第1章 半导体物理基础知识介绍 1
1.1 半导体材料及晶体结构的基本知识 1
1.1.1 半导体材料 1
1.1.2 晶体结构 3
1.1.3 Si的晶体结构 8
1.2 能带及能带理论 14
1.2.1 原子模型和薛定谔方程 14
1.2.2 自由空间、氢原子及有限空间中薛定谔方程的解 15
1.2.3 能带和布洛赫波 19
1.2.4 k空间与第一布里渊区 22
1.3 固体的电传导机理 24
1.3.1 导体、半导体和绝缘体的能带 24
1.3.2 有效质量 26
1.3.3 能带结构 28
1.3.4 掺杂 30
1.4 载流子的统计分布 33
1.4.1 状态密度 33
1.4.2 费米分布、费米能级及玻尔兹曼分布 35
1.4.3 半导体中的电子浓度和空穴浓度 37
1.4.4 热平衡条件下半导体中的载流子浓度、费米能级位置 39
1.5 非平衡载流子 43
1.5.1 准费米能级 44
1.5.2 多子与少子 45
1.5.3 复合理论 46
1.6 载流子输运理论 53
1.6.1 漂移 54
1.6.2 扩散 60
1.6.3 强场效应 63
1.7 半导体工作方程——电流密度方程与电流连续性方程 66
1.7.1 泊松方程 67
1.7.2 电流密度方程 67
1.7.3 电流连续性方程 67
1.7.4 半导体方程的应用举例 69
习题 71
第2章 PN结及二极管 73
2.1 概述 73
2.2 平衡PN结 74
2.2.1 平衡PN结、能带图与内建电势 75
2.2.2 空间电荷区的分析与耗尽层近似理论 78
2.2.3 开路时正、反向偏置PN结 81
2.2.4 结电容 83
2.2.5 线性缓变结及其性质 84
2.3 PN结的直流特性 85
2.3.1 理想PN结的直流I-V特性——Shockley方程 85
2.3.2 实际PN结的直流特性 93
2.4 小信号特性——扩散电导与扩散电容 99
2.4.1 小信号电流的连续性方程 100
2.4.2 小信号电流与电压关系 101
2.4.3 扩散电导和扩散电容 102
2.4.4 小信号等效电路 103
2.5 电荷存储效应及开关特性 103
2.5.1 正向偏置时准中性区的存储电荷 104
2.5.2 开关的瞬态过程 104
2.5.3 电荷控制方程 106
2.5.4 开关时间 106
2.6 PN结的击穿特性 109
2.6.1 击穿及击穿的分类 109
2.6.2 雪崩击穿的条件 110
2.6.3 实际PN结的击穿 114
2.6.4 穿通击穿 115
2.7 温敏特性 116
2.7.1 反向偏置时的温敏特性 116
2.7.2 正向偏置时的温敏特性 117
2.8 异质PN结 118
2.8.1 异质结的分类 119
2.8.2 平衡异质结能带图及内建电势 120
2.8.3 平衡异质结空间电荷区相关的计算公式 121
习题 122
参考文献 123
第3章 双极型晶体管 124
3.1 基本结构及工作原理简述 124
3.1.1 基本结构 124
3.1.2 正向有源放大模式的工作条件 125
3.1.3 正向有源放大模式下的端电流分析 126
3.1.4 直流电流增益 127
3.2 理想晶体管的直流电流-电压关系 129
3.2.1 正向有源放大模式下少子分布 129
3.2.2 理想晶体管的电流 133
3.2.3 正向有源放大模式下电流增益 134
3.3 非理想特性分析 136
3.3.1 缓变基区晶体管 137
3.3.2 基区扩展电阻和发射极电流集边效应 139
3.3.3 发射区重掺杂效应 140
3.3.4 基区宽度调制效应 142
3.3.5 萨哈效应和韦氏效应 144
3.3.6 基区展宽效应 146
3.4 工作曲线及击穿特性 149
3.4.1 共基极接法 149
3.4.2 共发射极接法 150
3.4.3 反向饱和电流 151
3.4.4 击穿电压 152
3.4.5 穿通击穿 153
3.5 器件模型 155
3.5.1 E-M模型 155
3.5.2 G-P模型 156
3.6 小信号响应——频率特性 159
3.6.1 小信号等效电路 159
3.6.2 频率特性分析 161
3.6.3 特征频率及渡越时间 164
3.6.4 增益带宽乘积 166
3.6.5 最高工作频率 166
3.7 开关特性 167
3.7.1 开关电路、开态与关态 167
3.7.2 开关过程 169
3.7.3 开关模式及饱和深度 171
3.7.4 提高开关速度的途径及钳位二极管 172
3.8 新型晶体管 172
3.8.1 AlxGa1-xAs宽带隙发射极晶体管 173
3.8.2 锗硅基区晶体管 175
习题 176
第4章 MOS电容 178
4.1 理想MOS结构及性质 178
4.1.1 理想MOS结构的定义 178
4.1.2 半导体表面状态 179
4.1.3 理想MOS结构的阈值电压及强反型以后的最大耗尽层宽度 183
4.1.4 半导体表面电荷与表面势 185
4.2 实际MOS电容的平带电压及阈值电压 187
4.2.1 金属-半导体功函数差 188
4.2.2 氧化物电荷及其影响 190
4.3 MOS结构的电容-电压特性 193
4.3.1 理想MOS电容的C-V特性 193
4.3.2 实际MOS电容的C-V曲线 198
习题 200
第5章 MOSFET 202
5.1 理想MOSFET基本原理及特性 203
5.1.1 基本结构及参数 203
5.1.2 MOSFET原理及特性的一般描述 203
5.1.3 MOSFET I-V特性的理论推导 206
5.1.4 跨导和漏导 209
5.2 MOSFET的非理想效应 210
5.2.1 沟道长度调制效应 210
5.2.2 有效迁移率 212
5.2.3 亚阈电流及亚阈摆幅 213
5.3 阈值电压的调整 217
5.3.1 多晶硅栅 218
5.3.2 衬底掺杂浓度 218
5.3.3 氧化层厚度 218
5.3.4 衬底偏压——体效应 220
5.4 频率特性 223
5.4.1 小信号等效电路 223
5.4.2 实际的漏导和跨导 223
5.4.3 频率特性的限制因素及米勒电容 225
5.4.4 特征频率 226
5.5 短沟道效应 227
5.5.1 阈值电压的短沟、窄沟效应 227
5.5.2 漏感应势垒降低效应 231
5.5.3 穿通效应 232
5.5.4 速度饱和及其漏电流饱和电压 233
5.5.5 高场效应 236
5.6 CMOS技术简介 239
5.6.1 基本结构及特点 239
5.6.2 闩锁效应 239
习题 240
第6章 纳米CMOS器件 242
6.1 微缩律 243
6.2 纳米CMOS器件中的物理问题 244
6.2.1 与薄氧化层相关的物理问题 244
6.2.2 反型层量子效应 250
6.2.3 迁移率退化及速度饱和 252
6.2.4 杂质随机分布 254
6.2.5 阈值电压降低的限制条件 257
6.2.6 源漏电阻 260
6.3 纳米CMOS中的新技术 264
6.3.1 栅工程 264
6.3.2 沟道工程 268
6.4 新型结构纳米CMOS器件 274
6.4.1 SOI 274
6.4.2 UTB-SOI、双栅和FinFET 278
6.4.3 应变硅技术 285
6.4.4 高K介质与金属栅 294
参考文献 295
第7章 金属-半导体接触及结型场效应晶体管 298
7.1 金属-半导体接触 298
7.1.1 肖特基结 299
7.1.2 肖特基二极管 308
7.1.3 肖特基二极管和PN结二极管的比较 309
7.1.4 肖特基二极管的频率特性 311
7.1.5 箝位晶体管 312
7.1.6 欧姆接触 313
7.2 金属-半导体场效应晶体管 314
7.2.1 器件结构 314
7.2.2 工作原理 315
7.2.3 夹断电压、阈值电压和漏饱和电压 316
7.2.4 电流-电压关系的理论推导 317
7.2.5 静态特性 319
7.2.6 小信号等效电路和特征频率 320
7.2.7 MESFET的分类及JFET 322
7.3 异质结MESFET和HEMT 324
7.3.1 二维电子气的形成及其性质 324
7.3.2 二维电子气的性质 325
7.3.3 HEMT的工作原理 327
习题 329
附表 331
附表1 常用物理常数表 331
附表2 Si和GaAs在300K时的重要性质 332
附表3 重要半导体材料的特性 333