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序言1

第1章 电子、价键、能带和空穴1

100 引言1

110 材料的分类2

111 固体分类法3

几何学分类法(按结晶的不完整性分类)3

纯度分类法(按所含杂质情况分类)3

电学性质分类法(按电导率分类)4

力学性质分类法(按键合力分类)5

120 在电子器件制作中需要结晶型掺杂半导体6

131 用矢量描述晶格7

130 晶格和周期性结构7

Miller 指数9

132 三维晶体结构10

金刚石结构(立方晶系)11

闪锌矿结构(立方晶系)12

纤维锌矿结构(六角晶系、六角密堆积结构)12

133 原子密度计算13

134 单晶生长13

140 物质中电子的波运动(量子力学、波动力学和 Schr?dinger 方程)17

141 物质粒子和电磁辐射的波粒二象性18

氢原子的 Bohr 模型20

电子能级和轨道图像的应用23

氢原子的光发射和光吸收24

外电场对质子附近电子的作用25

结语26

142 选择物质波动方程的实验基础(Schrdinger 方程的导出)26

143 波函数的性质和解说(经典力学—量子力学的关联)30

150 Schr?dinger 方程的解31

151 电子在一个势能跃变处的反射32

152 矩形势垒或势阱的共振散射34

153 电子隧穿一个矩形势垒35

154 电子隧穿一个三角形势垒36

155 在一个矩形引力势阱中的束缚态37

156 氢原子39

161 带负电荷的双电子氢原子46

160 多电子原子中电子的组态46

162 多质子和多电子原子49

170 半导体和固体的电子模型52

171 键模型52

172 能带模型54

173 能带中能级的电子充填57

180 能带模型的导出60

181 近似自由电子模型61

182 紧束缚模型66

183 半导体的能带图70

184 金属和导体的能带74

190 不传导电流的全部填满电子的能带(空穴的概念)78

199 参考文献和习题80

200 引言87

201 均匀半导体87

202 平衡87

第2章 平衡状态的均匀半导体87

210 纯净半导体90

220 杂质半导体91

221 施主、受主和等电子陷阱92

222 施主和受主的荷电状态93

223 被俘获电子和空穴的束缚能94

230 热平衡条件下的电子和空穴浓度97

231 Fermi-Dirac 分布函数97

233 电子和空穴浓度(进一步分析)100

232 电子和空穴浓度(基本分析)100

240 Fermi 能级的计算及电子和空穴浓度103

241 纯净半导体中的 EF、N 和 P103

242 杂质或非本征半导体中的 EF、N 和 P106

质量作用定律106

电中性条件107

非本征半导体的判据108

载流子浓度分量的不可相加性108

载流子浓度方程概要109

243 N、P 和 EF 的温度关系110

244 本征温度110

本征温度 Ti 的定量定义111

245 电子分布的温度相关性112

在 T＞Ti 时载流子浓度的可相加性112

250 器件必要的高级论题113

251 高载流子浓度效应114

252 杂质不完全电离效应116

杂质不完全电离的条件116

杂质能级被电子占有的概率117

杂质不完全电离的实例117

253 杂质能带121

254 杂质的载流子屏蔽效应123

299 参考文献和习题125

310 漂移133

第3章 漂移、扩散、产生、复合、俘获和隧穿133

300 引言133

311 电子在电场中的漂移速度134

312 漂移电流、漂移迁移率和电导率136

313 漂移迁移率和温度的关系137

电离杂质散射137

描述晶格振动散射的声子138

晶格散射141

314 迁移率和电场的关系144

315 半导体的本征和非本征电导率145

纯净半导体的本征电导率145

320 扩散146

杂质半导体的电导率146

321 Enstein 关系149

322 Boltzmann 关系149

323 扩散电流的例子150

330 Fermi 能级的恒定性150

331 准 Femti 能级和准 Fermi 势151

340 电荷和电流的连续性方程153

350 半导体的 Shockley 方程154

360 产生、复合、俘获和隧穿155

3611 带间热产生和复合157

3612 带间光产生和复合158

3613 带间 Auger 复合和碰撞产生160

3621 带—陷阱间热(SRH)产生—复合—俘获162

3622 带—陷阱间光产生—复合—俘获164

3623 带—陷阱间 Auger 俘获和碰撞发射165

363n 三种陷阱间跃迁165

36n0 弹性隧穿165

36n4 非弹性隧穿166

36n5 集体跃迁167

370 寿命168

371 带间热和光复合寿命168

372 带—陷阱间热(SRH)和光复合寿命170

380 GRTT 速率系数的物理意义和数据171

381 热(SRH)俘获和发射率171

373 许多 GRTT 机理同时存在时的寿命171

382 光发射率173

383 带间光产生率174

384 带间碰撞产生率174

385 带间隧穿率176

386 带—陷阱间隧穿率177

399 参考文献和习题177

第4章 金属—氧化物—半导体电容(MOSC)183

400 引言183

401 硅 VLSI MOSC 的制造185

402 理想 C-V 曲线188

403 实际 C-V 曲线190

410 MOSC 的电荷控制模型191

411 无能带图的电荷控制 C-V 理论197

(A)耗尽电容198

(B)高频电容200

(C)低频电容201

(D)积累电容203

(E)平带电容203

(F)小结204

412 先进的电荷控制 C-V 理论205

半导体表面处电场和电势的关系205

表面势和栅电压的关系206

413 MOSC 的能带图209

耗尽和高频电容209

精确的低频 MOS 电容209

420 MOSC 中的瞬态特性214

421 瞬态电容216

422 瞬态电流219

430 精确的 MOSC 小信号等效电路221

499 参考文献和习题222

第5章 p/n 和其他结型二极管227

500 引言227

510 扩散 p/n 结二极管的制造229

511 扩散和 Fick 定律229

512 扩散率的物理意义及数据231

扩散的物理意义232

硅中的扩散率数据235

513 扩散结深计算235

520 p/n 结的平衡电特性236

521 平衡能带图237

Fermi 能级的位置237

本征 Fermai 能级和电势239

522 p/n 结中的平衡势垒高度240

523 p/n 结中平衡势的变化242

524 Gauss 定理对 p/n 结的应用247

525 耗尽近似与精确解的比较248

530 p/n 结的直流电特性249

反向偏置251

531 偏置 p/n 结的能带图251

正向偏置253

532 Shockley 二极管方程254

533 Shockley 二极管方程的物理意义256

534 Shockley 二极管的数值例子257

535 Sah-Noyce-Shockley 二极管方程258

536 p/n 结的反向直流电流击穿260

数学公式262

参数的基本物理意义263

简单的解264

537 实验—理论比较266

540 p/n 结的小信号特性268

541 小信号电荷控制电路元件269

542 Si p/n 结的小信号数值例子271

550 p/n 结的开关瞬态272

551 p/n 结的电荷控制开关分析273

552 p/n 结的导通瞬态274

553 p/n 结的截止瞬态276

554 p/n 结的俘获瞬态电容和电流278

560 金属/半导体二极管281

561 Schottky 势垒的平衡能带图284

562 金属/半导体二极管的直流电流—电压特性——Bethe 理论287

563 实验的金属/半导体二极管290

564 半导体电压降的影响——Mott 理论293

565 集成电路 Schottky 势垒二极管版图295

570 隧道二极管296

580 二极管直流端电流的限制机制297

581 金属/半导体二极管中的电流限制297

582 p/n 结二极管的电流限制298

583 接触电阻300

590 半导体/半导体异质结二极管302

591 半导体/半导体异质结的能带图302

无陷阱的半导体/半导体界面302

有陷阱的半导体/半导体界面304

592 半导体/半导体异质结的电特性304

599 参考文献和习题305

600 引言312

第6章 金属—氧化物—半导体及其他场效应晶体管312

610 反型沟道 MOSFET 的物理结构313

坐标系313

半导体的体313

源和漏314

栅氧化层，栅接触，栅宽度314

沟道类型，沟道长度和沟道厚度314

场氧化层，垫片氧化层315

620 MOSFET 直流特性的定性描述315

621 MOST 沟道电流的物理315

622 输出和转移直流特性315

623 四种基本 MOST 的电流—电压特性316

制造步骤的描述318

630 n 沟 MOSFET 的典型制造步骤318

640 MOSFET 的直流特性(基本分析)320

641 MOSFET 的电导率调制模型(直流漂移电流及电荷控制分析)322

由纵向电场的电流—电荷方程323

由横向电场的电压—电荷方程325

642 氧化层和界面陷阱电荷(不稳定性，老化和失效)326

643 MOSFET 方程及直流特性328

644 MOSFET 直流特性的数值例子332

650 MOSFET 的小信号等效电路模型333

651 电容元件的电荷控制分析334

低漏电压和电流饱和情况下的渐近结果336

跨导截止频率338

652 MOS 晶体管的高频响应338

增益—带宽乘积339

653 小信号特性的数值例子340

654 分布式的低频小信号模型340

660 MOSFET 的开关特性343

661 本征延迟344

662 功率—延迟乘积(优值)346

663 电容的充放电——非本征延迟348

基本的 MOSFET 开关方程349

电容的充电350

电容的放电352

两个电容间的电荷转移353

充放电比较353

充放电周期353

670 MOSFET 的电路应用355

MOST 电路符号的发展演变356

MOS 电路分析用的电流—电压方程359

671 动态随机存取存储单元，DRAM360

存储器术语的定义360

DRAM 芯片的制造简历361

DRAM 单元的等效电路模型363

DRAM 芯片的单元阵列结构363

DRAM 单元的基本工作原理363

20种 MOS 倒相器电路的专门辞典367

672 MOS 倒相器电路367

三种 NMOS 倒相器电路的分析369

RE-NMOS 倒相器371

DE-NMOS 倒相器372

EE-NMOS 倒相器373

CMOS 倒相器电路373

673 静态随机存取存储单元(SRAM)378

674 非挥发随机存取 MOS 存储器(ROM，PROM 等)381

只读存储器(ROM)381

可编程只读存储器(PROM)381

可擦可编程只读存储器(EPROMs)382

680 电导率调制以外的模型386

体电荷的来源387

681 体电荷效应(体效应：掺杂和衬底偏置)387

阈值电压的体效应389

体电荷的解析近似(耗尽模型)389

体对 I-V 形状的影响390

体效应的五个说明和一个数值例子391

682 亚阈值特性(扩散电流)392

亚阈值范围的定义393

本征表面——漂移电流的开始393

亚阈值电流分析395

亚阈值电流与漏电压的关系397

亚阈值电流与栅电压的关系397

亚阈值漏电流方程397

亚阈值电流的温度关系398

683 氧化层和界面陷阱的影响398

氧化层陷阱399

界面陷阱400

684 高电场和高电压效应401

考虑电场对迁移率影响的 I-V 关系402

产生—复合—俘获与电场和电压的关系405

685 短沟和窄栅效应409

三种短沟效应和低掺杂漏409

三种窄栅效应412

MOSFETs415

690 其他场效应晶体管——演变历史415

MESFETs415

第一个 JGFET(表面离子感生反型沟道)417

JGFET417

两种电流饱和机构(沟道夹断和载流子耗尽)418

高迁移率界限沟道异质结 FETs418

699 参考文献和习题420

第7章 双极结型晶体管及其他双极型晶体管器件428

700 引言428

710 背景与历史428

720 双扩散硅 BJT 的制造431

731 BJT 的双二极管直流电路描述433

730 理想及实际的 BJT 直流特性433

732 BJT 的特性数据437

733 p/n/p BJT 直流特性的推导440

Shoekley BJT 方程444

SNS BJT 方程445

734 BJT 基本及扩展的 Ebers-Moll 方程446

735 BJT 两端口非线性直流网络表述449

通用的共基极两端口网络方程450

通用的共射极两端口网络方程451

四种工作模式的电路模型452

736 实际的多维 BJT 的集总直流模型459

非交叠集电极二极管及基区展开电阻460

737 BJT 直流两端口参数的材料与结构相关性462

准中性基区层中 Gummel 数463

准中性基区层扩散—漂移输运时间463

准中性发射区层中 Gummel 数465

从 Gummel 数计算发射极注入效率466

738 BJT 直流参数的偏置相关性466

BJT 及低掺杂集电区的 Early 效应467

BJT 的 SNS 效应(低电流时 a 及β的下降)469

BJT 大电流时 a 及β的下降472

BJT 的 Kirk 效应476

739 集电极电流倍增及负阻477

数值举例480

小信号条件482

740 BJT 的小信号特性482

电荷控制及精确的小信号分析的比较483

741 BJT 共基极小信号 Tee(CBss-Tee)模型486

本征 BJT 的低频 CBss-Tee 模型487

本征 BJT 的高频 CBss-Tee 模型490

实际 BJT 的 CBss-Tee 等效电路模型494

742 BJT 最高振荡频率496

Gibbons 频率496

743 BJT 的共射极小信号混合π(CEss-Hπ)模型498

CEss-HπBJT 模型的电导元件498

CEss-HπBJT 模型中的寄生501

CEss-HπBJT 模型的本征电荷控制电容501

BJT CEss-Hπ电导元件的小结及数值举例501

744 共射电流增益，截止频率及带宽502

750 BJT 的大信号开关特性505

751 扩散及电荷控制方程506

General Slab 电荷控制方程507

整个 BJT 的电荷控制方程507

准中性基区层的电荷控制方程508

空间电荷层的电荷控制方程508

完全的基区电荷控制方程509

基区输运时间参数 tBF 及 tBR510

电荷控制与 Ebers-Moll 参数的关系511

共基 BJT 开启瞬变512

752 共基大信号 BJT 开关瞬变512

共基 BJT 关断瞬变523

753 共射 BJT 大信号开关瞬变526

共射开启瞬变526

共射导通瞬变的电容加速528

共射关断瞬变529

754 CB 及 CE BJT 开关瞬变的比较529

755 通过工艺对 BJT 加速531

减少复合寿命?B 的工艺533

通过减小几何尺寸及电阻率提高速度535

756 环形振荡器的传输延迟539

761 BJT 数字倒相器541

760 双极结型晶体管的电路应用541

762 共射 BJT 倒相器543

射—基空间电荷层电容的加速充电544

有源区中准中性基区的加速充电544

饱和区中基区存储电荷的放电546

有源区中基区存储电荷的放电548

空间电荷层电容的放电548

CE BJT 倒相器的平均传输延迟549

763 CE BJT 倒相器的加速549

764 发射级耦合2-BJT 倒相器(ECL)551

765 CB-CE 晶体管—晶体管耦合2-BJT 倒相器(TTL)553

766 双极型-MOS 倒相器(BiMOS，BiCMOS，CBiCMOS)556

770 异质结双极型结型晶体管(HBITs 或 HBTs)572

772 GexSil-xHBIT 制造方法575

773 HBJT 工作原理576

771 历史背景579

774 同量层的能带与声子谱581

780 四层 pnpn 器件587

781 四层 pnpn 二极管特性593

782 pnpn 三极管(SCR)特性599

783 MOS-SCR602

784 CMOS 中的闩锁603

799 参考文献和习题603

附录A 符号惯例613