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第1章 晶体性质和半导体生长 1

1.1半导体材料 1

1.2晶格 2

1.2.1周期结构 2

1.2.2立方晶格 4

1.2.3晶面与晶向 5

1.2.4金刚石晶格 7

1.3大块晶体生长 9

1.3.1原材料的制备 9

1.3.2单晶的生长 9

1.3.3晶片加工 11

1.3.4晶体掺杂 11

1.4薄层晶体的外延生长 12

1.4.1外延生长的晶格匹配 13

1.4.2气相外延 14

1.4.3分子束外延 16

1.5周期性结构中波的传播 17

小结 18

习题 19

参考读物 20

自测题 20

第2章 原子和电子 22

2.1关于物理模型 22

2.2重要实验及其结果 23

2.2.1光电效应 23

2.2.2原子光谱 25

2.3玻尔模型 26

2.4量子力学基础知识 28

2.4.1几率和不确定性原理 29

2.4.2薛定谔波动方程 30

2.4.3势阱问题 32

2.4.4量子隧穿 33

2.5原子结构和元素周期表 34

2.5.1氢原子 34

2.5.2元素周期表 36

小结 39

习题 40

参考读物 41

自测题 41

第3章 半导体的能带和载流子 43

3.1固体结合性质与能带 43

3.1.1固体的结合性质 43

3.1.2能带 45

3.1.3金属、半导体和绝缘体 47

3.1.4直接禁带半导体和间接禁带半导体 48

3.1.5化合物半导体能带结构随组分的变化 49

3.2半导体中的载流子 50

3.2.1电子和空穴 51

3.2.2有效质量 54

3.2.3本征半导体 56

3.2.4非本征半导体 57

3.2.5量子阱中的电子和空穴 60

3.3载流子浓度 60

3.3.1费米能级 61

3.3.2平衡态电子和空穴浓度 62

3.3.3载流子浓度对温度的依赖关系 66

3.3.4杂质补偿和空间电荷中性 67

3.4载流子在电场和磁场中的运动 68

3.4.1电导率和迁移率 68

3.4.2电阻率 71

3.4.3迁移率对温度和掺杂浓度的依赖关系 72

3.4.4高场效应 74

3.4.5霍尔效应 74

3.5平衡态费米能级的不变性 76

小结 77

习题 78

参考读物 80

自测题 81

第4章 半导体中的过剩载流子 83

4.1半导体对光的吸收特性 83

4.2半导体发光 85

4.2.1光致发光 85

4.2.2电致发光 87

4.3载流子寿命和光电导 87

4.3.1电子和空穴的直接复合 87

4.3.2间接复合；载流子俘获 89

4.3.3稳态载流子浓度；准费米能级 91

4.3.4光电导 93

4.4载流子在半导体中的扩散 93

4.4.1扩散机制 94

4.4.2载流子的扩散和漂移；自建电场 96

4.4.3扩散和复合；连续性方程 98

4.4.4稳态注入；扩散长度 99

4.4.5 Haynes-Shockley实验 101

4.4.6准费米能级的空间梯度 103

小结 104

习题 104

参考读物 107

自测题 107

第5章 半导体p-n结和金属-半导体结 109

5.1 p-n结的制造 109

5.1.1热氧化 109

5.1.2扩散 111

5.1.3快速热处理 112

5.1.4离子注入 113

5.1.5化学气相淀积 114

5.1.6光刻 115

5.1.7腐蚀（刻蚀） 117

5.1.8金属化 118

5.2平衡态p-n结 120

5.2.1接触电势 120

5.2.2平衡态费米能级 123

5.2.3结的空间电荷 124

5.3结的正偏和反偏；稳态特性 127

5.3.1结电流的定性分析 127

5.3.2载流子的注入 130

5.3.3反向偏置 136

5.4反向击穿 138

5.4.1齐纳击穿 139

5.4.2雪崩击穿 140

5.4.3整流二极管 142

5.4.4击穿二极管 144

5.5瞬态特性和交流特性 144

5.5.1存储电荷的瞬态变化 145

5.5.2反向恢复过程 147

5.5.3开关二极管 149

5.5.4 p-n结电容 149

5.5.5变容二极管 152

5.6对二极管简单理论的修正 153

5.6.1接触电势对载流子注入的影响 154

5.6.2空间电荷区内载流子的产生和复合 155

5.6.3欧姆损耗 157

5.6.4缓变结 159

5.7金属-半导体结 160

5.7.1肖特基势垒 160

5.7.2整流接触 161

5.7.3欧姆接触 163

5.7.4典型的肖特基势垒 164

5.8异质结 165

小结 168

习题 169

参考读物 175

自测题 175

第6章 场效应晶体管 177

6.1场效应晶体管的工作原理 178

6.1.1晶体管的负载线 178

6.1.2放大和开关作用 178

6.2结型场效应晶体管 179

6.2.1夹断和饱和 180

6.2.2栅的控制作用 181

6.2.3电流-电压特性 182

6.3金属-半导体场效应晶体管 184

6.3.1 GaAs金属-半导体场效应晶体管 184

6.3.2高电子迁移率晶体管 185

6.3.3短沟效应 186

6.4金属-绝缘体-半导体场效应晶体管 187

6.4.1 MOSFET的基本工作原理 187

6.4.2理想MOS结构的性质 190

6.4.3真实表面的影响 197

6.4.4阈值电压 199

6.4.5电容-电压（C-V）特性分析 200

6.4.6瞬态电容测量（C-t测量） 203

6.4.7氧化层的电流-电压（I-V）特性 204

6.5 MOS场效应晶体管 206

6.5.1输出特性 207

6.5.2 转移特性 209

6.5.3迁移率模型 211

6.5.4短沟MOSFET的I-V特性 213

6.5.5阈值电压的控制 214

6.5.6衬底偏置效应（体效应） 217

6.5.7亚阈值区特性 219

6.5.8 MOSFET的等效电路 220

6.5.9按比例缩小和热电子效应 221

6.5.10漏致势垒降低效应 225

6.5.11短沟效应和窄沟效应 226

6.5.12栅诱导泄漏电流 227

6.6先进MOSFET结构 228

6.6.1金属栅-高k介质MOS结构 228

6.6.2高迁移率沟道材料和应变硅材料 229

6.6.3 SOI MOSFET和FinFET 231

小结 233

习题 234

参考读物 237

自测题 238

第7章 双极结型晶体管 242

7.1 BJT的基本工作原理 242

7.2 BJT的放大作用 244

7.3 BJT的制造工艺简介 247

7.4少数载流子分布和器件的端电流 249

7.4.1基区内扩散方程的求解 249

7.4.2端电流分析 252

7.4.3端电流的近似表达式 253

7.4.4电流传输系数 255

7.5 BJT的偏置状态和工作模式 256

7.5.1 BJT的耦合二极管模型 256

7.5.2电荷控制分析 260

7.6 BJT的开关特性 262

7.6.1截止 262

7.6.2饱和 263

7.6.3开关周期 264

7.6.4开关晶体管的主要参数 264

7.7某些重要的物理效应 265

7.7.1载流子在基区的漂移 266

7.7.2基区变窄效应（Early效应） 267

7.7.3雪崩击穿 268

7.7.4小注入和大注入；热效应 269

7.7.5基区串联电阻：发射极电流集边效应 269

7.7.6 BJT的Gummel-Poon模型 270

7.7.7基区变宽效应（Kirk效应） 274

7.8 BJT的频率限制因素 275

7.8.1结电容和充电时间 275

7.8.2渡越时间效应 277

7.8.3 Webster效应 277

7.8.4高频晶体管 278

7.9异质结双极型晶体管 279

小结 281

习题 281

参考读物 284

自测题 284

第8章 光电子器件 286

8.1光电二极管 286

8.1.1 p-n结对光照的响应 286

8.1.2太阳能电池 289

8.1.3光探测器 291

8.1.4光探测器的增益、带宽和信噪比 293

8.2发光二极管 295

8.2.1发光材料 295

8.2.2光纤通信 298

8.3激光器 300

8.4半导体激光器 303

8.4.1粒子数反转 303

8.4.2 p-n结激光器的发射光谱 304

8.4.3半导体激光器的主要制造步骤 305

8.4.4半导体异质结激光器 306

8.4.5半导体激光器所用的材料 308

8.4.6量子级联激光器 309

小结 310

习题 311

参考读物 312

自测题 313

第9章 半导体集成电路 314

9.1集成电路的背景知识 314

9.1.1集成化的优点 314

9.1.2集成电路的分类 315

9.2集成电路的发展历程 316

9.3单片集成电路元件 318

9.3.1 CMOS工艺集成 319

9.3.2其他元件的集成 329

9.4电荷转移器件 333

9.4.1 MOS电容的动态效应 333

9.4.2 CCD的基本结构和工作原理 334

9.4.3 CCD器件结构的改进 335

9.4.4 CCD的应用 336

9.5超大规模集成电路 336

9.5.1逻辑器件 338

9.5.2半导体存储器 345

9.6测试、压焊与封装 353

9.6.1测试 354

9.6.2引线压焊 354

9.6.3芯片倒装技术 356

9.6.4封装 357

小结 358

习题 359

参考读物 359

自测题 359

第10章 高频、大功率及纳电子器件 361

10.1隧道二极管 361

10.2碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管 364

10.3耿氏（Gunn）二极管 366

10.3.1电子转移机制 366

10.3.2空间电荷畴的形成及其漂移 368

10.4 p-n-p-n二极管 369

10.4.1基本结构 370

10.4.2双晶体管模型 371

10.4.3电流传输系数的改变 371

10.4.4正向阻断态 372

10.4.5正向导通态 372

10.4.6触发机制 373

10.5半导体可控整流器 374

10.5.1栅极的控制作用 374

10.5.2 SCR的关断 375

10.6绝缘栅双极型晶体管 376

10.7纳电子器件 377

10.7.1零维量子点 378

10.7.2一维量子线 378

10.7.3二维层状晶体 379

10.7.4自旋电子存储器 380

10.7.5纳电子阻变存储器 382

小结 382

习题 383

参考读物 384

自测题 384

附录A常用符号的定义 385

附录B物理常量和换算因子 389

附录C常用半导体材料的性质（300 K） 390

附录D导带态密度的推导 391

附录E费米-狄拉克分布的推导 394

附录F Si （100）面干氧和湿氧生长SiO2层的厚度随氧化时间和温度的变化关系 397

附录G某些杂质在Si中的固溶度 398

附录H 某些杂质在Si和SiO2中的扩散系数 399

附录I Si中离子注入的射程与射程偏差随注入能量的变化关系 400

部分自测题答案 401

术语表 403