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