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第1部分 半导体材料 1

第1章 半导体中电子的能量和状态 2

1.1 引言 2

1.2 历史回顾 2

1.3 氢原子实例 3

1.3.1 氢原子的玻尔模型 3

1.3.2 玻尔模型在分子方面的应用：共价键 8

1.3.3 量子数和泡利不相容原理 9

1.3.4 晶体中的共价键 10

1.4 波粒二象性 15

1.5 波函数 16

1.5.1 几率和波函数 16

1.6 电子波函数 16

1.6.1 一维空间的自由电子 17

1.6.2 德布罗意关系 19

1.6.3 三维空间的自由电子 19

1.6.4 准自由电子模型 20

1.6.5 反射和隧穿 24

1.7 光发射和光吸收初探 25

1.8 晶体结构、晶面和晶向 29

1.9 总结 31

1.10 阅读清单 31

1.11 参考文献 31

1.12 复习题 32

1.13 习题 32

第2章 均匀半导体 36

2.1 引言 36

2.2 晶体中的电子的准经典力学 37

2.2.1 一维晶体 37

2.2.2 三维晶体 41

2.3 导带结构 42

2.4 价带结构 43

2.5 本征半导体 44

2.6 非本征半导体 46

2.6.1 施主 46

2.6.2 受主 48

2.7 空穴的概念 50

2.7.1 空穴的电荷 50

2.7.2 空穴的有效质量 51

2.8 能带中电子的态密度函数 52

2.8.1 态密度和态密度有效质量 52

2.9 费米-狄拉克统计 53

2.9.1 能带中电子和空穴的费米-狄拉克统计 54

2.10 电子和空穴按能量的分布 56

2.11 非简并半导体中载流子浓度对温度的依赖关系 65

2.11.1 高温下的载流子浓度 66

2.11.2 低温下的载流子浓度（载流子冻结） 69

2.12 简并半导体 69

2.12.1 杂质导致的禁带变窄 70

2.12.2 表观禁带变窄 72

2.12.3 简并半导体中的载流子浓度 73

2.13 总结 74

2.13.1 非简并半导体 75

2.13.2 简并半导体 76

2.14 阅读清单 76

2.15 参考文献 76

2.16 复习题 77

2.17 习题 77

第3章 均匀半导体中的电流 83

3.1 引言 83

3.2 漂移电流 83

3.3 载流子迁移率 86

3.3.1 载流子散射 89

3.3.2 散射迁移率 90

3.3.3 杂质带迁移率 92

3.3.4 温度对迁移率的影响 94

3.3.5 强场迁移率 94

3.4 扩散电流 96

3.5 载流子的产生和复合 99

3.5.1 带间产生和复合 99

3.5.2 两步过程 99

3.6 半导体中的光过程 100

3.6.1 光吸收 100

3.6.2 光发射 103

3.7 连续性方程 104

3.8 少数载流子寿命 107

3.8.1 上升时间 109

3.8.2 下降时间 109

3.9 少数载流子扩散长度 111

3.10 准费米能级 113

3.11 总结 115

3.12 阅读清单 116

3.13 参考文献 116

3.14 复习题 117

3.15 习题 118

第4章 非均匀半导体 121

4.1 平衡态下费米能级的一致性 121

4.2 梯度掺杂 122

4.2.1 爱因斯坦关系 126

4.2.2 基区梯度掺杂晶体管 126

4.3 非均匀组分半导体 129

4.4 梯度掺杂和梯度组分同时存在的情况 131

4.5 总结 133

4.6 阅读清单 133

4.7 参考文献 133

4.8 复习题 133

4.9 习题 134

第1部分补充内容：材料 136

补充内容1A 量子力学介绍 137

S1A.1 引言 137

S1A.2 波函数 137

S1A.3 几率和波函数 138

S1A.3.1 一维势阱中的粒子 139

S1A.4 薛定谔方程 140

S1A.5 电子的薛定谔方程 141

S1A.6 量子力学的一些结论 142

S1A.6.1 自由电子 142

S1A.6.2 准自由电子 143

S1A.6.3 势阱 144

S1A.6.4 一维无限深势阱 145

S14.6.5 有限深势垒的反射和透射 147

S1A.6.6 隧穿 148

S1A.6.7 有限深势阱 154

S1A.6.8 氢原子再探 156

S14.6.9 不确定原理 156

S1A.7 总结 159

S1A.8 复习题 160

S1A.9 习题 160

补充内容1B 关于材料的补充问题 163

S1B.1 载流子浓度和迁移率的测量 163

S1B.1.1 电阻率测量 163

S1B.1.2 霍尔效应 164

S1B.2 束缚态电子的费米-狄拉克统计 166

S1B.3 半导体中的载流子冻结 169

S1B.4 声子 170

S1B.4.1 声子对载流子的散射 173

S1B.4.2 电子的间接跃迁 174

S1B.5 总结 175

S1B.6 阅读材料 176

S1B.7 参考文献 176

S1B.8 复习题 176

S1B.9 习题 176

第2部分 二极管 179

第5章 原型同质pn结 183

5.1 引言 183

5.2 原型同质pn结（定性讨论） 184

5.2.1 原型pn结的能带图 184

5.2.2 同质pn结的电流描述 190

5.3 原型同质pn结（定量分析） 194

5.3.1 平衡能带图（突变结） 194

5.3.2 外加偏压下的能带图 196

5.3.3 同质pn结的电流-电压特性 201

5.3.4 反向偏压下的击穿 217

5.4 原型同质pn结的小信号电阻 219

5.4.1 结电阻 220

5.4.2 结电容 221

5.4.3 存储电荷电容 222

5.5 瞬态特性 226

5.5.1 关断的瞬态特性 226

5.5.2 开启的瞬态特性 228

5.6 温度效应 231

5.7 总结 231

5.7.1 内建电势差 232

5.7.2 结区宽度 232

5.7.3 结电流 233

5.7.4 结击穿 234

5.7.5 电容 234

5.7.6 瞬态特性 235

5.8 阅读清单 235

5.9 复习题 235

5.10 习题 235

第6章 二极管的补充说明 239

6.1 引言 239

6.2 非突变同质结 239

6.2.1 线性缓变结 241

6.2.2 超突变结 243

6.3 半导体异质结 244

6.3.1 半导体-半导体异质结的能带图 244

6.3.2 界面态效应 251

6.3.3 异质结晶格失配的效应 253

6.4 金属-半导体结 254

6.4.1 理想的金属-半导体结（电子亲和能模型） 254

6.4.2 界面诱导偶极层的影响 255

6.4.3 金属-半导体结的电流-电压特性 256

6.4.4 欧姆（低阻）接触 259

6.4.5 异质结二极管的I-Va特性 260

6.5 非理想结和异质结的电容 261

6.6 总结 261

6.7 阅读清单 261

6.8 参考文献 262

6.9 复习题 262

6.10 习题 262

第2部分补充内容：二极管 266

S2.1 引言 266

S2.2 介电弛豫时间 266

S2.2.1 情况1：多子注入的介电弛豫时间 266

S2.2.2 情况2：少子注入的介电弛豫时间 268

S2.3 结电容 269

S2.3.1 原型（突变）结的结电容 269

S2.3.2 非均匀掺杂结的结电容 270

S2.3.3 变容二极管 271

S2.3.4 短基区二极管的存储电荷电容 272

S2.4 肖特基二极管的二阶效应 273

S2.4.1 肖特基势垒隧穿 275

S2.4.2 镜像效应导致的肖特基二极管的势垒降低 276

S2.5 二极管的SPICE模型 278

S2.5.1 利用SPICE作示波器 278

S2.5.2 瞬态分析 280

S2.6 总结 283

S2.7 阅读清单 284

S2.8 参考文献 284

S2.9 习题 284

第3部分 场效应晶体管 287

第7章 MOSFET 296

7.1 引言 296

7.2 MOSFET（定性分析） 296

7.2.1 MOS电容介绍 296

7.2.2 平衡状态的MOSFET（定性分析） 300

7.2.3 非平衡状态的MOSFET（定性分析） 301

7.3 MOSFET（定量分析） 309

7.3.1 迁移率为常数的长沟MOSFET模型 310

7.3.2 更加实际的长沟模型：电场对迁移率的影响 321

7.3.3 串联电阻 333

7.4 模型和实验的比较 334

7.5 总结 335

7.6 阅读清单 336

7.7 参考文献 336

7.8 复习题 337

7.9 习题 337

第8章 FET的补充分析 340

8.1 引言 340

8.2 阈值电压和低场迁移率的测量 340

8.3 亚阈值漏电流 342

8.4 互补MOSFET（CMOS） 345

8.4.1 反相器的工作原理 346

8.4.2 CMOS器件的匹配 347

8.5 CMOS反相器电路的开关过程 348

8.5.1 负载电容的影响 348

8.5.2 开关电路中的传播（栅）延迟 349

8.5.3 CMOS开关过程中的直通电流 351

8.6 MOSFET等效电路 352

8.6.1 小信号等效电路 353

8.6.2 CMOS放大器 356

8.7 单位电流增益截止频率fT 356

8.8 短沟道效应 357

8.8.1 有效沟道长度和VDS的依赖关系 357

8.8.2 阈值电压和漏极电压的依赖关系 359

8.9 MOSFET按比例缩小 360

8.10 绝缘层上硅（SOI） 361

8.11 其他场效应晶体管 364

8.11.1 异质结场效应晶体管（HFET） 364

8.11.2 MESFET 366

8.11.3 结型场效应晶体管（JFET） 370

8.11.4 体沟道FET：定量分析 371

8.12 总结 373

8.13 阅读清单 374

8.14 参考文献 374

8.15 复习题 375

8.16 习题 375

第3部分补充内容：场效应晶体管 378

S3.1 引言 378

S3.2 对沟道电荷Qch公式的说明 378

S3.2.1 变化的耗尽层宽度对沟道电荷的影响 378

S3.2.2 沟道电荷Qch与纵向电场EL的依赖关系 380

S3.3 MOSFET的阈值电压 381

S3.3.1 固定电荷 383

S3.3.2 界面陷阱电荷 383

S3.3.3 体电荷 383

S3.3.4 电荷对阈值电压的影响 384

S3.3.5 平带电压 384

S3.3.6 阈值电压的控制 387

S3.3.7 沟道量子效应 388

S3.4 低场迁移率的普适关系式 390

S3.5 VT的测量 392

S3.6 确定长沟MOSFET的VT和μlf的另一种方法 394

S3.7 MOS电容 396

S3.7.1 理想MOS电容 396

S3.7.2 实际MOS电容的C-VG关系曲线 400

S3.7.3 根据C-VG测量进行参数分析 401

S3.8 M0S电容的混合图 402

S3.8.1 动态随机存储器（DRAM） 403

S3.8.2 电荷耦合器件（CCD） 406

S3.9 器件的退化 408

S3.10 MOSFET的低温工作特性 412

S3.11 MOSFET器件和电路的SPICE模拟 415

S3.11.1 MOSFET的SPICE模拟举例 416

S3.11.2 确定CMOS数字反相器的瞬态特性 419

S3.12 总结 421

S3.13 阅读清单 421

S3.14 参考文献 421

S3.15 复习题 422

S3.16 习题 422

第4部分 双极结型晶体管 427

第9章 双极结型器件：静电学特性 431

9.1 引言 431

9.2 输出特性（定性分析） 434

9.3 电流增益 436

9.4 原型BJT的模型 437

9.4.1 收集系数M 439

9.4.2 注入效率γ 440

9.4.3 基区输运效率αT 441

9.5 双极晶体管中的掺杂梯度 445

9.5.1 梯度基区晶体管 448

9.5.2 基区电场对β的影响 451

9.6 基本Ebers-Moll直流模型 452

9.7 BJT中的电流集边和基区电阻 454

9.8 基区宽度调制（Early效应） 458

9.9 雪崩击穿 461

9.10 大注入 461

9.11 基区扩展（Kirk）效应 462

9.12 E-B结内的复合 463

9.13 总结 464

9.14 阅读清单 465

9.15 参考文献 465

9.16 复习题 466

9.17 习题 466

第10章 双极晶体管的时变分析 471

10.1 引言 471

10.2 Ebers-Moll交流模型 471

10.3 小信号等效电路 472

10.3.1 混合π模型 474

10.4 双极晶体管的存储电荷电容 478

10.5 频率响应 481

10.5.1 单位电流增益频率fT 482

10.5.2 基区渡越时间 483

10.5.3 基区-集电区渡越时间 485

10.5.4 最高振荡频率fmax 485

10.6 高频晶体管 485

10.6.1 双多晶Si自对准晶体管 485

10.7 双极开关晶体管 487

10.7.1 输出由低到高的转换时间 489

10.7.2 肖特基箝位晶体管 490

10.7.3 发射极耦合逻辑 490

10.8 BJT、MOSFET和BiMOS 493

10.8.1 BJT和MOSFET的比较 493

10.8.2 BiMOS 494

10.9 总结 495

10.10 阅读清单 496

10.11 参考文献 496

10.12 复习题 496

10.13 习题 497

第4部分补充内容：双极器件 499

S4.1 引言 499

S4.2 异质结双极晶体管（HBT） 499

S4.2.1 均匀掺杂HBT 500

S4.2.2 组分渐变HBT 502

S4.3 Si基区、SiGe基区和GaAs基区HBT的比较 504

S4.4 晶闸管（npnp开关器件） 505

S4.4.1 四层二极管开关 505

S4.4.2 npnp开关的双晶体管模型 508

S4.5 可控硅整流器（SCRs） 509

S4.6 CMOS电路中的寄生 pnpn开关 511

S4.7 SPICE在BJT中的应用 512

S4.7.1 寄生效应 514

S4.7.2 小电流到中等电流区 514

S4.7.3 大电流区 515

S4.8 SPICE在双极型晶体管中的应用举例 516

S4.9 总结 521

S4.10 参考文献 521

S4.11 复习题 522

S4.12 习题 522

第5部分 光电器件 525

第11章 光电器件 526

11.1 引言 526

11.2 光电探测器 527

11.2.1 一般光电探测器 527

11.2.2 太阳能电池 532

11.2.3 p-i-n（PIN）光电探测器 537

11.2.4 雪崩光电二极管 538

11.3 发光二极管 539

11.3.1 正偏结的自发辐射 539

11.3.2 等电子陷阱 541

11.3.3 蓝光LEDs和白光LED 542

11.3.4 红外LED 542

11.4 激光二极管 547

11.4.1 光增益 547

11.4.2 反馈 549

11.4.3 增益＋反馈＝激光器 551

11.4.4 激光器的结构 552

11.4.5 其他半导体激光器材料 555

11.5 图像传感器 556

11.5.1 电荷耦合图像传感器 557

11.5.2 MOS图像传感器 558

11.6 总结 559

11.7 阅读清单 559

11.8 参考文献 559

11.9 复习题 560

11.10 习题 560

附录 564

附录A 重要常数 564

附录B 符号表 565

附录C 制造 580

C.1 引言 580

C.2 衬底制备 580

C.2.1 原始材料 580

C.2.2 晶体（单晶）生长 581

C.2.3 缺陷 584

C.2.4 外延 585

C.3 掺杂 588

C.3.1 扩散 588

C.3.2 离子注入 588

C.4 光刻 590

C.5 导体和绝缘体 592

C.5.1 金属化 592

C.5.2 多晶硅 593

C.5.3 氧化 593

C.5.4 氮化硅 595

C.6 超净间 595

C.7 封装 596

C.7.1 引线键合 596

C.7.2 引脚框架 597

C.7.3 倒装焊 598

C.7.4 表面贴装封装 598

C.8 总结 599

附录D 态密度函数，态密度有效质量，电导率有效质量 600

D.1 引言 600

D.2 一维自由电子 600

D.3 二维自由电子 602

D.4 三维自由电子 603

D.5 周期性晶格中的准自由电子 604

D.6 态密度有效质量 604

D.6.1 情况1：导带在K＝0处具有单一极小值 604

D.6.2 情况2：价带有两个子带，都在K＝0处有极大值EV 604

D.6.3 情况3：导带在K＝0处具有多个等效极小值（例如Si、Ge、GaP） 605

D.7 电导率有效质量 607

D.7.1 情况1：导带在K＝0处具有单一极值 607

D.7.2 情况2：价带中的空穴 607

D.7.3 情况3：具有多个等效极小值的导带中的电子 607

D.7.4 情况4：应变硅 608

D.8 对有效质量的常见结果的总结 609

附录E 一些有用的积分公式 611

附录F 有用的公式 612

附录G 推荐阅读的文献 621