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第1章 晶体性质和半导体生长1

1.1半导体材料1

1.2晶格2

1.2.1周期结构2

1.2.2立方晶格4

1.2.3晶面与晶向5

1.2.4金刚石晶格7

1.3块状晶体生长9

1.3.1制备原材料9

1.3.2单晶的生长9

1.3.3圆片10

1.3.4掺杂11

1.4外延生长12

1.4.1外延生长的晶格匹配12

1.4.2汽相外延14

1.4.3分子束外延15

小结17

习题17

参考读物18

自我测验18

第2章 原子和电子21

2.1物理模型介绍21

2.2重要实验22

2.2.1光电效应22

2.2.2原子光谱23

2.3玻尔模型24

2.4量子力学26

2.4.1几率和不确定性原理26

2.4.2薛定谔波动方程27

2.4.3势阱问题29

2.4.4隧穿30

2.5原子结构和元素周期表31

2.5.1氢原子32

2.5.2元素周期表33

小结37

习题37

参考读物38

自我测验39

第3章 半导体能带和载流子41

3.1固体的结合力和能带41

3.1.1固体的结合力41

3.1.2能带42

3.1.3金属、半导体和绝缘体44

3.1.4直接禁带半导体和间接禁带半导体45

3.1.5能带结构随合金组分的变化47

3.2半导体中的载流子48

3.2.1电子和空穴48

3.2.2有效质量50

3.2.3本征材料53

3.2.4非本征材料54

3.2.5量子阱中的电子和空穴56

3.3载流子浓度57

3.3.1费米能级57

3.3.2平衡态下电子和空穴的浓度59

3.3.3载流子浓度对温度的依赖关系63

3.3.4杂质补偿和空间电荷的中性64

3.4载流子在电场和磁场中的运动65

3.4.1电导率和迁移率66

3.4.2漂移和电阻68

3.4.3 温度和掺杂对迁移率的影响69

3.4.4高电场效应70

3.4.5霍尔效应72

3.5平衡态费米能级的不变性73

小结74

习题75

参考读物76

自我测验77

第4章 半导体中的过剩载流子79

4.1光吸收79

4.2发光机理81

4.2.1光致发光81

4.2.2电致发光83

4.3载流子寿命和光导电性83

4.3.1电子和空穴的直接复合84

4.3.2间接复合与陷阱85

4.3.3稳态载流子产生；准费米能级87

4.3.4光导器件89

4.4载流子的扩散90

4.4.1扩散过程90

4.4.2载流子的扩散和漂移，内建电场92

4.4.3扩散和复合，连续性方程94

4.4.4稳态载流子注入和扩散长度95

4.4.5海恩斯-肖克莱实验97

4.4.6准费米能级的梯度99

小结100

习题101

参考读物102

自我测验102

第5章 PN结104

5.1PN结的制造104

5.1.1热氧化104

5.1.2扩散105

5.1.3快速热处理106

5.1.4离子注入107

5.1.5化学气相淀积108

5.1.6光刻109

5.1.7刻蚀112

5.1.8金属化113

5.2平衡态的PN结114

5.2.1接触电势115

5.2.2平衡态时的费米能级118

5.2.3结的空间电荷118

5.3正偏结、反偏结和稳态条件121

5.3.1结电流的定性分析122

5.3.2载流子的注入124

5.3.3反向偏置130

5.4反向击穿132

5.4.1齐纳击穿133

5.4.2雪崩击穿134

5.4.3整流器135

5.4.4击穿二极管138

5.5瞬态特性和交流特性138

5.5.1存储电荷的瞬态变化139

5.5.2反向恢复过程141

5.5.3开关二极管143

5.5.4 PN结电容143

5.5.5变容二极管147

5.6简单理论的修正147

5.6.1接触电势对载流子注入的影响148

5.6.2耗尽层中载流子的复合和产生149

5.6.3欧姆损耗151

5.6.4缓变结152

5.7金属半导体结153

5.7.1肖特基势垒154

5.7.2整流接触155

5.7.3欧姆接触156

5.7.4典型的肖特基势垒157

5.8异质结158

小结162

习题163

参考读物166

自我测验166

第6章 场效应晶体管169

6.1晶体管的工作原理170

6.1.1负载线170

6.1.2放大和开关171

6.2结型场效应晶体管171

6.2.1夹断与饱和172

6.2.2栅极的控制173

6.2.3电流-电压特性175

6.3金属半导体型场效应晶体管176

6.3.1 GaAs型MESFET176

6.3.2高电子迁移率型晶体管177

6.3.3短沟道效应178

6.4金属绝缘半导体型场效应晶体管179

6.4.1基本原理和构造179

6.4.2理想MOS电容182

6.4.3实际的表面效应190

6.4.4阈值电压192

6.4.5 MOS管的电容-电压特性分析194

6.4.6时变电容的测量196

6.4.7 MOS管栅氧的电流-电压特性197

6.5 MOS场效应晶体管199

6.5.1输出特性200

6.5.2传输特性201

6.5.3迁移率模型204

6.5.4 短沟道MOSFET的伏安特性205

6.5.5阈值电压的控制206

6.5.6衬底偏置效应210

6.5.7亚阈值特性211

6.5.8 MOSFET等效电路212

6.5.9 MOSFET的尺寸缩放及热电子效应214

6.5.10漏极感应势垒降低217

6.5.11短沟道效应和窄宽度效应219

6.5.12栅极感应的漏极漏电流220

小结221

习题222

参考读物225

自我测验225

第7章 双极结型晶体管229

7.1 BJT的基本工作原理229

7.2 BJT的放大作用231

7.3 BJT制造234

7.4少数载流子分布和端电流236

7.4.1基区扩散方程的求解237

7.4.2端电流计算238

7.4.3端电流的近似表达式240

7.4.4电流传输系数242

7.5 BJT的一般偏置状态243

7.5.1耦合二极管模型243

7.5.2电荷控制分析247

7.6 BJT的开关特性248

7.6.1截止249

7.6.2饱和250

7.6.3开关周期251

7.6.4开关晶体管的主要参数252

7.7某些重要的物理效应252

7.7.1基区内的载流子漂移252

7.7.2基区变窄效应253

7.7.3雪崩击穿254

7.7.4注入和热效应255

7.7.5基区电阻和发射极电流集边效应256

7.7.6 Gummel-Poon模型257

7.7.7 Kirk效应261

7.8晶体管的频率限制262

7.8.1结电容和充电时间262

7.8.2渡越时间效应264

7.8.3 Webster效应264

7.8.4高频晶体管265

7.9异质结双极型晶体管266

小结267

习题268

参考读物270

自我测验270

第8章 光电器件272

8.1光电二极管272

8.1.1光照下PN结的电流和电压272

8.1.2光单元275

8.1.3光检测器277

8.1.4光检测器的增益、带宽和信噪比279

8.2发光二极管280

8.2.1发光材料280

8.2.2光纤-光通信282

8.3激光器285

8.4半导体激光器287

8.4.1 PN结的粒子数反转287

8.4.2 PN结激光器的发射光谱289

8.4.3基本的半导体激光器290

8.4.4异质结激光器290

8.4.5半导体激光器材料292

小结294

习题294

参考读物296

自我测验296

第9章 集成电路298

9.1背景知识298

9.1.1集成的优势298

9.1.2集成电路的分类299

9.2集成电路的发展历程300

9.3单片集成电路元件302

9.3.1 CMOS工艺集成302

9.3.2绝缘体上硅（SOI）312

9.3.3其他电路元件的集成314

9.4电荷转移器件317

9.4.1 MOS电容的动态效应317

9.4.2基本CCD318

9.4.3 CCD基本结构的改进318

9.4.4 CCD的应用320

9.5 ULSI320

9.5.1逻辑器件323

9.5.2半导体存储器329

9.6测试、焊接和封装337

9.6.1 测试338

9.6.2引线压焊339

9.6.3倒装片焊接技术340

9.6.4封装341

小结343

习题343

参考读物343

自我测验344

第10章 高频和大功率器件345

10.1隧穿二极管345

10.2崩越二极管347

10.3 Gunn二极管350

10.3.1电子输运机制350

10.3.2空间电荷区的形成和漂移352

10.4 PN-PN二极管353

10.4.1基本结构353

10.4.2双晶体管近似354

10.4.3载流子注入时α的变化355

10.4.4正偏关断状态355

10.4.5导通状态356

10.4.6触发机制356

10.5半导体控制整流器357

10.6绝缘栅双极晶体管359

小结361

习题361

参考读物362

自我测验362

附录A 常用符号定义363

附录B 物理常数以及转换系数367

附录C 半导体材料的特性368

附录D 导带状态密度的推导369

附录E 费米-迪拉克统计的推导373

附录F 在Si （100）上生长的干、湿热氧化层厚度随时间、温度变化的关系376

附录G 杂质在Si中的固溶度377

附录H Si和SiO2中杂质的扩散系数378

附录I Si中注入深度和范围与入射能量之间的关系379

自我测验题部分答案380

索引384