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第1章 固体的晶体结构1

1.1半导体材料1

1.2固体类型2

1.3空间点阵3

1.3.1原胞与晶胞3

1.3.2基本晶体结构4

1.3.3晶面和米勒指数5

1.3.4金刚石结构9

1.4原子价键10

1.5固体中的缺陷和杂质12

1.5.1固体缺陷12

1.5.2固体中的杂质13

1.6半导体材料生长13

1.6.1熔体生长14

1.6.2外延生长15

1.7器件制备技术：氧化15

1.8小结17

知识点18

复习题18

习题19

参考文献21

第2章 固体理论22

2.1量子力学的基本原理22

2.1.1能量子22

2.1.2波粒二象性23

2.2能量量子化和概率25

2.2.1波函数的物理意义25

2.2.2单电子原子26

2.2.3元素周期表27

2.3能带理论28

2.3.1能带的形成29

2.3.2能带与价键模型31

2.3.3载流子——电子和空穴32

2.3.4有效质量34

2.3.5金属、绝缘体和半导体35

2.3.6 k空间能带图36

2.4态密度函数38

2.5统计力学39

2.5.1统计规律39

2.5.2费米-狄拉克分布和费米能级40

2.5.3麦克斯韦-玻尔兹曼近似42

2.6小结44

知识点44

复习题45

习题45

参考文献48

第3章 平衡半导体49

3.1半导体中的载流子49

3.1.1电子和空穴的平衡分布50

3.1.2平衡电子和空穴浓度方程50

3.1.3本征载流子浓度55

3.1.4本征费米能级的位置57

3.2掺杂原子与能级58

3.2.1定性描述58

3.2.2电离能60

3.2.3 Ⅲ-Ⅴ族半导体62

3.3非本征半导体的载流子分布62

3.3.1电子和空穴的平衡分布62

3.3.2 n 0p 0积65

3.3.3费米-狄拉克积分66

3.3.4简并与非简并半导体68

3.4施主和受主的统计分布69

3.4.1概率分布函数69

3.4.2完全电离与冻析69

3.5载流子浓度——掺杂的影响72

3.5.1补偿半导体72

3.5.2平衡电子和空穴浓度72

3.6费米能级的位置——掺杂和温度的影响77

3.6.1数学推导77

3.6.2 EF随掺杂浓度和温度的变化79

3.6.3费米能级的关联性81

3.7器件制备技术：扩散和离子注入82

3.7.1杂质原子扩散82

3.7.2离子注入84

3.8小结84

知识点85

复习题85

习题86

参考文献90

第4章 载流子输运和过剩载流子现象92

4.1载流子的漂移运动92

4.1.1漂移电流密度92

4.1.2迁移率94

4.1.3半导体的电导率和电阻率98

4.1.4速度饱和102

4.2载流子的扩散运动104

4.2.1扩散电流密度104

4.2.2总电流密度106

4.3渐变杂质分布107

4.3.1感应电场107

4.3.2爱因斯坦关系109

4.4载流子的产生与复合110

4.4.1平衡半导体110

4.4.2过剩载流子的产生与复合111

4.4.3产生-复合过程113

4.5霍尔效应115

4.6小结118

知识点118

复习题119

习题119

参考文献125

第5章 pn结和金属-半导体接触126

5.1 pn结的基本结构126

5.2零偏pn结127

5.2.1内建电势128

5.2.2电场强度129

5.2.3空间电荷区宽度132

5.3反偏pn结134

5.3.1空间电荷区宽度与电场134

5.3.2势垒电容137

5.3.3单边突变结138

5.4金属-半导体接触——整流结140

5.4.1肖特基势垒结140

5.4.2反偏肖特基结142

5.5正偏结简介142

5.5.1 pn结143

5.5.2肖特基势垒结144

5.5.3肖特基二极管和pn结二极管的比较146

5.6金属-半导体的欧姆接触147

5.7非均匀掺杂pn结149

5.7.1线性缓变结149

5.7.2超突变结151

5.8器件制备技术：光刻、刻蚀和键合152

5.8.1光学掩膜版和光刻152

5.8.2刻蚀153

5.8.3杂质扩散或离子注入153

5.8.4金属化、键合和封装154

5.9小结154

知识点155

复习题155

习题156

参考文献161

第6章 MOS场效应晶体管基础162

6.1 MOS场效应晶体管作用162

6.1.1基本工作原理163

6.1.2工作模式164

6.1.3 MOSFET放大164

6.2双端MOS电容165

6.2.1能带结构和电荷分布165

6.2.2耗尽层厚度170

6.3 MOS电容的电势差173

6.3.1功函数差174

6.3.2氧化层电荷177

6.3.3平带电压178

6.3.4阈值电压179

6.3.5电场分布184

6.4电容-电压特性187

6.4.1理想C-V特性187

6.4.2频率影响191

6.4.3氧化层固定电荷和界面电荷的影响191

6.5 MOSFET基本工作原理193

6.5.1 MOSFET结构194

6.5.2电流-电压关系——基本概念195

6.5.3电流-电压关系——数学推导203

6.5.4衬底偏置效应206

6.6小信号等效电路及频率限制因素208

6.6.1跨导209

6.6.2小信号等效电路209

6.6.3频率限制因素与截止频率211

6.7器件制备技术212

6.7.1 NMOS晶体管的制备213

6.7.2 CMOS技术214

6.8小结214

知识点215

复习题216

习题217

参考文献223

第7章 MOS场效应晶体管的其他概念225

7.1 MOSFET按比例缩小法则225

7.1.1恒电场按比例缩小法则226

7.1.2阈值电压——一级近似227

7.1.3一般按比例缩小法则227

7.2非理想效应228

7.2.1亚阈值电导228

7.2.2沟道长度调制效应230

7.2.3沟道迁移率变化232

7.2.4速度饱和234

7.3阈值电压修正236

7.3.1短沟道效应236

7.3.2窄沟道效应239

7.3.3衬底偏置效应240

7.4其他电学特性241

7.4.1氧化层击穿241

7.4.2临界穿通或漏致势垒降低（DIBL）242

7.4.3热电子效应243

7.4.4离子注入调整阈值电压244

7.5器件制备技术：特种器件246

7.5.1轻掺杂漏晶体管246

7.5.2绝缘体上MOSFET247

7.5.3功率MOSFET249

7.5.4 MOS存储器251

7.6小结252

知识点252

复习题253

习题253

参考文献257

第8章 半导体中的非平衡过剩载流子259

8.1载流子的产生与复合259

8.2过剩载流子的分析260

8.2.1连续性方程261

8.2.2时间相关的扩散方程262

8.3双极输运263

8.3.1双极输运方程的推导263

8.3.2非本征掺杂和小注入限制265

8.3.3双极输运方程的应用266

8.3.4介电弛豫时间常数272

8.3.5海恩斯-肖克利实验273

8.4准费米能级276

8.5过剩载流子的寿命278

8.5.1肖克利-里德-霍尔（SRH）复合理论278

8.5.2非本征掺杂和小注入限制279

8.6表面效应280

8.6.1表面态280

8.6.2表面复合速度281

8.7小结281

知识点282

复习题282

习题283

参考文献286

第9章 pn结二极管与肖特基二极管287

9.1 pn结和肖特基势垒结的回顾287

9.1.1 pn结287

9.1.2肖特基势垒结289

9.2 pn结——理想电流-电压特性290

9.2.1边界条件291

9.2.2少子分布294

9.2.3理想pn结电流295

9.2.4物理小结299

9.2.5温度效应300

9.2.6短二极管301

9.2.7本节小结302

9.3肖特基二极管——理想电流-电压关系303

9.3.1肖特基二极管304

9.3.2肖特基二极管与pn结二极管的比较306

9.4 pn结二极管的小信号模型307

9.4.1扩散电阻307

9.4.2小信号导纳308

9.4.3等效电路310

9.5产生-复合电流311

9.5.1反偏产生电流311

9.5.2正偏复合电流313

9.5.3总正偏电流315

9.6结击穿316

9.7电荷存储与二极管瞬态319

9.7.1关瞬态319

9.7.2开瞬态321

9.8小结322

知识点322

复习题323

习题323

参考文献329

第10章 双极型晶体管330

10.1双极型晶体管的工作原理330

10.1.1基本工作原理332

10.1.2简化的晶体管电流关系334

10.1.3工作模式336

10.1.4双极型晶体管放大电路337

10.2少子分布338

10.2.1正向有源模式338

10.2.2其他工作模式344

10.3低频共基极电流增益345

10.3.1贡献因子345

10.3.2电流增益系数的数学推导347

10.3.3本节小结350

10.3.4增益系数的计算实例351

10.4非理想效应355

10.4.1基区宽度调制355

10.4.2大注入效应357

10.4.3发射区带隙变窄358

10.4.4电流集边效应360

10.4.5非均匀基区掺杂362

10.4.6击穿电压363

10.5混合π型等效电路模型367

10.6频率限制369

10.6.1时延因子370

10.6.2晶体管的截止频率371

10.7大信号开关特性373

10.8器件制备技术375

10.8.1多晶硅发射极双极型晶体管375

10.8.2双多晶硅npn晶体管的制备376

10.8.3 SiGe基区晶体管377

10.8.4功率双极型晶体管378

10.9小结381

知识点382

复习题382

习题383

参考文献389

第11章 其他半导体器件及器件概念391

11.1结型场效应晶体管391

11.1.1 pn JFET392

11.1.2 MESFET394

11.1.3电学特性395

11.2异质结400

11.2.1异质结简介400

11.2.2异质结双极型晶体管402

11.2.3高电子迁移率晶体管（HEMT）404

11.3晶闸管405

11.3.1基本特性405

11.3.2 SCR的触发机理407

11.3.3器件结构410

11.4 MOSFET的其他概念412

11.4.1闩锁效应412

11.4.2击穿效应413

11.5微机电系统416

11.5.1加速度计416

11.5.2喷墨打印机416

11.5.3生物医学传感器417

11.6小结417

知识点418

复习题418

习题419

参考文献420

第12章 光子器件422

12.1光吸收422

12.1.1光吸收系数423

12.1.2电子-空穴对的产生率425

12.2太阳能电池426

12.2.1 pn结太阳能电池426

12.2.2转换效率与太阳光聚集428

12.2.3异质结太阳能电池429

12.2.4非晶硅太阳能电池430

12.3光电探测器432

12.3.1光电导探测器432

12.3.2光电二极管434

12.3.3 PIN光电二极管436

12.3.4雪崩光电二极管437

12.3.5光电晶体管438

12.4发光二极管439

12.4.1光产生439

12.4.2内量子效率439

12.4.3外量子效率440

12.4.4 LED器件442

12.5激光二极管443

12.5.1受激辐射与粒子数反转443

12.5.2光学谐振腔445

12.5.3阈值电流446

12.5.4器件结构与特性447

12.6小结448

知识点448

复习题449

习题449

参考文献452

附录A部分参数符号列表453

附录B单位制、单位换算和通用常数459

附录C元素周期表462

附录D能量单位——电子伏特463

附录E薛定谔方程的“推导”和应用465

附录F部分习题答案469

中英文术语对照表475