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第一部分 半导体基础2

第1章 半导体概要2

1.1 半导体材料的特性2

1.1.1 材料的原子构成2

目录2

1.1.2 纯度3

1.1.3 结构4

1.2 晶体结构4

1.2.2 三维立方单胞5

1.2.1 单胞的概念5

1.2.3 半导体晶格6

1.2.4 密勒指数8

1.3 晶体的生长11

1.3.1 超纯硅的获取11

1.3.2 单晶硅的形成11

1.4 小结13

习题13

2.1 量子化概念16

第2章 载流子模型16

2.2 半导体模型17

2.2.1 价键模型18

2.2.2 能带模型18

2.2.3 载流子20

2.2.4 带隙和材料分类21

2.3 载流子的特性22

2.3.1 电荷22

2.3.2 有效质量22

2.3.3 本征材料内的载流子数23

2.3.4 载流子数的控制——掺杂24

2.3.5 与载流子有关的术语27

2.4 状态和载流子分布28

2.4.1 态密度28

2.4.2 费米分布函数29

2.4.3 平衡载流子分布32

2.5 平衡载流子浓度33

2.5.1 n型和p型的公式34

2.5.2 n型和p型表达式的变换35

2.5.3 ni和载流子浓度乘积np36

2.5.4 电中性关系39

2.5.5 载流子浓度的计算40

2.5.6 费米能级EF的确定42

2.5.7 载流子浓度与温度的关系44

2.6 小结46

习题47

3.1.1 漂移的定义与图像51

第3章 载流子输运51

3.1 漂移51

3.1.2 漂移电流52

3.1.3 迁移率54

3.1.4 电阻率58

3.1.5 能带弯曲61

3.2 扩散64

3.2.1 扩散的定义与图像64

3.2.2 热探针测量法67

3.2.3 扩散和总电流68

3.2.4 扩散系数与迁移率的关系69

3.3 复合-产生72

3.3.1 复合-产生的定义与图像72

3.3.2 动量分析74

3.3.3 R-G统计76

3.3.4 少子寿命80

3.4.1 连续性方程83

3.4 状态方程83

3.4.2 少子的扩散方程84

3.4.3 问题的简化和解答85

3.4.4 解答问题86

3.5 补充的概念90

3.5.1 扩散长度90

3.5.2 准费米能级91

3.6 小结94

习题96

4.1 制备过程104

4.1.1 氧化104

第4章 器件制备基础104

4.1.2 扩散107

4.1.3 离子注入109

4.1.4 光刻111

4.1.5 薄膜淀积113

4.1.6 外延116

4.2 器件制备实例116

4.2.1 pn结二极管的制备116

4.2.2 计算机CPU的工艺流程117

4.3 小结121

第一部分 补充读物和复习122

可选择的／补充的阅读资料列表122

图的出处／引用的参考文献123

术语复习一览表124

第一部分——复习题和答案125

5.1 前言136

5.1.1 结的相关术语／理想杂质分布136

第5章 pn结的静电特性136

第二部分A pn结二极管136

5.1.2 泊松方程138

5.1.3 定性解138

5.1.4 内建电势（Vbi）142

5.1.5 耗尽近似144

5.2 定量的静电关系式146

5.2.1 假设和定义146

5.2.2 VA=0条件下的突变结147

5.2.3 VA≠0条件下的突变结150

5.2.4 结果分析153

5.2.5 线性缓变结157

5.3 小结159

习题160

第6章 pn结二极管：I-V特性166

6.1 理想二极管方程166

6.1.1 定性推导166

6.1.2 定量求解方案170

6.1.3 严格推导174

6.1.4 结果分析175

6.2.1 理想理论与实验的比较183

6.2 与理想情况的偏差183

6.2.2 反向偏置的击穿185

6.2.3 复合-产生电流191

6.2.4 VA→Vbi时的大电流现象197

6.3 一些需要特别考虑的因素200

6.3.1 电荷控制方法200

6.3.2 窄基区二极管201

6.4 小结204

习题205

7.1 引言213

第7章 pn结二极管：小信号导纳213

7.2 反向偏置结电容214

7.2.1 基本信息214

7.2.2 C-V关系216

7.2.3 参数提取和杂质分布219

7.2.4 反向偏置电导222

7.3 正向偏置扩散导纳223

7.3.1 基本信息223

7.3.2 导纳关系式225

7.4 小结229

习题230

第8章 pn结二极管：瞬态响应232

8.1 瞬态关断特性232

8.1.1 引言232

8.1.2 定性分析233

8.1.3 存贮延迟时间236

8.2 瞬态开启特性240

8.1.4 总结240

8.3 小结244

习题244

第9章 光电二极管247

9.1 引言247

9.2 光电探测器248

9.2.1 pn结光电二极管248

9.2.2 p-i-n和雪崩光电二极管250

9.3 太阳能电池253

9.3.1 太阳能电池基础253

9.3.2 效率研究254

9.3.3 太阳能电池工艺256

9.4 LED257

9.4.1 概述257

9.4.2 商用LED258

9.4_3 LED封装和光输出262

第二部分B BJT和其他结型器件266

第10章 BJT基础知识266

10.1 基本概念266

10.2 制备工艺269

10.3 静电特性270

10.4 工作原理简介272

10.5 特性参数274

10.6 小结275

习题276

第11章 BJT静态特性279

11.1 理想晶体管模型279

11.1.1 求解方法279

11.1.2 通用解（W为任意值）282

11.1.3 简化关系式（W《LB）285

11.1.4 埃伯斯-莫尔方程和模型289

11.2 理论和实验的偏差292

11.2.1 理想特性与实验的比较292

11.2.2 基区宽度调制294

11.2.3 穿通295

11.2.4 雪崩倍增和击穿297

11.2.5 几何效应301

11.2.7 缓变基区303

11.2.6 复合-产生电流303

11.2.8 品质因素304

11.3 现代BJT结构306

11.3.1 多晶硅发射极BJT306

11.3.2 异质结双极晶体管（HBT）308

11.4 小结310

习题311

12.1 小信号等效电路319

12.1.1 普遍的四端模型319

第12章 BJT动态响应模型319

12.1.2 混合л模型321

12.2 瞬态（开关）响应323

12.2.1 定性研究323

12.2.2 电荷控制关系式325

12.2.3 定量分析327

12.2.4 实际的瞬态过程329

习题330

12.3 小结330

第13章 PNPN器件333

13.1 可控硅整流器（SCR）333

13.2 SCR工作原理334

13.3 实际的开／关研究338

13.3.1 电路工作338

13.3.2 附加触发机制339

13.3.3 短路阴极结构339

13.3.5 触发时间340

13.3.6 开关的优点／缺点340

13.3.4 di／dt和du／dt效应340

13.4 其他的PNPN器件341

第14章 MS接触和肖特基二极管343

14.1 理想的MS接触343

14.2 肖特基二极管347

14.2.1 静电特性347

14.2.2 I-V特性350

14.2.3 交流响应354

14.2.4 瞬态响应357

14.3.2 欧姆接触358

14.3 实际的MS接触358

14.3.1 整流接触358

14.4 小结360

习题360

第二部分 补充读物和复习364

可选择的／补充的阅读资料列表364

图的出处／引用的参考文献364

术语复习一览表365

第二部分——复习题和答案367

15.1 引言380

第15章 场效应导言——J-FET和MESFET380

第三部分 场效应器件380

15.2 J-FET384

15.2.1 简介384

15.2.2 器件工作的定性理论385

15.2.3 定量的ID-VD关系388

15.2.4 交流响应396

15.3 MESFET398

15.3.1 基础知识398

15.3.2 短沟效应400

15.4 小结403

习题403

第16章 MOS结构基础407

16.1 理想MOS结构的定义407

16.2 静电特性——定性描述408

16.2.1 图示化辅助描述408

16.2.2 外加偏置的影响410

16.3.1 半导体静电特性的定量描述413

16.3 静电特性——定量公式413

16.3.2 栅电压关系418

16.4 电容-电压特性421

16.4.1 理论和分析421

16.4.2 计算和测试426

16.5 小结431

习题432

第17章 MOSFET器件基础440

17.1 工作机理的定性分析440

17.2.1 预备知识444

17.2 ID-VD特性的定量分析444

17.2.2 平方律理论446

17.2.3 体电荷理论449

17.2.4 薄层电荷和精确电荷理论451

17.3 交流响应453

17.3.1 小信号等效电路453

17.3.2 截止频率454

17.3.3 小信号特性455

17.4 小结456

习题457

第18章 非理想MOS462

18.1 金属-半导体功函数差462

18.2 氧化层电荷465

18.2.1 引言465

18.2.2 可动离子467

18.2.3 固定电荷471

18.2.4 界面陷阱473

18.2.5 诱导的电荷477

18.2.6 △VG总结479

18.3 MOSFET的阈值设计481

18.3.1 VT表达式481

18.3.2 阈值、术语和工艺482

18.3.3 阈值调整484

18.3.4 背偏置效应485

18.3.5 阈值总结486

习题488

19.1 小尺寸效应493

19.1.1 引言493

第19章 现代场效应管结构493

19.1.2 阈值电压改变495

19.1.3 寄生双极晶体管效应498

19.1.4 热载流子效应499

19.2 精选的器件结构概况500

19.2.1 MOSFET结构501

19.2.2 MODFET（HEMT）504

习题506

图的出处／引用的参考文献509

可选择的／补充的阅读资料列表509

第三部分补充读物和复习509

术语复习一览表512

第三部分——复习题和答案513

附录A 量子力学基础526

附录B MOS半导体静电特性——精确解537

附录C MOS C-V补充540

附录D MOS I-V补充542

附录E 符号表544

附录F MATLAB程序源代码554