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序言 1

第1章 电子、价键、能带和空穴 1

100 引言 1

110 材料的分类 2

111 固体分类法 3

几何学分类法(按结晶的不完整性分类) 3

纯度分类法(按所含杂质情况分类) 3

电学性质分类法(按电导率分类) 4

力学性质分类法(按键合力分类) 5

120 在电子器件制作中需要结晶型掺杂半导体 6

131 用矢量描述晶格 7

130 晶格和周期性结构 7

Miller 指数 9

132 三维晶体结构 10

金刚石结构(立方晶系) 11

闪锌矿结构(立方晶系) 12

纤维锌矿结构(六角晶系、六角密堆积结构) 12

133 原子密度计算 13

134 单晶生长 13

140 物质中电子的波运动(量子力学、波动力学和 Schr?dinger 方程) 17

141 物质粒子和电磁辐射的波粒二象性 18

氢原子的 Bohr 模型 20

电子能级和轨道图像的应用 23

氢原子的光发射和光吸收 24

外电场对质子附近电子的作用 25

结语 26

142 选择物质波动方程的实验基础(Schrdinger 方程的导出) 26

143 波函数的性质和解说(经典力学—量子力学的关联) 30

150 Schr?dinger 方程的解 31

151 电子在一个势能跃变处的反射 32

152 矩形势垒或势阱的共振散射 34

153 电子隧穿一个矩形势垒 35

154 电子隧穿一个三角形势垒 36

155 在一个矩形引力势阱中的束缚态 37

156 氢原子 39

161 带负电荷的双电子氢原子 46

160 多电子原子中电子的组态 46

162 多质子和多电子原子 49

170 半导体和固体的电子模型 52

171 键模型 52

172 能带模型 54

173 能带中能级的电子充填 57

180 能带模型的导出 60

181 近似自由电子模型 61

182 紧束缚模型 66

183 半导体的能带图 70

184 金属和导体的能带 74

190 不传导电流的全部填满电子的能带(空穴的概念) 78

199 参考文献和习题 80

200 引言 87

201 均匀半导体 87

202 平衡 87

第2章 平衡状态的均匀半导体 87

210 纯净半导体 90

220 杂质半导体 91

221 施主、受主和等电子陷阱 92

222 施主和受主的荷电状态 93

223 被俘获电子和空穴的束缚能 94

230 热平衡条件下的电子和空穴浓度 97

231 Fermi-Dirac 分布函数 97

233 电子和空穴浓度(进一步分析) 100

232 电子和空穴浓度(基本分析) 100

240 Fermi 能级的计算及电子和空穴浓度 103

241 纯净半导体中的 EF、N 和 P 103

242 杂质或非本征半导体中的 EF、N 和 P 106

质量作用定律 106

电中性条件 107

非本征半导体的判据 108

载流子浓度分量的不可相加性 108

载流子浓度方程概要 109

243 N、P 和 EF 的温度关系 110

244 本征温度 110

本征温度 Ti 的定量定义 111

245 电子分布的温度相关性 112

在 T＞Ti 时载流子浓度的可相加性 112

250 器件必要的高级论题 113

251 高载流子浓度效应 114

252 杂质不完全电离效应 116

杂质不完全电离的条件 116

杂质能级被电子占有的概率 117

杂质不完全电离的实例 117

253 杂质能带 121

254 杂质的载流子屏蔽效应 123

299 参考文献和习题 125

310 漂移 133

第3章 漂移、扩散、产生、复合、俘获和隧穿 133

300 引言 133

311 电子在电场中的漂移速度 134

312 漂移电流、漂移迁移率和电导率 136

313 漂移迁移率和温度的关系 137

电离杂质散射 137

描述晶格振动散射的声子 138

晶格散射 141

314 迁移率和电场的关系 144

315 半导体的本征和非本征电导率 145

纯净半导体的本征电导率 145

320 扩散 146

杂质半导体的电导率 146

321 Enstein 关系 149

322 Boltzmann 关系 149

323 扩散电流的例子 150

330 Fermi 能级的恒定性 150

331 准 Femti 能级和准 Fermi 势 151

340 电荷和电流的连续性方程 153

350 半导体的 Shockley 方程 154

360 产生、复合、俘获和隧穿 155

3611 带间热产生和复合 157

3612 带间光产生和复合 158

3613 带间 Auger 复合和碰撞产生 160

3621 带—陷阱间热(SRH)产生—复合—俘获 162

3622 带—陷阱间光产生—复合—俘获 164

3623 带—陷阱间 Auger 俘获和碰撞发射 165

363n 三种陷阱间跃迁 165

36n0 弹性隧穿 165

36n4 非弹性隧穿 166

36n5 集体跃迁 167

370 寿命 168

371 带间热和光复合寿命 168

372 带—陷阱间热(SRH)和光复合寿命 170

380 GRTT 速率系数的物理意义和数据 171

381 热(SRH)俘获和发射率 171

373 许多 GRTT 机理同时存在时的寿命 171

382 光发射率 173

383 带间光产生率 174

384 带间碰撞产生率 174

385 带间隧穿率 176

386 带—陷阱间隧穿率 177

399 参考文献和习题 177

第4章 金属—氧化物—半导体电容(MOSC) 183

400 引言 183

401 硅 VLSI MOSC 的制造 185

402 理想 C-V 曲线 188

403 实际 C-V 曲线 190

410 MOSC 的电荷控制模型 191

411 无能带图的电荷控制 C-V 理论 197

(A)耗尽电容 198

(B)高频电容 200

(C)低频电容 201

(D)积累电容 203

(E)平带电容 203

(F)小结 204

412 先进的电荷控制 C-V 理论 205

半导体表面处电场和电势的关系 205

表面势和栅电压的关系 206

413 MOSC 的能带图 209

耗尽和高频电容 209

精确的低频 MOS 电容 209

420 MOSC 中的瞬态特性 214

421 瞬态电容 216

422 瞬态电流 219

430 精确的 MOSC 小信号等效电路 221

499 参考文献和习题 222

第5章 p/n 和其他结型二极管 227

500 引言 227

510 扩散 p/n 结二极管的制造 229

511 扩散和 Fick 定律 229

512 扩散率的物理意义及数据 231

扩散的物理意义 232

硅中的扩散率数据 235

513 扩散结深计算 235

520 p/n 结的平衡电特性 236

521 平衡能带图 237

Fermi 能级的位置 237

本征 Fermai 能级和电势 239

522 p/n 结中的平衡势垒高度 240

523 p/n 结中平衡势的变化 242

524 Gauss 定理对 p/n 结的应用 247

525 耗尽近似与精确解的比较 248

530 p/n 结的直流电特性 249

反向偏置 251

531 偏置 p/n 结的能带图 251

正向偏置 253

532 Shockley 二极管方程 254

533 Shockley 二极管方程的物理意义 256

534 Shockley 二极管的数值例子 257

535 Sah-Noyce-Shockley 二极管方程 258

536 p/n 结的反向直流电流击穿 260

数学公式 262

参数的基本物理意义 263

简单的解 264

537 实验—理论比较 266

540 p/n 结的小信号特性 268

541 小信号电荷控制电路元件 269

542 Si p/n 结的小信号数值例子 271

550 p/n 结的开关瞬态 272

551 p/n 结的电荷控制开关分析 273

552 p/n 结的导通瞬态 274

553 p/n 结的截止瞬态 276

554 p/n 结的俘获瞬态电容和电流 278

560 金属/半导体二极管 281

561 Schottky 势垒的平衡能带图 284

562 金属/半导体二极管的直流电流—电压特性——Bethe 理论 287

563 实验的金属/半导体二极管 290

564 半导体电压降的影响——Mott 理论 293

565 集成电路 Schottky 势垒二极管版图 295

570 隧道二极管 296

580 二极管直流端电流的限制机制 297

581 金属/半导体二极管中的电流限制 297

582 p/n 结二极管的电流限制 298

583 接触电阻 300

590 半导体/半导体异质结二极管 302

591 半导体/半导体异质结的能带图 302

无陷阱的半导体/半导体界面 302

有陷阱的半导体/半导体界面 304

592 半导体/半导体异质结的电特性 304

599 参考文献和习题 305

600 引言 312

第6章 金属—氧化物—半导体及其他场效应晶体管 312

610 反型沟道 MOSFET 的物理结构 313

坐标系 313

半导体的体 313

源和漏 314

栅氧化层，栅接触，栅宽度 314

沟道类型，沟道长度和沟道厚度 314

场氧化层，垫片氧化层 315

620 MOSFET 直流特性的定性描述 315

621 MOST 沟道电流的物理 315

622 输出和转移直流特性 315

623 四种基本 MOST 的电流—电压特性 316

制造步骤的描述 318

630 n 沟 MOSFET 的典型制造步骤 318

640 MOSFET 的直流特性(基本分析) 320

641 MOSFET 的电导率调制模型(直流漂移电流及电荷控制分析) 322

由纵向电场的电流—电荷方程 323

由横向电场的电压—电荷方程 325

642 氧化层和界面陷阱电荷(不稳定性，老化和失效) 326

643 MOSFET 方程及直流特性 328

644 MOSFET 直流特性的数值例子 332

650 MOSFET 的小信号等效电路模型 333

651 电容元件的电荷控制分析 334

低漏电压和电流饱和情况下的渐近结果 336

跨导截止频率 338

652 MOS 晶体管的高频响应 338

增益—带宽乘积 339

653 小信号特性的数值例子 340

654 分布式的低频小信号模型 340

660 MOSFET 的开关特性 343

661 本征延迟 344

662 功率—延迟乘积(优值) 346

663 电容的充放电——非本征延迟 348

基本的 MOSFET 开关方程 349

电容的充电 350

电容的放电 352

两个电容间的电荷转移 353

充放电比较 353

充放电周期 353

670 MOSFET 的电路应用 355

MOST 电路符号的发展演变 356

MOS 电路分析用的电流—电压方程 359

671 动态随机存取存储单元，DRAM 360

存储器术语的定义 360

DRAM 芯片的制造简历 361

DRAM 单元的等效电路模型 363

DRAM 芯片的单元阵列结构 363

DRAM 单元的基本工作原理 363

20种 MOS 倒相器电路的专门辞典 367

672 MOS 倒相器电路 367

三种 NMOS 倒相器电路的分析 369

RE-NMOS 倒相器 371

DE-NMOS 倒相器 372

EE-NMOS 倒相器 373

CMOS 倒相器电路 373

673 静态随机存取存储单元(SRAM) 378

674 非挥发随机存取 MOS 存储器(ROM，PROM 等) 381

只读存储器(ROM) 381

可编程只读存储器(PROM) 381

可擦可编程只读存储器(EPROMs) 382

680 电导率调制以外的模型 386

体电荷的来源 387

681 体电荷效应(体效应：掺杂和衬底偏置) 387

阈值电压的体效应 389

体电荷的解析近似(耗尽模型) 389

体对 I-V 形状的影响 390

体效应的五个说明和一个数值例子 391

682 亚阈值特性(扩散电流) 392

亚阈值范围的定义 393

本征表面——漂移电流的开始 393

亚阈值电流分析 395

亚阈值电流与漏电压的关系 397

亚阈值电流与栅电压的关系 397

亚阈值漏电流方程 397

亚阈值电流的温度关系 398

683 氧化层和界面陷阱的影响 398

氧化层陷阱 399

界面陷阱 400

684 高电场和高电压效应 401

考虑电场对迁移率影响的 I-V 关系 402

产生—复合—俘获与电场和电压的关系 405

685 短沟和窄栅效应 409

三种短沟效应和低掺杂漏 409

三种窄栅效应 412

MOSFETs 415

690 其他场效应晶体管——演变历史 415

MESFETs 415

第一个 JGFET(表面离子感生反型沟道) 417

JGFET 417

两种电流饱和机构(沟道夹断和载流子耗尽) 418

高迁移率界限沟道异质结 FETs 418

699 参考文献和习题 420

第7章 双极结型晶体管及其他双极型晶体管器件 428

700 引言 428

710 背景与历史 428

720 双扩散硅 BJT 的制造 431

731 BJT 的双二极管直流电路描述 433

730 理想及实际的 BJT 直流特性 433

732 BJT 的特性数据 437

733 p/n/p BJT 直流特性的推导 440

Shoekley BJT 方程 444

SNS BJT 方程 445

734 BJT 基本及扩展的 Ebers-Moll 方程 446

735 BJT 两端口非线性直流网络表述 449

通用的共基极两端口网络方程 450

通用的共射极两端口网络方程 451

四种工作模式的电路模型 452

736 实际的多维 BJT 的集总直流模型 459

非交叠集电极二极管及基区展开电阻 460

737 BJT 直流两端口参数的材料与结构相关性 462

准中性基区层中 Gummel 数 463

准中性基区层扩散—漂移输运时间 463

准中性发射区层中 Gummel 数 465

从 Gummel 数计算发射极注入效率 466

738 BJT 直流参数的偏置相关性 466

BJT 及低掺杂集电区的 Early 效应 467

BJT 的 SNS 效应(低电流时 a 及β的下降) 469

BJT 大电流时 a 及β的下降 472

BJT 的 Kirk 效应 476

739 集电极电流倍增及负阻 477

数值举例 480

小信号条件 482

740 BJT 的小信号特性 482

电荷控制及精确的小信号分析的比较 483

741 BJT 共基极小信号 Tee(CBss-Tee)模型 486

本征 BJT 的低频 CBss-Tee 模型 487

本征 BJT 的高频 CBss-Tee 模型 490

实际 BJT 的 CBss-Tee 等效电路模型 494

742 BJT 最高振荡频率 496

Gibbons 频率 496

743 BJT 的共射极小信号混合π(CEss-Hπ)模型 498

CEss-HπBJT 模型的电导元件 498

CEss-HπBJT 模型中的寄生 501

CEss-HπBJT 模型的本征电荷控制电容 501

BJT CEss-Hπ电导元件的小结及数值举例 501

744 共射电流增益，截止频率及带宽 502

750 BJT 的大信号开关特性 505

751 扩散及电荷控制方程 506

General Slab 电荷控制方程 507

整个 BJT 的电荷控制方程 507

准中性基区层的电荷控制方程 508

空间电荷层的电荷控制方程 508

完全的基区电荷控制方程 509

基区输运时间参数 tBF 及 tBR 510

电荷控制与 Ebers-Moll 参数的关系 511

共基 BJT 开启瞬变 512

752 共基大信号 BJT 开关瞬变 512

共基 BJT 关断瞬变 523

753 共射 BJT 大信号开关瞬变 526

共射开启瞬变 526

共射导通瞬变的电容加速 528

共射关断瞬变 529

754 CB 及 CE BJT 开关瞬变的比较 529

755 通过工艺对 BJT 加速 531

减少复合寿命?B 的工艺 533

通过减小几何尺寸及电阻率提高速度 535

756 环形振荡器的传输延迟 539

761 BJT 数字倒相器 541

760 双极结型晶体管的电路应用 541

762 共射 BJT 倒相器 543

射—基空间电荷层电容的加速充电 544

有源区中准中性基区的加速充电 544

饱和区中基区存储电荷的放电 546

有源区中基区存储电荷的放电 548

空间电荷层电容的放电 548

CE BJT 倒相器的平均传输延迟 549

763 CE BJT 倒相器的加速 549

764 发射级耦合2-BJT 倒相器(ECL) 551

765 CB-CE 晶体管—晶体管耦合2-BJT 倒相器(TTL) 553

766 双极型-MOS 倒相器(BiMOS，BiCMOS，CBiCMOS) 556

770 异质结双极型结型晶体管(HBITs 或 HBTs) 572

772 GexSil-xHBIT 制造方法 575

773 HBJT 工作原理 576

771 历史背景 579

774 同量层的能带与声子谱 581

780 四层 pnpn 器件 587

781 四层 pnpn 二极管特性 593

782 pnpn 三极管(SCR)特性 599

783 MOS-SCR 602

784 CMOS 中的闩锁 603

799 参考文献和习题 603

附录A 符号惯例 613