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内容简介

本书为普通高等教育"十一五”、"十二五”国家级规划教材。本书首先介绍半导体器件基本方程。在此基础上，全面系统地介绍PN结二极管、双极结型晶体管（BJT）和绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）的基本结构、基本原理、工作特性和SPICE模型。本书还介绍了主要包括HEMT和HBT的异质结器件。书中提供大量习题，便于读者巩固及加深对所学知识的理解。本书适合作为高等学校电子科学与技术、集成电路设计与集成系统、微电子学等专业相关课程的教材，也可供其他相关专业的本科生、研究生和工程技术人员阅读参考。

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ISBN：9787121500800

开本：16开

页数：368

字数：736

本书目录

第1章半导体物理基础及器件基本方程
1.1半导体晶格
1.1.1基本的晶体结构
1.1.2晶向和晶面
1.1.3原子价键
1.2半导体中的电子状态
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.2.2半导体中电子的状态和能带
1.2.3半导体中电子的运动和有效质量
1.2.4导体、半导体和绝缘体
1.3平衡状态下载流子浓度
1.3.1费米能级和载流子的统计分布
1.3.2本征载流子浓度
1.3.3杂质半导体的载流子浓度
1.3.4简并半导体的载流子浓度
1.4非平衡载流子
1.4.1非平衡载流子的注入与复合过程
1.4.2非平衡载流子的寿命
1.4.3复合理论
1.5载流子的输运现象
1.5.1载流子的漂移运动及迁移率
1.5.2载流子的扩散运动
1.5.3爱因斯坦关系
1.6半导体器件基本方程
1.6.1泊松方程
1.6.2输运方程
1.6.3连续性方程
1.6.4方程的积分形式
1.6.5基本方程的简化与应用举例
1.7半导体器件的计算机模拟
1.7.1器件模拟内容和意义
1.7.2器件模拟的方法
1.8半导体器件发展历程与启示
本章参考文献
第2章PN结
2.1PN结的平衡状态
2.1.1空间电荷区的形成
2.1.2内建电场、内建电势与耗尽区宽度
2.1.3能带图
2.1.4线性缓变结
2.1.5耗尽近似和中性近似的适用性
2.2PN结的直流电流电压方程
2.2.1外加电压时载流子的运动情况
2.2.2势垒区两旁载流子浓度的玻尔兹曼分布
2.2.3扩散电流
2.2.4势垒区产生复合电流
2.2.5正向导通电压
2.2.6电流电压的温度特性
2.2.7薄基区二极管
2.3准费米能级与大注入效应
2.3.1自由能与费米能级
2.3.2准费米能级
2.3.3大注入效应
2.4PN结的击穿
2.4.1碰撞电离率和雪崩倍增因子
2.4.2雪崩击穿
2.4.3齐纳击穿
2.4.4热击穿
2.5PN结的势垒电容与变容二极管
2.5.1势垒电容的定义
2.5.2突变结的势垒电容
2.5.3线性缓变结的势垒电容
2.5.4实际扩散结的势垒电容
2.5.5变容二极管
2.6PN结的交流小信号特性与扩散电容
2.6.1交流小信号下的扩散电流
2.6.2交流导纳与扩散电容
2.6.3二极管的交流小信号等效电路
2.7PN结的开关特性
2.7.1PN结的直流开关特性
2.7.2PN结的瞬态开关特性
2.7.3反向恢复过程
2.7.4存储时间与下降时间
2.8功率FRD
2.8.1基本结构与应用
2.8.2特性表现
2.8.3功率FRD的优化方法
2.9SPICE中的二极管模型
本章习题
本章参考文献
第3章双极结型晶体管
3.1双极结型晶体管基础
3.1.1双极结型晶体管的结构
3.1.2偏压与工作状态
3.1.3少子浓度分布与能带图
3.1.4晶体管的放大作用
3.2均匀基区晶体管的电流放大系数
3.2.1基区输运系数
3.2.2基区渡越时间
3.2.3发射结注入效率
3.2.4电流放大系数
3.3缓变基区晶体管的电流放大系数
3.3.1基区内建电场的形成
3.3.2基区少子电流密度与基区
少子浓度分布
3.3.3基区渡越时间与输运系数
3.3.4注入效率与电流放大系数
3.3.5小电流时放大系数的下降
3.3.6发射区重掺杂的影响
3.3.7异质结双极晶体管
3.4双极结型晶体管的直流电流电压方程
3.4.1集电结短路时的电流
3.4.2发射结短路时的电流
3.4.3晶体管的直流电流电压方程
3.4.4晶体管的输出特性
3.4.5基区宽度调变效应
3.5双极结型晶体管的反向特性
3.5.1反向截止电流
3.5.2共基极接法中的雪崩击穿电压
3.5.3共发射极接法中的雪崩击穿电压
3.5.4发射极与基极间接有外电路时的反向电流与击穿电压
3.5.5发射结击穿电压
3.5.6基区穿通效应
3.6基极电阻
3.6.1方块电阻
3.6.2基极接触电阻和接触孔边缘到工作基区边缘的电阻
3.6.3工作基区的电阻和基极接触区的电阻
3.7双极结型晶体管的功率特性
3.7.1大注入效应
3.7.2基区扩展效应
3.7.3发射结电流集边效应
3.7.4晶体管的热学性质
3.7.5二次击穿和安全工作区
3.8电流放大系数与频率的关系
3.8.1高频小信号电流在晶体管中的变化
3.8.2基区输运系数与频率的关系
3.8.3高频小信号电流放大系数
3.8.4晶体管的特征频率
3.8.5影响高频电流放大系数与特征频率的其他因素
3.9高频小信号电流电压方程与等效电路
3.9.1小信号的电荷控制模型
3.9.2小信号的电荷电压关系
3.9.3高频小信号电流电压方程
3.9.4小信号等效电路
3.10功率增益和最高振荡频率
3.10.1高频功率增益与高频优值
3.10.2最高振荡频率
3.10.3高频晶体管的结构
3.11双极结型晶体管的开关特性
3.11.1晶体管的静态大信号特性
3.11.2晶体管的直流开关特性
3.11.3晶体管的瞬态开关特性
3.12肖克莱二极管
3.12.1不同偏压条件下的肖克莱二极管
3.12.2肖克莱二极管击穿机理分析
3.13SPICE中的双极晶体管模型
3.13.1埃伯斯-莫尔(EM)模型
3.13.2葛谋-潘(GP)模型
本章习题
本章参考文献
第4章绝缘栅型场效应晶体管
4.1MOSFET基础
4.2MOS结构与MOSFET的阈电压
4.2.1MOS结构的阈电压
4.2.2MOSFET的阈电压
4.3MOSFET的直流电流电压方程
4.3.1非饱和区直流电流电压方程
4.3.2饱和区的特性
4.4MOSFET的亚阈区导电
4.5MOSFET的直流参数与温度特性
4.5.1MOSFET的直流参数
4.5.2MOSFET的温度特性
4.5.3MOSFET的击穿电压
4.6MOSFET的小信号参数、高频等效电路及频率特性
4.6.1MOSFET的小信号交流参数
4.6.2MOSFET的小信号高频等效电路
4.6.3最高工作频率和最高振荡频率
4.6.4沟道渡越时间
4.7短沟道效应
4.7.1小尺寸效应
4.7.2迁移率调制效应
4.7.3漏诱生势垒降低效应
4.7.4强电场效应
4.7.5表面势和阈电压准二维分析
4.8体硅MOSFET的发展方向
4.8.1按比例缩小的MOSFET
4.8.2双扩散MOSFET
4.8.3深亚微米MOSFET
4.8.4应变硅MOSFET
4.8.5高K栅介质及金属栅电极MOSFET
4.9功率垂直型双扩散场效应晶体管
4.9.1VDMOS器件
4.9.2超结VDMOS器件
4.9.3常规VDMOS与超结VDMOS器件的电流电压关系的比较
4.10SOI MOSFET
4.10.1SOI MOSFET结构特点
4.10.2SOI MOSFET一维阈电压模型
4.10.3SOI MOSFET的电流特性
4.10.4SOI MOSFET的亚阈值斜率
4.10.5短沟道SOI MOSFET的准二维分析
4.11多栅结构MOSFET与FinFET
4.11.1多栅MOSFET结构
4.11.2多栅结构MOSFET的特征长度
4.11.3双栅FinFET的亚阈值斜率
4.11.4双栅FinFET的按比例缩小
4.11.5多栅FinFET的结构设计
4.11.6围栅MOSFET
4.12无结晶体管
4.12.1无结晶体管的工作原理
4.12.2无结晶体管的阈电压
4.12.3无结晶体管的直流电流电压关系 
4.12.4无结晶体管的温度特性
4.13SPICE中的MOSFET模型
4.13.1MOS1模型
4.13.2MOS2模型
4.13.3MOS3模型
4.13.4电容模型
4.13.5小信号模型
4.13.6串联电阻的影响
本章习题
本章参考文献
第5章半导体异质结器件
5.1金属-半导体接触
5.1.1肖特基势垒
5.1.2表面态及对势垒高度的修正
5.1.3金半接触肖特基结的伏安特性
5.1.4镜像力与隧道效应的影响
5.1.5欧姆接触与少子注入
5.1.6金半接触肖特基二极管结构
5.2半导体异质结
5.2.1半导体异质结的能带突变
5.2.2半导体异质结伏安特性
5.3高电子迁移率晶体管(HEMT)
5.3.1HEMT的基本结构
5.3.2HEMT的工作原理
5.3.3异质结界面的二维电子气
5.3.4HEMT的直流特性
5.3.5HEMT的高频模型
5.3.6HEMT的高频小信号等效电路
5.3.7HEMT的频率特性
5.4异质结双极晶体管(HBT)
5.4.1HBT的基础理论
5.4.2能带结构与HBT性能的关系
5.4.3异质结双极晶体管的特性
5.4.4Si/Si1-xGex异质结双极晶体管
本章习题
本章参考文献
附录A隧穿概率的WKB近似

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前言

本书为普通高等教育“十一五”“十二五”国家级规划教材，也是四川省精品课程“微电子器件”的配套教材。
2023年入选教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系——新一代信息技术（集成电路）系列教材。
2024年入选四川省普通高等教育本科“十四五”省级规划教材。
本教材起源于电子科技大学于20世纪60年代初期所开设的“晶体管原理”课程，起点高、立意新，强调基本概念、突出物理模型，内容精练新颖、叙述简明流畅、图文并茂，并配有大量启发性习题。
本教材第1版于1987年出版。经过了陈星弼院士、毛钧业教授等老一辈学者50多年教学实践的长期积淀，结合学科发展和课程需要，多次修订，使得其在内容上更加集中精练，各部分之间的内在逻辑关系更加清晰。特别是针对超大规模集成电路的基础器件MOSFET的飞速发展，增加了SOI MOSFET、FinFET、无结晶体管、功率垂直型双扩散场效应晶体管等前沿热点内容，这些知识可以激发学生的兴趣，以便深入自主学习。这样既突出“基础概念”和“物理模型”，又跟踪新技术的发展。因此，每次修订再版后都深受教师和学生的欢迎，也受到同行专家的诸多好评。
目前，国际形势风云变幻，围绕着半导体技术的高科技领域竞争愈发激烈，我国半导体产业还处在世界的中低端，面对西方步步紧逼的围堵，我们需进一步深度融入全球半导体产业链；更重要的是需继续发扬老一辈科学家艰苦创业的精神，加大人才自主培养力度，培育中国半导体产业的反制能力。同时，本教材2023年入选教育部战略性新兴领域“十四五”高等教育教材体系——新一代信息技术（集成电路）系列教材。这些情况促使我们有动力、有责任编写、推出第5版教材，以感谢广大读者对本教材的厚爱，使其更好地服务于课程教学、人才培养。
这次的第5版，对第4版教材进行了全面、系统的梳理，更加注重细节，注重内容的准确性、严谨性、规范性和可读性。一方面更正了第4版中的图、表、公式和文字上的错误、疏漏，另一方面考虑到微电子器件种类繁多，为了展现基本器件结构的更多应用，选择补充了几种重要器件，包括变容二极管、快恢复二极管、PNPN肖克莱结构和金半接触肖特基二极管，使广大读者对微电子器件有一个尽可能全面的认识。
第5版中变化较大的章节有：第1章中作为半导体方程后续应用，介绍了半导体器件计算机模拟的基本原理，包括微分方程的离散化及网格划分；还对半导体器件的发展历程，特别是对我国在一穷二白的基础上独立自主研发微电子器件的历程进行了回顾，并对未来发展做了展望。第2章中，作为PN结势垒电容的应用，补充了变容二极管的原理和分析。对于PN结开关特性的扩展，简要分析了快恢复二极管FRD的工作原理。第3章中，补充了PNPN肖克莱二极管结构。针对集成电路最新发展趋势，在第4章的“多栅结构MOSFET与FinFET”这一节中，增加了对新近前沿研究热点——围栅MOSFET(GAA MOSFET)的分析讨论。考虑到金属半导体接触在微电子器件中应用广泛，特别在第5章增加了一节关于金半接触的内容。考虑到量子隧穿效应在现代小尺寸微电子器件中影响越来越明显，在附录A中增加了对隧穿概率的WKB近似求解。
本书可作为高等学校电子科学与技术、集成电路设计与集成系统、微电子科学与工程等专业本科生主干专业课“微电子器件”的教材，也可供其他相关专业本科生、研究生和工程技术人员阅读参考。讲授本教材的参考学时数为48～80学时。本教材的基本教学内容包括:第2章的21,22,24～27节；第3章的31～35,38～310节和第4章的41～48,410，411节；第5章的51,52节。这些内容的参考学时数为60学时,其余内容可视学时数的多少而选讲。
本教材配有大量习题。其中，标有*的为基础性习题，建议作为必做题；未标*的为扩展性习题，建议作为选做题。
本教材第5版由陈勇、黄海猛、程骏骥编写。由于作者水平有限，书中难免存在一些错误和不足之处，恳请广大读者批评指正。

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