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第1章 固体的晶体结构 1

1.1半导体材料 1

1.2固体类型 2

1.3空间点阵 3

1.3.1原胞与晶胞 3

1.3.2基本晶体结构 4

1.3.3晶面和米勒指数 5

1.3.4金刚石结构 9

1.4原子价键 10

1.5固体中的缺陷和杂质 12

1.5.1固体缺陷 12

1.5.2固体中的杂质 13

1.6半导体材料生长 13

1.6.1熔体生长 14

1.6.2外延生长 15

1.7器件制备技术：氧化 15

1.8小结 17

知识点 18

复习题 18

习题 19

参考文献 21

第2章 固体理论 22

2.1量子力学的基本原理 22

2.1.1能量子 22

2.1.2波粒二象性 23

2.2能量量子化和概率 25

2.2.1波函数的物理意义 25

2.2.2单电子原子 26

2.2.3元素周期表 27

2.3能带理论 28

2.3.1能带的形成 29

2.3.2能带与价键模型 31

2.3.3载流子——电子和空穴 32

2.3.4有效质量 34

2.3.5金属、绝缘体和半导体 35

2.3.6 k空间能带图 36

2.4态密度函数 38

2.5统计力学 39

2.5.1统计规律 39

2.5.2费米-狄拉克分布和费米能级 40

2.5.3麦克斯韦-玻尔兹曼近似 42

2.6小结 44

知识点 44

复习题 45

习题 45

参考文献 48

第3章 平衡半导体 49

3.1半导体中的载流子 49

3.1.1电子和空穴的平衡分布 50

3.1.2平衡电子和空穴浓度方程 50

3.1.3本征载流子浓度 55

3.1.4本征费米能级的位置 57

3.2掺杂原子与能级 58

3.2.1定性描述 58

3.2.2电离能 60

3.2.3 Ⅲ-Ⅴ族半导体 62

3.3非本征半导体的载流子分布 62

3.3.1电子和空穴的平衡分布 62

3.3.2 n 0p 0积 65

3.3.3费米-狄拉克积分 66

3.3.4简并与非简并半导体 68

3.4施主和受主的统计分布 69

3.4.1概率分布函数 69

3.4.2完全电离与冻析 69

3.5载流子浓度——掺杂的影响 72

3.5.1补偿半导体 72

3.5.2平衡电子和空穴浓度 72

3.6费米能级的位置——掺杂和温度的影响 77

3.6.1数学推导 77

3.6.2 EF随掺杂浓度和温度的变化 79

3.6.3费米能级的关联性 81

3.7器件制备技术：扩散和离子注入 82

3.7.1杂质原子扩散 82

3.7.2离子注入 84

3.8小结 84

知识点 85

复习题 85

习题 86

参考文献 90

第4章 载流子输运和过剩载流子现象 92

4.1载流子的漂移运动 92

4.1.1漂移电流密度 92

4.1.2迁移率 94

4.1.3半导体的电导率和电阻率 98

4.1.4速度饱和 102

4.2载流子的扩散运动 104

4.2.1扩散电流密度 104

4.2.2总电流密度 106

4.3渐变杂质分布 107

4.3.1感应电场 107

4.3.2爱因斯坦关系 109

4.4载流子的产生与复合 110

4.4.1平衡半导体 110

4.4.2过剩载流子的产生与复合 111

4.4.3产生-复合过程 113

4.5霍尔效应 115

4.6小结 118

知识点 118

复习题 119

习题 119

参考文献 125

第5章 pn结和金属-半导体接触 126

5.1 pn结的基本结构 126

5.2零偏pn结 127

5.2.1内建电势 128

5.2.2电场强度 129

5.2.3空间电荷区宽度 132

5.3反偏pn结 134

5.3.1空间电荷区宽度与电场 134

5.3.2势垒电容 137

5.3.3单边突变结 138

5.4金属-半导体接触——整流结 140

5.4.1肖特基势垒结 140

5.4.2反偏肖特基结 142

5.5正偏结简介 142

5.5.1 pn结 143

5.5.2肖特基势垒结 144

5.5.3肖特基二极管和pn结二极管的比较 146

5.6金属-半导体的欧姆接触 147

5.7非均匀掺杂pn结 149

5.7.1线性缓变结 149

5.7.2超突变结 151

5.8器件制备技术：光刻、刻蚀和键合 152

5.8.1光学掩膜版和光刻 152

5.8.2刻蚀 153

5.8.3杂质扩散或离子注入 153

5.8.4金属化、键合和封装 154

5.9小结 154

知识点 155

复习题 155

习题 156

参考文献 161

第6章 MOS场效应晶体管基础 162

6.1 MOS场效应晶体管作用 162

6.1.1基本工作原理 163

6.1.2工作模式 164

6.1.3 MOSFET放大 164

6.2双端MOS电容 165

6.2.1能带结构和电荷分布 165

6.2.2耗尽层厚度 170

6.3 MOS电容的电势差 173

6.3.1功函数差 174

6.3.2氧化层电荷 177

6.3.3平带电压 178

6.3.4阈值电压 179

6.3.5电场分布 184

6.4电容-电压特性 187

6.4.1理想C-V特性 187

6.4.2频率影响 191

6.4.3氧化层固定电荷和界面电荷的影响 191

6.5 MOSFET基本工作原理 193

6.5.1 MOSFET结构 194

6.5.2电流-电压关系——基本概念 195

6.5.3电流-电压关系——数学推导 203

6.5.4衬底偏置效应 206

6.6小信号等效电路及频率限制因素 208

6.6.1跨导 209

6.6.2小信号等效电路 209

6.6.3频率限制因素与截止频率 211

6.7器件制备技术 212

6.7.1 NMOS晶体管的制备 213

6.7.2 CMOS技术 214

6.8小结 214

知识点 215

复习题 216

习题 217

参考文献 223

第7章 MOS场效应晶体管的其他概念 225

7.1 MOSFET按比例缩小法则 225

7.1.1恒电场按比例缩小法则 226

7.1.2阈值电压——一级近似 227

7.1.3一般按比例缩小法则 227

7.2非理想效应 228

7.2.1亚阈值电导 228

7.2.2沟道长度调制效应 230

7.2.3沟道迁移率变化 232

7.2.4速度饱和 234

7.3阈值电压修正 236

7.3.1短沟道效应 236

7.3.2窄沟道效应 239

7.3.3衬底偏置效应 240

7.4其他电学特性 241

7.4.1氧化层击穿 241

7.4.2临界穿通或漏致势垒降低（DIBL） 242

7.4.3热电子效应 243

7.4.4离子注入调整阈值电压 244

7.5器件制备技术：特种器件 246

7.5.1轻掺杂漏晶体管 246

7.5.2绝缘体上MOSFET 247

7.5.3功率MOSFET 249

7.5.4 MOS存储器 251

7.6小结 252

知识点 252

复习题 253

习题 253

参考文献 257

第8章 半导体中的非平衡过剩载流子 259

8.1载流子的产生与复合 259

8.2过剩载流子的分析 260

8.2.1连续性方程 261

8.2.2时间相关的扩散方程 262

8.3双极输运 263

8.3.1双极输运方程的推导 263

8.3.2非本征掺杂和小注入限制 265

8.3.3双极输运方程的应用 266

8.3.4介电弛豫时间常数 272

8.3.5海恩斯-肖克利实验 273

8.4准费米能级 276

8.5过剩载流子的寿命 278

8.5.1肖克利-里德-霍尔（SRH）复合理论 278

8.5.2非本征掺杂和小注入限制 279

8.6表面效应 280

8.6.1表面态 280

8.6.2表面复合速度 281

8.7小结 281

知识点 282

复习题 282

习题 283

参考文献 286

第9章 pn结二极管与肖特基二极管 287

9.1 pn结和肖特基势垒结的回顾 287

9.1.1 pn结 287

9.1.2肖特基势垒结 289

9.2 pn结——理想电流-电压特性 290

9.2.1边界条件 291

9.2.2少子分布 294

9.2.3理想pn结电流 295

9.2.4物理小结 299

9.2.5温度效应 300

9.2.6短二极管 301

9.2.7本节小结 302

9.3肖特基二极管——理想电流-电压关系 303

9.3.1肖特基二极管 304

9.3.2肖特基二极管与pn结二极管的比较 306

9.4 pn结二极管的小信号模型 307

9.4.1扩散电阻 307

9.4.2小信号导纳 308

9.4.3等效电路 310

9.5产生-复合电流 311

9.5.1反偏产生电流 311

9.5.2正偏复合电流 313

9.5.3总正偏电流 315

9.6结击穿 316

9.7电荷存储与二极管瞬态 319

9.7.1关瞬态 319

9.7.2开瞬态 321

9.8小结 322

知识点 322

复习题 323

习题 323

参考文献 329

第10章 双极型晶体管 330

10.1双极型晶体管的工作原理 330

10.1.1基本工作原理 332

10.1.2简化的晶体管电流关系 334

10.1.3工作模式 336

10.1.4双极型晶体管放大电路 337

10.2少子分布 338

10.2.1正向有源模式 338

10.2.2其他工作模式 344

10.3低频共基极电流增益 345

10.3.1贡献因子 345

10.3.2电流增益系数的数学推导 347

10.3.3本节小结 350

10.3.4增益系数的计算实例 351

10.4非理想效应 355

10.4.1基区宽度调制 355

10.4.2大注入效应 357

10.4.3发射区带隙变窄 358

10.4.4电流集边效应 360

10.4.5非均匀基区掺杂 362

10.4.6击穿电压 363

10.5混合π型等效电路模型 367

10.6频率限制 369

10.6.1时延因子 370

10.6.2晶体管的截止频率 371

10.7大信号开关特性 373

10.8器件制备技术 375

10.8.1多晶硅发射极双极型晶体管 375

10.8.2双多晶硅npn晶体管的制备 376

10.8.3 SiGe基区晶体管 377

10.8.4功率双极型晶体管 378

10.9小结 381

知识点 382

复习题 382

习题 383

参考文献 389

第11章 其他半导体器件及器件概念 391

11.1结型场效应晶体管 391

11.1.1 pn JFET 392

11.1.2 MESFET 394

11.1.3电学特性 395

11.2异质结 400

11.2.1异质结简介 400

11.2.2异质结双极型晶体管 402

11.2.3高电子迁移率晶体管（HEMT） 404

11.3晶闸管 405

11.3.1基本特性 405

11.3.2 SCR的触发机理 407

11.3.3器件结构 410

11.4 MOSFET的其他概念 412

11.4.1闩锁效应 412

11.4.2击穿效应 413

11.5微机电系统 416

11.5.1加速度计 416

11.5.2喷墨打印机 416

11.5.3生物医学传感器 417

11.6小结 417

知识点 418

复习题 418

习题 419

参考文献 420

第12章 光子器件 422

12.1光吸收 422

12.1.1光吸收系数 423

12.1.2电子-空穴对的产生率 425

12.2太阳能电池 426

12.2.1 pn结太阳能电池 426

12.2.2转换效率与太阳光聚集 428

12.2.3异质结太阳能电池 429

12.2.4非晶硅太阳能电池 430

12.3光电探测器 432

12.3.1光电导探测器 432

12.3.2光电二极管 434

12.3.3 PIN光电二极管 436

12.3.4雪崩光电二极管 437

12.3.5光电晶体管 438

12.4发光二极管 439

12.4.1光产生 439

12.4.2内量子效率 439

12.4.3外量子效率 440

12.4.4 LED器件 442

12.5激光二极管 443

12.5.1受激辐射与粒子数反转 443

12.5.2光学谐振腔 445

12.5.3阈值电流 446

12.5.4器件结构与特性 447

12.6小结 448

知识点 448

复习题 449

习题 449

参考文献 452

附录A部分参数符号列表 453

附录B单位制、单位换算和通用常数 459

附录C元素周期表 462

附录D能量单位——电子伏特 463

附录E薛定谔方程的“推导”和应用 465

附录F部分习题答案 469

中英文术语对照表 475