本書涉及的微電子器件包括二極體、雙極電晶體、GaAs場效應電晶體、MOS場效應電晶體等微電子器件，從其靜態特性、直接特性、小信號交流特性、開關特性、擊穿特性等方面對其性能及機理進入了深入的分析與討論，揭示了器件性能與器件結構參數、工藝參數及物理參數間的關係。還介紹了納米CMOS器件所要解決的主要問題，有助於讀者瞭解小尺寸器件進一步發展所需要解決的主要問題。

《資訊科學技術學術著作叢書》序
前言
主要符號表

第1章 半導體物理基礎知識介紹 1
1.1 半導體材料及晶體結構的基本知識 1
1.1.1 半導體材料 1
1.1.2 晶體結構 3
1.1.3 Si的晶體結構 8
1.2 能帶及能帶理論 14
1.2.1 原子模型和薛定諤方程 14
1.2.2 自由空間、氫原子及有限空間中薛定諤方程的解 15
1.2.3 能帶和布洛赫波 19
1.2.4 k空間與第一布裡淵區 22
1.3 固體的電傳導機理 24
1.3.1 導體、半導體和絕緣體的能帶 24
1.3.2 有效品質 26
1.3.3 能帶結構 28
1.3.4 摻雜 30
1.4 載流子的統計分佈 33
1.4.1 狀態密度 33
1.4.2 費米分佈、費米能級及玻爾茲曼分佈 35
1.4.3 半導體中的電子濃度和空穴濃度 37
1.4.4 熱平衡條件下半導體中的載流子濃度、費米能級位置 39
1.5 非平衡載流子 43
1.5.1 准費米能級 44
1.5.2 多子與少子 45
1.5.3 複合理論 46
1.6 載流子輸運理論 53
1.6.1 漂移 54
1.6.2 擴散 60
1.6.3 強場效應 63
1.7 半導體工作方程——電流密度方程與電流連續性方程 66
1.7.1 泊松方程 67
1.7.2 電流密度方程 67
1.7.3 電流連續性方程 67
1.7.4 半導體方程的應用舉例 69
習題 71

第2章 PN結及二極體 73
2.1 概述 73
2.2 平衡PN結 74
2.2.1 平衡PN結、能帶圖與內建電勢 75
2.2.2 空間電荷區的分析與耗盡層近似理論 78
2.2.3 開路時正、反向偏置PN結 81
2.2.4 結電容 83
2.2.5 線性緩變結及其性質 84
2.3 PN結的直流特性 85
2.3.1 理想PN結的直流I-V特性——Shockley方程 85
2.3.2 實際PN結的直流特性 93
2.4 小信號特性——擴散電導與擴散電容 99
2.4.1 小信號電流的連續性方程 100
2.4.2 小信號電流與電壓關係 101
2.4.3 擴散電導和擴散電容 102
2.4.4 小信號等效電路 103
2.5 電荷存儲效應及開關特性 103
2.5.1 正向偏置時准中性區的存儲電荷 104
2.5.2 開關的瞬態過程 104
2.5.3 電荷控制方程 106
2.5.4 開關時間 106
2.6 PN結的擊穿特性 109
2.6.1 擊穿及擊穿的分類 109
2.6.2 雪崩擊穿的條件 110
2.6.3 實際PN結的擊穿 114
2.6.4 穿通擊穿 115
2.7 溫敏特性 116
2.7.1 反向偏置時的溫敏特性 116
2.7.2 正向偏置時的溫敏特性 117
2.8 異質PN結 118
2.8.1 異質結的分類 119
2.8.2 平衡異質結能帶圖及內建電勢 120
2.8.3 平衡異質結空間電荷區相關的計算公式 121
習題 122
參考文獻 123

第3章 雙極型電晶體 124
3.1 基本結構及工作原理簡述 124
3.1.1 基本結構 124
3.1.2 正向有源放大模式的工作條件 125
3.1.3 正向有源放大模式下的端電流分析 126
3.1.4 直流電流增益 127
3.2 理想電晶體的直流電流-電壓關係 129
3.2.1 正向有源放大模式下少子分佈 129
3.2.2 理想電晶體的電流 133
3.2.3 正向有源放大模式下電流增益 134
3.3 非理想特性分析 136
3.3.1 緩變基區電晶體 137
3.3.2 基區擴展電阻和發射極電流集邊效應 139
3.3.3 發射區重摻雜效應 140
3.3.4 基區寬度調製效應 142
3.3.5 薩哈效應和韋氏效應 144
3.3.6 基區展寬效應 146
3.4 工作曲線及擊穿特性 149
3.4.1 共基極接法 149
3.4.2 共發射極接法 150
3.4.3 反向飽和電流 151
3.4.4 擊穿電壓 152
3.4.5 穿通擊穿 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 小信號回應——頻率特性 159
3.6.1 小信號等效電路 159
3.6.2 頻率特性分析 161
3.6.3 特徵頻率及渡越時間 164
3.6.4 增益頻寬乘積 166
3.6.5 最高工作頻率 166
3.7 開關特性 167
3.7.1 開關電路、開態與關態 167
3.7.2 開關過程 169
3.7.3 開關模式及飽和深度 171
3.7.4 提高開關速度的途徑及鉗位元二極體 172
3.8 新型電晶體 172
3.8.1 AlxGa1-xAs寬頻隙發射極電晶體 173
3.8.2 鍺矽基區電晶體 175
習題 176

第4章 MOS電容 178
4.1 理想MOS結構及性質 178
4.1.1 理想MOS結構的定義 178
4.1.2 半導體表面狀態 179
4.1.3 理想MOS結構的閾值電壓及強反型以後的最大耗盡層寬度 183
4.1.4 半導體表面電荷與表面勢 185
4.2 實際MOS電容的平帶電壓及閾值電壓 187
4.2.1 金屬-半導體功函數差 188
4.2.2 氧化物電荷及其影響 190
4.3 MOS結構的電容-電壓特性 193
4.3.1 理想MOS電容的C-V特性 193
4.3.2 實際MOS電容的C-V曲線 198
習題 200

第5章 MOSFET 202
5.1 理想MOSFET基本原理及特性 203
5.1.1 基本結構及參數 203
5.1.2 MOSFET原理及特性的一般描述 203
5.1.3 MOSFET I-V特性的理論推導 206
5.1.4 跨導和漏導 209
5.2 MOSFET的非理想效應 210
5.2.1 溝道長度調製效應 210
5.2.2 有效遷移率 212
5.2.3 亞閾電流及亞閾擺幅 213
5.3 閾值電壓的調整 217
5.3.1 多晶矽柵 218
5.3.2 襯底摻雜濃度 218
5.3.3 氧化層厚度 218
5.3.4 襯底偏壓——體效應 220
5.4 頻率特性 223
5.4.1 小信號等效電路 223
5.4.2 實際的漏導和跨導 223
5.4.3 頻率特性的限制因素及米勒電容 225
5.4.4 特徵頻率 226
5.5 短溝道效應 227
5.5.1 閾值電壓的短溝、窄溝效應 227
5.5.2 漏感應勢壘降低效應 231
5.5.3 穿通效應 232
5.5.4 速度飽和及其漏電流飽和電壓 233
5.5.5 高場效應 236
5.6 CMOS技術簡介 239
5.6.1 基本結構及特點 239
5.6.2 閂鎖效應 239
習題 240

第6章 納米CMOS器件 242
6.1 微縮律 243
6.2 納米CMOS器件中的物理問題 244
6.2.1 與薄氧化層相關的物理問題 244
6.2.2 反型層量子效應 250
6.2.3 遷移率退化及速度飽和 252
6.2.4 雜質隨機分佈 254
6.2.5 閾值電壓降低的限制條件 257
6.2.6 源漏電阻 260
6.3 納米CMOS中的新技術 264
6.3.1 柵工程 264
6.3.2 溝道工程 268
6.4 新型結構納米CMOS器件 274
6.4.1 SOI 274
6.4.2 UTB-SOI、雙柵和FinFET 278
6.4.3 應變矽技術 285
6.4.4 高K介質與金屬柵 294
參考文獻 295

第7章 金屬-半導體接觸及結型場效應電晶體 298
7.1 金屬-半導體接觸 298
7.1.1 肖特基結 299
7.1.2 肖特基二極體 308
7.1.3 肖特基二極體和PN結二極體的比較 309
7.1.4 肖特基二極體的頻率特性 311
7.1.5 箝位電晶體 312
7.1.6 歐姆接觸 313
7.2 金屬-半導體場效應電晶體 314
7.2.1 器件結構 314
7.2.2 工作原理 315
7.2.3 夾斷電壓、閾值電壓和漏飽和電壓 316
7.2.4 電流-電壓關係的理論推導 317
7.2.5 靜態特性 319
7.2.6 小信號等效電路和特徵頻率 320
7.2.7 MESFET的分類及JFET 322
7.3 異質結MESFET和HEMT 324
7.3.1 二維電子氣的形成及其性質 324
7.3.2 二維電子氣的性質 325
7.3.3 HEMT的工作原理 327
習題 329
附表 331
附表1 常用物理常數表 331
附表2 Si和GaAs在300K時的重要性質 332
附表3 重要半導體材料的特性 333