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第1章 半导体物理基础知识介绍1

1.1 半导体材料及晶体结构的基本知识1

1.1.1 半导体材料1

1.1.2 晶体结构3

1.1.3 Si的晶体结构8

1.2 能带及能带理论14

1.2.1 原子模型和薛定谔方程14

1.2.2 自由空间、氢原子及有限空间中薛定谔方程的解15

1.2.3 能带和布洛赫波19

1.2.4 k空间与第一布里渊区22

1.3 固体的电传导机理24

1.3.1 导体、半导体和绝缘体的能带24

1.3.2 有效质量26

1.3.3 能带结构28

1.3.4 掺杂30

1.4 载流子的统计分布33

1.4.1 状态密度33

1.4.2 费米分布、费米能级及玻尔兹曼分布35

1.4.3 半导体中的电子浓度和空穴浓度37

1.4.4 热平衡条件下半导体中的载流子浓度、费米能级位置39

1.5 非平衡载流子43

1.5.1 准费米能级44

1.5.2 多子与少子45

1.5.3 复合理论46

1.6 载流子输运理论53

1.6.1 漂移54

1.6.2 扩散60

1.6.3 强场效应63

1.7 半导体工作方程——电流密度方程与电流连续性方程66

1.7.1 泊松方程67

1.7.2 电流密度方程67

1.7.3 电流连续性方程67

1.7.4 半导体方程的应用举例69

习题71

第2章 PN结及二极管73

2.1 概述73

2.2 平衡PN结74

2.2.1 平衡PN结、能带图与内建电势75

2.2.2 空间电荷区的分析与耗尽层近似理论78

2.2.3 开路时正、反向偏置PN结81

2.2.4 结电容83

2.2.5 线性缓变结及其性质84

2.3 PN结的直流特性85

2.3.1 理想PN结的直流I-V特性——Shockley方程85

2.3.2 实际PN结的直流特性93

2.4 小信号特性——扩散电导与扩散电容99

2.4.1 小信号电流的连续性方程100

2.4.2 小信号电流与电压关系101

2.4.3 扩散电导和扩散电容102

2.4.4 小信号等效电路103

2.5 电荷存储效应及开关特性103

2.5.1 正向偏置时准中性区的存储电荷104

2.5.2 开关的瞬态过程104

2.5.3 电荷控制方程106

2.5.4 开关时间106

2.6 PN结的击穿特性109

2.6.1 击穿及击穿的分类109

2.6.2 雪崩击穿的条件110

2.6.3 实际PN结的击穿114

2.6.4 穿通击穿115

2.7 温敏特性116

2.7.1 反向偏置时的温敏特性116

2.7.2 正向偏置时的温敏特性117

2.8 异质PN结118

2.8.1 异质结的分类119

2.8.2 平衡异质结能带图及内建电势120

2.8.3 平衡异质结空间电荷区相关的计算公式121

习题122

参考文献123

第3章 双极型晶体管124

3.1 基本结构及工作原理简述124

3.1.1 基本结构124

3.1.2 正向有源放大模式的工作条件125

3.1.3 正向有源放大模式下的端电流分析126

3.1.4 直流电流增益127

3.2 理想晶体管的直流电流-电压关系129

3.2.1 正向有源放大模式下少子分布129

3.2.2 理想晶体管的电流133

3.2.3 正向有源放大模式下电流增益134

3.3 非理想特性分析136

3.3.1 缓变基区晶体管137

3.3.2 基区扩展电阻和发射极电流集边效应139

3.3.3 发射区重掺杂效应140

3.3.4 基区宽度调制效应142

3.3.5 萨哈效应和韦氏效应144

3.3.6 基区展宽效应146

3.4 工作曲线及击穿特性149

3.4.1 共基极接法149

3.4.2 共发射极接法150

3.4.3 反向饱和电流151

3.4.4 击穿电压152

3.4.5 穿通击穿153

3.5 器件模型155

3.5.1 E-M模型155

3.5.2 G-P模型156

3.6 小信号响应——频率特性159

3.6.1 小信号等效电路159

3.6.2 频率特性分析161

3.6.3 特征频率及渡越时间164

3.6.4 增益带宽乘积166

3.6.5 最高工作频率166

3.7 开关特性167

3.7.1 开关电路、开态与关态167

3.7.2 开关过程169

3.7.3 开关模式及饱和深度171

3.7.4 提高开关速度的途径及钳位二极管172

3.8 新型晶体管172

3.8.1 AlxGa1-xAs宽带隙发射极晶体管173

3.8.2 锗硅基区晶体管175

习题176

第4章 MOS电容178

4.1 理想MOS结构及性质178

4.1.1 理想MOS结构的定义178

4.1.2 半导体表面状态179

4.1.3 理想MOS结构的阈值电压及强反型以后的最大耗尽层宽度183

4.1.4 半导体表面电荷与表面势185

4.2 实际MOS电容的平带电压及阈值电压187

4.2.1 金属-半导体功函数差188

4.2.2 氧化物电荷及其影响190

4.3 MOS结构的电容-电压特性193

4.3.1 理想MOS电容的C-V特性193

4.3.2 实际MOS电容的C-V曲线198

习题200

第5章 MOSFET202

5.1 理想MOSFET基本原理及特性203

5.1.1 基本结构及参数203

5.1.2 MOSFET原理及特性的一般描述203

5.1.3 MOSFET I-V特性的理论推导206

5.1.4 跨导和漏导209

5.2 MOSFET的非理想效应210

5.2.1 沟道长度调制效应210

5.2.2 有效迁移率212

5.2.3 亚阈电流及亚阈摆幅213

5.3 阈值电压的调整217

5.3.1 多晶硅栅218

5.3.2 衬底掺杂浓度218

5.3.3 氧化层厚度218

5.3.4 衬底偏压——体效应220

5.4 频率特性223

5.4.1 小信号等效电路223

5.4.2 实际的漏导和跨导223

5.4.3 频率特性的限制因素及米勒电容225

5.4.4 特征频率226

5.5 短沟道效应227

5.5.1 阈值电压的短沟、窄沟效应227

5.5.2 漏感应势垒降低效应231

5.5.3 穿通效应232

5.5.4 速度饱和及其漏电流饱和电压233

5.5.5 高场效应236

5.6 CMOS技术简介239

5.6.1 基本结构及特点239

5.6.2 闩锁效应239

习题240

第6章 纳米CMOS器件242

6.1 微缩律243

6.2 纳米CMOS器件中的物理问题244

6.2.1 与薄氧化层相关的物理问题244

6.2.2 反型层量子效应250

6.2.3 迁移率退化及速度饱和252

6.2.4 杂质随机分布254

6.2.5 阈值电压降低的限制条件257

6.2.6 源漏电阻260

6.3 纳米CMOS中的新技术264

6.3.1 栅工程264

6.3.2 沟道工程268

6.4 新型结构纳米CMOS器件274

6.4.1 SOI274

6.4.2 UTB-SOI、双栅和FinFET278

6.4.3 应变硅技术285

6.4.4 高K介质与金属栅294

参考文献295

第7章 金属-半导体接触及结型场效应晶体管298

7.1 金属-半导体接触298

7.1.1 肖特基结299

7.1.2 肖特基二极管308

7.1.3 肖特基二极管和PN结二极管的比较309

7.1.4 肖特基二极管的频率特性311

7.1.5 箝位晶体管312

7.1.6 欧姆接触313

7.2 金属-半导体场效应晶体管314

7.2.1 器件结构314

7.2.2 工作原理315

7.2.3 夹断电压、阈值电压和漏饱和电压316

7.2.4 电流-电压关系的理论推导317

7.2.5 静态特性319

7.2.6 小信号等效电路和特征频率320

7.2.7 MESFET的分类及JFET322

7.3 异质结MESFET和HEMT324

7.3.1 二维电子气的形成及其性质324

7.3.2 二维电子气的性质325

7.3.3 HEMT的工作原理327

习题329

附表331

附表1 常用物理常数表331

附表2 Si和GaAs在300K时的重要性质332

附表3 重要半导体材料的特性333