寫在前面
日常生活中，從必需的家電產(chǎn)品到汽車，許多現(xiàn)代設(shè)備的更新?lián)Q代都是受半導(dǎo)體的發(fā)展所賜。身邊的個(gè)人計(jì)算機(jī)與手機(jī)等更是頻繁使用到半導(dǎo)體，相信這一點(diǎn)廣為人知。
學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的原理，了解它的構(gòu)造，對于初學(xué)者來說門檻可能略高。想要認(rèn)真學(xué)習(xí)的話，甚至還需要量子力學(xué)知識。到目前為止，出版了很多半導(dǎo)體方面的書，可是對于初學(xué)者來說，合適的書并不多見。
關(guān)于本書
如果要學(xué)習(xí)本書，有高中文化程度的物理學(xué)基礎(chǔ)以及簡單的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就可以了，并不需要特別的專業(yè)知識。
構(gòu)成大規(guī)模集成電路的器件大部分是MOS晶體管。因此第1章就先說明一下MOS晶體管的概要，為了深入理解，在第2章里介紹能帶圖，第3章里介紹PN結(jié)二極管，在第4章里介紹雙極性晶體管，在第5章里介紹MOS電容器。對特別重要的PN結(jié)二極管以及MOS電容器的能帶圖畫法進(jìn)行了詳細(xì)說明。在第2章中對空穴（hole）密度的求法進(jìn)行了詳細(xì)的解釋說明。第3章使用能帶圖對PN結(jié)二極管的工作原理進(jìn)行直觀說明。在第4章中，對作為PN結(jié)二極管的自然延伸的雙極性晶體管進(jìn)行了說明。值得注意的是，理解雙極性晶體管不只是理解其本身，對于理解MOS晶體管的原理也會(huì)有所幫助。在第5章出現(xiàn)的MOS電容器可以被視為PN結(jié)二極管中的接合部分中加入了一層絕緣膜而得到的東西。因此，如果會(huì)畫PN結(jié)二極管的能帶圖，也應(yīng)該能立刻畫出MOS電容器的能帶圖。能理解以上這些能帶圖，對于第6章MOS晶體管的工作原理也能直觀理解。在同一章里，對于MOS晶體管的電流電壓特性的物理意義，筆者會(huì)使用簡單的式子進(jìn)一步明確。在第7章中, 對于作為超大規(guī)模集成電路元器件的MOS晶體管，筆者會(huì)對其微縮方向縮放比例定律進(jìn)行說明。然后，對于微縮化的難點(diǎn)MOS晶體管的短溝道效應(yīng)，CMOS器件的閂鎖效應(yīng)以及互連線的微縮化造成的信號延遲也會(huì)提及。作為延伸，對大規(guī)模集成電路中廣泛使用的閃存技術(shù)也會(huì)進(jìn)行概述。
筆者自2001年開始在大學(xué)教授半導(dǎo)體元器件相關(guān)科目。每年會(huì)教70名左右電氣電子情報(bào)專業(yè)的學(xué)生，到目前為止，在課上也被問了許多問題。本書會(huì)提到這些問題并著重于如何讓讀者容易理解這些問題。
通過閱讀本書，讀者應(yīng)該能畫出PN結(jié)二極管以及MOS電容器的能帶圖。然后從這些能帶圖能進(jìn)一步直觀地理解半導(dǎo)體元器件的工作原理。在此希望讀者能邊讀邊問為什么。衷心希望這本書能成為讀者理解半導(dǎo)體元器件的契機(jī)，成為讀者深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

關(guān)于在授課中使用本書
為了讓讀者在自學(xué)自習(xí)中也能使用本書，每章的開頭寫有目標(biāo)提前學(xué)習(xí)這一章的項(xiàng)目，章末有習(xí)題以及解答。
以下是筆者提議的學(xué)習(xí)計(jì)劃。
第1課時(shí)：第1章半導(dǎo)體以及MOS晶體管的簡單說明。
第2課時(shí)：2.1能帶。
第3課時(shí)：2.2費(fèi)米統(tǒng)計(jì)與半導(dǎo)體。
第4課時(shí)：2.3電中性條件以及質(zhì)量作用定律。
第5課時(shí)：2.4擴(kuò)散與漂移，2.5靜電場的基本公式。
第6課時(shí)：3.1PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)以及整流作用，3.2~3.3能帶圖。
第7課時(shí)：3.4電流電壓特性。
第8課時(shí)：第4章雙極性晶體管。
第9課時(shí)：5.1MOS電容器的C-V特性。
第10課時(shí)：5.2MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖，5.3C-V特性的頻率依賴性。
第11課時(shí)：6.1MOS晶體管的工作原理。
第12課時(shí)：6.2電流電壓特性，6.3NMOS與PMOS。
第13課時(shí)：6.4反相器。
第14課時(shí)：7.1器件微縮的方向：縮放比例定律，7.2器件微縮的難點(diǎn)。
第15課時(shí)：7.3互連線微縮造成的信號延遲，7.4閃存。
其中，如果將第6課時(shí)3.1~3.3節(jié)的PN結(jié)二極管的能帶圖作為重點(diǎn)而使用兩次課時(shí)學(xué)習(xí)，則可省略掉第8課時(shí)出現(xiàn)的第4章內(nèi)容即雙極性晶體管部分，或者省略掉第15課時(shí)的7.3節(jié)和7.4節(jié)的互連線微縮造成的信號延遲以及閃存的內(nèi)容。
致謝
在寫這本書的過程中，得到了來自東芝株式會(huì)社多位員工的幫助，筆者想在此表示深深的感謝。
這本書的由來是當(dāng)時(shí)在東芝株式會(huì)社內(nèi)部寫書的機(jī)會(huì)。筆者想對給我這個(gè)機(jī)會(huì)并在之后提供許多幫助的田中真一先生表示感謝。對參與校閱本書的松川尚弘先生、間博顯先生、谷本弘吉先生、堀井秀人先生、遠(yuǎn)田利之先生、金箱和范先生、成毛清實(shí)先生、遠(yuǎn)藤真人先生、竹中康記先生表示感謝。對巖佐知惠女士的支持和幫助表示感謝。
另外想對近代科學(xué)社的山口幸治先生、大塚浩昭先生、安原悅子女士表示感謝。
后，想對一直以來安靜地關(guān)照著在休息日寫書的筆者的妻子表示感謝。
這本書是基于東芝株式會(huì)社面向集團(tuán)內(nèi)部發(fā)行的《面向初學(xué)者的半導(dǎo)體器件》增補(bǔ)改編而來的。
關(guān)于增補(bǔ)版
本書自從2017年3月出版發(fā)行以來，被眾多大專院校指定為教科書，贏得了諸多好評，以至重印了3次之多。這次為了更加深入地說明基本的MOS晶體管的電流電壓特性，而發(fā)行了增補(bǔ)版。
增補(bǔ)版的主要變化在于以下兩點(diǎn)：其一，追加了MOS晶體管的漏極電流ID的飽和原因。ID的飽和是非�；�礎(chǔ)的。在增補(bǔ)版中，追加了漏極電流的飽和原因溝道的源端的電場Es飽和了，源端的載流子速度vS變?yōu)槎ㄖ怠Ｆ涠�，在附錄里添加了從基本專利到�?shí)用化花了32年的MOS晶體管。
衷心希望本書能在添加以上增補(bǔ)內(nèi)容后，對更廣大的讀者有所幫助。