本书适合作为集成电路、微电子、电子科学与技术等专业高年级本科生和研究生学习半导体器件物理的双语教学教材，内容涵盖了量子力学、固体物理、半导体物理和半导体器件的全部内容。全书在介绍学习器件物理所必需的基础理论之后，重点讨论了pn结、金属–半导体接触、MOS场效应晶体管和双极型晶体管的工作原理和基本特性。最后论述了结型场效应晶体管、晶闸管、MEMS和半导体光电器件的相关内容。本书提供了丰富的习题和自测题，并给出了大量的分析或设计实例，有助于读者对基本理论和概念的理解。
美国新墨西哥大学电气与计算机工程系教授，于新墨西哥大学获博士学位后，成为Hanscom空军基地固态科学实验室电子工程师。1976年加入新墨西哥大学电气与计算机工程系，从事半导体物理与器件课程和电路课程的教学工作。目前仍为该系的返聘教员。另著有Microelectronics Circuit Analysis and Design, Fourth Edition和Semiconductor Physics and Devices：Basic Principles, Fourth Edition两本教材。
美国新墨西哥大学电气与计算机工程系教授，于新墨西哥大学获博士学位后，成为Hanscom空军基地固态科学实验室电子工程师。1976年加入新墨西哥大学电气与计算机工程系，从事半导体物理与器件课程和电路课程的教学工作。目前仍为该系的返聘教员。另著有Microelectronics Circuit Analysis and Design, Fourth Edition和Semiconductor Physics and Devices：Basic Principles, Fourth Edition两本教材。
CHAPTER 1 The Crystal Structure of Solids 固体的晶体结构
1.0 PREVIEW 概览
1.1 SEMICONDUCTOR MATERIALS 半导体材料
1.2 TYPES OF SOLIDS 固体类型
1.3 SPACE LATTICES 空间点阵
1.3.1 Primitive and Unit Cell 原胞与晶胞
1.3.2 Basic Crystal Structures 基本晶体结构
1.3.3 Crystal Planes and Miller Indices 晶面和米勒指数
1.3.4 The Diamond Structure 金刚石结构
1.4 ATOMIC BONDING 原子价键
1.5 IMPERFECTIONS AND IMPURITIES IN SOLIDS 固体中的缺陷和杂质
1.5.1 Imperfections in Solids 固体缺陷
1.5.2 Impurities in Solids 固体中的杂质
Σ1.6 GROWTH OF SEMICONDUCTOR MATERIALS 半导体材料生长
1.6.1 Growth from a Melt 熔体生长
1.6.2 Epitaxial Growth 外延生长
Σ1.7 DEVICE FABRICATION TECHNIQUES: OXIDATION 器件制备技术：氧化
1.8 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 2 Theory of Solids 固体理论
2.0 PREVIEW 概览
2.1 PRINCIPLES OF QUANTUM MECHANICS 量子力学的基本原理
2.1.1 Energy Quanta 能量子
2.1.2 Wave-Particle Duality Principle 波粒二象性
2.2 ENERGY QUANTIZATION AND PROBABILITY CONCEPTS 能量量子化和概率
2.2.1 Physical Meaning of the Wave Function 波函数的物理意义
2.2.2 The One-Electron Atom 单电子原子
2.2.3 Periodic Table 元素周期表
2.3 ENERGY-BAND THEORY 能带理论
2.3.1 Formation of Energy Bands 能带的形成
2.3.2 The Energy Band and the Bond Model 能带与价键模型
2.3.3 Charge Carriers—Electrons and Holes 载流子——电子和空穴
2.3.4 Effective Mass 有效质量
2.3.5 Metals, Insulators, and Semiconductors 金属、 绝缘体和半导体
2.3.6 The k-Space Diagram k 空间能带图
2.4 DENSITY OF STATES FUNCTION 态密度函数
2.5 STATISTICAL MECHANICS 统计力学
2.5.1 Statistical Laws 统计规律
2.5.2 The Fermi-Dirac Distribution Function and the Fermi Energy 费米-狄拉克分布和费米能级
2.5.3 Maxwell-Boltzmann Approximation 麦克斯韦-玻尔兹曼近似
2.6 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 3 The Semiconductor in Equilibrium 平衡半导体
3.0 PREVIEW 概览
3.1 CHARGE CARRIERS IN SEMICONDUCTORS 半导体中的载流子
3.1.1 Equilibrium Distribution of Electrons and Holes 电子和空穴的平衡分布
3.1.2 The n0 and p0 Equations 平衡电子和空穴浓度方程
3.1.3 The Intrinsic Carrier Concentration 本征载流子浓度
3.1.4 The Intrinsic Fermi-Level Position 本征费米能级的位置
3.2 DOPANT ATOMS AND ENERGY LEVELS 掺杂原子与能级
3.2.1 Qualitative Description 定性描述
3.2.2 Ionization Energy 电离能
3.2.3 Group III-V Semiconductors III-V族半导体
3.3 CARRIER DISTRIBUTIONS IN THE EXTRINSIC SEMICONDUCTOR 非本征半导体的载流子分布
3.3.1 Equilibrium Distribution of Electrons and Holes 电子和空穴的平衡分布
3.3.2 The n0 p0 Product n0 p0 积
Σ3.3.3 The Fermi-Dirac Integral 费米-狄拉克积分
3.3.4 Degenerate and Nondegenerate Semiconductors 简并与非简并半导体
3.4 STATISTICS OF DONORS AND ACCEPTORS 施主和受主的统计分布
3.4.1 Probability Function 概率分布函数
Σ3.4.2 Complete Ionization and Freeze-Out 完全电离与冻析
3.5 CARRIER CONCENTRATIONS—EFFECTS OF DOPING 载流子浓度——掺杂的影响
3.5.1 Compensated Semiconductors 补偿半导体
3.5.2 Equilibrium Electron and Hole Concentrations 平衡电子和空穴浓度
3.6 POSITION OF FERMI ENERGY LEVEL—EFFECTS OF DOPING AND TEMPERATURE 费米能级的位置——掺杂和温度的影响
3.6.1 Mathematical Derivation 数学推导
3.6.2 Variation of EF with Doping Concentration and Temperature EF 随掺杂浓度和温度的变化
3.6.3 Relevance of the Fermi Energy 费米能级的关联性
Σ3.7 DEVICE FABRICATION TECHNOLOGY: DIFFUSION AND ION IMPLANTATION 器件制备技术：扩散和离子注入
3.7.1 Impurity Atom Diffusion 杂质原子扩散
3.7.2 Impurity Atom Ion Implantation 离子注入
3.8 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 4 Carrier Transport and Excess Carrier Phenomena 载流子输运和过剩载流子现象
4.0 PREVIEW 概览
4.1 CARRIER DRIFT 载流子的漂移运动
4.1.1 Drift Current Density 漂移电流密度
4.1.2 Mobility Effects 迁移率
4.1.3 Semiconductor Conductivity and Resistivity 半导体的电导率和电阻率
4.1.4 Velocity Saturation 速度饱和
4.2 CARRIER DIFFUSION 载流子的扩散运动
4.2.1 Diffusion Current Density 扩散电流密度
4.2.2 Total Current Density 总电流密度
4.3 GRADED IMPURITY DISTRIBUTION 渐变杂质分布
4.3.1 Induced Electric Field 感应电场
4.3.2 The Einstein Relation 爱因斯坦关系
4.4 CARRIER GENERATION AND RECOMBINATION 载流子的产生与复合
4.4.1 The Semiconductor in Equilibrium 平衡半导体
4.4.2 Excess Carrier Generation and Recombination 过剩载流子的产生与复合
4.4.3 Generation-Recombination Processes 产生-复合过程
Σ4.5 THE HALL EFFECT 霍尔效应
4.6 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 5 The pn Junction and Metal-Semiconductor Contact pn结和金属-半导体接触
5.0 PREVIEW 概览
5.1 BASIC STRUCTURE OF THE PN JUNCTION PN结的基本结构
5.2 THE PN JUNCTION—ZERO APPLIED BIAS 零偏PN结
5.2.1 Built-In Potential Barrier 内建电势
5.2.2 Electric Field 电场
5.2.3 Space Charge Width 空间电荷区宽度
5.3 THE PN JUNCTION—REVERSE APPLIED BIAS 反偏PN结
5.3.1 Space Charge Width and Electric Field 空间电荷区宽度与电场
5.3.2 Junction Capacitance 势垒电容
5.3.3 One-Sided Junctions 单边突变结
5.4 METAL-SEMICONDUCTOR CONTACT—RECTIFYING JUNCTION 金属-半导体接触——整流结
5.4.1 The Schottky Barrier 肖特基势垒结
5.4.2 The Schottky Junction—Reverse Bias 反偏肖特基结
5.5 FORWARD APPLIED BIAS—AN INTRODUCTION 正偏结简介
5.5.1 The pn Junction pn结
5.5.2 The Schottky Barrier Junction 肖特基势垒结
5.5.3 Comparison of the Schottky Diode and the pn Junction Diode 肖特基二极管和pn结二极管的比较
Σ5.6 METAL-SEMICONDUCTOR OHMIC CONTACTS 金属-半导体的欧姆接触
Σ5.7 NONUNIFORMLY DOPED PN JUNCTIONS 非均匀掺杂PN结
5.7.1 Linearly Graded Junctions 线性缓变结
5.7.2 Hyperabrupt Junctions 超突变结
5.8 DEVICE FABRICATION TECHNIQUES: PHOTOLITHOGRAPHY, ETCHING, AND BONDING 器件制备技术：光刻、刻蚀和键合
5.8.1 Photomasks and Photolithography 光学掩膜版和光刻
5.8.2 Etching 刻蚀
5.8.3 Impurity Diffusion or Ion Implantation 杂质扩散或离子注入
5.8.4 Metallization, Bonding, and Packaging 金属化、键合和封装
5.9 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 6 Fundamentals of the Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor MOS场效应晶体管基础
6.0 PREVIEW 概览
6.1 THE MOSFIELD-EFFECT TRANSISTOR ACTION MOS场效应晶体管作用
6.1.1 Basic Principle of Operation 基本工作原理
6.1.2 Modes of Operation 工作模式
6.1.3 Amplification with MOSFETs MOSFET放大
6.2 THE TWO-TERMINAL MOSCAPACITOR 双端 MOS电容
6.2.1 Energy-Band Diagrams and Charge Distributions 能带结构和电荷分布
6.2.2 Depletion Layer Thickness 耗尽层厚度
6.3 POTENTIAL DIFFERENCES IN THE MOSCAPACITOR MOS电容的电势差
6.3.1 Work Function Differences 功函数差
6.3.2 Oxide Charges 氧化层电荷
6.3.3 Flat-Band Voltage 平带电压
6.3.4 Threshold Voltage 阈值电压
Σ6.3.5 Electric Field Profile 电场分布
6.4 CAPACITANCE-VOLTAGE CHARACTERISTICS 电容-电压特性
6.4.1 Ideal C-V Characteristics 理想C-V 特性
Σ6.4.2 Frequency Effects 频率影响
Σ6.4.3 Fixed Oxide and Interface Charge Effects 氧化层固定电荷和界面电荷的影响
6.5 THE BASIC MOSFETOPERATION MOSFET基本工作原理
6.5.1 MOSFETStructures MOSFET结构
6.5.2 Current-Voltage Relationship—Basic Concepts 电流-电压关系——基本概念
Σ6.5.3 Current-Voltage Relationship—Mathematical Derivation 电流-电压关系——数学推导
6.5.4 Substrate Bias Effects 衬底偏置效应
6.6 SMALL-SIGNAL EQUIVALENT CIRCUIT AND FREQUENCY LIMITATION FACTORS 小信号等效电路及频率限制因素
6.6.1 Transconductance 跨导
6.6.2 Small-Signal Equivalent Circuit 小信号等效电路
6.6.3 Frequency Limitation Factors and Cutoff Frequency 频率限制因素与截止频率
Σ6.7 DEVICE FABRICATION TECHNIQUES 器件制备技术
6.7.1 Fabrication of an NMOS Transistor NMOS晶体管的制备
6.7.2 The CMOS Technology CMOS技术
6.8 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 7 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: Additional Concepts MOS场效应晶体管的其他概念
7.0 PREVIEW 概览
7.1 MOSFETSCALING MOSFET按比例缩小法则
7.1.1 Constant-Field Scaling 恒电场按比例缩小法则
7.1.2 Threshold Voltage—First Approximation 阈值电压——一级近似
7.1.3 Generalized Scaling 一般按比例缩小法则
7.2 NONIDEAL EFFECTS 非理想效应
7.2.1 Subthreshold Conduction 亚阈值电导
7.2.2 Channel Length Modulation 沟道长度调制效应
7.2.3 Mobility Variation 沟道迁移率变化
7.2.4 Velocity Saturation 速度饱和
7.3 THRESHOLD VOLTAGE MODIFICATIONS 阈值电压修正
7.3.1 Short-Channel Effects 短沟道效应
7.3.2 Narrow-Channel Effects 窄沟道效应
7.3.3 Substrate Bias Effects 衬底偏置效应
7.4 ADDITIONAL ELECTRICAL CHARACTERISTICS 其他电学特性
7.4.1 Oxide Breakdown 氧化层击穿
7.4.2 Near Punch-Through or Drain-Induced Barrier Lowering 临界穿通或漏致势垒降低
7.4.3 Hot Electron Effects 热电子效应
7.4.4 Threshold Adjustment by Ion Implantation 离子注入调整阈值电压
7.5 DEVICE FABRICATION TECHNIQUES: SPECIALIZED DEVICES 器件制备技术：特种器件
7.5.1 Lightly Doped Drain Transistor 轻掺杂漏晶体管
7.5.2 The MOSFETon Insulator 绝缘体上 MOSFET
7.5.3 The Power MOSFET 功率 MOSFET
7.5.4 MOSMemory Device MOS存储器
7.6 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 8 Nonequilibrium Excess Carriers in Semiconductors 半导体中的非平衡过剩载流子
8.0 PREVIEW 概览
8.1 CARRIER GENERATION AND RECOMBINATION 载流子的产生与复合
8.2 ANALYSIS OF EXCESS CARRIERS 过剩载流子的分析
8.2.1 Continuity Equations 连续性方程
8.2.2 Time-Dependent Diffusion Equations 时间相关的扩散方程
8.3 AMBIPOLAR TRANSPORT 双极输运
8.3.1 Derivation of the Ambipolar Transport Equation 双极输运方程的推导
8.3.2 Limits of Extrinsic Doping and Low Injection 非本征掺杂和小注入限制
8.3.3 Applications of the Ambipolar Transport Equation 双极输运方程的应用
8.3.4 Dielectric Relaxation Time Constant 介电弛豫时间常数
8.3.5 Haynes-Shockley Experiment 海恩斯-肖克利实验
8.4 QUASI-FERMI ENERGY LEVELS 准费米能级
8.5 EXCESS CARRIER LIFETIME 过剩载流子的寿命
8.5.1 Shockley-Read-Hall Theory of Recombination 肖克利-里德-霍尔复合理论
8.5.2 Limits of Extrinsic Doping and Low Injection 非本征掺杂和小注入限制
8.6 SURFACE EFFECTS 表面效应
8.6.1 Surface States 表面态
8.6.2 Surface Recombination Velocity 表面复合速度
8.7 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 9 The pn Junction and Schottky Diodes pn结二极管与肖特基二极管
9.0 PREVIEW 概览
9.1 THE PN AND SCHOTTKY BARRIER JUNCTIONS REVISITED 回顾PN结和肖特基势垒结
9.1.1 ThepnJunction pn结
9.1.2 The Schottky Barrier Junction 肖特基势垒结
9.2 THE PN JUNCTION—IDEAL CURRENT-VOLTAGE RELATIONSHIP pn结——理想电流-电压特性
9.2.1 Boundary Conditions 边界条件
9.2.2 Minority-Carrier Distribution 少子分布
9.2.3 Ideal pn Junction Current 理想pn结电流
9.2.4 Summary of Physics 物理小结
9.2.5 Temperature Effects 温度效应
9.2.6 The “Short” Diode 短二极管
9.2.7 Summary of Results 小结
9.3 THE SCHOTTKY BARRIER JUNCTION—IDEAL CURRENT-VOLTAGE RELATIONSHIP 肖特基二极管——理想电流-电压关系
9.3.1 The Schottky Diode 肖特基二极管
9.3.2 Comparison of the Schottky Diode and the pn Junction Diode 肖特基二极管与pn结二极管的比较
9.4 SMALL-SIGNAL MODEL OF THE PN JUNCTION PN结二极管的小信号模型
9.4.1 Diffusion Resistance 扩散电阻
9.4.2 Small-Signal Admittance 小信号导纳
9.4.3 Equivalent Circuit 等效电路
9.5 GENERATION-RECOMBINATION CURRENTS 产生-复合电流
9.5.1 Reverse-Bias Generation Current 反偏产生电流
9.5.2 Forward-Bias Recombination Current 正偏复合电流
9.5.3 Total Forward-Bias Current 总正偏电流
9.6 JUNCTION BREAKDOWN 结击穿
9.7 CHARGE STORAGE AND DIODE TRANSIENTS 电荷存储与二极管瞬态
9.7.1 The Turn-Off Transient 关瞬态
9.7.2 The Turn-On Transient 开瞬态
9.8 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 10 The Bipolar Transistor 双极型晶体管
10.0 PREVIEW 概览
10.1 THE BIPOLAR TRANSISTOR ACTION 双极型晶体管的工作原理
10.1.1 The Basic Principle of Operation 基本工作原理
10.1.2 Simplified Transistor Current Relations 简化的晶体管电流关系
10.1.3 The Modes of Operation 工作模式
10.1.4 Amplification with Bipolar Transistors 双极型晶体管放大电路
10.2 MINORITY-CARRIER DISTRIBUTION 少子分布
10.2.1 Forward-Active Mode 正向有源模式
10.2.2 Other Modes of Operation 其他工作模式
10.3 LOW-FREQUENCY COMMON-BASE CURRENT GAIN 低频共基极电流增益
10.3.1 Contributing Factors 贡献因子
10.3.2 Mathematical Derivation of Current Gain Factors 电流增益系数的数学推导
10.3.3 Summary and Review 小结与回顾
10.3.4 Example Calculations of the Gain Factors 增益系数的计算实例
10.4 NONIDEAL EFFECTS 非理想效应
10.4.1 Base Width Modulation 基区宽度调制
10.4.2 High Injection 大注入效应
10.4.3 Emitter Bandgap Narrowing 发射区带隙变窄
10.4.4 Current Crowding 电流集边效应
Σ10.4.5 Nonuniform Base Doping 非均匀基区掺杂
10.4.6 Breakdown Voltage 击穿电压
10.5 HYBRID-PI EQUIVALENT CIRCUIT MODEL 混合π型等效电路模型
10.6 FREQUENCY LIMITATIONS 频率限制
10.6.1 Time-Delay Factors 时延因子
10.6.2 Transistor Cutoff Frequency 晶体管的截止频率
Σ10.7 LARGE-SIGNAL SWITCHING 大信号开关特性
Σ10.8 DEVICE FABRICATION TECHNIQUES 器件制备技术
10.8.1 Polysilicon Emitter BJT 多晶硅发射极双极型晶体管
10.8.2 Fabrication of Double-Polysilicon npn Transistor 双多晶硅npn晶体管的制备
10.8.3 Silicon-Germanium Base Transistor SiGe基区晶体管
10.8.4 The Power BJT 功率双极型晶体管
10.9 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 11 Additional Semiconductor Devices and Device Concepts 其他半导体器件及器件概念
11.0 PREVIEW 概览
11.1 THE JUNCTION FIELD-EFFECT TRANSISTOR 结型场效应晶体管
11.1.1 The pn JFET pn JFET
11.1.2 The MESFET MESFET
11.1.3 Electrical Characteristics 电学特性
11.2 HETEROJUNCTIONS 异质结
11.2.1 The Heterojunction 异质结简介
11.2.2 Heterojunction Bipolar Transistors 异质结双极型晶体管
11.2.3 High-Electron Mobility Transistor 高电子迁移率晶体管
11.3 THE THYRISTOR 晶闸管
11.3.1 The Basic Characteristics 基本特性
11.3.2 Triggering the SCR SCR的触发机理
11.3.3 Device Structures 器件结构
11.4 ADDITIONAL MOSFET CONCEPTS MOSFET的其他概念
11.4.1 Latch-Up 闩锁效应
11.4.2 Breakdown 击穿效应
11.5 MICROELECTRO MECHANICAL SYSTEMS (MEMS) 微机电系统
11.5.1 Accelerometers 加速度计
11.5.2 Inkjet Printing 喷墨打印机
11.5.3 Biomedical Sensors 生物医学传感器
11.6 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
CHAPTER 12 Optical Devices 光子器件
12.0 PREVIEW 概览
12.1 OPTICAL ABSORPTION 光吸收
12.1.1 Photon Absorption Coefficient 光吸收系数
12.1.2 Electron-Hole Pair Generation Rate 电子-空穴对的产生率
12.2 SOLAR CELLS 太阳能电池
12.2.1 The pn Junction Solar Cell pn结太阳能电池
12.2.2 Conversion Efficiency and Solar Concentration 转换效率与太阳光聚集
12.2.3 The Heterojunction Solar Cell 异质结太阳能电池
12.2.4 Amorphous Silicon Solar Cells 非晶硅太阳能电池
12.3 PHOTODETECTORS 光电探测器
12.3.1 Photoconductor 光电导探测器
12.3.2 Photodiode 光电二极管
12.3.3 PIN Photodiode PIN光电二极管
12.3.4 Avalanche Photodiode 雪崩光电二极管
12.3.5 Phototransistor 光电晶体管
12.4 LIGHT-EMITTING DIODES 发光二极管
12.4.1 Generation of Light 光产生
12.4.2 Internal Quantum Efficiency 内量子效率
12.4.3 External Quantum Efficiency 外量子效率
12.4.4 LED Devices LED器件
12.5 LASER DIODES 激光二极管
12.5.1 Stimulated Emission and Population Inversion 受激辐射与粒子数反转
12.5.2 Optical Cavity 光学谐振腔
12.5.3 Threshold Current 阈值电流
12.5.4 Device Structures and Characteristics 器件结构与特性
12.6 SUMMARY 小结
PROBLEMS 习题
APPENDIX A Selected List of Symbols 部分参数符号列表
APPENDIX B System of Units, Conversion Factors, and General Constants 单位制、单位换算和通用常数
APPENDIX C The Periodic Table 元素周期表
APPENDIX D Unit of Energy—The Electron-Volt 能量单位——电子伏特
APPENDIX E “Derivation” and Applications of Schr?dinger’s Wave Equation 薛定谔方程的“推导”和应用
APPENDIX F Answers to Selected Problems 部分习题答案
INDEX 索引
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