與第三版的Physics of Semiconductor devices（《半導體元件物理學》）分別在1969 年、1991 年與2007 年發行以符合如此的需求。令人驚訝的是，本書長期以來一直為主修應用物理、電機與電子工程，以及材料科學的大學研究生的主要教科書之一。由於本書包括許多在材料參數及元件物理上的有用資訊，因此也適合研究與發展半導體元件的工程師及科學家們當作主要參考資料。直到目前為止，本書仍為被引用最多次的書籍之一，在當代工程以及應用科學領域上，已被引用超過55,000 次 (Google Scholar)（編按：本書於中文版翻譯完成時，引用次數已超過63,800 次）。
自從本書上一版在2007 年出版後，已有超過1,000,000 篇與半導體元件的相關論文被發表，並且在元件概念及性能上有許多突破，顯然需要推出更新版以繼續達到本書的功能。在第四版的Physics of Semiconductor devices 中，有超過50% 的材料資訊已經被校正或是被更新，並將這些材料資訊全部重新整理。我們保留了基本的元件物理，加上許多當代感興趣的元件，例如負電容、穿隧場效電晶體、多層單元與三維的快閃記憶體、氮化鎵調變摻雜場效電晶體、中間能帶太陽能電池、發射極關閉晶閘管、晶格—溫度方程式等，亦在每章後增加大量問題集，幫助整合主題的發展，而某些問題可以在課堂上作為教學範例。
在撰寫這本書的過程中，我們有幸得到許多人的幫助及支持。首先，我們對於自己所屬的學術單位國立陽明交通大學表示謝意，沒有學校的支持，本書將無法完成；也感謝台灣高等教育深耕計畫第2 部分—特色領域研究中心—毫米波智慧雷達系統與技術研究中心與交大思源基金會在經費上的資助。
以下學者在百忙中花了不少時間校閱本書並提供建議， 使我們獲益良多， 績效屬於下列學者：M. Ancona, T.-C. Chang, C.-H. Chaing, Y.-S. Chauhan, K. Endo, M.-Y. Lee, Y.-J. Lee, P.-T. Liu, T. Matsuoka, M. Meyyappan, N. Mori, S. Samukawa, A. Schenk, N. M. Shrestha, P.-H. Su, T. Tanaka, V. Rajagopal Reddy, 以及 D. Vasileska. 我們也感謝各期刊以及作者允許我們重製並引用他們的原始圖。
我們很高興地感謝C.-H. Chen, C.-Y. Chen, S. R. Kola, Y.-C. Lee, C.-C. Liu, W.-L. Sung, N. Thoti 及Y.-C. Tsai 等協助製備這份原稿。我們更進一步地感謝 Min-Hui Chuang, Norman Erdos 及Ju-Min Hsu 協助整原稿的技術編輯。在John Wiley 以及 Sons，感謝Sarah Keegan 鼓勵我們進行這個計畫。
最後，對我們的妻子Therese Sze 以及Linda Ng 在寫作這本書過程的支持及幫助表示謝意。本書作者李義明教授將本書獻給他的母親黃葱女士，黃女士於2019 年6 月過世。
施敏
台灣 新竹
李義明
台灣 新竹
伍國珏
美國 北卡羅來納州 教堂山
2020 年2 月

序言
自1947 年貝爾電話實驗室研究團隊（現在為諾基亞貝爾實驗室）發現電晶體效應以來，半導體元件領域快速成長。隨著此領域的發展，半導體元件的文獻逐漸增加並呈現多元化，要吸收這方面的大量資訊，需要一本完整介紹元件物理及操作原理的書籍。
第一版、第二版與第三版的Physics of Semiconductor devices（《半導體元件物理學》）分別在1969 年、1991 年與2007 年發行以符合如此的需求。令人驚訝的是，本書長期以來一直為主修應用物理、電機與電子工程，以及材料科學的大學研究生的主要教科書之一。由於本書包括許多在材料參數及元件...

【第一部分 半導體物理】
第一章 半導體物理及特性──回顧篇
1.1 簡介
1.2 晶體結構
1.3 能帶與能隙
1.4 熱平衡狀態下的載子濃度
1.5 載子傳輸現象
1.6 聲子、光和熱特性
1.7 異質接面與奈米結構
1.8 基本方程式與範例

【第二部分 元件建構區塊】
第二章 p-n接面
2.1 簡介
2.2 空乏區
2.3 電流—電壓特性
2.4 接面崩潰
2.5 暫態行為與雜訊
2.6 終端功能
2.7 異質接面

第三章 金屬—半導體接觸
3.1 簡介
3.2 位障的形成
3.3 電流傳輸過程
3.4 位障高度的量測
3.5 元件結構
3.6 歐姆接觸

第四章 金屬-絕緣體—半導體電容器
4.1 簡介
4.2 理想MIS電容器
4.3 矽MOS電容器
4.4 MOS電容器的載子傳輸

【第三部分 電晶體】
第五章 雙極性電晶體 (BJT)
5.1 簡介
5.2 靜態特性
5.3 雙極性電晶體的緊密模型
5.4 微波特性
5.5 相關元件結構
5.6 異質接面雙極性電晶體
5.7 自熱效應

第六章 金氧半場效電晶體 (MOSFET)
6.1 簡介
6.2 基本元件特性
6.3 非均勻摻雜與埋入式通道元件
6.4 元件微縮與短通道效應
6.5 MOSFET結構
6.6 電路應用
6.7 負電容場效電晶體與穿隧場效電晶體
6.8 單電子電晶體

第七章 非揮發性記憶體元件
7.1 簡介
7.2 浮動閘極概念
7.3 元件結構
7.4 浮動閘極記憶單元的緊密模型
7.5 多層單元與三維結構
7.6 應用與尺寸微縮挑戰
7.7 替代性結構


附錄
A. 符號表
B. 國際單位系統(SI Units)
C. 國際單位前置字
D. 希臘字母
E. 物理常數
F. 重要半導體的特性
G. 倒置晶格的布洛赫理論與週期性能量
H. Si與GaAs的特性
I. 波茲曼傳輸方程式與氫動態模型
J. SiO2 與Si3N4 的特性
K .雙極性電晶體的緊密模型
L. 浮動閘極記憶體效應的發現

索引

【第一部分 半導體物理】
第一章 半導體物理及特性──回顧篇
1.1 簡介
1.2 晶體結構
1.3 能帶與能隙
1.4 熱平衡狀態下的載子濃度
1.5 載子傳輸現象
1.6 聲子、光和熱特性
1.7 異質接面與奈米結構
1.8 基本方程式與範例

【第二部分 元件建構區塊】
第二章 p-n接面
2.1 簡介
2.2 空乏區
2.3 電流—電壓特性
2.4 接面崩潰
2.5 暫態行為與雜訊
2.6 終端功能
2.7 異質接面

第三章 金屬—半導體接觸
3.1 簡介
3.2 位障的形成
3.3 電流傳輸過程
3.4 位障高度的量測
3.5 元件結構
3.6 歐姆接觸
...