半导体器件电子学——国外电子与通信教材系列

    本书是半导体器件电子学课程的教科书。全书分5章，从现代电子学基础开始，依次讲述半导体体特性、PN结、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等半导体器件电子学中最基本、最经典的内容。本书还特别强调SPICE分析方法。
本书属于基础课教材，内容经典，既可作为高校电子、电机、计算机等专业本科生或研究生教材，也可作为有关工程技术人员的参考用书。

半导体器件电子学是为半导体器件的核心课程设计的一本教科书。通常地它被提供在电气工程系和计算机科学系低年级的课程表中。在本书出版之前它被作为明尼苏达大学第九学期(1/4年为一学期)考查类课程的教材，并满意地接受。它是在电子学的第一序列中10周的课程。在这10周的课程中仅仅能够涉及本书的最基本的内容，因此它将被容易地扩展为一个学期(半年)的课程。然而，本书中的丰富材料足够一个学年使用，因此它能更好地适用于高年级的选修课或者研究生的计划。
起源和观念
我们已经看到对于新生器件电子学专门种类教材的迫切需要。一个学生谈到此学科需要广博的基础知识。至少大多数的电气工程系的学生已经被暴露到这些必需的大多数题目之下。我们的经验表明，除了那些最有才能的学生之外的其余学生，对这些题目仍然停留在皮毛的了解上。
由于上述原因，本书已经包括基础课题的材料，并在复习材料中组成了与教学法要求深度相一致的内容。本书的叙述顺序是从特殊推广到一般。首先作为台阶的石头给出最简单、最清晰的例子，然后迈向更复杂的情况。在一个课题上具有较长经历的人更赞赏从一般推广到特殊情况的雅致发展，而对于大多数的新手不喜欢后者。他们需要专门的和易处理的部件以构造他们自己观念的框架。
我们将图解原理的应用，强调场的理论。我们谈论一系列的与器件理论相关的特殊类型的一维问题，而不是从麦克斯韦方程开始。我们强调获得直观了解的重要性，在这些简单的上下文和其他一些内容中了解泊松方程的精髓，然后了解像电位移和介质弛豫时间等更难以理解的概念。对于器件的理论即本书的主题不需要我们超过一维范围的描述，也不允许对其空间的限制。但是本书为学生在其后面对二维和三维问题和状态而需要的更一般的场的理论提供了一个坚实的基础。按照类似的方法，玻尔原子被处理为：力图以在单晶固体中孤立原子的电子来论述其性能。
另一方面，结晶学是大多数的电气工程系的学生在以前没有遇见的课题。然而就器件工程师将它作为几乎日常的概念来使用而言，它有资格作为一个基础的课题。所谈论的其他基础课题是所有工程和科学分支的基础。这些课题包括解决一般问题的程序和熟练性，单位的协调使用。
写作这本书的主要目标是获得清澈性。我们已经自由地使用了类比和启发式的描述，避免不必要的专门术语。在解释方面，我们试图选择一个在它第一次出现时即能明白的水平。在大多数的推导中已经包括中间的方程，所以学生可以容易地跟随推导，而不是依从地读方程直到“后面”。
本书的作者之一在明尼苏达大学已经为电气工程系低年级的20多个班级讲授了器件电子学课程；在同一时期内，为全美国不同地方的工业公司的10个在职班做了讲授。在此学校中的班级是很大的，其学生的数量超过了200人，从而使他自己产生了困惑的特殊问题。最小的问题是更大声地讲话或者在黑板上写更大的字符。像每一个有经验的人都知道的那样，对于一个很大的班级最烦恼的事情是负有管理的责任甚至需要做合适的和被许可的帮助。我们的书提供了对这种状态的一个重要的减轻措施。本书提供了229个分析习题和一本伴随的解题手册。给出这些分析习题和习题解以后，学生们可以选择方法，最好地适应这些直觉的状态。频繁使用的方法是指定习题，其后提供习题解，当然是一种选择。但是，至少有另一种有价值的选择――我们已经成功地使用几年的一种方法：在上课的第一天给学生提出问题并提供可用的解。然后告诉学生测验题和考试题将与这些习题紧密相关，因此学生们必定熟悉这些问题和彻底地解答它们。这一方法消除了为家庭作业评分的负担，因为在第一次提供特殊课程的家庭作业答案之后，它常常被大量的家庭作业复制。(没有什么学术活动比为家庭作业评分更浪费时间了。)这种方法还可进一步免除讲师分配计算机，代之以设计问题作为家庭作业。
在我们的练习中，提供了练习题和解的方法，以便引导在学生角色方面高度渴望地聚焦在理解上。问题的讨论和相关的概念统治了叙述的时间和学生在办公室访问期间的时间。为了加强讲师在此方面的专心致志，我们常常在初期的测验中放一个直接从书中拿来的习题，甚至不改变其题号。
当然，使用如此一个系统，在测验和考试时，闭合书本的方法是必需的。为了进一步加强理解的重要性(而不是一个文件管理员的技术)，此系统没有对学生的记忆做不正当的没有理由的要求。学生必须知道极简单的方程，一般只涉及三个或四个符号的方程。例如：学生能够真正地理解扩散流正比于浓度梯度，他们能够不费力气地写出相关的方程。对于更复杂的方程，例如连续性方程，我们在习题中叙述了必须掌握的方程。一般地我们要求学生必须理解的最复杂的方程是传输方程。
沿着上述的方向，一个进一步的例子是恰当的。在不同种类的突变结中耗尽层厚度的方程是重要的，但是它能够被工程师在工作中迅速地捡起来。我们认为记住这些方程在能量的投入上相对是无益处的。但是我们要求学生必须清楚地理解在突变结中耗尽层厚度随结两侧间电势差的平方根变化，以及为什么存在这种关系。在这一基础上提出测验理解的习题比提出记忆的习题要容易。我们已经选择了一些强调基础的复习题，而不是当前技术水平的概念题。仅仅两种主要的器件――双极结型晶体管和MOS场效应晶体管――在这里被谈到，因为这些器件的详尽知识使学生能够了解所有其他重要的IC器件。当前的器件水平是被它们的性质不断地革新的，这些变化的事实最好在工作当中学习。
内容和组织
第1章以新鲜方式叙述当前的电学基础，以及单位变换和问题解、玻尔模型和晶体学。
第2章论述平衡态和非平衡态半导体的体特性，着重于硅的论述，介绍了能带理论，解释了半导体、导体和绝缘体具有怎样的差别。紧接着的是费米能级的概念和它的应用，它与最基本的近似一起在半导体中被频繁地使用。“掺杂”的性质和结论进一步地引入到基础方程和质量作用定律、中性方程和玻耳兹曼关系。在这一章中还完成了作为分析载流子性质的载流子传输、复合和产生以及连续性方程。
第3章广泛地处理PN结问题，以及它在平衡和偏压条件下的情况：在基本的结概念被引入之后，仔细地选择一系列应用耗尽近似的例子，紧接着它被推广到突变结以外的情况。通过一组仔细记录的取自于特殊硅二极管的试验数据，扩展了静态的理论。除了通常课本的论述之外，本章还讨论了击穿现象。
然而，只有我们的书新鲜和完整论述了PN结二极管的动态性质。其后它被用做论述BJT和MOSFET动态性质的基础。本章还包括突变结和半导体表面问题的一般论述。这个论述仅仅在另一本书中被发现。本章还讨论了用高-低结作为欧姆接触――能够在大量的半导体器件中找到的而被大多数的电子学教科书忽略的描述。本章给出SPICE数值分析的原理，在某些情况下，其描述的细节甚至超过了在SPICE手册中能够找到的内容。
第4章提供了BJT的基础、基本的器件理论、偏置实践、电路结构的选择，并且强调每个问题的性质。接着的是真实BJT的结构和特性，在BJT中大注入效应的详细评述。但是在大多数的课本中省略了大注入的效应，因为常规BJT被使用在大注入条件下，因此这种省略不能被认为是正当的。在我们的Ebers-Moll静态模型部分重点是其清澈性和每一步物理意义的鉴别，并且具有丰富的应用举例。BJT的小信号动态模型由混合
模型开始，涉及器件物理，通过混合π模型、电荷控制模型，直到优值指数。还介绍了SPICE模型的独特的细节，大信号、小信号及寄生的特性。本章还包括了热阻。
第5章论述了MOS电容器和MOSFET。在初步的理论介绍和反相器的选择之后，描述在MOS电容器中必须被论述的大多数现象。对这些现象，在本章使用等效电路和在第3章介绍的一般半导体表面的分析方法进行仔细的模仿。包括了在MOS电容器、在结型二极管中的电容――元件的相互作用的物理和分析的论述，然后比较这两种器件中电容的性质。跟随的是MOSFET的高级模拟，小信号和大信号的SPICE处理。本章也是本书还包括了一个新的、详细考查的MOSFET-BJT性能比较，它是在任何其他教材中没有找到的内容。
学习的助手
在每一章课文之后紧跟着的是两个被设计的特写，用以提供对本章主题内容坚实的、定性的理解。第一个特写是尽力对本章基本要素节略的总结。第二个特写是称做“复习课”(平均每章115题)的一套问题，以便让学生很明确地知道是否这些关键点已经掌握，或者可能全部地未领会。在此部分提出的最基本的问题也被用于测验和考试的目的。
本书的另一个附加特写是在课文中的练习和解答。呈现在每一章的练习平均为60个。在这里期望这些问题能够合理地普及,进入一个活跃的读者的头脑。(我们渴望为达到这一成功的目标而获得反馈。)然而对于更积极的或有雄心的读者在简单地阅读问题并且进入解答之前能够深思这些问题，试图支持他或她自己的答案。
在我们的书中具有不同于工程教科书的一些方面。具有重要关系的空间题目在本课题的领域中是大量的，在第1章中的空间晶格提供了一个很好的例子。在如此的情况下，使用透视的图画，用以代替通常遇见的原始正交立方体图画。
在近些年来我们任命的代理ABET已经有效地和日益增长地将重点放在设计技能上，因为工程师们在工作中做比分析更多的综合工作。由于这一原因我们已经在每章的末尾除了较早讨论的分析问题外还提供了设计的习题。在类似的方面，为了类似的原因，计算机的习题也伴随着每一章，平均每章多于两个习题。在这里我们选择了需要数值处理的习题。在最后的三章，这些习题的重点是SPICE模型。通常，我们确定设计和计算机习题作为家庭作业。我们已经选择用Pascal程序解题，但是对此书的使用者选择其他的程序也是明
显可用的。
最后，伴随此书的解题手册已经准备，并具有不平常的易读性和精确性。特别是单位的仔细处理，重点强调在第1章中对此课题的加强。
参考文献的特点
像进入课文的材料一样，如此仔细和详尽地给出了主题索引的集合。它是不平常详尽地被做出，重要的题目被慷慨地交叉引证。当我们感觉到辛苦的因素时，有时产生委派非技术的办事人员做索引的准备。我们认为，在这里的额外投入将增强本书作为研究和参考资源的巨大价值。以一个类似的脉络，我们在参考文献上的政策是已经提供了巨大的数量，但它远小于百科全书上的列表。(假如有沙文主义的标准进入这种选择的过程，希望我们的读者能够理解。)我们相信这本书能够被用做参考书，也能被用做教材。总之，我们已经试图选择和强调最基本和不变的主题；然后我们已经寻找可能是最清楚的表述。希望这一结果将为许多未来的学生提供进入固态器件电子学的折衷训练。
致谢
我们深深地感激过去的大约1000名学生，他们已经使用我们的手稿作为教材，并且给出他们的评价和大量的修改。我们也十分赞赏地感谢由Alfons Tuszynski教授提供的长期鼓励。感谢Ronald D.Schrimpf教授提供的包括在练习3-54和图5-48(b)中的见识。应当专门提及Mae Warner对出版过程每一步的无休止的检查和对手稿的大部分的计算机录入。非常地感激我们的项目编辑、具有专业化和耐心的Mary Patton在此作品期间的大量工作。我们也同样地感激Becca Gruliow，她完成了全部加工。也感激我们具有技能和知识的复制编辑Andy Potter，她制造了比我们在其他地方能够获得的更平整、更清晰的结果。
我们感谢手稿的复审者，不仅是为他们主要的正反馈，也为他们省掉我们若干失误的苦恼，否则这些失误将出现在本书中。他们是Alan Marshak(路易斯安那州立大学)，Donald Willson(圣迭戈州立大学)，Larry Burton(弗吉尼亚工学院)，Robert Engleken(阿肯色州立大学)，Hisham Massoud(杜克大学)，D-K-Reinhard(密执安州立大学)和H-P-D-Lanyon(伍斯特工学院)。
最后，我们感谢三位不可多得的编辑，他们在准备本书的四年间先后服务于该项目中。他们是Deborah Moore，Bob Argentieri和Barbara Gingery。

第1章 现代电子学基础
1.1 电荷、电场和能量
1.1.1 电场的概念
1.1.2 电场中的功和能
1.1.3 静电势
1.1.4 电力线
1.1.5 势能和动能
1.2 单位制及问题的解决
1.2.1 单位因子
1.2.2 解决问题的步骤
1.2.3 单位与变量符号
1.2.4 一维问题
1.2.5 归一化
1.3 处理运动电荷及静止电荷的方程
1.3.1 电导率和电阻率
1.3.2 用电场表述的欧姆定律
1.3.3 介质材料、电容率和极化
1.3.4 电位移
1.3.5 位移电流
1.3.6 介质弛豫
1.3.7 泊松方程的意义
1.4 氢原子的玻尔模型
1.4.1 行星模拟
1.4.2 电磁辐射和量子
1.4.3 玻尔模型中的经典分量
1.4.4 玻尔假设
1.4.5 模型的预言
1.4.6 玻尔模型的改进
1.5 晶体学
1.5.1 晶格
1.5.2 单胞和原胞
1.5.3 空间晶格
1.5.4 相关晶格和晶体
1.5.5 硅晶体
1.5.6 原子平面和晶向
总结
参考文献
复习题
分析题
计算机求解题
设计题
第2章 半导体体特性
2.1 能带
2.1.1 振子类比
2.1.2 能带结构与原子间距的关系
2.1.3 与价健有关的能带
2.1.4 电子和空穴
2.1.5 能带间隙
2.1.6 导体
2.2 导体和本征硅中的电子分布
2.2.1 费米能级
2.2.2 导带中的状态密度
2.2.3 能带对称近似
2.2.4 等效态密度近似
2.2.5 本征载流子浓度
2.3 掺杂硅
2.3.1 施主掺杂和施主态氢原子模型
2.3.2 均匀掺杂
2.3.3 受主掺杂
2.3.4 杂质补偿
2.3.5 费米能级“计算器”
2.4 半导体体材料问题的分析
2.4.1 电中性方程
2.4.2 玻耳兹曼近似
2.4.3 质量作用定律
2.4.4 以静电势表示的能带图
2.4.5 以静电势表示的载流子浓度
2.4.6 玻耳兹曼关系
2.5 载流子输运
2.5.1 声子和离子引起的载流子散射
2.5.2 漂移速度
2.5.3 电导迁移率
2.5.4 速度饱和
2.5.5 电导率方程
2.5.6 载流子的扩散
2.5.7 输运方程
2.5.8 爱因斯坦关系式
2.6 载流子的复合和产生
2.6.1 过剩载流子
2.6.2 小注入复合率
2.6.3 与时间相关的复合
2.6.4 载流子寿命
2.6.5 复合机理
2.6.6 相对的和绝对的载流子浓度
2.7 连续性方程
2.7.1 恒定电场连续性输运方程
2.7.2 连续性方程的应用
2.7.3 海恩斯.肖克莱实验
2.7.4 表面复合速度
2.7.5 基于复合的欧姆接触
2.7.6 平衡和稳态条件的比较
总结
参考文献
复习题
分析题
计算机求解题
设计题
第3章 PN结
3.1 PN结的概念
3.1.1 PN结的空间电荷
3.1.2 偶极层
3.1.3 电场和电位分布
3.1.4 结的能带图
3.1.5 通过PN结的载流子分布
3.1.6 对称突变结
3.1.7 PN结的电流密度分布
3.2 耗尽近似
3.2.1 全部耗尽假设
3.2.2 电荷密度分布
3.2.3 电场分布
3.2.4 静电势分布
3.2.5 接触电势
3.2.6 非对称突变结
3.2.7 单边突变结
3.2.8 突变结的比较
3.3 偏置下的PN结
3.3.1 代数符号规则
3.3.2 反向偏置
3.3.3 正向偏置和玻耳兹曼准平衡
3.3.4 PN结定律
3.4 静态分析
3.4.1 正向电流.电压特性
3.4.2 反向和全部结特性
3.4.3 模型和相关项的定义
3.4.4 分段线性模型
3.4.5 电荷控制模型
3.4.6 实际硅PN结的特性
3.4.7 大注入正向偏置
3.5 突变PN结以外的其他结
3.5.1 PIN二极管
3.5.2 线性缓变结
3.5.3 扩散结
3.5.4 高.低结和欧姆接触
3.6 击穿现象
3.6.1 雪崩击穿
3.6.2 隧穿
3.6.3 穿通
3.7 突变结的近似解析模型
3.7.1 泊松.玻耳兹曼方程
3.7.2 德拜长度
3.7.3 泊松.玻耳兹曼方程的一次积分
3.7.4 泊松.玻耳兹曼方程的二次积分
3.7.5 耗尽近似替代
3.7.6 反型层和积累层
3.8 小信号动态分析
3.8.1 小信号电导
3.8.2 扩散电容
3.8.3 耗尽层电容
3.8.4 PN结电容的交叠
3.8.5 共存现象和多种时间常数
3.8.6 小信号等效电路模型
3.8.7 有效寿命和扩散电容
3.8.8 小信号电荷控制分析
3.8.9 线性微分方程
3.9 高级动态分析
3.9.1 分析技术概述
3.9.2 基于器件物理的电荷控制分析
3.9.3 基于电路行为的电荷控制分析
3.9.4 基于器件物理的严格分析
3.9.5 基于电路行为的严格分析
3.9.6 SPICE分析
3.9.7 数值分析举例
总结
参考文献
复习题
分析题
计算机求解题
设计题
第4章 双极结型晶体管
4.1 BJT的基础
4.1.1 结构和术语
4.1.2 偏置和端电流
4.1.3 载流子的分布
4.1.4 典型的器件尺寸和掺杂浓度
4.1.5 一维电子电流
4.2 基本的器件理论
4.2.1 内部的电流分布
4.2.2 寄生的内部电流
4.2.3 共发射极电流增益
4.2.4 电流增益的机理
4.3 偏置和BJT的使用
4.3.1 基本的偏置电路
4.3.2 静态等效电路模型
4.3.3 基本的BJT放大器
4.3.4 饱和
4.3.5 其他的工作方式
4.3.6 其他的电路结构
4.4 真实BJT的结构和性质
4.4.1 电化学势
4.4.2 非均匀的基区掺杂
4.4.3 根摩尔数
4.4.4 击穿电压
4.4.5 输出电导
4.4.6 结构的变化
4.4.7 正向和反向电流增益
4.5 大注入效应
4.5.1 Rittner效应
4.5.2 Webster效应
4.5.3 双极性效应
4.5.4 Kirk效应和准饱和
4.5.5 基区的横向电压降
4.5.6 大注入效应的综合
4.5.7 一般掺杂基区的大注入分析
4.6 Ebers.Moll静态模型
4.6.1 Gummel.Poon的革新
4.6.2 假设和问题的限定
4.6.3 传输型方程
4.6.4 原始型方程
4.6.5 方程的应用
4.6.6 等效电路模型
4.7 小信号动态模型
4.7.1 低频混合模型
4.7.2 混合模型和器件物理
4.7.3 BJT的跨导
4.7.4 混合π模型和其他模型
4.7.5 模型精度的改善
4.7.6 电荷控制模型
4.7.7 基区充电时间
4.7.8 优值指数
4.8 SPICE模型
4.8.1 模型方程
4.8.2 串联电阻效应
4.8.3 厄利(Early)效应
4.8.4 大电流效应
4.8.5 非理想二极管效应
4.8.6 电容效应
4.8.7 小信号分析举例
4.8.8 大信号分析举例
4.8.9 热阻
总结
参考文献
复习题
分析题
计算机求解题
设计题
第5章 MOSFET
5.1 MOSFET的基本理论
5.1.1 场效应晶体管
5.1.2 MOSFET的定义
5.1.3 基本分析
5.1.4 电流.电压方程
5.1.5 通用转移特性
5.1.6 跨导
5.1.7 反相器选择
5.2 MOS电容现象
5.2.1 氧化层.硅边界条件
5.2.2 近似电场和电势分布
5.2.3 精确能带图
5.2.4 势垒高度差
5.2.5 界面电荷
5.2.6 氧化层电荷
5.2.7 阈值电压的计算
5.3 MOS电容建模
5.3.1 精确的解析表面建模
5.3.2 MOS电容与PN结电容的比较
5.3.3 小信号等效电路
5.3.4 理想的电容.电压关系
5.3.5 实际的电容.电压关系
5.3.6 MOS电容交叠的物理
5.3.7 MOS电容交叠的分析
5.4 改进的MOSFET理论
5.4.1 沟道.结的相互作用
5.4.2 离子电荷模型
5.4.3 体效应
5.4.4 高级长沟道模型
5.5 SPICE模型
5.5.1 二级模型参数
5.5.2 二级模型
5.5.3 模型的小信号应用
5.5.4 模型的大信号应用
5.6 MOSFET.BJT性能比较
5.6.1 基于简单理论的跨导比较
5.6.2 亚阈值跨导理论
5.6.3 MOSFET最大 gm/Iout的计算
5.6.4 跨导与输入电压的关系
5.6.5 亚阈值跨导物理
总结
参考文献
复习题
分析题
计算机求解题
设计题
附录A 物理常数表
附录B 硅的性质表

本书是国外优秀电子与通信教材，属于微电子学科的基本教科书，既可作为通信专业本科生和研究生的基础课教学用书，也可作为电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程和材料科学与工程等有关专业人员的参考书。. 本书的重点是讲授PN结、双极结型晶体管(DJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(分别为第3，4，5章)。在前面的第1章用浅显、易懂的语言介绍了理解上述重点内容所必需的电学、原子物理学和晶体学知识及在第2章中介绍的半导体物理学知识。它为物理专业知识较少的读者提供了极大的方便。.. 本书采用“从特殊推广到一般”的叙述，有利于读者对本书内容的理解，书中的大量练习题和解答..

半导体器件电子学是为半导体器件的核心课程设计的一本教科书。通常地它被提供在电气工程系和计算机科学系低年级的课程表中。在本书出版之前它被作为明尼苏达大学第九学期(1/4年为一学期)考查类课程的教材，并满意地接受。它是在电子学的第一序列中10周的课程。在这10周的课程中仅仅能够涉及本书的最基本的内容，因此它将被容易地扩展为一个学期(半年)的课程。然而，本书中的丰富材料足够一个学年使用，因此它能更好地适用于高年级的选修课或者研究生的计划。. 起源和观念 我们已经看到对于新生器件电子学专门种类教材的迫切需要。一个学生谈到此学科需要广博的基础知识。至少大多数的电气工程系的..

2001年7月间，电子工业出版社的领导同志邀请各高校十几位通信领域方面的老师，商量引进国外教材问题。与会同志对出版社提出的计划十分赞同，大家认为，这对我国通信事业、特别是对高等院校通信学科的教学工作会很有好处。. 教材建设是高校教学建设的主要内容之一。编写、出版一本好的教材，意味着开设了一门好的课程，甚至可能预示着一个崭新学科的诞生。20世纪40年代MIT林肯实验室出版的一套28本雷达丛书，对近代电子学科、特别是对雷达技术的推动作用，就是一个很好的例子。 我国领导部门对教材建设一直非常重视。20世纪80年代，在原教委教材编审委员会的领导下，汇集了高等院校几百位富有教学经验的专家..