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本書主要描述常用半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及電特性。內(nèi)容包括：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、PN結(jié)、PN結(jié)二極管應(yīng)用、雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、MOSFET以及新型場效應(yīng)晶體管，如FinFET、SOI FET、納米線圍柵(GAA)FET等，共計(jì)七章。與同類教材比較，本教材增加了pn結(jié)二極管應(yīng)用以及新型場效應(yīng)晶體管的介紹，反映了本領(lǐng)域的*新研究進(jìn)展，豐富了BJT和MOSFET的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)有更詳盡的解釋說明，便于學(xué)生自學(xué)，也可供本領(lǐng)域科研人員和工程技術(shù)人員參考。

前言CMOS集成電路已發(fā)展到納米量級(jí)，各種新型器件結(jié)構(gòu)和工藝不斷涌現(xiàn)，發(fā)展集成電路芯片技術(shù)已然成為我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略。為適應(yīng)納米時(shí)代集成電路發(fā)展的需求，在培養(yǎng)學(xué)生掌握微電子器件基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性和基本設(shè)計(jì)技能的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生了解各種新型納米級(jí)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、原理以及電特性，以拓寬學(xué)生的視野并加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解顯得十分必要。故此，在多年教學(xué)實(shí)踐和科研工作基礎(chǔ)上，編寫了這本包括新型小尺寸場效應(yīng)晶體管的《半導(dǎo)體器件物理》教材。本書共分七章，第1章為半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)，為后面章節(jié)學(xué)習(xí)提供簡明而必要的半導(dǎo)體物理知識(shí)；第2章介紹PN結(jié)的基本理論和特性；第3章在第2章基礎(chǔ)上介紹了主要PN結(jié)二極管的應(yīng)用；第4章介紹雙極晶體管(BJT)，主要討論了其放大特性、直流特性、頻率特性、開關(guān)特性以及大電流特性等；第5～7章主要討論場效應(yīng)器件，首先介紹結(jié)型場效應(yīng)晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、直流特性、交流特性和頻率特性，并討論了一些短溝道效應(yīng)和器件的等比縮小規(guī)則；*后對(duì)近些年出現(xiàn)的各種新型多柵場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)、原理和基本電特性進(jìn)行了介紹。本書遵循循序漸進(jìn)的原則，對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行合理編排，著重基本概念和物理現(xiàn)象的解釋，免去了煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，用簡單的模型得到適用且物理概念清晰的結(jié)果。每章后面均有與本章相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的思考題和習(xí)題，便于讀者復(fù)習(xí)，加深理解。本書第1章、第2章由高俊雄編著，第3章、第4章由劉璐編著，第5～7章及附錄由徐靜平編著。徐靜平教授負(fù)責(zé)全書大綱的制訂、協(xié)調(diào)、統(tǒng)稿和審閱等工作。在本書編寫過程中，我們參考了大量國內(nèi)外相關(guān)教材和文獻(xiàn)資料，選用了一些研究成果和圖表數(shù)據(jù)，其中主要參考書和參考文獻(xiàn)已統(tǒng)一列于書后，但難免會(huì)有遺漏，作者在此對(duì)所有參考書和參考文獻(xiàn)的貢獻(xiàn)者表示衷心感謝。由于作者學(xué)識(shí)有限，寫作時(shí)間倉促，書中難免有錯(cuò)漏和需完善之處，敬請廣大讀者和同行賜予寶貴意見。學(xué)習(xí)與科學(xué)研究是一個(gè)艱苦的過程，需要有艱苦奮斗的準(zhǔn)備，需要終生的努力。在此，將門捷列夫的名言終生努力，便成天才送給廣大讀者。

第1章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)(1)

1.1半導(dǎo)體材料(1)

1.1.1半導(dǎo)體材料的原子構(gòu)成(1)

1.1.2半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)(2)

1.2半導(dǎo)體中的電子(3)

1.2.1量子力學(xué)簡介(4)

1.2.2半導(dǎo)體中電子的特性與能帶(8)

1.2.3載流子(11)

1.3載流子的濃度(14)

1.3.1電子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律(14)

1.3.2載流子濃度與費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系(16)

1.3.3本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體(16)

1.3.4非平衡載流子(22)

1.3.5準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)(24)

1.4載流子的輸運(yùn)(25)

1.4.1載流子的散射(25)

1.4.2載流子的漂移運(yùn)動(dòng)與遷移率(25)

1.4.3漂移電流與電導(dǎo)率(28)

1.4.4擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散系數(shù)(29)

1.4.5電流密度方程與愛因斯坦關(guān)系式(30)

1.5連續(xù)性方程與擴(kuò)散方程(31)

1.5.1連續(xù)性方程(31)

1.5.2擴(kuò)散方程(32)

1.6泊松方程(33)

思考題1(34)

習(xí)題1(34)

第2章PN結(jié)(36)

2.1PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及其雜質(zhì)分布(36)

2.1.1突變結(jié)(36)

2.1.2緩變結(jié)(37)

2.2平衡PN結(jié)(38)

2.2.1空間電荷區(qū)的形成(38)

2.2.2能帶與接觸電勢差(39)

2.2.3載流子濃度分布(41)

2.2.4空間電荷區(qū)中的電場(42)

2.3理想PN結(jié)的伏安特性(45)

2.3.1正向特性(45)

2.3.2反向特性(48)

2.3.3理想PN結(jié)的伏安特性(51)

2.4實(shí)際PN結(jié)的特性(54)

2.4.1空間電荷區(qū)的復(fù)合電流(54)

2.4.2空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流(57)

2.4.3表面漏電流與表面復(fù)合、產(chǎn)生電流(58)

2.4.4大注入效應(yīng)(59)

2.4.5PN結(jié)的溫度特性(62)

2.5PN結(jié)的擊穿(63)

2.5.1雪崩擊穿(63)

2.5.2隧道擊穿(66)

2.5.3熱擊穿(67)

2.5.4影響擊穿電壓的因素(68)

2.6PN結(jié)的小信號(hào)特性(70)

2.6.1交流小信號(hào)電導(dǎo)(70)

2.6.2勢壘電容(71)

2.6.3擴(kuò)散電容(73)

思考題2(74)

習(xí)題2(75)

第3章PN結(jié)二極管(76)

3.1變?nèi)荻䴓O管(76)

3.1.1PN結(jié)電容電壓特性(76)

3.1.2變?nèi)荻䴓O管結(jié)構(gòu)和工藝(79)

3.1.3變?nèi)荻䴓O管主要參數(shù)(80)

3.2隧道二極管(81)

3.2.1隧道二極管的工作原理(81)

3.2.2隧道電流和過量電流(83)

3.2.3等效電路及特性(84)

3.3雪崩二極管(85)

3.3.1崩越二極管(85)

3.3.2俘越二極管(88)

3.4PN結(jié)太陽能電池(89)

3.4.1光生伏特效應(yīng)(89)

3.4.2PN結(jié)太陽能電池基本特性(90)

3.5發(fā)光二極管(92)

3.6激光二極管(94)

3.6.1粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布(95)

3.6.2光反饋和激光振蕩(96)

思考題3(97)

習(xí)題3(98)

第4章雙極晶體管(99)

4.1雙極晶體管的結(jié)構(gòu)(99)

4.1.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)(99)

4.1.2晶體管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(101)

4.2雙極晶體管的放大作用(103)

4.2.1直流電流放大系數(shù)和晶體管內(nèi)載流子的傳輸(103)

4.2.2共基極與共射極直流電流放大系數(shù)(105)

4.3雙極晶體管電流增益(106)

4.3.1均勻基區(qū)晶體管直流電流增益(107)

4.3.2緩變基區(qū)晶體管直流電流增益(113)

4.3.3影響電流增益的因素(117)

4.4反向直流參數(shù)與基極電阻(121)

4.4.1BJT反向截止電流(121)

4.4.2BJT反向擊穿電壓(122)

4.4.3BJT基極電阻(125)

4.5雙極晶體管直流伏安特性(128)

4.5.1均勻基區(qū)晶體管直流伏安特性(128)

4.5.2雙極晶體管的特性曲線(129)

4.6雙極晶體管頻率特性(132)

4.6.1交流小信號(hào)電流傳輸(132)

4.6.2交流小信號(hào)傳輸延遲時(shí)間(135)

4.6.3交流小信號(hào)電流增益(137)

4.6.4雙極晶體管頻率特性參數(shù)(139)

4.7雙極晶體管的開關(guān)特性(142)

4.7.1雙極晶體管的開關(guān)原理(142)

4.7.2晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)間(144)

4.8等效電路模型(150)

4.8.1EbersMoll模型(150)

4.8.2GummelPoon模型(152)

4.9雙極晶體管大電流特性(155)

4.9.1大注入效應(yīng)(156)

4.9.2有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)(159)

4.9.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(161)

4.9.4最大集電極電流(162)

思考題4(163)

習(xí)題4(164)

第5章結(jié)型場效應(yīng)晶體管(166)

5.1JFET結(jié)構(gòu)與工作原理(166)

5.1.1基本結(jié)構(gòu)(166)

5.1.2工作原理(167)

5.2MESFET結(jié)構(gòu)與工作原理(170)

5.2.1金半接觸基本理論(170)

5.2.2MESFET基本結(jié)構(gòu)(172)

5.2.3MESFET工作原理(173)

5.3JFET直流特性(174)

5.3.1夾斷電壓和飽和漏源電壓(174)

5.3.2JFET的理想直流特性(176)

5.4直流特性的非理想效應(yīng)(178)

5.4.1溝道長度調(diào)制效應(yīng)(178)

5.4.2速度飽和效應(yīng)(179)

5.4.3亞閾值電流及柵電流(180)

5.5JFET的交流小信號(hào)參數(shù)及等效電路(181)

5.5.1低頻交流小信號(hào)參數(shù)(181)

5.5.2本征電容(183)

5.5.3交流小信號(hào)等效電路(184)

5.5.4頻率限制因素及截止頻率(185)

思考題5(187)

習(xí)題5(188)

第6章MOSFET(189)

6.1MOS電容器及其特性(189)

6.1.1理想MOS電容能帶圖(189)

6.1.2表面耗盡層寬度(191)

6.1.3理想MOS電容及CV特性(192)

6.2MOSFET結(jié)構(gòu)及工作原理(194)

6.2.1MOSFET基本結(jié)構(gòu)(194)

6.2.2MOSFET基本類型(195)

6.2.3MOSFET基本工作原理(197)

6.2.4MOSFET特性曲線(198)

6.3MOSFET的閾值電壓(200)

6.3.1閾值電壓的定義(200)

6.3.2理想MOSFET的閾值電壓(201)

6.3.3實(shí)際MOSFET的閾值電壓(201)

6.3.4影響閾值電壓的因素(206)

6.4MOSFET的電流電壓特性(212)

6.4.1IV方程(212)

6.4.2影響IV特性的非理想因素(215)

6.4.3亞閾區(qū)特性(220)

6.5MOSFET小信號(hào)等效電路和頻率特性(222)

6.5.1交流小信號(hào)參數(shù)(222)

6.5.2本征電容(225)

6.5.3交流小信號(hào)等效電路(226)

6.5.4MOSFET的頻率特性(227)

6.6MOSFET的小尺寸效應(yīng)(229)

6.6.1短溝效應(yīng)漏源電荷分享模型(229)

6.6.2窄溝效應(yīng)(232)

6.6.3漏致勢壘降低(DIBL)效應(yīng)(233)

6.6.4次表面穿通(236)

6.6.5其他一些特殊效應(yīng)(236)

6.6.6等比例縮小規(guī)則(239)

6.7MOSFET的擊穿特性(241)

6.7.1柵調(diào)制擊穿(241)

6.7.2溝道雪崩擊穿(242)

6.7.3寄生NPN管擊穿(243)

6.7.4漏源穿通效應(yīng)(245)

6.7.5柵介質(zhì)擊穿(245)

6.7.6輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(246)

思考題6(248)

習(xí)題6(249)

第7章新型場效應(yīng)晶體管(251)

7.1SOIMOSFET(251)

7.1.1SOI襯底的制備(252)

7.1.2PDSOI MOSFET(254)

7.1.3FDSOI MOSFET(256)

7.2FinFET(267)

7.2.1FinFET的結(jié)構(gòu)及分類(267)

7.2.2FinFET的工作原理及優(yōu)勢(269)

7.2.3多柵FinFET制造技術(shù)(270)

7.3多柵FinFET器件物理及性能(274)

7.3.1單柵SOI MOSFET(275)

7.3.2雙柵SOI FinFET(276)

7.3.3四柵SOI FinFET(276)

7.3.4修正的特征長度λN(277)

7.3.5多柵FinFET的驅(qū)動(dòng)電流(279)

7.3.6多柵FinFET的角效應(yīng)(280)

7.3.7SOI和體硅FinFET性能比較(282)

7.4GAA FET(283)

7.4.1GAA FET的結(jié)構(gòu)及原理(284)

7.4.2納米線制造工藝(286)

7.4.3納米線溝道的量子效應(yīng)(288)

7.4.4GAA FET的IV模型(295)

思考題7(296)

習(xí)題7(297)

附錄(298)

附錄ASi、Ge、GaAs和GaP電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系(298)

附錄BSi、Ge、GaAs中載流子遷移率與雜質(zhì)濃度關(guān)系(299)

附錄CSi、Ge和GaAs的重要性質(zhì)(T=300 K)(300)

附錄D常用半導(dǎo)體的性質(zhì)(301)

附錄E常用物理常數(shù)(304)

附錄F國際單位制(SI單位)(305)

附錄G單位詞頭(306)

參考文獻(xiàn)(307)

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