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前言 1

第1章 半导体材料的基本性质 1

1.1 半导体与基本晶体结构 1

1.1.1 半导体 1

1.1.2 半导体材料的基本特性 1

1.1.3 半导体的晶体结构 3

1.1.4 晶面及其表示方法 5

1.1.5 半导体材料简介 6

1.2 半导体的能带 7

1.2.1 孤立原子中电子能级 7

1.2.2 晶体中电子的能带 9

1.2.3 硅晶体能带的形成过程 10

1.2.4 能带图的意义及简化表示 11

1.3 本征半导体与本征载流子浓度 12

1.3.1 本征半导体的导电机构 12

1.3.2 热平衡状态与热平衡载流子浓度 13

1.3.3 本征载流子浓度 14

1.3.4 费米能级与载流子浓度的关系 17

1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度 18

1.4.1 N型半导体与P型半导体 19

1.4.2 施主与受主杂质能级 20

1.4.3 杂质半导体的载流子浓度 21

1.4.4 杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系 22

1.4.5 杂质半导体随温度的变化 25

1.5 非平衡载流子 27

1.5.1 非平衡载流子的产生 27

1.5.2 非平衡载流子的寿命 28

1.5.3 非平衡载流子的复合类型 29

1.5.4 准费米能级 29

1.6 载流子的漂移运动 31

1.6.1 载流子的热运动与漂移运动 31

1.6.2 迁移率μ 32

1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度 34

1.6.4 半导体的电阻率ρ 35

1.7 载流子的扩散运动 37

1.7.1 扩散方程的建立 37

1.7.2 根据相应的边界条件确定Δp（x）的特解 38

1.7.3 扩散系数与迁移率的关系—爱因斯坦关系式 40

1.7.4 扩散长度的物理意义 41

1.7.5 连续性方程 41

本章小结 42

思考题和习题 43

第2章 PN结机理与特性 45

2.1 平衡PN结的机理与特性 45

2.1.1 PN结的制备与杂质分布 45

2.1.2 平衡PN结形成与能带 48

2.1.3 平衡PN结的接触电势差 51

2.1.4 平衡PN结的载流子浓度分布 53

2.2 正向PN结机理与特性 55

2.2.1 正向偏置与正向注入效应 55

2.2.2 正向PN结边界少子浓度和少子浓度分布 55

2.2.3 正向PN结电流-电压方程式 58

2.2.4 PN结正向电流的讨论 61

2.2.5 PN结的大注入效应 63

2.2.6 正向PN结空间电荷区复合电流 64

2.3 反向PN结的机理与特性 66

2.3.1 反向偏置与反向抽取作用 66

2.3.2 反向PN结边界少子浓度和少子浓度分布 67

2.3.3 反向PN结电流-电压方程式 68

2.3.4 反向PN结空间电荷区的产生电流 70

2.3.5 PN结表面漏电流 71

2.3.6 PN结的伏安特性 73

2.4 PN结空间电荷区的电场、电位分布和宽度 74

2.4.1 突变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度 74

2.4.2 线性缓变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度 78

2.5 PN结击穿机理与击穿特性 80

2.5.1 PN结击穿机理 81

2.5.2 PN结雪崩击穿电压 82

2.5.3 影响雪崩击穿电压的主要因素 87

2.5.4 几种不正常的击穿曲线 89

2.6 PN结的电容特性 90

2.6.1 PN结的势垒电容 90

2.6.2 PN结的扩散电容 93

2.7 晶体二极管特性与设计考虑 96

2.7.1 晶体二极管的基本结构 97

2.7.2 晶体二极管的伏安特性与主要参数 98

2.7.3 几种特殊二极管 99

2.7.4 半导体二极管设计考虑与制备范例 105

本章小结 107

思考题和习题 109

第3章 双极型晶体管 111

3.1 晶体管的结构与工作原理 111

3.1.1 晶体管的基本结构 111

3.1.2 晶体管的制备工艺与杂质分布 112

3.1.3 晶体管的工作原理 114

3.1.4 晶体管的放大功能 115

3.2 晶体管的电流放大特性 116

3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 116

3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 119

3.2.3 晶体管的直流电流方程式 120

3.2.4 晶体管的直流电流放大系数 123

3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析 124

3.2.6 影响晶体管直流电流放大系数的其他因素 129

3.3 晶体管的直流特性曲线 134

3.3.1 共基极连接直流特性曲线 134

3.3.2 共发射极连接直流特性曲线 135

3.3.3 共基极与共发射极输出特性曲线的比较 137

3.3.4 共发射极输出特性曲线的讨论 138

3.4 晶体管的反向电流与击穿电压 141

3.4.1 晶体管的反向电流 141

3.4.2 晶体管的反向击穿电压 143

3.4.3 穿通电压 147

3.5 晶体管的频率特性 148

3.5.1 晶体管交流电流放大系数 149

3.5.2 晶体管频率特性参数 150

3.5.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因 151

3.5.4 晶体管高频等效电路 153

3.5.5 共基极交流电流放大系数α及截止频率fα的定量分析 155

3.5.6 共发射极交流电流放大系数β、fβ及fΤ的定量分析 159

3.5.7 高频功率增益和最高振荡频率 162

3.5.8 晶体管的噪声 164

3.6 晶体管的功率特性 166

3.6.1 晶体管集电极最大工作电流 166

3.6.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响 167

3.6.3 基区扩展效应对β0和fΤ的影响 171

3.6.4 发射极电流集边效应 175

3.6.5 晶体管最大耗散功率与热阻 180

3.6.6 晶体管的二次击穿与安全工作区 183

3.7 晶体管的开关特性 186

3.7.1 晶体管的开关作用 186

3.7.2 晶体管的开关工作区域 188

3.7.3 晶体管的开关波形和开关时间 191

3.7.4 晶体管的开关过程和影响开关时间的因素 191

3.7.5 提高晶体管开关速度的途径 196

3.7.6 开关晶体管的正向压降与饱和压降 197

3.8 晶闸管 198

3.8.1 晶闸管的基本结构与基本特性 198

3.8.2 晶闸管的工作原理 200

3.8.3 晶闸管几种主要派生器件 204

本章小结 208

思考题和习题 210

第4章 MOS场效应晶体管 213

4.1 MOS结构与基本性质 213

4.1.1 理想MOS结构及基本性质 213

4.1.2 实际MOS结构及基本特性 219

4.2 MOS场效应晶体管的工作原理与基本特性 221

4.2.1 MOS场效应晶体管的基本工作原理 221

4.2.2 MOS场效应晶体管的转移特性 222

4.2.3 MOS场效应晶体管的输出特性 224

4.3 MOS场效应晶体管的阈值电压 227

4.3.1 阈值电压 227

4.3.2 影响阈值电压的其他诸因素 231

4.4 MOS场效应晶体管的直流伏安特性 233

4.4.1 伏安特性方程基本表示式 234

4.4.2 亚阈区的伏安特性 236

4.4.3 击穿区的伏安特性与击穿机理 238

4.4.4 输出特性曲线与直流参数 239

4.5 MOS场效应晶体管的频率特性 241

4.5.1 MOS场效应晶体管的交流小信号参数 241

4.5.2 MOS场效应晶体管交流小信号等效电路 244

4.5.3 MOS场效应晶体管的高频特性 246

4.6 MOS场效应晶体管的开关特性 248

4.6.1 MOS场效应晶体管的开关作用 249

4.6.2 MOS场效应晶体管的开关过程 250

4.6.3 MOS场效应晶体管的开关时间计算 251

4.7 MOS场效应晶体管的温度特性 253

4.7.1 迁移率随温度的变化 253

4.7.2 阈值电压的温度特性 253

4.7.3 MOS场效应晶体管几个主要参数的温度特性 254

4.8 MOS场效应晶体管短沟道效应 256

4.8.1 阈值电压的变化 256

4.8.2 漏特性及跨导的变化 258

4.8.3 弱反型区（亚阈值）漏电流变化 259

4.8.4 长沟道器件的最小沟道长度限制 260

本章小结 261

思考题和习题 261

第5章 半导体器件制备技术 263

5.1 晶体生长与外延 263

5.1.1 晶体基本生长技术 263

5.1.2 晶体外延生长技术 264

5.2 硅的热氧化 268

5.2.1 SiO2的结构、性质与作用 268

5.2.2 硅热氧化形成SiO2的机理 270

5.2.3 SiO2的制备方法 271

5.2.4 SiO2质量的宏观检验 272

5.3 光刻与刻蚀技术 273

5.3.1 光刻过程简介 273

5.3.2 新一代图形曝光技术 276

5.3.3 刻蚀技术 278

5.4 半导体中的杂质掺杂 279

5.4.1 杂质扩散机理与方法 279

5.4.2 离子注入原理与系统 284

5.5 介质薄膜化学气相淀积技术 286

5.5.1 二氧化硅的化学气相淀积 286

5.5.2 氮化硅的化学气相淀积 287

5.5.3 多晶硅的化学气相淀积 288

5.6 金属薄膜的物理气相淀积技术 288

5.6.1 金属膜的蒸发 288

5.6.2 金属膜的溅射 289

5.7 制备半导体器件工艺流程 290

5.7.1 硅平面晶体管工艺流程 290

5.7.2 MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程 292

5.7.3 P阱硅栅CMOS工艺和元件的形成过程 294

本章小结 296

思考题和习题 298

第6章 Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂 299

6.1 Ga在SiO2/Si结构开管掺杂的背景 299

6.1.1 传统扩散杂质的选择 299

6.1.2 开管扩镓的出现及与其他工艺的比较 300

6.1.3 Ga在SiO2/Si结构下单温区开管掺杂的产生 301

6.2 开管扩镓原理 301

6.2.1 扩散装置与系统内的化学反应 301

6.2.2 开管扩镓的主要步骤 302

6.2.3 Ga在SiO2/Si结构下的扩散原理 303

6.3 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律 308

6.3.1 开管扩镓模型的初步建立 308

6.3.2 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律 309

6.3.3 Ga在SiO2-Si界面上的分凝效应 309

6.4 Ga基区晶体管 312

6.4.1 Ga基区晶体管的制备及其电学性能 312

6.4.2 Ga基区晶体管的负阻效应 313

6.4.3 Ga基区晶体管的完善与展望 315

6.5 开管扩镓技术在电力电子器件中的应用 316

6.5.1 Ga阶梯式深结分布在普通晶闸管中的应用 317

6.5.2 Ga的高斯分布在快速晶闸管中的应用 319

本章小结 322

思考题和习题 322

附录 323

附录A 主要符号表 323

附录B 物理常数表 326

附录C 300K时锗、硅、砷化镓主要物理性质表 326

附录D 求扩散结杂质浓度梯度aj的图表及方法 327

参考文献 328