半导体器件原理PDF电子书下载

第一章 半导体器件的物理基础 1

1.1半导体的特性 1

1.1.1晶体的结构 1

1.1.2半导体在电性能上的独特性质 2

1.2电子能级和能带 3

1.2.1电子的共有化运动 3

1.2.2晶体中的能带 3

1.3半导体中的载流子 5

1.3.1电子密度和空穴密度表达式 5

1.3.2载流子密度与费密能级位置的关系 7

1.4杂质半导体 8

1.4.1两种不同导电类型的半导体 9

1.4.2杂质半导体 10

1.5非平衡载流子 10

1.5.1非平衡载流子的产生和复合 11

1.5.2非平衡载流子的寿命 12

1.5.3复合中心 13

1.6载流子的运动 15

1.6.1载流子的漂移运动 15

1.6.2载流子的扩散运动 18

参考文献 20

习题 20

第二章p-n结 21

2.1平衡p-n结 21

2.1.1空间电荷区和接触电位差 21

2.1.2空间电荷区的电场和电势分布 23

2.2 p-n结的直流特性 28

2.2.1加偏压p-n结的能带图及载流子和电流分布 28

2.2.2 p-n结的伏安特性 30

2.2.3势垒区的复合和大注入对正向伏安特性的影响 33

2.2.4势垒区的反向产生电流 36

2.3 p-n结电容 36

2.3.1突变结势垒电容 36

2.3.2线性缓变结势垒电容 38

2.3.3扩散结的势垒电容 39

2.3.4 p-n结的扩散电容 45

2.4 p-n结击穿 47

2.4.1电击穿 48

2.4.2热击穿 51

参考文献 53

习题 53

第三章 晶体管的直流特性 55

3.1概述 55

3.1.1晶体管的基本结构 55

3.1.2晶体管的放大作用 56

3.1.3晶体管内载流子的传输及电流放大系数 57

3.1.4晶体管的输入和输出特性 59

3.2均匀基区晶体管的直流特性和电流增益 61

3.2.1均匀基区晶体管直流特性的理论分析 61

3.2.2均匀基区晶体管的短路电流放大系数 66

3.3漂移晶体管的直流特性和电流增益 69

3.3.1漂移晶体管的直流特性 69

3.3.2漂移晶体管的电流增益 73

3.4晶体管的反向电流和击穿电压 76

3.4.1晶体管的反向电流 76

3.4.2晶体管的击穿电压 77

3.5晶体管的基极电阻 81

3.5.1梳状晶体管的基极电阻 81

3.5.2圆形晶体管的基极电阻 83

3.6晶体管的小信号等效电路 84

参考文献 86

习题 86

第四章 晶体管的频率特性和功率特性 88

4.1电流放大系数的频率特性 88

4.1.1基区输运过程 89

4.1.2共基极短路电流放大系数的频率关系 96

4.1.3共发射极短路电流放大系数的频率关系 101

4.2高频等效电路 105

4.2.1本征晶体管小信号等效电路 105

4.2.2混合π型等效电路 107

4.3高频功率增益和最高振荡频率 110

4.3.1高频功率增益 111

4.3.2最高振荡频率 112

4.4最大集电极电流 112

4.4.1晶体管的大注入效应 112

4.4.2有效基区扩展效应 116

4.4.3发射极电流集边效应 119

4.4.4最大集电极电流 120

4.5晶体管的噪声特性 121

4.5.1晶体管的噪声 121

4.5.2晶体管噪声来源 122

参考文献 123

习题 124

第五章 晶体管的开关特性 125

5.1二极管的开关作用 125

5.1.1开关作用的定性分析 125

5.1.2开关时间 127

5.2晶体管的开关过程 128

5.2.1晶体管的工作区 128

5.2.2晶体管的开关过程 139

5.3晶体管的开关时间 133

5.3.1延迟时间 133

5.3.2上升时间 135

5.3.3储存时间 136

5.3.4下降时间 138

5.4开关晶体管的要求及工艺措施 138

5.4.1正向压降和饱和压降 138

5.4.2提高开关速度的措施 139

参考文献 139

习题 139

第六章 半导体表面特性及MOs电容 141

6.1半导体表面和界面结构 141

6.1.1清洁表面和真实表面 141

6.1.2硅-二氧化硅界面的结构 143

6.2表面势 145

6.2.1空间电荷区和表面势 145

6.2.2表面的积累、耗尽和反型 146

6.2.3空间电荷面密度与表面势的关系 148

6.2.4 ψs及w与外加电压的关系 152

6.3 MOS结构的电容-电压特性 154

6.3.1理想MOs的C-V特性 154

6.3.2实际MOs的C-V特性 158

6.3.3 MOS结构C-V特性曲线的应用 161

6.4 MOS结构的阈值电压 163

6.4.1理想结构的阈值电压 163

6.4.2实际MOs结构的阈值电压 164

参考文献 166

习题 166

第七章MOs场效应晶体管的基本特性 167

7.1 MOS场效应晶体管的结构和分类 168

7.1.1 MOS场效应管的结构 168

7.1.2 MOS场效应管的四种类型 169

7.1.3 MOS场效应管的特征 171

7.2 MOS场效应晶体管的特性曲线 172

7.2.1 MOS场效应管的输出特性曲线 172

7.2.2 MOS场效应管的转移特性曲线 174

7.3 MOS场效应晶体管的阈值电压 175

7.3.1 n沟道MOS FET的阈值电压 175

7.3.2 p沟道MOS FET的阈值电压 175

7.4 MOS场效应管的电流-电压特性 176

7.4.1 MOS FET在线性工作区的电流-电压特性 176

7.4.2饱和工作区的电流-电压特性 178

7.4.3击穿区 179

7.4.4亚阈值区的电流-电压关系 180

7.5 MOS场效应管的二级效应 182

7.5.1非常数表面迁移率效应 182

7.5.2衬底偏置效应 184

7.5.3体电荷变化效应 186

7.6 MOS场效应管的增量参数 188

7.6.1跨导gm 188

7.6.2增量电导（漏-源输出电导）gD 189

7.6.3串联电阻对gD和gm的影响 191

7.6.4载流子速度饱和对gm的影响 191

7.6.5 gm的极限 192

7.7阈值电压VTH的测量方法及控制方法 192

7.7.1 1 uA方法 193

7.7.2 ？IDS-VGS方法 193

7.7.3 10-40方法 193

7.7.4修改的10-40方法 194

7.7.5输出电导法 194

7.7.6阈值电压V TH的控制和调整 195

7.8 MOS场效应管的频率特性 195

7.8.1 MOS场效应管的宽带模型 195

7.8.2最高振荡频率 196

7.8.3寄生电容对最高振荡频率的影响 198

7.9 MOS场效应管的开关特性 199

7.9.1 MOS倒相器的定性描述 199

7.9.2单沟道MOs集成倒相器 201

7.9.3互补MOs集成倒相器 204

7.9.4耗尽型负载MOs集成倒相器 205

参考文献 206

习题 207

第八章 半导体功率器件 208

8.1功率二极管 208

8.1.1功率二极管的正向特性 208

8.1.2功率二极管的反向特性 209

8.2双极型功率晶体管 209

8.2.1晶体管的最大耗散功率 209

8.2.2晶体管的二次击穿 210

8.2.3晶体管的安全工作区 211

8.2.4垂直结构的双极型功率晶体管 211

8.3 MOS型功率晶体管 213

8.3.1用作功率放大的MOs功率晶体管 213

8.3.2用作开关的MOs功率晶体管 214

8.3.3 MOS功率晶体管的结构 215

8.3.4 MOS功率晶体管的特性 216

8.3.5 MOS功率器件中寄生的双极型晶体管 218

8.4温度对晶体管特性的影响 219

8.4.1温度对载流子迁移率的影响 219

8.4.2阈值电压的温度效应 219

8.4.3漏-源电流、跨导及导通电阻随温度的变化 220

参考文献 221

第九章 小尺寸MOs器件的特性 222

9.1非均匀掺杂对阈值电压的影响 222

9.1.1阶梯函数分布近似 222

9.1.2高斯分布情况 223

9.2 MOS场效应晶体管的短沟道效应 225

9.2.1短沟道管的亚阈值特性 226

9.2.2几何划分电荷的模型 229

9.2.3电势模型 232

9.3 MOS场效应管的窄沟道效应 234

9.4 MOS场效应管的小尺寸效应 237

9.4.1小尺寸效应 237

9.4.2 MOS场效应管按比例缩小规则 239

9.4.3热电子效应 242

9.4.4漏致势垒降低效应 247

9.4.5栅感应漏端泄漏电流效应 248

9.4.6源区和漏区电阻 248

9.5高介电常数的MIS场效应器件 249

9.5.1等效栅氧化层厚度 249

9.5.2高K介质的几个主要方案 250

9.6 SPICE模拟软件中MOs器件模型 251

9.6.1阈值电压模型 251

9.6.2 SPICE软件中应用的直流电流模型 252

参考文献 253

习题 254

第十章 多栅MOs场效应管 255

10.1传统MOSFET的缺陷以及多栅MOSFET的优点 255

10.1.1传统MOSFET的缺陷 255

10.1.2多栅MOSFET的优点 256

10.2双栅MOSFET 256

10.2.1双栅MOSFET的结构和制作工艺 256

10.2.2双栅MOSFET的解析模型 258

10.2.3量子力学效应对双栅器件阈值电压的影响 262

10.3围栅MOSFET器件 264

10.3.1围栅MOSFET的制作工艺流程 265

10.3.2沟道均匀掺杂围栅MOSFET的解析模型 266

10.3.3沟道非掺杂围栅MOSFET的解析模型 268

10.4 FinFET器件 271

10.4.1 FinFET器件的制作工艺流程 271

10.4.2 FinFET器件的解析模型和有关特性 272

参考文献 273

第十一章 不挥发存储器基础 275

11.1引言 275

11.2不挥发存储器概论 277

11.2.1不挥发存储器结构 277

11.2.2不挥发存储器的工作机理 277

11.2.3不挥发存储器的主要性能 279

11.3浮栅雪崩注入型不挥发存储器的工作原理 279

11.3.1能带结构 279

11.3.2注入电荷与脉冲电压的关系 280

11.3.3间接隧穿过程 281

11.3.4 FAMOS的清除方法 282

11.4电可编程浮栅不挥发存储器 282

11.4.1双结型和沟道注入型 282

11.4.2迭栅雪崩注入型SAMOS 283

11.4.3非雪崩注入型浮栅不挥发内存AtMOS 289

11.4.4 MNOS不挥发存储器 290

11.4.5 MAOS不挥发存储器 297

11.4.6浮栅型闪存存储器 299

11.4.7双密度闪存存储器（DDF Memory） 300

11.5铁电不挥发存储器 301

11.5.1铁电材料的基本特性 301

11.5.2铁电薄膜的特性与应用 303

11.5.3铁电存储器的分类 306

11.5.4 FeRAM的结构和工作原理 306

11.5.5非破坏性读出铁电不挥发存储器 310

11.6电阻型不挥发存储器 315

11.6.1引言 315

11.6.2阻式存储器的有关特性 316

11.6.3阻式存储器的工作机理 318

11.7相变存储器 322

11.7.1相变存储器简介 322

11.7.2相变存储器的存储机理 323

11.7.3相变存储器的电学特性 324

参考文献 326

第十二章 金属-半导体接触和肖特基势垒器件 328

12.1金属-半导体接触的势垒模型 328

12.1.1金属和半导体的功函数 328

12.1.2金属和半导体的接触势垒 329

12.1.3表面态对接触势垒的影响 331

12.2金属-半导体接触整流理论 332

12.2.1金属-半导体接触整流的定性分析 332

12.2.2扩散理论 333

12.2.3热电子发射理论 335

12.2.4量子隧穿理论 338

12.2.5镜像力理论 338

12.3肖特基势垒二极管 340

12.3.1镜像力因素 340

12.3.2外加电场因素 341

12.3.3场发射和热电子场发射因素 341

12.3.4其他因素 342

12.4肖特基势垒源／漏单栅结构的MOSFET 342

12.4.1单栅SB MOSFET的制作工艺流程 343

12.4.2电流电压分析 343

12.4.3阈值电压特性 346

12.4.4亚阈值摆幅特性 347

12.5肖特基势垒源／漏双栅结构MOSFET的模型介绍 348

参考文献 351

附录 352

附录Ⅰ锗、硅、砷化镓的重要性质（300 K） 352

附录Ⅱ硅与几种金属的欧姆接触系数Rc （×10-4Ω·cm2） 353

附录Ⅲ二氧化硅和氮化硅的重要性质（300K） 353

附录Ⅳ余误差函数 354

附录Ⅴ锗、硅电阻率与杂质浓度的关系 356

附录Ⅵ锗、硅迁移率与杂质浓度的关系 356

附录Ⅶ硅扩散层表面杂质浓度与扩散层平均电导率的关系曲线 357

主要符号表 372