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第1章 半导体物理与工艺概要 1

1.1 晶体结构和能带结构 1

1.1.1 理想晶体的结构 1

1.1.2 理想晶体的能带结构 5

1.1.3 晶格振动和杂质原子对半导体性质的影响 8

1.2 半导体中的载流子 10

1.2.1 平衡载流子的统计 10

1.2.2 半导体中的非平衡载流子 18

1.3 载流子的运动 25

1.3.1 漂移运动 26

1.3.2 扩散运动 29

1.4 半导体中的基本控制方程组 30

1.4.1 电流密度方程 30

1.4.2 连续性方程 31

1.5 PN结的电学特性 32

1.5.1 PN结直流伏安特性 32

1.5.2 势垒电容和扩散电容 33

1.5.3 击穿特性 34

1.6 基本器件工艺 36

1.6.1 衬底制备和外延生长 36

1.6.2 氧化和光刻 37

1.6.3 扩散与离子注入 38

习题 41

参考文献 41

第2章 晶体管的直流特性 42

2.1 晶体管的基本结构及其杂质分布 42

2.1.1 基本结构 42

2.1.2 晶体管工艺与杂质分布 43

2.1.3 均匀基区晶体管和缓变基区晶体管 44

2.2 晶体管的放大机理 45

2.2.1 晶体管的电流传输作用 45

2.2.2 晶体管端电流的组成 47

2.2.3 描述晶体管电流传输作用和放大性能的参数 48

2.2.4 晶体管的放大能力 50

2.3 晶体管的直流伏安特性 52

2.3.1 均匀基区晶体管的伏安特性 52

2.3.2 缓变基区晶体管有源放大区的伏安特性 58

2.4 直流电流增益 66

2.4.1 理想晶体管的直流增益 66

2.4.2 影响直流增益的一些因素 71

2.5 反向电流和击穿电压 81

2.5.1 反向电流 81

2.5.2 击穿电压 84

2.5.3 穿通电压 88

2.6 基极电阻 90

2.6.1 梳状晶体管 90

2.6.2 圆形晶体管 94

2.7 特性曲线 95

2.7.1 输入特性曲线 96

2.7.2 输出特性曲线 97

2.7.3 晶体管的直流小信号h参数 98

2.8 晶体管模型 102

2.8.1 埃伯斯-莫尔模型 102

2.8.2 晶体管各工作区的模型 104

习题 106

参考文献 107

第3章 晶体管的频率特性 108

3.1 基本概念 108

3.1.1 晶体管的交流小信号电流增益 108

3.1.2 描述晶体管频率特性的参数 109

3.2 电流增益的频率变化关系——截止频率和特征频率 111

3.2.1 交流小信号电流的传输过程 111

3.2.2 共基极电流增益和α截止频率 114

3.2.3 共射极电流增益、β截止频率和特征频率 123

3.3 高频功率增益和最高振荡频率 128

3.3.1 晶体管的功率增益 129

3.3.2 晶体管的高频功率增益 131

3.4 双极型晶体管的噪声特性 136

3.4.1 晶体管的噪声和噪声系数 136

3.4.2 晶体管的噪声来源 138

3.4.3 晶体管的噪声频谱特性 140

习题 141

参考文献 142

第4章 双极型晶体管的功率特性 143

4.1 基区大注入效应对电流放大系数的影响 143

4.1.1 大注入下基区少数载流子分布 143

4.1.2 基区电导调制效应 147

4.1.3 基区大注入对电流放大系数的影响 147

4.1.4 大注入对基区渡越时间的影响 149

4.2 基区扩散效应 150

4.2.1 注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响 150

4.2.2 基区扩展效应 152

4.3 发射极电流集边效应 155

4.3.1 发射极电流的分布 155

4.3.2 发射极有效条宽 156

4.3.3 发射极有效长度 158

4.4 发射极单位周长电流容量 159

4.4.1 集电极最大允许工作电流ICM 159

4.4.2 线电流密度 159

4.5 晶体管最大耗散功率PCM 161

4.5.1 耗散功率和最高结温 161

4.5.2 热阻 162

4.5.3 晶体管的最大耗散功率 164

4.6 二次击穿和安全工作区 164

4.6.1 二次击穿现象 165

4.6.2 二次击穿机理及改进措施 166

4.6.3 安全工作区 170

习题 171

参考文献 172

第5章 开关特性 173

5.1 晶体管的开关作用 173

5.1.1 晶体管开关作用的定性分析 173

5.1.2 截止区和饱和区的电荷分布 174

5.2 晶体管的开关过程和开关时间 179

5.2.1 几个开关时间的定义 179

5.2.2 电荷控制理论 180

5.2.3 延迟过程和延迟时间 183

5.2.4 上升过程与上升时间 185

5.2.5 电荷储存效应与储存时间 188

5.2.6 下降过程与下降时间 195

5.2.7 提高开关速度的措施 197

5.3 开关管正向压降和饱和压降 198

5.3.1 正向压降 198

5.3.2 饱和压降 199

习题 202

参考文献 203

第6章 结型场效应晶体管 204

6.1 结型场效应晶体管（JFET）的基本工作原理 204

6.1.1 JFET的基本结构 204

6.1.2 JFET的基本工作原理 204

6.1.3 JFET的输出特性和转移特性 205

6.1.4 肖特基栅场效应晶体管（MESFET） 208

6.1.5 器件的类型和代表符号 208

6.2 JFET的直流参数和低频小信号交流参数 209

6.2.1 JFET的直流电流—电压特性 209

6.2.2 JFET的直流参数 212

6.2.3 JFET交流小信号参数 214

6.2.4 沟道杂质任意分布时器件的伏安特性 216

6.2.5 高场迁移率的影响 218

6.3 结型场效应晶体管的频率特性 219

6.3.1 交流小信号等效电路 219

6.3.2 JFET的频率参数 222

6.4 结型场效应晶体管结构举例 223

6.4.1 MESFET 223

6.4.2 JFET 226

6.4.3 V形槽JFET 226

习题 227

参考文献 227

第7章 MOS场效应晶体管 228

7.1 MOSFET的基本工作原理和分类 228

7.1.1 MOSFET的基本结构 228

7.1.2 MOSFET的基本工作原理 229

7.1.3 MOSFET的分类 230

7.2 MOSFET的阈值电压 230

7.2.1 MOSFET阈值电压表达式 231

7.2.2 影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 233

7.3 MOSFET的直流特性 239

7.3.1 MOSFET的电流—电压特性 239

7.3.2 弱反型（亚阈值）区的伏安特性 243

7.3.3 MOSFET的特性曲线 244

7.3.4 MOSFET的直流参数 247

7.4 MOSFET的频率特性 248

7.4.1 低频小信号参数 248

7.4.2 交流小信号等效电路 252

7.4.3 MOSFET的高频特性 255

7.4.4 提高MOSFET频率特性的途径 258

7.5 MOSFET的击穿特性 259

7.5.1 漏源击穿 259

7.5.2 MOSFET的栅击穿 262

7.6 MOSFET的功率特性和功率MOSFET的结构 263

7.6.1 MOSFET的功率特性 264

7.6.2 功率MOSFET的结构介绍 265

7.7 MOSFET的开关特性 268

7.7.1 开关作用 268

7.7.2 开关时间 271

7.8 MOSFET的温度特性 275

7.8.1 迁移率随温度的变化 275

7.8.2 阈值电压与温度的关系 275

7.8.3 MOSFET几个主要参数的温度关系 277

7.9 MOSFET的噪声特性 279

7.9.1 沟道热噪声 279

7.9.2 诱生栅极噪声 280

7.9.3 1/f噪声 280

7.9.4 MOSFET的高频噪声系数 281

7.10 MOSFET的短沟道和窄沟道效应 281

7.10.1 阈值电压的变化 282

7.10.2 漏特性及跨导的变化 284

7.10.3 弱反型区的亚阈值电流 286

7.10.4 长沟道器件的最小沟道长度限制 287

7.10.5 短沟道高性能器件结构举例 288

习题 291

参考文献 292

第8章 石墨烯场效应晶体管 293

8.1 石墨烯场效应管 293

8.1.1 石墨烯材料 293

8.1.2 石墨烯场效应晶体管 294

8.1.3 石墨烯场效应晶体管的结构 295

8.1.4 石墨烯中载流子浓度的统计分布 298

8.1.5 石墨烯场效应晶体管的电流-电压特征 300

8.1.6 石墨烯场效应晶体管频率特性 305

8.2 单电子晶体管 307

8.2.1 单电子晶体管概述 307

8.2.2 单电子晶体管结构 308

8.2.3 库仑阻塞现象 309

8.2.4 遂穿概率的分析 310

8.2.5 单电子晶体管的I-U特性 311

8.2.6 单电子晶体管的跨导 314

8.2.7 单电子晶体管的频率特性 315

参考文献 316

第9章 新型半导体器件的仿真模型 318

9.1 仿真模型的研究 318

9.2 半导体器件的SPICE模型 319

9.2.1 SPICE的MOSEFT器件模型 319

9.2.2 SPICE的MOS器件的模型算法 323

9.2.3 理想的MOSFET的模型 328

9.3 新型半导体器件的建模 330

9.3.1 模型的建立 330

9.3.2 确定模型参数 330

9.3.3 模型参数计算优化提取 330

9.3.4 MOS（FET）器件模型参数的提取 331

9.4 砷化镓场效应管模型 333

9.4.1 砷化镓场效应管模型的建立 333

9.4.2 砷化镓场效应管的仿真 336

9.5 离子敏感场效应管模型 339

9.6 功率MOSFET模型 342

9.6.1 等效电路结构 342

9.6.2 各部分的建模思路和参数提取 343

9.7 单电子晶体管的模型 346

9.8 Multisim器件模型向PSPICE的转化 348

9.8.1 Multisim与PSPICE元件库的比较 348

9.8.2 利用Multisim扩展PSPICE元件模型库 349

9.8.3 Multisim器件模型向PSPICE的转化 350

9.9 从生产厂下载相似PSPICE模型 355

9.10 国产军品半导体器件建模 359

9.10.1 软件机器人ISIGHT 359

9.10.2 军工半导体器件建模 360

9.10.3 建模实例 362

参考文献 366