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第1章 半导体物理基础及基本方程 1

1.1 半导体晶格 1

1.1.1 基本的晶体结构 1

1.1.2 晶向和晶面 3

1.1.3 原子价键 3

1.2 半导体中的电子状态 3

1.2.1 原子的能级和晶体的能带 3

1.2.2 半导体中电子的状态和能带 4

1.2.3 半导体中电子的运动和有效质量 6

1.2.4 导体、半导体和绝缘体 8

1.3 平衡状态下载流子浓度 8

1.3.1 费米能级和载流子的统计分布 9

1.3.2 本征载流子浓度 11

1.3.3 杂质半导体的载流子浓度 11

1.3.4 简并半导体的载流子浓度 13

1.4 非平衡载流子 13

1.4.1 非平衡载流子的注入与复合过程 13

1.4.2 非平衡载流子的寿命 14

1.4.3 复合理论 14

1.5 载流子的输运现象 16

1.5.1 载流子的漂移运动及迁移率 16

1.5.2 载流子的扩散运动 18

1.5.3 爱因斯坦关系 18

1.6 半导体器件基本方程 19

1.6.1 泊松方程 19

1.6.2 输运方程 19

1.6.3 连续性方程 20

1.6.4 方程的积分形式 20

1.6.5 基本方程的简化与应用举例 21

本章参考文献 23

第2章 PN结 24

2.1 PN结的平衡状态 24

2.1.1 空间电荷区的形成 24

2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度 25

2.1.3 能带图 28

2.1.4 线性缓变结 29

2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性 30

2.2 PN结的直流电流电压方程 33

2.2.1 外加电压时载流子的运动情况 33

2.2.2 势垒区两旁载流子浓度的玻耳兹曼分布 35

2.2.3 扩散电流 36

2.2.4 势垒区产生复合电流 39

2.2.5 正向导通电压 41

2.2.6 薄基区二极管 42

2.3 准费米能级与大注入效应 43

2.3.1 自由能与费米能级 43

2.3.2 准费米能级 45

2.3.3 大注入效应 46

2.4 PN结的击穿 50

2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子 50

2.4.2 雪崩击穿 53

2.4.3 齐纳击穿 58

2.4.4 热击穿 60

2.5 PN结的势垒电容 62

2.5.1 势垒电容的定义 62

2.5.2 突变结的势垒电容 63

2.5.3 线性缓变结的势垒电容 64

2.5.4 实际扩散结的势垒电容 64

2.6 PN结的交流小信号特性与扩散电容 66

2.6.1 交流小信号下的扩散电流 67

2.6.2 交流导纳与扩散电容 68

2.6.3 二极管的交流小信号等效电路 69

2.7 PN结的开关特性 69

2.7.1 PN结的直流开关特性 69

2.7.2 PN结的瞬态开关特性 70

2.7.3 反向恢复过程 71

2.7.4 存储时间与下降时间 72

2.8 SPICE中的二极管模型 74

习题二 76

本章参考文献 79

第3章 双极结型晶体管 80

3.1 双极结型晶体管基础 80

3.1.1 双极结型晶体管的结构 80

3.1.2 偏压与工作状态 81

3.1.3 少子浓度分布与能带图 81

3.1.4 晶体管的放大作用 83

3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数 85

3.2.1 基区输运系数 85

3.2.2 基区渡越时间 87

3.2.3 发射结注入效率 87

3.2.4 电流放大系数 88

3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数 89

3.3.1 基区内建电场的形成 89

3.3.2 基区少子电流密度与基区少子浓度分布 90

3.3.3 基区渡越时间与输运系数 91

3.3.4 注入效率与电流放大系数 92

3.3.5 小电流时放大系数的下降 93

3.3.6 发射区重掺杂的影响 94

3.3.7 异质结双极型晶体管 97

3.4 双极结型晶体管的直流电流电压方程 97

3.4.1 集电结短路时的电流 97

3.4.2 发射结短路时的电流 98

3.4.3 晶体管的直流电流电压方程 98

3.4.4 晶体管的输出特性 99

3.4.5 基区宽度调变效应 101

3.5 双极结型晶体管的反向特性 103

3.5.1 反向截止电流 103

3.5.2 共基极接法中的雪崩击穿电压 105

3.5.3 共发射极接法中的雪崩击穿电压 106

3.5.4 发射极与基极间接有外电路时的反向电流与击穿电压 107

3.5.5 发射结击穿电压 108

3.5.6 基区穿通效应 108

3.6 基极电阻 110

3.6.1 方块电阻 110

3.6.2 基极接触电阻和接触孔边缘到工作基区边缘的电阻 112

3.6.3 工作基区的电阻和基极接触区下的电阻 114

3.7 双极结型晶体管的功率特性 116

3.7.1 大注入效应 116

3.7.2 基区扩展效应 121

3.7.3 发射结电流集边效应 125

3.7.4 晶体管的热学性质 129

3.7.5 二次击穿和安全工作区 134

3.8 电流放大系数与频率的关系 139

3.8.1 高频小信号电流在晶体管中的变化 140

3.8.2 基区输运系数与频率的关系 141

3.8.3 高频小信号电流放大系数 146

3.8.4 晶体管的特征频率 154

3.8.5 影响高频电流放大系数与特征频率的其他因素 156

3.9 高频小信号电流电压方程与等效电路 159

3.9.1 小信号的电荷控制模型 160

3.9.2 小信号的电荷电压关系 161

3.9.3 高频小信号电流电压方程 163

3.9.4 小信号等效电路 165

3.10 功率增益和最高振荡频率 168

3.10.1 高频功率增益与高频优值 169

3.10.2 最高振荡频率 170

3.10.3 高频晶体管的结构 171

3.11 双极结型晶体管的开关特性 172

3.11.1 晶体管的静态大信号特性 172

3.11.2 晶体管的直流开关特性 177

3.11.3 晶体管的瞬态开关特性 179

3.12 SPICE中的双极晶体管模型 185

3.12.1 埃伯斯-莫尔（EM）模型 185

3.12.2 葛谋-潘（GP）模型 190

习题三 195

本章参考文献 200

第4章 绝缘栅型场效应晶体管 202

4.1 MOSFET基础 202

4.2 MOSFET的阈电压 206

4.2.1 MOS结构的阈电压 206

4.2.2 MOSFET的阈电压 208

4.3 MOSFET的直流电流电压方程 213

4.3.1 非饱和区直流电流电压方程 213

4.3.2 饱和区的特性 217

4.4 MOSFET的亚阈区导电 219

4.5 MOSFET的直流参数与温度特性 222

4.5.1 MOSFET的直流参数 222

4.5.2 MOSFET的温度特性 223

4.5.3 MOSFET的击穿电压 224

4.6 MOSFET的小信号参数、高频等效电路及频率特性 226

4.6.1 MOSFET的小信号交流参数 226

4.6.2 MOSFET的小信号高频等效电路 228

4.6.3 最高工作频率和最高振荡频率 234

4.6.4 沟道渡越时间 235

4.7 短沟道效应 235

4.7.1 小尺寸效应 236

4.7.2 迁移率调制效应 238

4.7.3 漏诱生势垒降低效应 242

4.7.4 强电场效应 243

4.7.5 表面势和阈值电压准二维分析 247

4.8 体硅MOSFET的发展方向 249

4.8.1 按比例缩小的MOSFET 249

4.8.2 双扩散MOSFET 252

4.8.3 深亚微米MOSFET 252

4.8.4 应变硅MOSFET 256

4.8.5 高K栅介质及金属栅电极MOSFET 258

4.9 功率垂直型双扩散场效应晶体管 260

4.9.1 VDMOS器件 260

4.9.2 超结VDMOS器件 261

4.9.3 常规VDMOS与超结VDMOS器件的电流电压关系的比较 262

4.10 SOI MOSFET 263

4.10.1 SOI MOSFET结构特点 263

4.10.2 SOI MOSFET一维阈值电压模型 264

4.10.3 SOI MOSFET的电流特性 266

4.10.4 SOI MOSFET的亚阈值斜率 268

4.10.5 短沟道SOI MOSFET的准二维分析 269

4.11 多栅结构MOSFET与FINFET 270

4.11.1 多栅MOSFET结构 271

4.11.2 多栅结构MOSFET的特征长度 272

4.11.3 双栅FINFET的亚阈值斜率 274

4.11.4 双栅FINFET的按比例缩小 275

4.11.5 多栅FINFET的结构设计 275

4.12 无结晶体管 278

4.12.1 无结晶体管的工作原理 278

4.12.2 无结晶体管的阈值电压 279

4.12.3 无结晶体管的直流电流电压关系 280

4.12.4 无结晶体管的温度特性 281

4.13 SPICE中的MOSFET模型 283

4.13.1 MOS1模型 283

4.13.2 MOS2模型 284

4.13.3 MOS3模型 287

4.13.4 电容模型 288

4.13.5 小信号模型 290

4.13.6 串联电阻的影响 290

习题四 290

本章参考文献 292

第5章 半导体异质结器件 294

5.1 半导体异质结 294

5.1.1 半导体异质结的能带突变 295

5.1.2 半导体异质结伏安特性 297

5.2 高电子迁移率晶体管（HEMT） 299

5.2.1 高电子迁移率晶体管的基本结构 300

5.2.2 HEMT的工作原理 300

5.2.3 异质结界面的二维电子气 302

5.2.4 高电子迁移率晶体管（HEMT）的直流特性 303

5.2.5 HEMT的高频模型 307

5.2.6 HEMT的高频小信号等效电路 308

5.2.7 高电子迁移率晶体管（HEMT）的频率特性 309

5.3 异质结双极晶体管（HBT） 311

5.3.1 HBT的基础理论 311

5.3.2 能带结构与HBT性能的关系 315

5.3.3 异质结双极晶体管的特性 318

5.3.4 Si/Si1-xGex异质结双极晶体管 321

习题五 325

本章参考文献 326

附录A 晶体管设计中的一些常用图 328

A.1 扩散结势垒区宽度xd与势垒电容CT和外加电压V的关系曲线 328

A.2 室温下硅电阻率随施主或受主浓度的变化 330

A.3 扩散结的耗尽区在扩散层一侧所占厚度xCB对耗尽区总厚度xC之比（xCB/xC）与外加电压V的关系曲线 330

A.4 硅中扩散层的电导率曲线 331

A.5 硅中载流子的迁移率与扩散系数曲线 333