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出版者:Springer Verlag

作者:Velazco, Raoul (EDT)/ Fouillat, Pascal (EDT)/ Reis, Ricardo (EDT)

出品人:

页数:269

译者:

出版时间:

价格:129

装帧:HRD

isbn号码:9781402056451

丛书系列:

图书标签:

• 辐射效应
• 嵌入式系统
• 可靠性
• 容错
• 单事件效应
• 空间电子学
• 硬件安全
• 测试与验证
• 辐射加固
• 电子器件

《半导体器件物理基础与可靠性分析》 作者： [此处可填写虚构作者姓名，例如：张伟、李明] 出版社： [此处可填写虚构出版社名称，例如：华南理工大学出版社、电子工业出版社] 版次： 初版/修订版（根据需要设定） 页数： 约 600 页 定价： 188.00 元 --- 图书简介 《半导体器件物理基础与可靠性分析》是一本系统而深入探讨现代半导体器件工作机理、先进制造工艺及其在实际应用中面临的长期可靠性挑战的专业学术著作。本书旨在为电子工程、微电子学、材料科学以及相关领域的高年级本科生、研究生、科研人员以及行业工程师提供一个全面而扎实的理论框架和实践指导。 本书摒弃了对特定应用场景（如辐射效应）的聚焦，转而将核心精力集中在半导体材料的本征物理特性、器件结构与电学性能的关联，以及确保电子系统在环境和工作应力下的长期稳定运行这一宏大主题之上。 全书内容组织严谨，逻辑清晰，从微观的量子力学基础出发，逐步过渡到宏观的器件模型与失效机制分析。全书共分为七个主要部分，约三十个章节，覆盖了从基础理论到前沿研究的广泛内容。 --- 第一部分：半导体材料与能带理论基础（第 1-4 章） 本部分为全书的理论基石。详细阐述了晶体结构、晶格振动（声子）在半导体中的作用，以及量子力学在描述电子行为中的不可或缺性。重点深入讲解了能带理论，包括有效质量的概念、费米能级、本征与掺杂半导体的载流子浓度计算。此外，还详尽分析了PN 结的形成机理、势垒区宽度、内置电场强度及其在不同偏置条件下的伏安特性曲线的物理根源。对于MOS 结构的电容-电压（C-V）特性曲线（包括理想、实际 MOS 电容）的分析，细致入微，为后续的器件建模打下坚实基础。 --- 第二部分：经典半导体器件工作原理（第 5-9 章） 此部分详细剖析了现代集成电路中最核心的几类器件。 双极性晶体管 (BJT) 的扩散电流与迁移电流机制、Ebers-Moll 模型及其高注入效应下的修正，均得到了详尽的数学推导和物理意义的阐释。重点讨论了 BJT 的直流和交流参数的确定过程。 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的分析是本部分的重中之重。本书采用了分段式分析方法，从亚阈值区（Subthreshold）、线性区（Triode）到饱和区，推导了完整的 I-V 方程。特别关注了短沟道效应（如 DIBL、沟道长度调制）的物理成因及其对器件性能的影响。此外，对 CMOS 反相器的静态和动态阈值电压、噪声容限等关键指标进行了深入的物理建模。 --- 第三部分：先进半导体器件结构与工艺影响（第 10-14 章） 随着特征尺寸的不断缩小，传统平面器件面临极限。本部分聚焦于先进的器件结构和制造过程对电学性能的显著影响。 详细介绍了深亚微米 CMOS 器件中的工艺角（Process Corners）对器件速度和功耗的影响。针对薄膜晶体管 (TFT)，特别是用于显示技术的非晶硅 (a-Si) 和氧化物半导体 (Oxide Semiconductor) TFT，分析了载流子迁移率、阈值电压稳定性的关键因素，包括界面态密度和陷阱效应。此外，还对SOI (Silicon-On-Insulator) 结构进行了全面的物理分析，阐述了其相较于体硅（Bulk CMOS）在寄生效应抑制方面的优势与挑战。 --- 第四部分：半导体器件的电热效应与功耗管理（第 15-18 章） 电子系统可靠性与工作温度密切相关。本部分探讨了器件在工作过程中产生的热量、热量的耗散机制，以及温度对器件参数的反馈影响。 系统性地分析了自热效应 (Self-Heating) 在高密度集成电路中的普遍性。建立了热阻模型，用于估算芯片结温（Junction Temperature）。讨论了功耗建模的方法，区分了短路功耗、动态功耗和泄漏功耗的物理来源，并探讨了降低系统整体热设计功耗（TDP）的工程策略。 --- 第五部分：半导体器件的长期可靠性基础（第 19-23 章） 这是本书面向工程实践和长期运行安全的核心章节。本部分聚焦于在正常操作条件（非极端环境）下，器件性能随时间推移而发生退化的各种内在机制。 深入解析了栅氧化层介质的可靠性： 1. TDDB (Time-Dependent Dielectric Breakdown, 随时间依赖的介质击穿)： 详细阐述了 Fowler-Nordheim 隧穿机制和 Poole-Frenkel 效应在高温高电场下的主导地位，并介绍了介质寿命的预测模型（如 $ ext{t}_{ ext{BD}} propto ext{E}^{-n}$）。 2. NBTI/PBTI (Negative/Positive Bias Temperature Instability, 偏置温度不稳定性)： 这是现代 CMOS 器件最主要的寿命限制因素之一。本书从界面氢键断裂模型出发，量化了阈值电压漂移 $Delta ext{V}_{ ext{th}}$ 与操作时间和温度的关系，并讨论了应力模型（如 $ ext{HCl}$ 动力学模型）。 同时，对金属互连的可靠性进行了详细讨论，特别是 EM (Electromigration, 电迁移) 现象。基于 Black 方程，分析了电流密度和温度对金属线寿命的影响，并介绍了钝化层和晶粒结构对电迁移的抑制作用。 --- 第六部分：随机性与统计物理在器件中的应用（第 24-27 章） 现代微电子技术面临的挑战不仅是平均性能的优化，更重要的是器件参数的随机性。本部分引入了统计学工具来理解和控制这些不确定性。 重点讨论了随机缺陷产生 (Random Dopant Fluctuation, RDF) 导致的阈值电压不均匀性（$sigma_{ ext{Vth}}$），以及这如何影响低功耗电路的可靠性。对于晶体管尺寸的随机性 (Line Edge Roughness, LER)，分析了其对亚阈值斜率（Subthreshold Slope）和漏电流的影响。本部分提供了一套使用蒙特卡洛模拟来评估这些随机变量对整体电路性能分散度的量化方法。 --- 第七部分：前沿可靠性挑战与测试方法（第 28-30 章） 最后一部分展望了下一代器件和技术所面临的可靠性问题，并介绍了行业标准的测试和加速寿命评估方法。 讨论了新材料（如高 k/金属栅结构）引入的潜在可靠性问题，如界面陷阱的捕获/释放动力学。对加速测试的原理进行了深入分析，包括如何利用阿累尼乌斯（Arrhenius）模型和依斯帖-佩尔（Eyring-Peck）模型，通过高温高湿加速条件来预测室温下的长期寿命。 总结： 《半导体器件物理基础与可靠性分析》结构完整，理论推导严谨，图表丰富，力求在为读者提供坚实的半导体物理学知识储备的同时，也为他们理解和解决实际芯片制造与长期运行中遇到的各种性能衰减和失效问题提供一套系统化的思维工具和分析框架。本书是相关专业研究人员和工程师不可或缺的参考资料。

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