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目录 1

第一章　半导体物理基础 1

1.1　半导体的能带 1

1.1.1　能带的形成 1

1.1.2　本征半导体和掺杂半导体 5

1.1.3　电子和空穴的有效质量 8

1.1.4　锗、硅、砷化镓等的能带结构 11

1.2　热平衡载流子 14

1.2.1　热平衡载流子 15

1.2.2　掺杂半导体的载流子浓度 17

1.2.3　费米能级随温度的变化 20

1.2.4　半导体的简并化 22

1.2.5　晶格振动和声子 22

1.2.6　迁移率 24

1.2.7　电阻率 28

1.2.8　强电场效应 30

1.3　非平衡载流子 33

1.3.1　非平衡载流子的产生 33

1.3.2　非平衡载流子的复合与寿命 35

1.3.3　非平衡载流子的扩散分布 36

1.3.4　表面复合和陷阱效应 37

1.4　电流方程和连续方程 39

1.4.1　电流方程 40

1.4.2　连续方程 40

参考文献 43

第二章　PN结二极管 44

2.1　PN结 44

2.1.1　PN结的杂质分布 44

2.1.2 平衡PN结的能带图 45

2.1.3　平衡PN结的电场、电势和结宽 47

2.1.4 PN结的电流-电压特性 56

2.1.5 PN结电容 61

2.1.6 PN结击穿 62

2.2 异质结与高低结 68

2.2.1 异质结 68

2.2.2 高低结 74

2.3　变容二极管 75

2.3.1　一般PN结电容-电压关系 75

2.3.2　变容二极管的结构与参数 77

2.4　开关二极管 83

2.4.1　PN结的瞬变特性 83

2.4.2　高速开关二极管 85

2.5　PIN二极管 88

2.5.1　PIN二极管的能带和电场 88

2.5.2　正向偏置下的Ⅰ层电阻 90

2.5.4 PIN二极管的开关时间 93

2.5.3　反向偏压下PIN二极管的电阻、电容和击穿电压 93

2.6　隧道二极管和反向二极管 94

2.6.1　隧道过程的定性分析 94

2.6.2　隧道几率和隧道电流 96

2.6.3　过量电流 98

2.6.4　隧道二极管的等效电路 100

2.6.5　反向二极管 100

参考文献 101

第三章　雪崩二极管 103

3.1　崩越二极管的工作原理 103

3.1.1　负阻概念 104

3.1.2　崩越振荡机理 105

3.2　崩越二极管的小信号分析 110

3.2.1　雪崩区 111

3.2.2　漂移区 113

3.2.3　总阻抗 114

3.3.1　崩越二极管的效率 116

3.3　崩越二极管的特性与制造 116

3.3.2　崩越二极管的噪声 118

3.3.3　崩越二极管的小信号Q值 121

3.3.4　崩越二极管的输出功率 122

3.3.5　崩越二极管制造工艺概况 124

3.4　双漂移崩越二极管、高-低结和低-高-低结崩越二极管 125

3.4.1　双漂移崩越二极管 125

3.4.2　高-低结和低-高-低结崩越二极管 129

3.5　崩越二极管的大信号特性 132

3.5.1　崩越二极管导纳、效率及Q值随信号振幅变化的情况 132

3.5.2　空间电荷效应对IMPATT二极管大信号特性的影响 134

3.5.3　饱和电流对IMPATT二极管大信号特性的影响 136

3.6　俘越二极管 137

3.6.1　俘越模式的工作机理 137

3.6.2　俘越器件的设计考虑 142

3.6.3　俘越器件的结构 144

3.7　势越二极管 145

参考文献 150

第四章　金属-半导体界面器件 152

4.1　肖特基势垒 153

4.1.1　功函数和电子亲和势 153

4.1.2　肖特基势垒的形成 153

4.1.3　肖特基势垒的巴丁模型 157

4.1.4　势垒高度的一般表达式 160

4.1.5　镜象力使肖特基势垒高度的降低——肖特基效应 162

4.1.6　肖特基势垒高度的控制 164

4.1.7　莫特势垒 165

4.2 肖特基势垒的电流输运理论 166

4.2.1　肖特基势垒中载流子的输运机构 166

4.2.2　热电子发射理论 167

4.2.3　扩散理论 168

4.2.4　热电子发射-扩散理论 170

4.2.5　界面层的影响 171

4.2.6　反向饱和电流 174

4.2.7　空穴注入 175

4.2.8　少子存贮效应 176

4.3　肖特基势垒电容 176

4.3.1　肖特基势垒中的电场 176

4.3.2　反向偏压下的肖特基势垒电容 178

4.4　欧姆接触 179

4.5　金属-半导体界面的合金化 181

4.5.1　扩散界面和合金化 181

4.5.2　金属硅化物 182

4.6　肖特基势垒二极管 184

4.6.1　箝位晶体管 185

4.6.2　肖特基势垒二极管检波器和混频器 185

4.7 肖特基场效应晶体管的直流特性 187

4.7.1　结型场效应晶体管的工作原理 187

4.7.2　场效应晶体管的两段模型 188

4.7.3　砷化镓中实际的速度-电场特性对肖特基场效应管直流特性的影响 192

4.8 肖特基场效应晶体管的小信号参数 194

4.8.1 跨导gm 195

4.8.2　漏电阻rd 195

4.8.3　栅源电容CSG 196

4.8.4　栅漏电容CDG和源漏电容CSD 197

4.8.5　寄生电阻的影响 197

4.9　肖特基场效应晶体管的频率特性 198

4.10　肖特基场效应晶体管的噪声特性 199

4.11 大功率肖特基势垒栅场效应晶体管 205

参考文献 208

第五章　绝缘栅场效应器件 210

5.1　MIS结构的性质 210

5.1.1　理想MIS结构及其特性 210

5.1.2　对理想MIS结构特性的修正 224

5.2　绝缘栅场效应晶体管 228

5.2.1　MOS晶体管的基本结构和原理 229

5.2.2　非平衡状态的MOS结构 230

5.2.3　沟道电导和表面迁移率 232

5.2.4　MOS晶体管的电特性 237

5.2.5　MOS晶体管的频率特性 252

5.3　短沟道MOS场效应晶体管 255

5.3.1　短沟道效应对阈电压和漏源击穿电压的影响 255

5.3.2　短沟道效应的抑制 258

5.3.3　短沟道器件 260

5.4　不挥发半导体存贮器 264

5.4.1　浮栅型不挥发存贮器 265

5.4.2　双介质不挥发存贮器 269

参考文献 274

第六章　电荷耦合器件 276

6.1　CCD的工作原理 276

6.1.1　MOS电容的瞬态特性 276

6.1.2　表面势阱 277

6.1.3　三相CCD的工作 279

6.1.4　二相硅铝交迭栅CCD 280

6.2　器件结构 282

6.2.1　降低电极间隙势垒 282

6.2.2　减少时钟脉冲相数 284

6.2.3　减少界面态的影响 285

6.3　器件的输入和输出特性 287

6.3.1　输入方式 287

6.3.2　输出方式 290

6.4　CCD的特性参数 292

6.4.1　电荷转移效率 292

64.2　器件的工作频率 312

6.4.3　电荷存贮容量 314

6.4.4　噪声 317

6.4.5　暗电流 325

6.4.6　功耗 329

参考文献 330

第七章　半导体太阳电池和光电探测器 332

7.1　PN结的光生伏特效应 332

7.1.1　光电转换的物理过程 332

7.1.2　光照下理想PN结方程和特性曲线 334

7.1.3　短路电流和开路电压 336

7.1.4　太阳电池的结构 338

7.2　太阳常数和大气质量 338

7.2.1　太阳常数和太阳光谱 338

7.2.2　大气质量 339

7.3　太阳电池的光电转换效率 340

7.3.1　理想PN结的光电转换效率 340

7.3.2　光电转换效率与材料参数的关系 342

7.3.3　吸收系数和收集系数 346

7.4　高效太阳电池 347

7.3.4　串连电阻和栅指状电极 347

7.4.1　绒面太阳电池 348

7.4.2　背表面场太阳电池 349

7.4.3　紫电池——浅结电池 351

7.5　太阳电池的光谱响应和辐照效应 352

7.5.1　太阳电池的光谱响应 352

7.5.2　太阳电池的辐照效应 353

7.6　其他形式的太阳电池 355

7.6.1　砷化镓异质面太阳电池 355

7.6.2　硫化镉-硫化亚铜异质结太阳电池 357

7.6.3　非晶硅太阳电池 358

7.6.4　MIS肖特基势垒太阳电池 361

7.7　半导体光电探测器 366

7.7.1　光电探测器的一般参数 366

7.7.2　光电导探测器 368

7.7.3　光伏探测器 373

7.7.4　雪崩光电探测器 377

参考文献 379

第八章　发光二极管和半导体激光器 382

8.1　发光过程中的激发与复合 383

8.1.1　发光过程中的激发 383

8.1.2　发光过程中的复合 384

8.2　辐射复合与非辐射复合 387

8.2.1　辐射复合 387

8.2.2　非辐射复合 394

8.3　发光二极管的材料、制备与特性 396

8.3.1　发光二极管的材料 396

8.3.2　发光二极管的制备 399

8.3.3　发光二极管的参数 400

8.4　红外上转换发光和异质结电致发光 408

8.4.1　红外上转换发光 409

8.4.2　异质结的电致发光 411

8.5　半导体激光器及其结构 413

8.6　半导体受激光发射条件 415

8.6.1　粒子数的反转分布 415

8.6.2　光学谐振腔 417

8.6.3　阈值条件 418

8.7　半导体激光器的输出光功率、转换效率和光谱 421

8.7.1　输出光功率和转换效率 421

8.7.2　光谱分布 423

8.8　半导体异质结激光器 425

8.8.1　单异质结激光器 426

8.8.2　双异质结激光器 427

8.8.3　分别限制光子和载流子异质结激光器 431

8.9　半导体激光器的模式 432

8.10　双异质结激光器的退化 436

8.10.1　快退化 436

8.10.2　慢退化 437

8.10.3　应力等对激光器寿命的影响 438

参考文献 439

第九章　体效应器件 442

9.1　转移电子器件的物理基础 442

9.1.1　双谷模型和砷化镓的能带结构 442

9.1.2　在强电场作用下电子的谷间转移和速度-电场特性 444

9.1.3　能量弛豫现象 447

9.2　不稳定性和畴模 448

9.2.1　介电弛豫现象 448

9.2.2　高场畴的形成 449

9.2.3　稳定畴的分析 450

9.2.4　畴的形成条件 455

9.3　延迟畴模和猝灭畴模 456

9.3.1　延迟畴模 456

9.3.2　猝灭畴模 457

9.3.3　功率-频率特性的限制 457

9.4.1　限累模及其实现条件 458

9.4　限累模（LSA模）和混合模 458

9.4.2　积累层 461

9.4.3　混合模 462

9.5　耿氏效应放大器 462

9.5.1　稳定放大器 462

9.5.2　渡越畴放大器 467

9.6　不同工作模式的关系、器件的结构、效率和功率 468

9.6.1　不同工作模式的关系 468

9.6.2　器件的结构 469

9.6.3　器件的效率 470

9.6.4　器件的功率 471

9.7　耿氏二极管的可靠性 472

9.7.1　突发失效 472

9.7.2　缓慢退化 472

9.7.3　为提高器件可靠性所作的工艺改进 474

参考文献 478