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1 电子、光子和声子 1

1.1 量子力学的基本概念 1

1.1.1 光子的二重性 1

1.1.2 电子的二重性 5

1.1.3 密闭环境中的电子特性 7

1.2 统计力学的基本概念 9

1.2.1 热运动和热能 9

1.2.2 热平衡 10

1.2.3 电子统计特性 12

1.3 固体物理的基本概念 17

1.3.1 化学键和能带 19

1.3.2 金属、绝缘体和半导体 21

1.3.3 态密度 23

1.3.4 晶格振动：声子 24

1.4 小结 26

1.5 延展阅读 27

习题 27

2 平衡状态下的载流子统计特性 31

2.1 导带和价带，带隙，空穴 31

2.2 本征半导体 36

2.3 非本征半导体 39

2.3.1 施主和受主 40

2.3.2 电中性特点 42

2.3.3 掺杂半导体中的平衡载流子浓度 43

2.4 平衡状态下的载流子统计特性 46

2.4.1 导带和价带的态密度 46

2.4.2 平衡电子浓度 48

2.4.3 平衡空穴浓度 54

2.4.4 平衡状态下的np积 56

2.4.5 费米能级的位置 58

2.5 小结 61

2.6 延展阅读 62

AT2.1 带隙的温度依存性 63

AT2.2 费米-狄拉克积分的基本特性 65

AT2.3 强简并半导体的数学近似 66

AT2.4 施主和受主电离的数学统计 66

AT2.5 载流子束缚态 68

AT2.6 重掺杂效应 70

AT2.6.1 Mott转移 72

AT2.6.2 带隙变窄 74

习题 77

3 载流子的产生与复合 83

3.1 产生与复合机制 84

3.2 热平衡：精细平衡原理 88

3.3 热平衡下的产生率与复合率 89

3.3.1 带间光产生和光复合 89

3.3.2 俄歇产生与复合 91

3.3.3 陷阱辅助的热产生与复合 92

3.4 非平衡条件下的产生与复合 96

3.4.1 准中性低浓度注入，复合寿命 100

3.4.2 提取和产生寿命 105

3.5 均匀条件下的过剩载流子动力学 108

3.5.1 例1：开瞬态 110

3.5.2 例2：关瞬态 110

3.5.3 例3：一个光脉冲 111

3.6 表面产生与复合 115

3.7 小结 117

3.8 延展阅读 118

AT3.1 肖克利-里德-霍尔模型 119

AT3.1.1 复合寿命 120

AT3.1.2 产生寿命 122

AT3.2 高浓度注入 123

习题 125

4 载流子的漂移和扩散 131

4.1 热运动 132

4.1.1 热运动速率 132

4.1.2 散射 133

4.2 漂移 136

4.2.1 漂移速率 136

4.2.2 速率饱和 139

4.2.3 漂移电流 140

4.2.4 电场作用下的能带图 144

4.3 扩散 147

4.3.1 菲克第一定律 147

4.3.2 爱因斯坦关系 149

4.3.3 扩散电流 150

4.4 渡越时间 151

4.5 热平衡下的非均匀掺杂半导体 153

4.5.1 高斯定律 153

4.5.2 玻尔兹曼关系 156

4.5.3 平衡载流子浓度 159

4.6 准费米能级与准平衡态 168

4.7 小结 176

4.8 延展阅读 177

AT4.1 伽马函数的基本性质 178

AT4.2 热载流子效应 178

AT4.2.1 能量弛豫和动量弛豫 179

AT4.2.2 热电子输运 180

AT4.2.3 碰撞电离 181

习题 184

5 载流子运动 193

5.1 连续性方程 194

5.2 表面连续性方程 196

5.2.1 自由表面 196

5.2.2 欧姆接触 198

5.3 肖克利公式 202

5.4 一维准中性条件下的肖克利公式简化 204

5.5 多数载流子 209

5.5.1 例1：电压下的半导体棒 212

5.5.2 例2：集成电阻 214

5.6 少数载流子 218

5.6.1 例3：“长”棒中的扩散和体复合 220

5.6.2 例4：“短”棒中的扩散和表面复合 225

5.6.3 少数载流子的长度效应 227

5.7 多数载流子的动力学特性 228

5.8 少数载流子的动力学特性 231

5.8.1 例5：S=∞时，半导体棒的瞬态特性 231

5.9 空间电荷和高阻区中的输运 237

5.9.1 例6：外电场作用下的高阻区漂移 239

5.9.2 空间电荷区（SCR）与准中性区（QNR）输运的比较 241

5.10 载流子倍增和雪崩击穿 243

5.10.1 例7：均匀电场作用下的高阻区载流子倍增 245

5.11 小结 249

5.12 延展阅读 250

AT5.1 积分形式的连续方程 250

AT5.2 介电弛豫 251

AT5.3 少数载流子条件下的复杂难题 253

AT5.3.1 难题示例1：内电场作用下的短棒半导体中的载流子漂移、扩散和复合 253

AT5.3.2 少数载流子条件下的长度效应 255

AT5.3.3 难题示例2：有限表面复合下的棒状半导体瞬态特性 258

AT5.4 非均匀电场作用下的载流子倍增和雪崩击穿 261

习题 262

6 pn结二极管 281

6.1 理想pn结二极管 282

6.2 热平衡下的理想pn结二极管 284

6.3 理想pn结二极管的电流-电压特性 291

6.3.1 偏置电压作用下的静电学特性 291

6.3.2 I-V特性：定性讨论 292

6.3.3 I-V特性：定量模型 295

6.4 理想pn结二极管的电荷-电压特性 308

6.4.1 耗尽电荷 309

6.4.2 少数载流子电荷 310

6.5 理想pn结二极管的等效电路模型 313

6.6 非理想条件和二阶效应 320

6.6.1 短二极管 320

6.6.2 空间电荷的产生与复合 322

6.6.3 串联电阻 326

6.6.4 击穿电压 328

6.6.5 非均匀掺杂分布 331

6.6.6 高注入效应 337

6.7 集成pn结二极管 340

6.7.1 隔离层 340

6.7.2 串联电阻 343

6.7.3 高低结 345

6.8 小结 348

6.9 延展阅读 348

AT6.1 耗尽近似的有效性 349

AT6.2 理想二极管中的准中性区电阻 350

AT6.3 电路设计中的等效电路模型 351

AT6.4 pn结二极管的开关特性 353

习题 359

7 肖特基二极管和欧姆接触 369

7.1 理想肖特基二极管 370

7.2 热平衡下的理想肖特基二极管 372

7.2.1 一个简化系统：金属-金属结 372

7.2.2 金属-半导体结的能带分布 376

7.2.3 平衡状态下的金属-半导体结静电学特性 380

7.3 理想肖特基二极管的电流-电压特性 384

7.3.1 偏置电压作用下的静电学特性 384

7.3.2 I-V特性：定性讨论 387

7.3.3 I-V特性：定量模型 390

7.4 理想肖特基二极管的电荷-电压特性 399

7.5 理想肖特基二极管的等效电路模型 400

7.6 非理想条件和二阶效应 401

7.6.1 串联电阻 401

7.6.2 击穿电压 404

7.7 集成肖特基二极管 405

7.8 欧姆接触 407

7.8.1 侧向欧姆接触：传输线模型 411

7.8.2 欧姆接触下的边界条件 414

7.9 小结 415

7.10 延展阅读 416

AT7.1 金属-半导体结的非理想肖特基势垒高度 416

AT7.2 I-V特性的漂移-扩散模型 420

AT7.3 电路设计中的肖特基二极管等效电路模型 423

AT7.4 肖特基二极管的开关特性 424

习题 427

8 硅表面和金属-氧化物-半导体结构 435

8.1 半导体表面 436

8.2 理想的金属-氧化物-半导体结构 441

8.3 零偏置下的理想金属-氧化物-半导体结构 442

8.3.1 理想MOS结构的一般静电学特性 444

8.3.2 零偏置下的MOS结构静电学特性 447

8.4 偏置作用下的理想金属-氧化物-半导体结构 451

8.4.1 耗尽 453

8.4.2 平带 455

8.4.3 积累 456

8.4.4 阈值 457

8.4.5 反转 459

8.4.6 电荷-电压特性的小结 463

8.5 MOS结构的动力学特性 465

8.5.1 准静态C-V特性 465

8.5.2 高频C-V特性 469

8.5.3 深耗尽态 471

8.6 弱反转和亚阈值区 476

8.7 三端口MOS结构 479

8.8 小结 485

8.9 延展阅读 486

AT8.1 表面态 486

AT8.2 MOS结构中的非理想条件 489

AT8.2.1 氧化物电荷 489

AT8.2.2 界面态 493

AT8.3 MOS静电特性的泊松-玻尔兹曼公式 498

AT8.3.1 耗尽近似 511

AT8.3.2 积累近似 512

AT8.3.3 反转近似 514

习题 517

9 “长”金属-氧化物-半导体场效应晶体管 531

9.1 理想的金属-氧化物-半导体场效应晶体管 534

9.2 理想MOSFET的定性运算 536

9.3 理想MOSFET反转层的输运特性 538

9.4 理想MOSFET的电流-电压特性 541

9.4.1 截止模式 541

9.4.2 线性模式 542

9.4.3 饱和模式 548

9.4.4 直流大信号的等效电路模型 552

9.4.5 能带图 554

9.5 理想MOSFET的电荷-电压特性 555

9.5.1 耗尽电荷 556

9.5.2 反转电荷 558

9.6 理想MOSFET的小信号特性 563

9.6.1 小信号等效电路模型 564

9.6.2 饱和状态下的短路“电流-增益”截止频率fT 567

9.7 MOSFET中的非理想条件 571

9.7.1 体效应 571

9.7.2 反向偏置效应 576

9.7.3 沟道长度调制 580

9.7.4 亚阈值模式 584

9.7.5 源电阻和漏电阻 590

9.8 小结 594

9.9 延展阅读 594

AT9.1 反转层输运的更详细研究 595

AT9.1.1 薄层电荷近似 596

AT9.1.2 渐进沟道近似 597

AT9.1.3 近似的有效性 599

习题 601

10 “短”金属-氧化物-半导体场效应晶体管 613

10.1 MOSFET短沟道效应：输运 614

10.1.1 迁移率下降 614

10.1.2 速度饱和 620

10.2 MOSFET短沟道效应：静电学特性 627

10.2.1 阈值电压与栅极长度的关系：VT滚降 628

10.2.2 阈值电压与VDS的关系：漏极致势垒降低 632

10.2.3 亚阈值波动与栅极长度和VDS的关系 636

10.3 MOSFET短沟道效应：栅堆叠缩尺效应 638

10.3.1 栅电容 638

10.3.2 栅漏电流 644

10.4 MOSFET高场效应 647

10.4.1 速率饱和区的静电学特性 647

10.4.2 碰撞电离和衬底电流 651

10.4.3 输出电导 657

10.4.4 栅致漏极泄漏 661

10.5 MOSFET缩尺理论 665

10.5.1 用作开关的MOSFET 667

10.5.2 理想MOSFET的恒电场缩尺效应 670

10.5.3 理想MOSFET的恒电压缩尺效应 672

10.5.4 短MOSFET的通用缩尺效应 673

10.5.5 MOSFET缩尺理论：历史回顾 675

10.5.6 MOSFET设计的演化 681

10.6 小结 692

10.7 延展阅读 694

AT10.1 阈值附近的短MOSFET的静电学特性 694

AT10.2 速率饱和区的静电学特性 697

习题 698

11 双极结型晶体管 707

11.1 理想的双极结型晶体管（BJT） 709

11.2 理想BJT的电流-电压特性 711

11.2.1 正向有源模式 716

11.2.2 反向模式 723

11.2.3 截止模式 725

11.2.4 饱和模式 727

11.2.5 输出I-V特性 729

11.3 理想BJT的电荷-电压特性 730

11.3.1 耗尽电荷 731

11.3.2 少数载流子电荷 732

11.4 正向有源模式下理想BJT的小信号特性 736

11.4.1 小信号等效电路模型 736

11.4.2 共发射极的短路“电流-增益”截止频率fT 737

11.5 BJT中的非理想条件 746

11.5.1 基区宽度调制 747

11.5.2 射极-基极的空间电荷区复合 755

11.5.3 碰撞电离 757

11.5.4 击穿电压 759

11.5.5 高集电极电流效应 769

11.5.6 寄生电阻 780

11.5.7 非均匀掺杂水平 786

11.6 BJT设计的演化 790

11.7 小结 795

11.8 延展阅读 795

AT11.1 MOSFET中的双极问题 796

AT11.1.1 闩锁效应 796

AT11.1.2 SOI MOSFET中的浮体效应 798

AT11.1.3 MOSFET的击穿和负阻 801

习题 802

A 基本物理常数 816

B Si,GaAs和SiO2在300K时的重要材料参数 817

C 缩略语 818

D 泰勒级数展开式 819

E Si在300K时的重要材料参数的解析表达式 820

F 部分习题参考答案 824

索引 830