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前言1

第1章 半导体材料的基本性质1

1.1 半导体与基本晶体结构1

1.1.1 半导体1

1.1.2 半导体材料的基本特性1

1.1.3 半导体的晶体结构3

1.1.4 晶面及其表示方法5

1.1.5 半导体材料简介6

1.2 半导体的能带7

1.2.1 孤立原子中电子能级7

1.2.2 晶体中电子的能带9

1.2.3 硅晶体能带的形成过程10

1.2.4 能带图的意义及简化表示11

1.3 本征半导体与本征载流子浓度12

1.3.1 本征半导体的导电机构12

1.3.2 热平衡状态与热平衡载流子浓度13

1.3.3 本征载流子浓度14

1.3.4 费米能级与载流子浓度的关系17

1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度18

1.4.1 N型半导体与P型半导体19

1.4.2 施主与受主杂质能级20

1.4.3 杂质半导体的载流子浓度21

1.4.4 杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系22

1.4.5 杂质半导体随温度的变化25

1.5 非平衡载流子27

1.5.1 非平衡载流子的产生27

1.5.2 非平衡载流子的寿命28

1.5.3 非平衡载流子的复合类型29

1.5.4 准费米能级29

1.6 载流子的漂移运动31

1.6.1 载流子的热运动与漂移运动31

1.6.2 迁移率μ32

1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度34

1.6.4 半导体的电阻率ρ35

1.7 载流子的扩散运动37

1.7.1 扩散方程的建立37

1.7.2 根据相应的边界条件确定Δp（x）的特解38

1.7.3 扩散系数与迁移率的关系—爱因斯坦关系式40

1.7.4 扩散长度的物理意义41

1.7.5 连续性方程41

本章小结42

思考题和习题43

第2章 PN结机理与特性45

2.1 平衡PN结的机理与特性45

2.1.1 PN结的制备与杂质分布45

2.1.2 平衡PN结形成与能带48

2.1.3 平衡PN结的接触电势差51

2.1.4 平衡PN结的载流子浓度分布53

2.2 正向PN结机理与特性55

2.2.1 正向偏置与正向注入效应55

2.2.2 正向PN结边界少子浓度和少子浓度分布55

2.2.3 正向PN结电流-电压方程式58

2.2.4 PN结正向电流的讨论61

2.2.5 PN结的大注入效应63

2.2.6 正向PN结空间电荷区复合电流64

2.3 反向PN结的机理与特性66

2.3.1 反向偏置与反向抽取作用66

2.3.2 反向PN结边界少子浓度和少子浓度分布67

2.3.3 反向PN结电流-电压方程式68

2.3.4 反向PN结空间电荷区的产生电流70

2.3.5 PN结表面漏电流71

2.3.6 PN结的伏安特性73

2.4 PN结空间电荷区的电场、电位分布和宽度74

2.4.1 突变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度74

2.4.2 线性缓变结空间电荷区的电场、电位分布和宽度78

2.5 PN结击穿机理与击穿特性80

2.5.1 PN结击穿机理81

2.5.2 PN结雪崩击穿电压82

2.5.3 影响雪崩击穿电压的主要因素87

2.5.4 几种不正常的击穿曲线89

2.6 PN结的电容特性90

2.6.1 PN结的势垒电容90

2.6.2 PN结的扩散电容93

2.7 晶体二极管特性与设计考虑96

2.7.1 晶体二极管的基本结构97

2.7.2 晶体二极管的伏安特性与主要参数98

2.7.3 几种特殊二极管99

2.7.4 半导体二极管设计考虑与制备范例105

本章小结107

思考题和习题109

第3章 双极型晶体管111

3.1 晶体管的结构与工作原理111

3.1.1 晶体管的基本结构111

3.1.2 晶体管的制备工艺与杂质分布112

3.1.3 晶体管的工作原理114

3.1.4 晶体管的放大功能115

3.2 晶体管的电流放大特性116

3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输116

3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成119

3.2.3 晶体管的直流电流方程式120

3.2.4 晶体管的直流电流放大系数123

3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析124

3.2.6 影响晶体管直流电流放大系数的其他因素129

3.3 晶体管的直流特性曲线134

3.3.1 共基极连接直流特性曲线134

3.3.2 共发射极连接直流特性曲线135

3.3.3 共基极与共发射极输出特性曲线的比较137

3.3.4 共发射极输出特性曲线的讨论138

3.4 晶体管的反向电流与击穿电压141

3.4.1 晶体管的反向电流141

3.4.2 晶体管的反向击穿电压143

3.4.3 穿通电压147

3.5 晶体管的频率特性148

3.5.1 晶体管交流电流放大系数149

3.5.2 晶体管频率特性参数150

3.5.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因151

3.5.4 晶体管高频等效电路153

3.5.5 共基极交流电流放大系数α及截止频率fα的定量分析155

3.5.6 共发射极交流电流放大系数β、fβ及fΤ的定量分析159

3.5.7 高频功率增益和最高振荡频率162

3.5.8 晶体管的噪声164

3.6 晶体管的功率特性166

3.6.1 晶体管集电极最大工作电流166

3.6.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响167

3.6.3 基区扩展效应对β0和fΤ的影响171

3.6.4 发射极电流集边效应175

3.6.5 晶体管最大耗散功率与热阻180

3.6.6 晶体管的二次击穿与安全工作区183

3.7 晶体管的开关特性186

3.7.1 晶体管的开关作用186

3.7.2 晶体管的开关工作区域188

3.7.3 晶体管的开关波形和开关时间191

3.7.4 晶体管的开关过程和影响开关时间的因素191

3.7.5 提高晶体管开关速度的途径196

3.7.6 开关晶体管的正向压降与饱和压降197

3.8 晶闸管198

3.8.1 晶闸管的基本结构与基本特性198

3.8.2 晶闸管的工作原理200

3.8.3 晶闸管几种主要派生器件204

本章小结208

思考题和习题210

第4章 MOS场效应晶体管213

4.1 MOS结构与基本性质213

4.1.1 理想MOS结构及基本性质213

4.1.2 实际MOS结构及基本特性219

4.2 MOS场效应晶体管的工作原理与基本特性221

4.2.1 MOS场效应晶体管的基本工作原理221

4.2.2 MOS场效应晶体管的转移特性222

4.2.3 MOS场效应晶体管的输出特性224

4.3 MOS场效应晶体管的阈值电压227

4.3.1 阈值电压227

4.3.2 影响阈值电压的其他诸因素231

4.4 MOS场效应晶体管的直流伏安特性233

4.4.1 伏安特性方程基本表示式234

4.4.2 亚阈区的伏安特性236

4.4.3 击穿区的伏安特性与击穿机理238

4.4.4 输出特性曲线与直流参数239

4.5 MOS场效应晶体管的频率特性241

4.5.1 MOS场效应晶体管的交流小信号参数241

4.5.2 MOS场效应晶体管交流小信号等效电路244

4.5.3 MOS场效应晶体管的高频特性246

4.6 MOS场效应晶体管的开关特性248

4.6.1 MOS场效应晶体管的开关作用249

4.6.2 MOS场效应晶体管的开关过程250

4.6.3 MOS场效应晶体管的开关时间计算251

4.7 MOS场效应晶体管的温度特性253

4.7.1 迁移率随温度的变化253

4.7.2 阈值电压的温度特性253

4.7.3 MOS场效应晶体管几个主要参数的温度特性254

4.8 MOS场效应晶体管短沟道效应256

4.8.1 阈值电压的变化256

4.8.2 漏特性及跨导的变化258

4.8.3 弱反型区（亚阈值）漏电流变化259

4.8.4 长沟道器件的最小沟道长度限制260

本章小结261

思考题和习题261

第5章 半导体器件制备技术263

5.1 晶体生长与外延263

5.1.1 晶体基本生长技术263

5.1.2 晶体外延生长技术264

5.2 硅的热氧化268

5.2.1 SiO2的结构、性质与作用268

5.2.2 硅热氧化形成SiO2的机理270

5.2.3 SiO2的制备方法271

5.2.4 SiO2质量的宏观检验272

5.3 光刻与刻蚀技术273

5.3.1 光刻过程简介273

5.3.2 新一代图形曝光技术276

5.3.3 刻蚀技术278

5.4 半导体中的杂质掺杂279

5.4.1 杂质扩散机理与方法279

5.4.2 离子注入原理与系统284

5.5 介质薄膜化学气相淀积技术286

5.5.1 二氧化硅的化学气相淀积286

5.5.2 氮化硅的化学气相淀积287

5.5.3 多晶硅的化学气相淀积288

5.6 金属薄膜的物理气相淀积技术288

5.6.1 金属膜的蒸发288

5.6.2 金属膜的溅射289

5.7 制备半导体器件工艺流程290

5.7.1 硅平面晶体管工艺流程290

5.7.2 MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程292

5.7.3 P阱硅栅CMOS工艺和元件的形成过程294

本章小结296

思考题和习题298

第6章 Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂299

6.1 Ga在SiO2/Si结构开管掺杂的背景299

6.1.1 传统扩散杂质的选择299

6.1.2 开管扩镓的出现及与其他工艺的比较300

6.1.3 Ga在SiO2/Si结构下单温区开管掺杂的产生301

6.2 开管扩镓原理301

6.2.1 扩散装置与系统内的化学反应301

6.2.2 开管扩镓的主要步骤302

6.2.3 Ga在SiO2/Si结构下的扩散原理303

6.3 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律308

6.3.1 开管扩镓模型的初步建立308

6.3.2 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律309

6.3.3 Ga在SiO2-Si界面上的分凝效应309

6.4 Ga基区晶体管312

6.4.1 Ga基区晶体管的制备及其电学性能312

6.4.2 Ga基区晶体管的负阻效应313

6.4.3 Ga基区晶体管的完善与展望315

6.5 开管扩镓技术在电力电子器件中的应用316

6.5.1 Ga阶梯式深结分布在普通晶闸管中的应用317

6.5.2 Ga的高斯分布在快速晶闸管中的应用319

本章小结322

思考题和习题322

附录323

附录A 主要符号表323

附录B 物理常数表326

附录C 300K时锗、硅、砷化镓主要物理性质表326

附录D 求扩散结杂质浓度梯度aj的图表及方法327

参考文献328