《半导体器件基础（原著第二版）》通俗易懂地讲解现代半导体器件知识，贴合实际且注重实用，着重帮助读者扎实理解各类半导体材料与器件电学特性背后的物理过程。
本书内容丰富全面。分为5 大部分：材料，二极管，场效应晶体管（FET），双极晶体管（BJT），光电器件与功率半导体器件。同时还有大量补充材料，以帮助读者拓展学习；书后还设有常数、符号表、半导体制造工艺等实用附录。
无论是半导体领域的初学者，还是希望深入理解半导体器件物理过程的专业人士，本书都是不可多得的学习与参考资料。本书各章配有大量例题、复习题与思考题，也非常适合作为电气工程、微电子、集成电路及相关专业的教材。

第1部分 材料
第1章 半导体中的电子能量和状态 2
1.1 引言 2
1.2 简要历史 2
1.3 氢原子的应用 3
1.3.1 氢原子的玻尔模型 3
1.3.2 氢原子在分子上的应用：共价键 9
1.3.3 量子数和泡利不相容原理 10
1.3.4 晶体中的共价键 11
1.4 波粒二象性 16
1.5 波函数 18
1.6 电子波函数 18
1.6.1 一维自由电子 19
1.6.2 德布罗意关系 21
1.6.3 三维自由电子 22
1.6.4 准自由电子模型 23
1.6.5 反射和隧穿 27
1.7 光吸收和光发射的初步理解 28
1.8 晶体结构、晶面和晶向 32
1.9 小结 34
1.10 参考文献 35
1.11 复习题 35
1.12 思考题 36

第2章 均匀半导体 41
2.1 引言 41
2.2 适用于晶体中电子的准经典力学 42
2.2.1 一维晶体 42
2.2.2 三维晶体 47
2.3 导带结构 48
2.4 价带结构 49
2.5 本征半导体 50
2.6 非本征半导体 52
2.6.1 施主 52
2.6.2 受主 56
2.7 空穴的概念 57
2.8 电子和空穴的有效质量 59
2.9 能带中电子的态密度函数 60
2.10 费米- 狄拉克统计 62
2.11 电子和空穴随能量的分布 65
2.12 非简并半导体中载流子浓度的温度相关性 76
2.12.1 高温下的载流子浓度 77
2.12.2 低温下的载流子浓度（载流子冻结） 81
2.13 简并半导体 81
2.13.1 杂质引起的带隙变窄 81
2.13.2 表观带隙变窄 83
2.14 小结 85
2.14.1 非简并半导体 86
2.14.2 简并半导体 87
2.15 参考文献 87
2.16 复习题 88
2.17 思考题 88

第3章 均匀半导体的电流 96
3.1 引言 96
3.2 漂移电流 96
3.3 载流子迁移率 100
3.3.1 载流子散射 103
3.3.2 散射迁移率 104
3.3.3 杂质能带中的迁移率 106
3.3.4 迁移率的温度依赖性 108
3.3.5 高场效应 108
3.4 扩散电流 110
3.5 载流子产生和复合 113
3.5.1 带间产生和复合 114
3.5.2 两步过程 114
3.6 半导体中的光学过程 115
3.6.1 吸收 115
3.6.2 光发射 118
3.7 连续性方程 119
3.8 少数载流子寿命 121
3.8.1 上升时间 123
3.8.2 下降时间 124
3.9 少数载流子扩散长度 126
3.10 准费米能级 128
3.11 小结 130
3.12 参考文献 132
3.13 复习题 132
3.14 思考题 133

第4章 非均匀半导体 137
4.1 平衡态时费米能级的恒定性 137
4.2 缓变掺杂 139
4.3 非均匀组分 143
4.4 缓变掺杂和缓变组分的结合 146
4.5 小结 148
4.6 参考文献 148
4.7 复习题 148
4.8 思考题 148

第1部分补充材料 量子力学导论 152
S1.1 引言 152
S1.2 波函数 152
S1.3 概率与波函数 154
S1.4 薛定谔方程 156
S1.5 将薛定谔方程应用于电子 157
S1.6 量子力学中的一些结果 158
S1.6.1 自由电子 158
S1.6.2 准自由电子 159
S1.6.3 能量势阱 160
S1.6.4 一维无限深势阱 161
S1.6.5 有限深势垒处的反射和透射 163
S1.6.6 隧穿效应 165
S1.6.7 有限深势阱 172
S1.6.8 重新讨论氢原子 173
S1.6.9 不确定性原理 174
S1.7 声子 175
S1.7.1 声子导致的载流子散射 178
S1.7.2 间接电子跃迁 180
S1.8 小结 183
S1.9 参考文献 183
S1.10 复习题 184
S1.11 思考题 184


第2部分 二极管
第5章 原型同质pn 结 193
5.1 引言 193
5.2 原型pn 结（定性分析） 194
5.2.1 原型pn 结的能带图 194
5.2.2 原型同质pn 结中的电流流向 200
5.2.3 隧道二极管 204
5.3 原型同质pn 结（定量分析） 206
5.3.1 平衡态能带图（突变结） 207
5.3.2 外加电压下的能带图 209
5.3.3 同质pn 结的电流- 电压特性 214
5.3.4 反向偏压击穿 232
5.4 原型同质结的小信号阻抗 234
5.4.1 结（差分） 电阻 235
5.4.2 结（差分） 电容 236
5.4.3 存储电荷电容 237
5.5 瞬态效应 241
5.5.1 关断瞬态 241
5.5.2 导通瞬态 243
5.6 温度的影响 247
5.7 小结 247
5.7.1 内建电压 248
5.7.2 结宽 248
5.7.3 结电流 249
5.7.4 结击穿 250
5.7.5 电容 250
5.7.6 瞬态效应 251
5.8 复习题 251
5.9 思考题 251

第6章 二极管的其他注意事项 256
6.1 引言 256
6.2 非突变同质结 256
6.2.1 线性缓变结 260
6.2.2 超突变结 262
6.3 半导体异质结 263
6.3.1 半导体- 半导体异质结能带图 263
6.3.2 隧穿诱导偶极子 266
6.3.3 界面态效应 270
6.3.4 晶格失配对异质结的影响 272
6.4 金属- 半导体结 273
6.4.1 理想金属- 半导体结（电子亲和能模型） 273
6.4.2 界面诱导偶极子的影响 274
6.4.3 金属- 半导体结的电流- 电压特性 276
6.4.4 欧姆（低阻） 接触 279
6.4.5 异质结二极管的I-Va 特性 280
6.5 非理想半导体结和异质结中的电容 280
6.6 小结 281
6.7 参考文献 281
6.8 复习题 282
6.9 思考题 282

第2部分补充材料 二极管 286
S2.1 引言 286
S2.2 介电弛豫时间 286
S2.2.1 情况1：多数载流子的介电弛豫时间 286
S2.2.2 情况2：少数载流子的介电弛豫时间 288
S2.3 结电容 289
S2.3.1 原型（突变） 结中的结电容 289
S2.3.2 非均匀掺杂结中的结电容 291
S2.3.3 变容二极管 292
S2.3.4 短基二极管的存储电荷电容 293
S2.4 肖特基二极管的二阶效应 295
S2.4.1 肖特基势垒的隧穿 296
S2.4.2 镜像效应导致的肖特基二极管势垒降低 297
S2.5 小结 299
S2.6 参考文献 300
S2.7 复习题 300
S2.8 思考题 300


第3部分 场效应晶体管
第7章 MOSFET 311
7.1 引言 311
7.2 MOSFET（定性分析） 311
7.2.1 MOS 电容器简介 311
7.2.2 MOS 电容器混合图 316
7.2.3 平衡态MOSFET（定性分析） 318
7.2.4 非平衡态MOSFET （定性分析） 320
7.3 MOSFET 漂移模型（定量分析） 328
7.3.1 恒定沟道迁移率的长沟道漂移MOSFET 模型 329
7.3.2 更实际的长沟道模型：电场对迁移率的影响 341
*7.3.3 串联电阻 356
7.4 模型与实验数据的比较 357
7.5 MOSFET 的弹道模型 358
7.6 短沟道效应 361
7.6.1 有效沟道长度对VDS 的依赖性 361
7.6.2 漏极电压与阈值电压的依赖性 363
7.7 亚阈值泄漏电流 363
7.8 小结 366
7.9 参考文献 369
7.10 复习题 369
7.11 思考题 369

第8章 其他场效应晶体管 373
8.1 引言 373
8.2 阈值电压和低场迁移率的测量 373
8.3 补偿型MOSFET（CMOS） 377
8.3.1 CMOS 反相器的运行原理 378
8.3.2 CMOS 器件的匹配 380
8.4 CMOS 反相器电路中的开关特性 382
8.4.1 负载电容的影响 382
8.4.2 CMOS 开关电路中的传输（门） 延迟 383
8.4.3 COMS 开关中的直通电流 386
8.5 其他MOSFET 386
8.5.1 绝缘体上硅（SOI）MOSFET 387
8.5.2 FinFET 394
8.5.3 非易失性MOSFET 396
8.6 其他FET 398
8.6.1 异质结场效应晶体管（HFET） 398
8.6.2 金属- 半导体场效应晶体管（MESFET） 404
8.6.3 结型场效应晶体管（JFET） 407
8.6.4 隧道场效应晶体管（TFET） 409
8.7 体沟道场效应晶体管：定量分析 411
8.8 小结 413
8.9 参考文献 414
8.10 复习题 415
8.11 思考题 415

第3部分补充材料 MOSFET 的其他注意事项 418
S3.1 引言 418
S3.2 沟道电荷Qch 与纵向电场L 的关系 418
S3.3 MOSFET 的阈值电压 419
S3.3.1 固定电荷 421
S3.3.2 界面陷阱电荷 421
S3.3.3 体电荷 422
S3.3.4 电荷对阈值电压的影响 422
S3.3.5 平带电压 423
S3.3.6 阈值电压的控制 426
S3.3.7 沟道量子效应 428
S3.4 MOSFET 模拟等效电路 430
S3.4.1 小信号等效电路 431
S3.4.2 CMOS 放大器 434
S3.5 单位电流增益截止频率fT 435
S3.6 MOS 电容 436
S3.6.1 理想MOS 电容 437
S3.6.2 实际MOS 电容的C-VG特性 441
S3.6.3 基于C-VG 测量数据的MOSFET 参数分析 442
S3.7 动态随机存取存储器（DRAM） 442
S3.8 MOSFET 的缩放 445
*S3.9 器件和互连的退化 447
S3.10 小结 452
S3.11 参考文献 453
S3.12 复习题 453
S3.13 思考题 454


第4部分 双极晶体管（BJT）
第9章 双极晶体管：静态特性 462
9.1 引言 462
9.2 输出特性（定性分析） 465
9.3 电流增益 467
9.4 双极晶体管的原型模型 469
9.4.1 收集效率M 472
9.4.2 注入效率γ 472
9.4.3 基极传输效率α T 473
9.5 双极晶体管中的缓变掺杂 479
9.5.1 缓变基区晶体管 481
9.5.2 基区电场对β 的影响 484
9.6 异质结双极晶体管（HBT） 486
9.6.1 均匀掺杂的HBT 487
9.6.2 缓变组分的HBT——Si:SiGe 基区:Si HBT 489
9.6.3 双异质结双极晶体管（DHBT） 491
9.7 Si 基区BJT、SiGe 基区HBT 和GaAs 基区HBT 的对比 492
9.8 基本Ebers-Moll 直流电路模型 493
9.9 小结 495
9.10 参考文献 497
9.11 复习题 497
9.12 思考题 498

第10章 双极晶体管的时变分析 502
10.1 引言 502
10.2 Ebers-Moll 交流模型 502
10.3 小信号等效电路 503
10.4 BJT 中的存储电荷电容 509
10.5 频率响应 513
10.5.1 单位电流增益频率fT 514
10.5.2 基区渡越时间tT 515
10.5.3 基区- 集电区渡越时间tBC 517
10.5.4 最大振荡频率f max 517
10.6 高频晶体管 517
10.7 双极开关晶体管 519
10.7.1 输出从低到高的转换时间 520
10.7.2 肖特基钳位晶体管 522
10.7.3 双异质结双极晶体管（DHBT） 523
10.8 BJT、MOSFET 和BiMOS 524
10.8.1 BJT 和MOSFET 的比较 524
10.8.2 双极-MOS 管（BiMOS） 525
10.9 小结 526
10.10 参考文献 526
10.11 复习题 527
10.12 思考题 527

第4部分补充材料 双极器件 529
S4.1 引言 529
S4.2 BJT 中的电流拥挤和基极电阻 529
S4.3 基区宽度调制（厄利效应） 532
S4.4 雪崩击穿 536
S4.5 高注入 537
S4.6 基区扩展（柯克） 效应 538
S4.7 发射极- 基极结中的复合 539
S4.8 BJT 中的失调电压 540
S4.9 横向双极晶体管 541
S4.10 小结 542
S4.11 参考文献 542
S4.12 复习题 543
S4.13 思考题 543


第5部分 光电器件与功率半导体器件
第11章 光电器件 546
11.1 引言 546
11.2 光电探测器 547
11.2.1 通用光电探测器 547
*11.2.2 太阳能电池 553
11.2.3 pin（PIN） 光电探测器 558
11.2.4 雪崩光电二极管 559
11.3 发光二极管（LED） 560
11.3.1 正向偏置结中的自发辐射 560
*11.3.2 蓝光LED、紫外LED 和白光LED 562
11.3.3 红外LED 562
11.3.4 白光LED 和固态照明 567
11.4 激光二极管 570
11.4.1 光学增益 570
11.4.2 反馈 573
11.4.3 增益+ 反馈= 激光器 575
11.4.4 激光器结构 577
11.4.5 其他半导体激光材料 580
11.5 图像传感器（成像器件） 581
11.5.1 电荷耦合器件 581
11.5.2 线性图像传感器 583
11.5.3 面阵图像传感器 584
11.6 小结 585
11.7 参考文献 586
11.8 复习题 586
11.9 思考题 587

第12章 功率半导体器件 591
12.1 引言 591
12.2 整流二极管 591
12.2.1 结击穿 592
12.2.2 比导通电阻 601
12.2.3 瞬态损耗 607
12.2.4 合并式PIN-肖特基（MPS）二极管 611
12.3 晶闸管（npnp 型开关器件） 612
12.3.1 四层二极管开关 613
12.3.2 晶闸管（npnp 开关） 的双晶体管模型 615
12.3.3 可控硅整流器（SCR） 616
12.3.4 双向晶闸管（TRIAC） 619
12.3.5 栅极关断晶闸管（GTO） 619
12.4 功率MOSFET 621
12.5 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 626
12.6 功率MOSFET 与IGBT 629
12.7 小结 630
12.8 参考文献 631
12.9 复习题 631
12.10 思考题 632


附录 634
附录A 常数 634
附录B 符号表 638
附录C 半导体器件的制造 645
C.1 引言 645
C.2 衬底准备 645
C.3 掺杂 651
C.4 光刻技术 654
C.5 导体和绝缘体 654
C.6 氮氧化硅（SiOxNy 或
SiON） 658
C.7 超净间 660
C.8 封装 660
C.9 小结 663
附录D 一些有用的积分 664
附录E 一些有用的公式 664
普通物理学 664
半导体材料 664
结 665
场效应晶体管 666
双极晶体管 668
光电器件 671
功率半导体器件 672

这是一本关于半导体器件工作原理的教材，适用于电子类专业本科三年级或四年级学生，或研究生一年级学生，同时也适用于计算机工程、物理学和材料科学专业的学生。此外，对于从事现代半导体器件研究与开发的工程师和科研人员，本书也可作为参考书。
先修课程包括化学、物理学以及基础电路课程，这些通常在大学一、二年级修读。
本书适用于两个或三个学期的半导体器件课程。若用于一个学期的课程，可通过略去部分较深入的内容，并将某些章节指定为自学阅读材料来实现。作者在组织内容时，力求使某些细节推导部分可跳过而不影响对其他章节的理解。
本书分为五个部分：
1. 材料
2. 二极管
3. 场效应晶体管
4. 双极晶体管
5. 光电器件与功率半导体器件
前4部分之后附有“补充材料”。补充材料虽非理解器件基本工作原理所必需，但包含了与主题相关的扩展知识，教师可根据需要酌情布置。
第1部分“材料”包含四章正文和一个补充材料。前两章包含大量来自预修课程的复习内容，之所以保留，是因为这些知识在后续章节中被广泛用于解释器件的工作原理。根据学生先修课程的具体深度，这些章节的大部分内容可安排为阅读作业。
此类课程中对量子力学内容的要求差异较大。本书在第1部分的正文章节中仅涵盖基本概念；希望深入学习量子力学的读者，可在第1部分补充材料中找到更详尽的内容。
对于同类型器件（如二极管、场效应晶体管、双极晶体管、光电探测器），无论尺寸大小，其基本工作原理是相同的。然而，器件尺寸会影响诸多参数的相对重要性。本书首先讨论大尺寸器件的普遍行为。在每类器件中，我们先分析“原型”器件（例如突变结、长沟道场效应晶体管），从中学习基本物理机制，再引入考虑二阶效应的更现实模型。这些二阶效应对现代小尺寸器件的电学特性具有显著影响。教师可根据课时安排和教学目标，选择深入讲解的程度。
本书还涵盖了一些通常在本科教材中被省略的主题，例如：
◆ 在态密度计算与电导率计算中，电子与空穴有效质量的差异；
◆ 电子与空穴迁移率（及其扩散系数） 在作为多数载流子与少数载流子时的差异；
◆ 双极晶体管的基区缓变掺杂（以及异质结双极晶体管的组分变化） 对电流增益和开关速度的影响；
◆ 重掺杂半导体中的带隙变窄效应。虽然这一效应对二极管或场效应晶体管的电学特性影响甚微，但在双极晶体管的发射极中，可导致电流增益下降多个数量级；
◆ 宽带隙半导体（如GaN 和4H-SiC） 在大功率半导体器件中的应用。
虽然本书主要侧重于硅材料及硅基器件，但也讨论了化合物半导体器件、合金器件（如Si:Ge、AlGaAs） 以及异质结（由不同组分的半导体构成的结） 器件，因为通过带隙工程（band-gap engineering，也称能带工程） 可显著提升器件性能。
器件制造虽然是半导体工程的重要组成部分，但在教学中常因课时限制而被略去。相关内容收录于附录C，读者可根据需要阅读。
此外，还提供了一系列在线模块（Online Modules，OM），为补充性的专题内容。这些模块的内容通常超出半导体器件入门学习的范围，可用于拓展学习。例如，OM7 介绍了一些使用CMOS 器件的典型电路。这些在线模块可通过扫码获取。