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第1章 半导体器件基本方程 1

1.1 半导体器件基本方程的形式 1

1.2 基本方程的简化与应用举例 3

本章参考文献 5

第2章 PN结 6

2.1 PN结的平衡状态 6

2.1.1 空间电荷区的形成 6

2.1.2 内建电场、内建电势与耗尽区宽度 7

2.1.3 能带图 10

2.1.4 线性缓变结 11

2.1.5 耗尽近似和中性近似的适用性 12

2.2 PN结的直流电流电压方程 15

2.2.1 外加电压时载流子的运动情况 15

2.2.2 势垒区两旁载流子浓度的玻耳兹曼分布 17

2.2.3 扩散电流 18

2.2.4 势垒区产生复合电流［2，3］ 21

2.2.5 正向导通电压 23

2.2.6 薄基区二极管 24

2.3 准费米能级与大注入效应 25

2.3.1 自由能与费米能级 25

2.3.2 准费米能级 27

2.3.3 大注入效应 28

2.4 PN结的击穿 32

2.4.1 碰撞电离率和雪崩倍增因子 32

2.4.2 雪崩击穿 35

2.4.3 齐纳击穿 40

2.4.4 热击穿 42

2.5 PN结的势垒电容 44

2.5.1 势垒电容的定义 44

2.5.2 突变结的势垒电容 45

2.5.3 线性缓变结的势垒电容 46

2.5.4 实际扩散结的势垒电容 46

2.6 PN结的交流小信号特性与扩散电容 48

2.6.1 交流小信号下的扩散电流 49

2.6.2 交流导纳与扩散电容 50

2.6.3 二极管的交流小信号等效电路 51

2.7 PN结的开关特性 51

2.7.1 PN结的直流开关特性 51

2.7.2 PN结的瞬态开关特性 52

2.7.3 反向恢复过程 53

2.7.4 存储时间与下降时间 54

2.8 SPICE中的二极管模型 56

习题二 58

本章参考文献 60

第3章 双极结型晶体管 62

3.1 双极结型晶体管基础 62

3.1.1 双极结型晶体管的结构 62

3.1.2 偏压与工作状态 63

3.1.3 少子浓度分布与能带图 63

3.1.4 晶体管的放大作用 65

3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数［1-11］ 67

3.2.1 基区输运系数 67

3.2.2 基区渡越时间 69

3.2.3 发射结注入效率 69

3.2.4 电流放大系数 70

3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数 71

3.3.1 基区内建电场的形成 71

3.3.2 基区少子电流密度与基区少子浓度分布 72

3.3.3 基区渡越时间与输运系数 73

3.3.4 注入效率与电流放大系数 74

3.3.5 小电流时放大系数的下降 75

3.3.6 发射区重掺杂的影响 76

3.3.7 异质结双极型晶体管 79

3.4 双极结型晶体管的直流电流电压方程 79

3.4.1 集电结短路时的电流 79

3.4.2 发射结短路时的电流 80

3.4.3 晶体管的直流电流电压方程 80

3.4.4 晶体管的输出特性 81

3.4.5 基区宽度调变效应 83

3.5 双极结型晶体管的反向特性 85

3.5.1 反向截止电流 85

3.5.2 共基极接法中的雪崩击穿电压 87

3.5.3 共发射极接法中的雪崩击穿电压 88

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 89

3.5.5 发射结击穿电压 90

3.5.6 基区穿通效应 90

3.6 基极电阻 92

3.6.1 方块电阻 92

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 94

3.6.3 工作基区的电阻和基极接触区下的电阻 96

3.7 双极结型晶体管的功率特性 98

3.7.1 大注入效应 98

3.7.2 基区扩展效应 103

3.7.3 发射结电流集边效应 107

3.7.4 晶体管的热学性质 111

3.7.5 二次击穿和安全工作区 116

3.8 电流放大系数与频率的关系 121

3.8.1 高频小信号电流在晶体管中的变化 122

3.8.2 基区输运系数与频率的关系 123

3.8.3 高频小信号电流放大系数 129

3.8.4 晶体管的特征频率 137

3.8.5 影响高频电流放大系数与特征频率的其他因素 139

3.9 高频小信号电流电压方程与等效电路 142

3.9.1 小信号的电荷控制模型 143

3.9.2 小信号的电荷电压关系 144

3.9.3 高频小信号电流电压方程 145

3.9.4 Y参数 147

3.9.5 小信号等效电路 148

3.10 功率增益和最高振荡频率 152

3.10.1 高频功率增益与高频优值 152

3.10.2 最高振荡频率 154

3.10.3 高频晶体管的结构 154

3.11 双极结型晶体管的开关特性 156

3.11.1 晶体管的静态大信号特性 156

3.11.2 晶体管的直流开关特性 161

3.11.3 晶体管的瞬态开关特性 163

3.12 SPICE中的双极晶体管模型 169

3.12.1 埃伯斯-莫尔（EM）模型 169

3.12.2 葛谋-潘（GP）模型［46］ 174

3.13 双极结型晶体管的噪声特性 178

3.13.1 噪声与噪声系数 179

3.13.2 晶体管的噪声源 180

3.13.3 晶体管的高频噪声等效电路 183

3.13.4 晶体管的高频噪声系数 185

3.13.5 晶体管高频噪声的基本特征 188

习题三 190

本章参考文献 197

第4章 绝缘栅型场效应晶体管 199

4.1 MOSFET基础 199

4.2 MOSFET的阈电压 203

4.2.1 MOS结构的阈电压 203

4.2.2 MOSFET的阈电压 205

4.3 MOSFET的直流电流电压方程 210

4.3.1 非饱和区直流电流电压方程 210

4.3.2 饱和区的特性 214

4.4 MOSFET的亚阈区导电 216

4.5 MOSFET的直流参数与温度特性 219

4.5.1 MOSFET的直流参数 219

4.5.2 MOSFET的温度特性 220

4.5.3 MOSFET的击穿电压 221

4.6 MOSFET的小信号参数、高频等效电路及频率特性 223

4.6.1 MOSFET的小信号交流参数 223

4.6.2 MOSFET的小信号高频等效电路 225

4.6.3 最高工作频率和最高振荡频率 231

4.6.4 沟道渡越时间 232

4.7 MOSFET的噪声特性［8］ 232

4.7.1 1/f噪声 232

4.7.2 沟道热噪声 233

4.7.3 诱生栅极噪声 233

4.7.4 高频噪声等效电路和高频噪声系数 235

4.8 短沟道效应 237

4.8.1 小尺寸效应 237

4.8.2 迁移率调制效应 239

4.8.3 漏诱生势垒降低效应 243

4.8.4 强电场效应 244

4.9 MOSFET的发展方向 248

4.9.1 按比例缩小的MOSFET 248

4.9.2 双扩散MOSFET 251

4.9.3 SOS-MOSFET 251

4.9.4 深亚微米MOSFET 252

4.10 SPICE中的MOSFET模型 255

4.10.1 MOS1模型 255

4.10.2 MOS2模型 256

4.10.3 MOS3模型 259

4.10.4 电容模型 260

4.10.5 小信号模型 262

4.10.6 串联电阻的影响 262

习题四 262

本章参考文献 263

第5章 半导体异质结器件 265

5.1 半导体异质结 265

5.1.1 半导体异质结的能带突变 266

5.1.2 半导体异质结伏安特性 268

5.2 高电子迁移率晶体管（HEMT） 270

5.2.1 高电子迁移率晶体管的基本结构 271

5.2.2 HEMT的工作原理 271

5.2.3 异质结界面的二维电子气 273

5.2.4 高电子迁移率晶体管（HEMT）的直流特性 274

5.2.5 HEMT的高频模型 278

5.2.6 HEMT的高频小信号等效电路 279

5.2.7 高电子迁移率晶体管（HEMT）的频率特性 280

5.3 异质结双极晶体管（HBT） 282

5.3.1 HBT的基础理论 282

5.3.2 能带结构与HBT性能的关系 286

5.3.3 异质结双极晶体管的特性 289

5.3.4 Si/Si1-xGex异质结双极晶体管 292

习题五 296

本章参考文献 297

附录A 晶体管设计中的一些常用图 299

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 299

A.2 室温下硅电阻率随施主或受主浓度的变化 301

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 301

A.4 硅中扩散层的电导率曲线 302

A.5 硅中载流子的迁移率与扩散系数曲线 304