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1 电子、光子和声子1

1.1 量子力学的基本概念1

1.1.1 光子的二重性1

1.1.2 电子的二重性5

1.1.3 密闭环境中的电子特性7

1.2 统计力学的基本概念9

1.2.1 热运动和热能9

1.2.2 热平衡10

1.2.3 电子统计特性12

1.3 固体物理的基本概念17

1.3.1 化学键和能带19

1.3.2 金属、绝缘体和半导体21

1.3.3 态密度23

1.3.4 晶格振动：声子24

1.4 小结26

1.5 延展阅读27

习题27

2 平衡状态下的载流子统计特性31

2.1 导带和价带，带隙，空穴31

2.2 本征半导体36

2.3 非本征半导体39

2.3.1 施主和受主40

2.3.2 电中性特点42

2.3.3 掺杂半导体中的平衡载流子浓度43

2.4 平衡状态下的载流子统计特性46

2.4.1 导带和价带的态密度46

2.4.2 平衡电子浓度48

2.4.3 平衡空穴浓度54

2.4.4 平衡状态下的np积56

2.4.5 费米能级的位置58

2.5 小结61

2.6 延展阅读62

AT2.1 带隙的温度依存性63

AT2.2 费米-狄拉克积分的基本特性65

AT2.3 强简并半导体的数学近似66

AT2.4 施主和受主电离的数学统计66

AT2.5 载流子束缚态68

AT2.6 重掺杂效应70

AT2.6.1 Mott转移72

AT2.6.2 带隙变窄74

习题77

3 载流子的产生与复合83

3.1 产生与复合机制84

3.2 热平衡：精细平衡原理88

3.3 热平衡下的产生率与复合率89

3.3.1 带间光产生和光复合89

3.3.2 俄歇产生与复合91

3.3.3 陷阱辅助的热产生与复合92

3.4 非平衡条件下的产生与复合96

3.4.1 准中性低浓度注入，复合寿命100

3.4.2 提取和产生寿命105

3.5 均匀条件下的过剩载流子动力学108

3.5.1 例1：开瞬态110

3.5.2 例2：关瞬态110

3.5.3 例3：一个光脉冲111

3.6 表面产生与复合115

3.7 小结117

3.8 延展阅读118

AT3.1 肖克利-里德-霍尔模型119

AT3.1.1 复合寿命120

AT3.1.2 产生寿命122

AT3.2 高浓度注入123

习题125

4 载流子的漂移和扩散131

4.1 热运动132

4.1.1 热运动速率132

4.1.2 散射133

4.2 漂移136

4.2.1 漂移速率136

4.2.2 速率饱和139

4.2.3 漂移电流140

4.2.4 电场作用下的能带图144

4.3 扩散147

4.3.1 菲克第一定律147

4.3.2 爱因斯坦关系149

4.3.3 扩散电流150

4.4 渡越时间151

4.5 热平衡下的非均匀掺杂半导体153

4.5.1 高斯定律153

4.5.2 玻尔兹曼关系156

4.5.3 平衡载流子浓度159

4.6 准费米能级与准平衡态168

4.7 小结176

4.8 延展阅读177

AT4.1 伽马函数的基本性质178

AT4.2 热载流子效应178

AT4.2.1 能量弛豫和动量弛豫179

AT4.2.2 热电子输运180

AT4.2.3 碰撞电离181

习题184

5 载流子运动193

5.1 连续性方程194

5.2 表面连续性方程196

5.2.1 自由表面196

5.2.2 欧姆接触198

5.3 肖克利公式202

5.4 一维准中性条件下的肖克利公式简化204

5.5 多数载流子209

5.5.1 例1：电压下的半导体棒212

5.5.2 例2：集成电阻214

5.6 少数载流子218

5.6.1 例3：“长”棒中的扩散和体复合220

5.6.2 例4：“短”棒中的扩散和表面复合225

5.6.3 少数载流子的长度效应227

5.7 多数载流子的动力学特性228

5.8 少数载流子的动力学特性231

5.8.1 例5：S=∞时，半导体棒的瞬态特性231

5.9 空间电荷和高阻区中的输运237

5.9.1 例6：外电场作用下的高阻区漂移239

5.9.2 空间电荷区（SCR）与准中性区（QNR）输运的比较241

5.10 载流子倍增和雪崩击穿243

5.10.1 例7：均匀电场作用下的高阻区载流子倍增245

5.11 小结249

5.12 延展阅读250

AT5.1 积分形式的连续方程250

AT5.2 介电弛豫251

AT5.3 少数载流子条件下的复杂难题253

AT5.3.1 难题示例1：内电场作用下的短棒半导体中的载流子漂移、扩散和复合253

AT5.3.2 少数载流子条件下的长度效应255

AT5.3.3 难题示例2：有限表面复合下的棒状半导体瞬态特性258

AT5.4 非均匀电场作用下的载流子倍增和雪崩击穿261

习题262

6 pn结二极管281

6.1 理想pn结二极管282

6.2 热平衡下的理想pn结二极管284

6.3 理想pn结二极管的电流-电压特性291

6.3.1 偏置电压作用下的静电学特性291

6.3.2 I-V特性：定性讨论292

6.3.3 I-V特性：定量模型295

6.4 理想pn结二极管的电荷-电压特性308

6.4.1 耗尽电荷309

6.4.2 少数载流子电荷310

6.5 理想pn结二极管的等效电路模型313

6.6 非理想条件和二阶效应320

6.6.1 短二极管320

6.6.2 空间电荷的产生与复合322

6.6.3 串联电阻326

6.6.4 击穿电压328

6.6.5 非均匀掺杂分布331

6.6.6 高注入效应337

6.7 集成pn结二极管340

6.7.1 隔离层340

6.7.2 串联电阻343

6.7.3 高低结345

6.8 小结348

6.9 延展阅读348

AT6.1 耗尽近似的有效性349

AT6.2 理想二极管中的准中性区电阻350

AT6.3 电路设计中的等效电路模型351

AT6.4 pn结二极管的开关特性353

习题359

7 肖特基二极管和欧姆接触369

7.1 理想肖特基二极管370

7.2 热平衡下的理想肖特基二极管372

7.2.1 一个简化系统：金属-金属结372

7.2.2 金属-半导体结的能带分布376

7.2.3 平衡状态下的金属-半导体结静电学特性380

7.3 理想肖特基二极管的电流-电压特性384

7.3.1 偏置电压作用下的静电学特性384

7.3.2 I-V特性：定性讨论387

7.3.3 I-V特性：定量模型390

7.4 理想肖特基二极管的电荷-电压特性399

7.5 理想肖特基二极管的等效电路模型400

7.6 非理想条件和二阶效应401

7.6.1 串联电阻401

7.6.2 击穿电压404

7.7 集成肖特基二极管405

7.8 欧姆接触407

7.8.1 侧向欧姆接触：传输线模型411

7.8.2 欧姆接触下的边界条件414

7.9 小结415

7.10 延展阅读416

AT7.1 金属-半导体结的非理想肖特基势垒高度416

AT7.2 I-V特性的漂移-扩散模型420

AT7.3 电路设计中的肖特基二极管等效电路模型423

AT7.4 肖特基二极管的开关特性424

习题427

8 硅表面和金属-氧化物-半导体结构435

8.1 半导体表面436

8.2 理想的金属-氧化物-半导体结构441

8.3 零偏置下的理想金属-氧化物-半导体结构442

8.3.1 理想MOS结构的一般静电学特性444

8.3.2 零偏置下的MOS结构静电学特性447

8.4 偏置作用下的理想金属-氧化物-半导体结构451

8.4.1 耗尽453

8.4.2 平带455

8.4.3 积累456

8.4.4 阈值457

8.4.5 反转459

8.4.6 电荷-电压特性的小结463

8.5 MOS结构的动力学特性465

8.5.1 准静态C-V特性465

8.5.2 高频C-V特性469

8.5.3 深耗尽态471

8.6 弱反转和亚阈值区476

8.7 三端口MOS结构479

8.8 小结485

8.9 延展阅读486

AT8.1 表面态486

AT8.2 MOS结构中的非理想条件489

AT8.2.1 氧化物电荷489

AT8.2.2 界面态493

AT8.3 MOS静电特性的泊松-玻尔兹曼公式498

AT8.3.1 耗尽近似511

AT8.3.2 积累近似512

AT8.3.3 反转近似514

习题517

9 “长”金属-氧化物-半导体场效应晶体管531

9.1 理想的金属-氧化物-半导体场效应晶体管534

9.2 理想MOSFET的定性运算536

9.3 理想MOSFET反转层的输运特性538

9.4 理想MOSFET的电流-电压特性541

9.4.1 截止模式541

9.4.2 线性模式542

9.4.3 饱和模式548

9.4.4 直流大信号的等效电路模型552

9.4.5 能带图554

9.5 理想MOSFET的电荷-电压特性555

9.5.1 耗尽电荷556

9.5.2 反转电荷558

9.6 理想MOSFET的小信号特性563

9.6.1 小信号等效电路模型564

9.6.2 饱和状态下的短路“电流-增益”截止频率fT567

9.7 MOSFET中的非理想条件571

9.7.1 体效应571

9.7.2 反向偏置效应576

9.7.3 沟道长度调制580

9.7.4 亚阈值模式584

9.7.5 源电阻和漏电阻590

9.8 小结594

9.9 延展阅读594

AT9.1 反转层输运的更详细研究595

AT9.1.1 薄层电荷近似596

AT9.1.2 渐进沟道近似597

AT9.1.3 近似的有效性599

习题601

10 “短”金属-氧化物-半导体场效应晶体管613

10.1 MOSFET短沟道效应：输运614

10.1.1 迁移率下降614

10.1.2 速度饱和620

10.2 MOSFET短沟道效应：静电学特性627

10.2.1 阈值电压与栅极长度的关系：VT滚降628

10.2.2 阈值电压与VDS的关系：漏极致势垒降低632

10.2.3 亚阈值波动与栅极长度和VDS的关系636

10.3 MOSFET短沟道效应：栅堆叠缩尺效应638

10.3.1 栅电容638

10.3.2 栅漏电流644

10.4 MOSFET高场效应647

10.4.1 速率饱和区的静电学特性647

10.4.2 碰撞电离和衬底电流651

10.4.3 输出电导657

10.4.4 栅致漏极泄漏661

10.5 MOSFET缩尺理论665

10.5.1 用作开关的MOSFET667

10.5.2 理想MOSFET的恒电场缩尺效应670

10.5.3 理想MOSFET的恒电压缩尺效应672

10.5.4 短MOSFET的通用缩尺效应673

10.5.5 MOSFET缩尺理论：历史回顾675

10.5.6 MOSFET设计的演化681

10.6 小结692

10.7 延展阅读694

AT10.1 阈值附近的短MOSFET的静电学特性694

AT10.2 速率饱和区的静电学特性697

习题698

11 双极结型晶体管707

11.1 理想的双极结型晶体管（BJT）709

11.2 理想BJT的电流-电压特性711

11.2.1 正向有源模式716

11.2.2 反向模式723

11.2.3 截止模式725

11.2.4 饱和模式727

11.2.5 输出I-V特性729

11.3 理想BJT的电荷-电压特性730

11.3.1 耗尽电荷731

11.3.2 少数载流子电荷732

11.4 正向有源模式下理想BJT的小信号特性736

11.4.1 小信号等效电路模型736

11.4.2 共发射极的短路“电流-增益”截止频率fT737

11.5 BJT中的非理想条件746

11.5.1 基区宽度调制747

11.5.2 射极-基极的空间电荷区复合755

11.5.3 碰撞电离757

11.5.4 击穿电压759

11.5.5 高集电极电流效应769

11.5.6 寄生电阻780

11.5.7 非均匀掺杂水平786

11.6 BJT设计的演化790

11.7 小结795

11.8 延展阅读795

AT11.1 MOSFET中的双极问题796

AT11.1.1 闩锁效应796

AT11.1.2 SOI MOSFET中的浮体效应798

AT11.1.3 MOSFET的击穿和负阻801

习题802

A 基本物理常数816

B Si,GaAs和SiO2在300K时的重要材料参数817

C 缩略语818

D 泰勒级数展开式819

E Si在300K时的重要材料参数的解析表达式820

F 部分习题参考答案824

索引830