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第1章 半导体物理基础 1

1.1 半导体材料 1

1.1.1 半导体材料的原子构成 1

1.1.2 半导体材料的晶体结构 2

1.2 半导体中的电子 3

1.2.1 量子力学简介 4

1.2.2 半导体中电子的特性与能带 7

1.2.3 载流子 10

1.3 热平衡状态下载流子的浓度 12

1.3.1 电子的统计分布规律 13

1.3.2 载流子浓度与费米能级的关系 14

1.3.3 本征半导体与杂质半导体 15

1.4 载流子的输运 20

1.4.1 载流子的散射 20

1.4.2 载流子的漂移运动与迁移率 20

1.4.3 漂移电流与电导率 23

1.4.4 扩散运动与扩散系数 24

1.4.5 电流密度方程与爱因斯坦关系式 25

1.5 非平衡载流子 26

1.5.1 非平衡载流子的复合与寿命 26

1.5.2 准费米能级 28

1.6 连续性方程与扩散方程 29

1.6.1 连续性方程 29

1.6.2 扩散方程 29

思考题1 31

习题1 31

第2章 PN结 33

2.1 平衡PN结能带图及空间电荷区 33

2.1.1 平衡PN结能带图 33

2.1.2 PN结的形成过程 36

2.1.3 平衡PN结的载流子浓度分布 36

2.2 理想PN结的伏安特性 38

2.2.1 PN结的正向特性 38

2.2.2 PN结的反向特性 40

2.2.3 理想PN结的伏安特性 41

2.3 实际PN结的特性 44

2.3.1 PN结空间电荷区中的复合电流 44

2.3.2 PN结空间电荷区中的产生电流 47

2.3.3 PN结表面漏电流与表面复合、产生电流 48

2.3.4 PN结的温度特性 50

2.4 PN结的击穿 51

2.4.1 PN结空间电荷区中的电场 51

2.4.2 PN结的雪崩击穿和隧道击穿 53

2.5 PN结的电容 55

2.5.1 PN结的势垒电容 55

2.5.2 PN结的扩散电容 56

思考题2 58

习题2 58

第3章 双极晶体管 60

3.1 双极晶体管的结构 60

3.1.1 基本结构 60

3.1.2 晶体管的杂质分布 61

3.1.3 晶体管的实际结构 62

3.1.4 晶体管的结构特点 63

3.1.5 集成电路中的晶体管 64

3.2 双极晶体管的放大原理 65

3.2.1 晶体管直流短路电流放大系数 65

3.2.2 晶体管内载流子的传输 66

3.2.3 发射效率和基区输运系数 67

3.2.4 共基极直流电流放大系数α0 68

3.2.5 共射极直流电流放大系数β0 69

3.3 双极晶体管电流增益 69

3.3.1 均匀基区晶体管直流电流增益 69

3.3.2 缓变基区晶体管直流电流增益 76

3.3.3 影响电流放大系数的因素 80

3.3.4 大电流下晶体管放大系数的下降 86

3.4 双极晶体管常用直流参数 90

3.4.1 反向截止电流 91

3.4.2 击穿电压 92

3.4.3 集电极最大电流 94

3.4.4 基极电阻 94

3.5 双极晶体管直流伏安特性 96

3.5.1 均匀基区晶体管直流伏安特性 96

3.5.2 双极晶体管的特性曲线 98

3.5.3 Ebers-Moll模型 101

3.6 交流小信号电流增益及频率特性参数 104

3.6.1 交流小信号电流传输 104

3.6.2 BJT交流小信号模型 105

3.6.3 交流小信号传输延迟时间 108

3.6.4 交流小信号电流增益 111

3.6.5 频率特性参数 113

3.7 双极晶体管的开关特性 116

3.7.1 晶体管的开关作用 117

3.7.2 正向压降和饱和压降 119

3.7.3 晶体管的开关过程 119

3.7.4 双极晶体管的开关时间 121

思考题3 128

习题3 128

第4章 结型场效应晶体管 130

4.1 JFET结构与工作原理 131

4.1.1 PNJFET基本结构 131

4.1.2 JFET工作原理 132

4.1.3 JFET特性曲线 134

4.1.4 夹断电压及饱和漏源电压 135

4.2 MESFET 136

4.2.1 金属与半导体接触 136

4.2.2 MESFET基本结构 138

4.2.3 MESFET工作原理 138

4.3 JFET直流特性 139

4.4 直流特性的非理想效应 141

4.4.1 沟道长度调制效应 141

4.4.2 速度饱和效应 142

4.4.3 亚阈值电流 143

4.5 JFET的交流小信号特性 143

4.5.1 JFET的低频交流小信号参数 143

4.5.2 JFET本征电容 145

4.5.3 交流小信号等效电路 146

4.5.4 JFET的频率参数 147

思考题4 149

习题4 149

第5章 MOSFET 150

5.1 MOS结构及其特性 150

5.2 MOSFET的结构及工作原理 153

5.2.1 MOSFET基本结构 153

5.2.2 MOSFET基本类型 154

5.2.3 MOSFET基本工作原理 155

5.2.4 MOSFET转移特性 156

5.2.5 MOSFET输出特性 157

5.3 MOSFET的阈值电压 158

5.3.1 阈值电压的含义 158

5.3.2 平带电压 158

5.3.3 实际MOS结构的电荷分布 159

5.3.4 阈值电压表示式 160

5.3.5 VBS≠0时的阈值电压 160

5.3.6 影响阈值电压的因素 161

5.4 MOSFET直流特性 164

5.4.1 萨支唐方程 164

5.4.2 影响直流特性的因素 168

5.4.3 击穿特性 172

5.4.4 亚阈特性 176

5.5 MOSFET小信号特性 178

5.5.1 交流小信号参数 178

5.5.2 本征电容 180

5.5.3 交流小信号等效电路 182

5.5.4 截止频率 183

5.6 MOSFET开关特性 185

5.6.1 开关原理 185

5.6.2 开关时间 187

5.7 短沟道效应及按比例缩小规则 188

5.7.1 短沟道效应的含义 188

5.7.2 短沟道对阈值电压的影响 189

5.7.3 窄沟道对阈值电压的影响 191

5.7.4 按比例缩小规则 192

思考题5 194

习题5 195

第6章 集成电路概论 196

6.1 什么是集成电路 196

6.2 集成电路的发展历史 196

6.3 集成电路相关产业及发展概况 197

6.4 集成电路分类 198

6.5 集成电路工艺概述 199

6.5.1 外延生长 199

6.5.2 氧化 200

6.5.3 掺杂 200

6.5.4 光刻 200

6.5.5 刻蚀 201

6.5.6 淀积 201

6.5.7 钝化 201

6.6 CMOS工艺中的无源器件及版图 201

6.6.1 电阻 202

6.6.2 电容 203

6.6.3 电感 205

6.7 CMOS工艺中的有源器件及版图 207

6.7.1 NMOS 207

6.7.2 PMOS 208

6.7.3 NPN 209

6.7.4 PNP 210

6.8 CMOS反相器 212

6.8.1 CMOS反相器的直流特性 212

6.8.2 CMOS反相器的瞬态特性 216

6.8.3 CMOS反相器的功耗与设计 220

6.8.4 CMOS反相器的制作工艺及版图 221

6.9 CMOS传输门 223

6.9.1 NMOS传输门的特性 224

6.9.2 PMOS传输门的特性 225

6.9.3 CMOS传输门的特性 225

6.10 CMOS放大器 228

6.10.1 共源放大器 228

6.10.2 源极跟随器 235

6.10.3 共栅放大器 237

思考题6 239

习题6 239

第7章 集成电路设计基础 241

7.1 模拟集成电路设计概述 241

7.2 模拟集成电路的设计流程及EDA 242

7.2.1 模拟集成电路设计一般流程 242

7.2.2 模拟集成电路设计相关EDA 245

7.2.3 模拟集成电路设计实例 246

7.3 数字集成电路设计流程及EDA 265

7.3.1 数字集成电路设计一般流程 266

7.3.2 数字集成电路设计相关EDA 267

7.3.3 Veriog HDL及数字电路设计 267

7.4 集成电路版图设计 279

7.4.1 集成电路版图设计基本理论 280

7.4.2 版图设计的方式 280

7.4.3 半定制数字集成电路版图设计 283

7.4.4 全定制模拟集成电路版图设计 287

思考题7 297

习题7 297

参考文献 299

附录 301

附录A 硅电阻率与杂质浓度关系 301

附录B 硅中载流子迁移率与杂质浓度关系 301

附录C Si和GaAs在300K的性质 302

附录D 常用元素、二元及三元半导体性质 303

附录E 常用物理常数 304

附录F 国际单位制（SI单位） 305

附录G 单位词头 305