Semiconductor Devices：Physics and Technology【臺大九十週年校慶版】
暫譯: 半導體元件：物理與技術【臺大九十週年校慶版】

提供現代半導體裝置的物理原理及其先進製造技術的基本介紹，本資源向學生展示了裝置特性及製造過程中每一步的理論與實務面向，特別強調集成電路。該書分為三個部分，涵蓋半導體材料的基本特性，重點在矽（silicon）和砷化鎵（gallium arsenide）；半導體裝置的物理學及特性；雙極性和單極性特殊微波及光子裝置；以及從晶體生長到光刻圖案轉移的最新處理技術。

序

「慶祝國立臺灣大學創校九十週年選輯」總序

國立臺灣大學的前身，是成立於1928年的臺北帝國大學，今年（2018）適逢台大創校九十週年。九十年，於個人而言，是高壽；但對一所大學來說，應屬「年輕」。回顧台大過往的九十年，校園外大環境的政治、社會變遷極為鉅大；校園內的建制、組織、空間也隨著時空變化，有延續也有更替。台大從初始的文政與理農兩個學部、第一屆學生59人，在數個世代、全校師生的共同耕耘之下，逐步茁壯發展。一代代的莘莘學子，在傅鐘聲裡入學，於椰林樹影中畢業，如今的台大已成為11個學院、3個專業學院的綜合型研究大學，學生3萬3千多人，不僅是台灣第一學府、高等教育的代表，也是國際知名大學，更是引領台灣社會發展的動力源頭。

作為台大一級行政單位的出版中心，要如何慶祝本校創校九十週年？

很自然地，我們會從出版的角度來思考這件事。我們認為，大學存在的兩大目標，一是追求真理，一是作育英才；反映在出版品上，前者是學術研究的成果——學術著作，後者是教學必備工具——教科書。因而，我們特別從這兩個角度，精選自1928年迄今具有代表性、屬經典之作的學術著作與具創新、影響力的教科書共10種，以「慶祝國立臺灣大學創校九十週年選輯」為套書名稱（以下簡稱「選輯」），予以出版，以資慶祝。選輯的作者，限於現任或曾任台大的教師或畢業之校友。

九十年來的台大，曾醞釀出無數優秀的學者、名師，也為國家社會培養出眾多傑出人才。他們的著作，在各自的學術領域中稱得上是重要者，多不勝數。要從中選出具「代表性」、「影響力」的作品，並不容易。為慎重起見，出版中心敦請校內各領域的學者，成立一專責的編輯委員會。編輯委員會成員有：高涌泉（理學院物理學系教授、科學教育發展中心主任）、張育森（生物資源暨農學院園藝暨景觀學系教授）、郭瑞祥（管理學院工商管理學系教授、管理學院院長）、陳光華（文學院圖書資訊學系教授、圖書館館長）、陳為堅（公共衛生學院公共衛生學系教授）、陳弱水（文學院歷史學系教授）、謝尚賢（工學院土木工程學系教授、系主任）、蘇國賢（社會科學院社會學系教授、社會科學院院長），以及擔任出版中心主任的本人（法律學院科際整合法律學研究所教授）。

選書的程序，分為兩個階段。第一階段，確定推薦書單，主要是透過三種方式蒐集：一、請本校各學院推薦其學院所屬領域符合上揭期待的學術著作或教科書，至多三本；二、出版中心就各重要學術領域，從歷年出版及代銷的書目中，羅列出符合前述要求者；三、編委會的編委，亦可補充推薦。有了推薦書單之後，進入第二階段，由編委們從推薦書單中挑選出最終的10種書。第一階段產生出的推薦書單共計43種，其中各學院及出版中心推薦者39種，編委補充推薦者4種。接著，由出版中心召開編委會議，委員們共聚一堂，選出最終書單。因選輯著重在作者與著作本身對台大及該學術領域的「經典之作」，編委們第一步就先排除了圖鑑、工具書、事典等形式的著作，再就所剩書單逐一討論，最終選出10種書，依各書之初版日期可排列如下：

• 《增補水稻耕種法講演》（磯永吉著，日文）
• 《沒有顏色的思想：殷海光與自由主義讀本》（殷海光著）
• 《管理學》（許士軍著）
• 《經濟學：理論與實際》（張清溪、許嘉棠、劉鶯釧、吳聰敏著）
• 《公共衛生學》（王榮德、江東亮、陳為堅、詹長權編）
• 《程序制度機能論》（民事程序法之理論與實務 第一卷）（邱聯恭著）
• Semiconductor Devices: Physics and Technology (2nd Edition)（施敏著）
• 《華人心理的本土化研究》（楊國樞著）
• 《中國文學史》（臺靜農著）
• 《跨國灰姑娘：當東南亞幫傭遇上台灣新富家庭》（藍佩嘉著）

上述10種書，皆在各自的學術領域有其重要性與深遠影響力。書單中，學術著作5種，文集1種，教科書4種；部分教科書因有分冊，故選輯總數是10種13冊。在編輯上，選輯皆保留各書的原有內容，重新裝幀設計出版，有幾種因授權緣故為限量發行。要特別說明的是：磯永吉的《增補水稻耕種法講演》，是作為台北帝大時期的代表作收入選輯，以日文複刻方式出版，為選輯中唯一的直排書。臺靜農的《中國文學史》，之前曾收入「臺大出版中心20週年選輯」，這次編委們一致認為臺老師的著作不應在這個重要的選輯中缺席，出版中心在編輯上特別把它上下冊合而為一，且配合晚近學界的習慣採取橫排的方式，內容雖同但版本有異，提供讀者另一選擇。殷海光的著作，原本列在推薦書單上是他的《中國文化的展望》，但經討論，決議選錄殷海光關於自由主義的重要文章輯為一冊，以彰顯這位1950、1960年代台灣自由主義的開山人物。藍佩嘉的《跨國灰姑娘》是編委們討論的另一熱點，主因它是最近的出版品（2008），最後仍決定收入選輯以彰顯學術傳承之意義。

這套選輯中，有的是作者自行出版的書，有的則是其他出版社擁有出版權。對出版中心而言，最大的困難處是取得作者或出版社的同意，讓我們收入選輯。出乎意料的是，洽談過程極為順利，不論是作者或是出版社，都非常願意並隨即同意授權給出版中心，讓我們得以出版發行。在此，我要代表出版中心向選輯的作者及同意授權的出版社（單位），致上最誠摯的謝意。他們是：磯永吉學會；臺益公先生；邱聯恭教授；楊國樞及居中聯絡的瞿海源兩位教授，以及桂冠出版社；藍佩嘉教授及行人出版社；殷海光基金會；施敏教授及John Wiley & Sons出版社；許士軍教授及東華出版社；張清溪、許嘉棠、吳惠林（劉鶯釧著作財產權繼承人）、吳聰敏等四位教授；陳拱北基金會。沒有他們的熱心幫忙與慨允，這套選輯不可能在台大九十週年校慶時順利出版。

透過這套書的出版，我們期盼：它能呈現九十年來台大在學術研究及教學上，對人類知識及社會國家的貢獻。同時，它也是對獻身於研究、教學的作者個人成就的最佳禮讚。當然，對出版中心本身而言，這套書的出版另具有「標竿出版品」的意義。它不只是我們的出版目標，也展現了努力與堅持的方向！

王泰升（臺大出版中心主任）

前言

本書是現代半導體裝置及其先進製造技術的物理原理介紹。它旨在作為應用物理學、電機與電子工程及材料科學的本科生教科書。它也可以作為需要更新裝置及技術發展的在職工程師和科學家的參考資料。

主題涵蓋

• 第一章簡要回顧主要半導體裝置及關鍵技術發展的歷史。接下來的文本分為三個部分。

• 第一部分，第2-3章，描述半導體的基本特性及其導電過程，特別強調兩種最重要的半導體：矽（Si）和砷化鎵（GaAs）。第一部分的概念將在本書中貫穿使用。這些概念需要現代物理學和大學微積分的背景知識。

• 第二部分，第4-9章，討論所有主要半導體裝置的物理學及特性。我們從p-n接面開始，這是大多數半導體裝置的關鍵構建塊。接著我們討論雙極性和場效應裝置，然後涵蓋微波、量子效應、熱電子和光子裝置。

• 第三部分，第10-14章，處理從晶體生長到雜質摻雜的處理技術。我們展示了裝置製造中主要步驟的理論和實務面向，特別強調集成裝置。

主要特點

每章包括以下特點：

• 章節開始時提供主題內容的概述，並列出學習目標。

• 第二版的例題數量增加了三倍，將基本概念應用於具體問題。

• 每章結尾有章節摘要，總結重要概念，幫助學生在解決後續作業問題之前回顧內容。

• 本書包含約250個作業問題，其中超過50%是第二版的新問題。奇數問題的答案（具有數值解）在書末的附錄L中提供。

課程設計選項

第二版可以提供更大的課程設計靈活性。本書包含足夠的材料以支持完整的裝置物理學和處理技術的年度課程。假設每週三次講座，兩學期的課程可以在第一學期涵蓋第1-7章，將第8-14章留給第二學期。對於三學季的課程，邏輯的分界點是第1-5章、第6-9章和第10-14章。

兩學季的課程可以在第一學季涵蓋第1-5章。教師在第二學季有幾個選擇。例如，涵蓋第6、11、12、13和14章強調MOSFET及其相關的處理技術，而涵蓋第6-9章則強調所有主要裝置。對於一學季的半導體裝置處理課程，教師可以涵蓋第1.2節和第10-14章。

一學期的基本半導體物理學和裝置課程可以涵蓋第1-7章。一學期的微波和光子裝置課程可以涵蓋第1-4章和第7-9章。如果學生已經對半導體基礎有一定的了解，一學期的亞微米MOSFET：物理與技術課程可以涵蓋第1章、第6章和第10-14章。當然，根據教學計劃和教師的主題選擇，還有許多其他課程設計選項。

教科書補充資料

• 教師手冊。已準備好所有章末問題的詳細解答完整集。這些解答對所有採用本書的教師免費提供。

• 書中使用的圖形以電子格式提供給教師。教師可以在出版商的網站上獲得更多信息：www.wiley.com/college/sze

S. M. Sze

　　S. M. Sze is UMC Chair Professor of the National Chiao Tung University and President of the National Nano Device Laboratories, Taiwan, R.O.C. For many years he was a member of the technical staff at Bell Laboratories. Professor Sze is the co-inventor of nonvolatile semiconductor memory. He has written numerous texts on device physics, including PHYSICS OF SEMICONDUCTOR DEVICES, considered a reference classic. In 1991, he received the IEEE J. J. Ebers award for his “fundamental and pioneering contributions to semiconductor devices.” He received his PhD in solid-state electronic from Stanford University in 1963.

S. M. Sze



　　S. M. Sze 是國立交通大學的UMC講座教授及國家奈米元件實驗室的所長，位於台灣，中華民國。他曾在貝爾實驗室擔任技術人員多年。Sze教授是非揮發性半導體記憶體的共同發明人。他撰寫了多本有關元件物理的著作，其中《半導體元件物理學》被視為經典參考書。1991年，他因其對半導體元件的「基礎性和開創性貢獻」獲得IEEE J. J. Ebers獎。他於1963年在史丹佛大學獲得固態電子學博士學位。

「慶祝國立臺灣大學創校九十週年選輯」總序╱王泰升
Preface
CHAPTER 1 Introduction
　1.1 Semiconductor Devices
　1.2 Semiconductor Technology
      Summary
 
PART I SEMICONDUCTOR PHYSICS
 
CHAPTER 2 Energy Bands and Carrier Concentration in Thermal Equilibrium
　2.1 Semiconductor Materials
　2.2 Basic Crystal Structure
　2.3 Basic Crystal Growth Technique
　2.4 Valence Bonds
　2.5 Energy Bands
　2.6 Intrinsic Carrier Concentration
　2.7 Donors and Acceptors
      Summary
CHAPTER 3 Carrier Transport Phenomena
　3.1 Carrier Drift
　3.2 Carrier Diffusion
　3.3 Generation and Recombination Processes
　3.4 Continuity Equation
　3.5 Thermionic Emission Process
　3.6 Tunneling Process
　3.7 High-Field Effects
      Summary
 
PART II SEMICONDUCTOR DEVICES
 
CHAPTER 4 p-n Junction
　4.1 Basic Fabrication Steps
　4.2 Thermal Equilibrium Condition
　4.3 Depletion Region
　4.4 Depletion Capacitance
　4.5 Current-Voltage Characteristics
　4.6 Charge Storage and Transient Behavior
　4.7 Junction Breakdown
　4.8 Heterojunction
      Summary
CHAPTER 5 Bipolar Transistor and Related Devices
　5.1 The Transistor Action
　5.2 Static Characteristics of Bipolar Transistor
　5.3 Frequency Response and Switching of Bipolar Transistor
　5.4 The Heterojunction Bipolar Transistor
　5.5 The Thyristor and Related Power Devices
      Summary
CHAPTER 6 MOSFET and Related Devices
　6.1 The MOS Diode
　6.2 MOSFET Fundamentals
　6.3 MOSFET Scaling
　6.4 CMOS and BiCMOS
　6.5 MOSFET on Insulator
　6.6 MOS Memory Structures
　6.7 The Power MOSFET
      Summary
CHAPTER 7 MESFET and Related Devices
　7.1 Metal-Semiconductor Contacts
　7.2 MESFET
　7.3 MODFET
      Summary
CHAPTER 8 Microwave Diodes, Quantum-Effect, and Hot-Electron Devices
　8.1 Basic Microwave Technology
　8.2 Tunnel Diode
　8.3 IMPATT Diode
　8.4 Transferred-Electron Devices
　8.5 Quantum-Effect Devices
　8.6 Hot-Electron Devices
      Summary
CHAPTER 9 Photonic Devices
　9.1 Radiative Transitions and Optical Absorption
　9.2 Light-Emitting Diodes
　9.3 Semiconductor Laser
　9.4 Photodetector
　9.5 Solar Cell
      Summary
 
PART III SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY
 
CHAPTER 10 Crystal Growth and Epitaxy
　10.1 Silicon Crystal Growth from the Melt
　10.2 Silicon Float-Zone Process
　10.3 GaAs Crystal-Growth Techniques
　10.4 Material Characterization
　10.5 Epitaxial-Growth Techniques
　10.6 Structures and Defects in Epitaxial Layers
        Summary
CHAPTER 11 Film Formation
　11.1 Thermal Oxidation
　11.2 Dielectric Deposition
　11.3 Polysilicon Deposition
　11.4 Metallization
        Summary
CHAPTER 12 Lithography and Etching
　12.1 Optical Lithography
　12.2 Next-Generation Lithographic Methods
　12.3 Wet Chemical Etching
　12.4 Dry Etching 431
　12.5 Microelectromechanical Systems 443
        Summary
CHAPTER 13 Impurity Doping
　13.1 Basic Diffusion Process
　13.2 Extrinsic Diffusion
　13.3 Diffusion-Related Processes
　13.4 Range of Implanted Ions
　13.5 Implant Damage and Annealing
　13.6 Implantation-Related Processes
        Summary
CHAPTER 14 Integrated Devices
　14.1 Passive Components
　14.2 Bipolar Technology
　14.3 MOSFET Technology
　14.4 MESFET Technology
　14.5 Challenges for Microelectronics
        Summary
 
APPENDIX A List of Symbols
APPENDIX B International Systems of Units (SI Units)
APPENDIX C Unit Prefixes
APPENDIX D Greek Alphabet
APPENDIX E Physical Constants
APPENDIX F Properties of Important Element and Binary Compound Semiconductors at 300 K
APPENDIX G Properties of Si and GaAs at 300 K
APPENDIX H Derivation of the Density of States in a Semiconductor
APPENDIX I Derivation of Recombination Rate for Indirect Recombination
APPENDIX J Calculation of the Transmission Coefficient for a Symmetric Resonant-Tunneling Diode
APPENDIX K Basic Kinetic Theory of Gases
APPENDIX L Answers to Selected Problems
Index

「慶祝國立臺灣大學創校九十週年選輯」總序╱王泰升

Preface

CHAPTER 1 Introduction

　1.1 Semiconductor Devices

　1.2 Semiconductor Technology

      Summary

 

PART I SEMICONDUCTOR PHYSICS

 

CHAPTER 2 Energy Bands and Carrier Concentration in Thermal Equilibrium

　2.1 Semiconductor Materials

　2.2 Basic Crystal Structure

　2.3 Basic Crystal Growth Technique

　2.4 Valence Bonds

　2.5 Energy Bands

　2.6 Intrinsic Carrier Concentration

　2.7 Donors and Acceptors

      Summary

CHAPTER 3 Carrier Transport Phenomena

　3.1 Carrier Drift

　3.2 Carrier Diffusion

　3.3 Generation and Recombination Processes

　3.4 Continuity Equation

　3.5 Thermionic Emission Process

　3.6 Tunneling Process

　3.7 High-Field Effects

      Summary

 

PART II SEMICONDUCTOR DEVICES

 

CHAPTER 4 p-n Junction

　4.1 Basic Fabrication Steps

　4.2 Thermal Equilibrium Condition

　4.3 Depletion Region

　4.4 Depletion Capacitance

　4.5 Current-Voltage Characteristics

　4.6 Charge Storage and Transient Behavior

　4.7 Junction Breakdown

　4.8 Heterojunction

      Summary

CHAPTER 5 Bipolar Transistor and Related Devices

　5.1 The Transistor Action

　5.2 Static Characteristics of Bipolar Transistor

　5.3 Frequency Response and Switching of Bipolar Transistor

　5.4 The Heterojunction Bipolar Transistor

　5.5 The Thyristor and Related Power Devices

      Summary

CHAPTER 6 MOSFET and Related Devices

　6.1 The MOS Diode

　6.2 MOSFET Fundamentals

　6.3 MOSFET Scaling

　6.4 CMOS and BiCMOS

　6.5 MOSFET on Insulator

　6.6 MOS Memory Structures

　6.7 The Power MOSFET

      Summary

CHAPTER 7 MESFET and Related Devices

　7.1 Metal-Semiconductor Contacts

　7.2 MESFET

　7.3 MODFET

      Summary

CHAPTER 8 Microwave Diodes, Quantum-Effect, and Hot-Electron Devices

　8.1 Basic Microwave Technology

　8.2 Tunnel Diode

　8.3 IMPATT Diode

　8.4 Transferred-Electron Devices

　8.5 Quantum-Effect Devices

　8.6 Hot-Electron Devices

      Summary

CHAPTER 9 Photonic Devices

　9.1 Radiative Transitions and Optical Absorption

　9.2 Light-Emitting Diodes

　9.3 Semiconductor Laser

　9.4 Photodetector

　9.5 Solar Cell

      Summary

 

PART III SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY

 

CHAPTER 10 Crystal Growth and Epitaxy

　10.1 Silicon Crystal Growth from the Melt

　10.2 Silicon Float-Zone Process

　10.3 GaAs Crystal-Growth Techniques

　10.4 Material Characterization

　10.5 Epitaxial-Growth Techniques

　10.6 Structures and Defects in Epitaxial Layers

        Summary

CHAPTER 11 Film Formation

　11.1 Thermal Oxidation

　11.2 Dielectric Deposition

　11.3 Polysilicon Deposition

　11.4 Metallization

        Summary

CHAPTER 12 Lithography and Etching

　12.1 Optical Lithography

　12.2 Next-Generation Lithographic Methods

　12.3 Wet Chemical Etching

　12.4 Dry Etching 431

　12.5 Microelectromechanical Systems 443

        Summary

CHAPTER 13 Impurity Doping

　13.1 Basic Diffusion Process

　13.2 Extrinsic Diffusion

　13.3 Diffusion-Related Processes

　13.4 Range of Implanted Ions

　13.5 Implant Damage and Annealing

　13.6 Implantation-Related Processes

        Summary

CHAPTER 14 Integrated Devices

　14.1 Passive Components

　14.2 Bipolar Technology

　14.3 MOSFET Technology

　14.4 MESFET Technology

　14.5 Challenges for Microelectronics

        Summary

 

APPENDIX A List of Symbols

APPENDIX B International Systems of Units (SI Units)

APPENDIX C Unit Prefixes

APPENDIX D Greek Alphabet

APPENDIX E Physical Constants

APPENDIX F Properties of Important Element and Binary Compound Semiconductors at 300 K

APPENDIX G Properties of Si and GaAs at 300 K

APPENDIX H Derivation of the Density of States in a Semiconductor

APPENDIX I Derivation of Recombination Rate for Indirect Recombination

APPENDIX J Calculation of the Transmission Coefficient for a Symmetric Resonant-Tunneling Diode

APPENDIX K Basic Kinetic Theory of Gases

APPENDIX L Answers to Selected Problems

Index