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第1章 半导体物理基础及基本方程1

1.1 半导体晶格1

1.1.1 基本的晶体结构1

1.1.2 晶向和晶面3

1.1.3 原子价键3

1.2 半导体中的电子状态3

1.2.1 原子的能级和晶体的能带3

1.2.2 半导体中电子的状态和能带4

1.2.3 半导体中电子的运动和有效质量6

1.2.4 导体、半导体和绝缘体8

1.3 平衡状态下载流子浓度8

1.3.1 费米能级和载流子的统计分布9

1.3.2 本征载流子浓度11

1.3.3 杂质半导体的载流子浓度11

1.3.4 简并半导体的载流子浓度13

1.4 非平衡载流子13

1.4.1 非平衡载流子的注入与复合过程13

1.4.2 非平衡载流子的寿命14

1.4.3 复合理论14

1.5 载流子的输运现象16

1.5.1 载流子的漂移运动及迁移率16

1.5.2 载流子的扩散运动18

1.5.3 爱因斯坦关系18

1.6 半导体器件基本方程19

1.6.1 泊松方程19

1.6.2 输运方程19

1.6.3 连续性方程20

1.6.4 方程的积分形式20

1.6.5 基本方程的简化与应用举例21

本章参考文献23

第2章 PN结24

2.1 PN结的平衡状态24

2.1.1 空间电荷区的形成24

2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度25

2.1.3 能带图28

2.1.4 线性缓变结29

2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性30

2.2 PN结的直流电流电压方程33

2.2.1 外加电压时载流子的运动情况33

2.2.2 势垒区两旁载流子浓度的玻耳兹曼分布35

2.2.3 扩散电流36

2.2.4 势垒区产生复合电流39

2.2.5 正向导通电压41

2.2.6 薄基区二极管42

2.3 准费米能级与大注入效应43

2.3.1 自由能与费米能级43

2.3.2 准费米能级45

2.3.3 大注入效应46

2.4 PN结的击穿50

2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子50

2.4.2 雪崩击穿53

2.4.3 齐纳击穿58

2.4.4 热击穿60

2.5 PN结的势垒电容62

2.5.1 势垒电容的定义62

2.5.2 突变结的势垒电容63

2.5.3 线性缓变结的势垒电容64

2.5.4 实际扩散结的势垒电容64

2.6 PN结的交流小信号特性与扩散电容66

2.6.1 交流小信号下的扩散电流67

2.6.2 交流导纳与扩散电容68

2.6.3 二极管的交流小信号等效电路69

2.7 PN结的开关特性69

2.7.1 PN结的直流开关特性69

2.7.2 PN结的瞬态开关特性70

2.7.3 反向恢复过程71

2.7.4 存储时间与下降时间72

2.8 SPICE中的二极管模型74

习题二76

本章参考文献79

第3章 双极结型晶体管80

3.1 双极结型晶体管基础80

3.1.1 双极结型晶体管的结构80

3.1.2 偏压与工作状态81

3.1.3 少子浓度分布与能带图81

3.1.4 晶体管的放大作用83

3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数85

3.2.1 基区输运系数85

3.2.2 基区渡越时间87

3.2.3 发射结注入效率87

3.2.4 电流放大系数88

3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数89

3.3.1 基区内建电场的形成89

3.3.2 基区少子电流密度与基区少子浓度分布90

3.3.3 基区渡越时间与输运系数91

3.3.4 注入效率与电流放大系数92

3.3.5 小电流时放大系数的下降93

3.3.6 发射区重掺杂的影响94

3.3.7 异质结双极型晶体管97

3.4 双极结型晶体管的直流电流电压方程97

3.4.1 集电结短路时的电流97

3.4.2 发射结短路时的电流98

3.4.3 晶体管的直流电流电压方程98

3.4.4 晶体管的输出特性99

3.4.5 基区宽度调变效应101

3.5 双极结型晶体管的反向特性103

3.5.1 反向截止电流103

3.5.2 共基极接法中的雪崩击穿电压105

3.5.3 共发射极接法中的雪崩击穿电压106

3.5.4 发射极与基极间接有外电路时的反向电流与击穿电压107

3.5.5 发射结击穿电压108

3.5.6 基区穿通效应108

3.6 基极电阻110

3.6.1 方块电阻110

3.6.2 基极接触电阻和接触孔边缘到工作基区边缘的电阻112

3.6.3 工作基区的电阻和基极接触区下的电阻114

3.7 双极结型晶体管的功率特性116

3.7.1 大注入效应116

3.7.2 基区扩展效应121

3.7.3 发射结电流集边效应125

3.7.4 晶体管的热学性质129

3.7.5 二次击穿和安全工作区134

3.8 电流放大系数与频率的关系139

3.8.1 高频小信号电流在晶体管中的变化140

3.8.2 基区输运系数与频率的关系141

3.8.3 高频小信号电流放大系数146

3.8.4 晶体管的特征频率154

3.8.5 影响高频电流放大系数与特征频率的其他因素156

3.9 高频小信号电流电压方程与等效电路159

3.9.1 小信号的电荷控制模型160

3.9.2 小信号的电荷电压关系161

3.9.3 高频小信号电流电压方程163

3.9.4 小信号等效电路165

3.10 功率增益和最高振荡频率168

3.10.1 高频功率增益与高频优值169

3.10.2 最高振荡频率170

3.10.3 高频晶体管的结构171

3.11 双极结型晶体管的开关特性172

3.11.1 晶体管的静态大信号特性172

3.11.2 晶体管的直流开关特性177

3.11.3 晶体管的瞬态开关特性179

3.12 SPICE中的双极晶体管模型185

3.12.1 埃伯斯-莫尔（EM）模型185

3.12.2 葛谋-潘（GP）模型190

习题三195

本章参考文献200

第4章 绝缘栅型场效应晶体管202

4.1 MOSFET基础202

4.2 MOSFET的阈电压206

4.2.1 MOS结构的阈电压206

4.2.2 MOSFET的阈电压208

4.3 MOSFET的直流电流电压方程213

4.3.1 非饱和区直流电流电压方程213

4.3.2 饱和区的特性217

4.4 MOSFET的亚阈区导电219

4.5 MOSFET的直流参数与温度特性222

4.5.1 MOSFET的直流参数222

4.5.2 MOSFET的温度特性223

4.5.3 MOSFET的击穿电压224

4.6 MOSFET的小信号参数、高频等效电路及频率特性226

4.6.1 MOSFET的小信号交流参数226

4.6.2 MOSFET的小信号高频等效电路228

4.6.3 最高工作频率和最高振荡频率234

4.6.4 沟道渡越时间235

4.7 短沟道效应235

4.7.1 小尺寸效应236

4.7.2 迁移率调制效应238

4.7.3 漏诱生势垒降低效应242

4.7.4 强电场效应243

4.7.5 表面势和阈值电压准二维分析247

4.8 体硅MOSFET的发展方向249

4.8.1 按比例缩小的MOSFET249

4.8.2 双扩散MOSFET252

4.8.3 深亚微米MOSFET252

4.8.4 应变硅MOSFET256

4.8.5 高K栅介质及金属栅电极MOSFET258

4.9 功率垂直型双扩散场效应晶体管260

4.9.1 VDMOS器件260

4.9.2 超结VDMOS器件261

4.9.3 常规VDMOS与超结VDMOS器件的电流电压关系的比较262

4.10 SOI MOSFET263

4.10.1 SOI MOSFET结构特点263

4.10.2 SOI MOSFET一维阈值电压模型264

4.10.3 SOI MOSFET的电流特性266

4.10.4 SOI MOSFET的亚阈值斜率268

4.10.5 短沟道SOI MOSFET的准二维分析269

4.11 多栅结构MOSFET与FINFET270

4.11.1 多栅MOSFET结构271

4.11.2 多栅结构MOSFET的特征长度272

4.11.3 双栅FINFET的亚阈值斜率274

4.11.4 双栅FINFET的按比例缩小275

4.11.5 多栅FINFET的结构设计275

4.12 无结晶体管278

4.12.1 无结晶体管的工作原理278

4.12.2 无结晶体管的阈值电压279

4.12.3 无结晶体管的直流电流电压关系280

4.12.4 无结晶体管的温度特性281

4.13 SPICE中的MOSFET模型283

4.13.1 MOS1模型283

4.13.2 MOS2模型284

4.13.3 MOS3模型287

4.13.4 电容模型288

4.13.5 小信号模型290

4.13.6 串联电阻的影响290

习题四290

本章参考文献292

第5章 半导体异质结器件294

5.1 半导体异质结294

5.1.1 半导体异质结的能带突变295

5.1.2 半导体异质结伏安特性297

5.2 高电子迁移率晶体管（HEMT）299

5.2.1 高电子迁移率晶体管的基本结构300

5.2.2 HEMT的工作原理300

5.2.3 异质结界面的二维电子气302

5.2.4 高电子迁移率晶体管（HEMT）的直流特性303

5.2.5 HEMT的高频模型307

5.2.6 HEMT的高频小信号等效电路308

5.2.7 高电子迁移率晶体管（HEMT）的频率特性309

5.3 异质结双极晶体管（HBT）311

5.3.1 HBT的基础理论311

5.3.2 能带结构与HBT性能的关系315

5.3.3 异质结双极晶体管的特性318

5.3.4 Si/Si1-xGex异质结双极晶体管321

习题五325

本章参考文献326

附录A 晶体管设计中的一些常用图328

A.1 扩散结势垒区宽度xd与势垒电容CT和外加电压V的关系曲线328

A.2 室温下硅电阻率随施主或受主浓度的变化330

A.3 扩散结的耗尽区在扩散层一侧所占厚度xCB对耗尽区总厚度xC之比（xCB/xC）与外加电压V的关系曲线330

A.4 硅中扩散层的电导率曲线331

A.5 硅中载流子的迁移率与扩散系数曲线333