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本书由浅入深、系统地介绍了常用半导体器件的基本结构、工作原理和工作特性。为便于读者自学和参考，本书首先介绍了学习半导体器件必需的半导体材料和半导体物理的基本知识；然后重点论述了PN结、双极型晶体管、MOS场效应管和结型场效应管的各项性能指标参数及其与半导体材料参数、工艺参数和器件几何结构参数的关系；最后简要讲述了功率MOSFET、IGBT和光电器件等其他常用半导体器件的原理及应用。

目    录
第1章  半导体物理基础	（1）
1.1  半导体晶体结构和缺陷	（1）
1.1.1  半导体的晶体结构	（1）
1.1.2  晶体的晶向与晶面	（3）
1.1.3  半导体中的缺陷	（4）
1.2  半导体的能带与杂质能级	（6）
1.2.1  半导体中电子共有化运动与能带	（6）
1.2.2  半导体中的E(k)~k关系、有效质量和k空间等能面	（11）
1.2.3  Si、Ge的能带结构及本征半导体	（14）
1.2.4  杂质半导体	（15）
1.3  半导体中的平衡与非平衡载流子	（19）
1.3.1  导带电子浓度与价带空穴浓度	（19）
1.3.2  本征载流子浓度与本征费米能级	（22）
1.3.3  杂质半导体的载流子浓度	（24）
1.3.4  简并半导体及其载流子浓度	（28）
1.3.5  非平衡载流子的产生与复合及准费米能级	（30）
1.3.6  非平衡载流子的寿命与复合理论	（32）
1.4  半导体中载流子的输运现象	（35）
1.4.1  载流子的漂移运动与迁移率	（35）
1.4.2  半导体中的主要散射机构及迁移率与平均自由时间的关系	（37）
1.4.3  半导体的迁移率、电阻率与杂质浓度和温度的关系	（40）
1.4.4  载流子的扩散运动及爱因斯坦关系	（43）
1.4.5  连续性方程	（45）
1.5  半导体表面	（46）
1.5.1  半导体表面和表面能级	（46）
1.5.2  Si-SiO2系统中的表面态与表面处理	（47）
1.5.3  表面能带弯曲与反型	（49）
1.5.4  表面复合	（50）
思考题和练习题	（50）
第2章  PN结	（52）
2.1  平衡PN结	（52）
2.1.1  PN结的制造工艺和杂质分布	（52）
2.1.2  平衡PN结的空间电荷区和能带图	（54）
2.1.3  平衡PN结的载流子浓度分布	（57）
2.2  PN结的直流特性	（58）
2.2.1  PN结的正向特性	（58）
2.2.2  PN结的反向特性	（65）
2.2.3  PN结的伏安特性	（68）
2.2.4  影响PN结伏安特性的因素	（70）
2.3  PN结空间电荷区的电场和宽度	（76）
2.3.1  突变结空间电荷区的电场和宽度	（77）
2.3.2  缓变结空间电荷区的电场和宽度	（81）
2.4  PN结的击穿特性	（84）
2.4.1  击穿机理	（84）
2.4.2  雪崩击穿电压	（86）
2.4.3  影响雪崩击穿电压的因素	（91）
2.5  PN结的电容效应	（95）
2.5.1  PN结的势垒电容	（95）
2.5.2  PN结的扩散电容	（101）
2.6  PN结的开关特性	（101）
2.6.1  PN结的开关作用	（101）
2.6.2  PN结的反向恢复时间	（103）
2.6.3  提高PN结开关速度的途径	（106）
2.7  金属半导体的整流接触和欧姆接触	（107）
2.7.1  金属半导体接触的表面势垒	（108）
2.7.2  金属半导体接触的整流效应与肖特基二极管	（110）
2.7.3  欧姆接触	（112）
思考题和习题	（114）
第3章  双极型晶体管	（115）
3.1  晶体管的基本结构、制造工艺和杂质分布	（115）
3.1.1  晶体管的基本结构和分类	（115）
3.1.2  晶体管的制造工艺和杂质分布	（116）
3.1.3  均匀基区晶体管和缓变基区晶体管	（118）
3.2  晶体管的电流放大原理	（118）
3.2.1  晶体管的能带及其载流子的浓度分布	（119）
3.2.2  晶体管载流子的传输及各极电流的形成	（120）
3.2.3  晶体管的直流电流-电压关系	（123）
3.2.4  晶体管的直流电流放大系数	（126）
3.2.5  影响晶体管直流电流放大系数的因素	（134）
3.3  晶体管的直流伏安特性曲线	（139）
3.3.1  共基极连接的直流特性曲线	（140）
3.3.2  共发射极连接的直流特性曲线	（141）
3.3.3  两种组态输出特性曲线的比较	（142）
3.4  晶体管的反向电流与击穿特性	（143）
3.4.1  晶体管的反向电流	（143）
3.4.2  晶体管的反向击穿电压	（145）
3.4.3  穿通电压	（149）
3.5  晶体管的频率特性	（150）
3.5.1  晶体管交流特性和交流小信号传输过程	（151）
3.5.2  晶体管的高频等效电路和交流电流放大系数	（154）
3.5.3  晶体管的频率特性曲线和极限频率参数	（162）
3.5.4  晶体管的噪声	（167）
3.6  晶体管的功率特性	（170）
3.6.1  基区大注入效应	（170）
3.6.2  基区扩展效应	（175）
3.6.3  发射极电流集边效应	（179）
3.6.4  集电结最大耗散功率和晶体管的热阻	（183）
3.6.5  晶体管的二次击穿	（187）
3.6.6  集电极最大工作电流和安全工作区	（191）
3.7  晶体管的开关特性	（193）
3.7.1  晶体管的开关作用	（193）
3.7.2  晶体管的开关波形和开关时间的定义	（196）
3.7.3  晶体管的开关过程和影响开关时间的因素	（198）
3.7.4  提高开关晶体管开关速度的途径	（202）
3.7.5  开关晶体管的正向压降和饱和压降	（203）
3.8  晶体管的设计	（205）
3.8.1  晶体管设计的一般方法	（205）
3.8.2  晶体管的纵向设计	（207）
3.8.3  晶体管的横向设计	（211）
思考题和习题	（219）
第4章  MOS场效应晶体管	（221）
4.1  MOS场效应晶体管的结构、工作原理和输出特性	（221）
4.1.1  MOS场效应晶体管的结构	（221）
4.1.2  MOS场效应管的基本工作原理和输出特性	（222）
4.1.3  MOS场效应晶体管的分类	（224）
4.2  MOS场效应晶体管的阈值电压	（226）
4.2.1  MOS场效应晶体管阈值电压的定义	（226）
4.2.2  MOS场效应晶体管阈值电压的表示式	（226）
4.2.3  非理想条件下MOS场效应管的阈值电压	（229）
4.2.4  影响阈值电压的其他因素	（233）
4.2.5  阈值电压的调整技术	（236）
4.3  MOS场效应晶体管的直流电流—电压特性	（240）
4.3.1  MOS场效应晶体管线性区的电流—电压特性	（240）
4.3.2  MOS场效应晶体管饱和区的电流—电压特性	（241）
4.3.3  亚阈值区的电流—电压特性	（242）
4.3.4  MOS场效应晶体管击穿区特性及击穿电压	（244）
4.4  MOS电容及MOS场效应晶体管瞬态电路模型	（247）
4.4.1  理想MOS结构的电容—电压特性	（247）
4.4.2  MOS场效应晶体管瞬态电路模型（SPICE模型）的建立	（250）
4.5  MOS场效应管的交流小信号参数和频率特性	（253）
4.5.1  MOS场效应管的交流小信号参数	（253）
4.5.2  MOS场效应晶体管的频率特性	（257）
4.6  MOS场效应晶体管的开关特性	（259）
4.6.1  MOS场效应晶体管瞬态开关过程	（259）
4.6.2  开关时间的计算	（261）
4.7  MOS场效应晶体管的二级效应	（262）
4.7.1  非常数表面迁移率效应	（262）
4.7.2  体电荷效应对电流—电压特性的影响	（263）
4.7.3  MOS场效应晶体管的短沟道效应	（265）
4.7.4  MOS场效应晶体管的窄沟道效应	（268）
4.8  MOS场效应晶体管温度特性	（269）
4.8.1  热电子效应	（269）
4.8.2  迁移率随温度的变化	（270）
4.8.3  阈值电压与温度关系	（270）
4.8.4  MOS场效应晶体管几个主要参数的温度关系	（271）
思考题和习题	（273）
第5章  结型场效应晶体管及金属半导体场效应晶体管	（274）
5.1  JFET及MESFET的结构、工作原理和分类	（274）
5.1.1  JFET及MESFET的结构	（274）
5.1.2  JFET工作原理和输出特性	（276）
5.1.3  JFET和MESFET的分类	（277）
5.2  JFET的电流电压特性	（278）
5.2.1  线性区电流电压特性	（279）
5.2.2  饱和区电流电压特性	（281）
5.2.3  亚阈值区特性	（283）
5.3  JFET的直流和交流小信号参数	（285）
5.3.1  JFET的直流参数	（285）
5.3.2  JFET的交流小信号参数	（288）
5.4  JFET的高频参数	（290）
5.4.1  截止频率fT	（291）
5.4.2  渡越时间截止频率f0	（292）
5.4.3  最高振荡频率fM	（292）
5.5  短沟道JFET和MESFET	（293）
5.5.1  短沟道JFET和MESFET中的迁移率调制效应	（293）
5.5.2  短沟道JFET和MESFET的电流—电压方程	（295）
思考题与习题	（295）
第6章  其他常用半导体器件	（297）
6.1  功率MOS场效应晶体管	（297）
6.1.1  功率MOS场效应晶体管的基本结构	（297）
6.1.2  功率MOS场效应晶体管电流电压特性	（299）
6.1.3  功率MOS场效应晶体管的跨导和输出漏电导	（302）
6.1.4  功率MOS场效应晶体管的导通电阻	（302）
6.1.5  极限参数	（306）
6.2  绝缘栅双极晶体管（IGBT）	（307）
6.2.1  基本结构与特性	（307）
6.2.2  工作原理与器件物理分析	（310）
6.2.3  栅极关断	（317）
6.2.4  擎住效应	（318）
6.2.5  频率与开关特性	（320）
6.3  半导体光学效应及光电二极管	（322）
6.3.1  半导体PN结光伏特性	（322）
6.3.2  光电导及光敏二极管	（326）
6.4  发光二极管	（327）
6.4.1  发光过程中的复合	（327）
6.4.2  发光二极管的制备与特性	（328）
6.5  半导体激光器	（330）
6.5.1  半导体激光器及其结构	（330）
6.5.2  半导体受激发光条件	（331）
思考题与习题	（334）
附录	（335）
参考文献	（336）

前    言
《半导体器件物理》适合作为微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统以及电子科学与技术等专业及相关专业本科生、研究生的教材或教学参考书，同时也可供其他相关专业工程技术人员阅读参考。由于各个学校情况不同，采用的教材名称可能不同，如《晶体管原理》、《微电子技术基础》和《半导体物理与器件》等。本书所阐述的各类常用半导体器件的基本结构、工作原理和工作特性，是从事半导体器件乃至集成电路设计、制造和应用等方面工作的专业技术人员必须掌握的基础理论知识。
本教材在内容的选取和编排上，力求选材实用、难度适中；在内容的叙述方面力求突出重点、条理清晰、深入浅出、通俗易懂，尽量避免冗长而烦琐的公式推导，从而使得器件的物理概念更清晰，内容更精练，以便于读者理解和掌握相关内容的要点。考虑到教材的系统性和相对独立性，本教材在介绍半导体材料和半导体物理等基本知识的基础上，依次系统地阐述了PN结、双极型晶体管、MOS场效应晶体管、结型场效应管和一些常用的其他半导体器件的基本结构、工作原理和物理特性等内容。
自本教材第1版出版发行以来，得到了相关院校师生及工程技术人员的好评和欢迎，使用本教材的院校和老师还提出了许多宝贵意见和建议。据此，第2版在保持第1版理论体系的基础上主要做了以下几个方面的修改：
（1）对第4章的内容进行了较大修改。除了修正第1版中的错漏之外，还在推导MOS场效应晶体管阈值电压之前，详细地介绍了MOS结构能带和性能，有助于读者对阈值电压受不同影响因素作用的理解。
（2）对第1、2、3、5和6章存在的一些错误和不足进行了修正、完善。
（3）制作了全书的PPT课件，任课教师只要提供有关信息，即可登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。
（4）编写了全书课后习题解答要点和过程的辅导配套教材，可供选用该书的老师、学生及工程技术人员教学和学习参考。
本教材的参考学时为64～80学时，各院校可根据具体情况而定。
本书第2版主要由刘树林、商世广、柴常春和张华曹编著。其中第1章由柴常春编写，第2、3章由刘树林编写，第4章由商世广编写，第5、6章由张华曹编写，习题解答要点和过程的辅导配套教材由刘树林、商世广编写。商世广同时参与了第1、2、3、5、6章内容的修正和完善工作，并制作了全书的PPT课件。参加本书编写工作的还有孙龙杰、朱樟明、余宁梅、张琼、王箫扬等。全书由西安电子科技大学杨银堂教授主审，杨教授仔细审阅了书稿，提出了许多宝贵的建议，在此表示诚挚的感谢。
另外，本书的出版得到电子工业出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。
由于编著者水平有限，书中难免存在不足、不妥或错误之处，恳请有关专家和广大读者批评指正。
                                                            编著者
                                                          2015年5月

电子电工

刘树林：博士，西安科技大学教授、博士生导师，四川大学半导体物理专业本科毕业，航天部西安微电子研究所硕士、博士毕业。先后在西安电力电子研究所、中兴通讯股份有限公司、西安科技大学从事科研和教学工作。现任西安科技大学电气与控制工程学院副院长、“电力电子电路与系统科研创新团队”负责人、矿山机电工程博士点学科带头人、微电子学与固体电子学学科带头人等。

基于编者长期从事微电子技术教学和研究应用的实践；__eol__以通俗流畅的语言，结合图表和曲线定性描述，避免烦琐的公式推导；__eol__将抽象的问题通俗化，将复杂的问题简单化；__eol__选材实用，难易适中，重点突出，条理清晰；__eol__注重理论与实际相结合，重点、难点辅以相应的实例和工程案例。__eol__

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半导体器件物理（第2版）