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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 MOSFET296

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fT356

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 MESFET366

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M439

9.4.2 注入效率γ440

9.4.3 基区输运效率αT441

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fT482

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fmax485

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BiMOS493

10.8.1 BJT和MOSFET的比较493

10.8.2 BiMOS494

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HBT500

S4.2.2 组分渐变HBT502

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LED542

11.3.4 红外LED542

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EV604

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