《半导体器件与工艺》构建了半导体器件原理与制造工艺的完整知识体系，全书共 6 章，按照“基础理论—核心器件—制造工艺—检测技术”的框架展开。首先介绍了半导体器件物理的基础知识，然后系统解析了二极管、双极型晶体管、场效应晶体管等代表性半导体器件的工作机理，之后完整呈现了集成电路的制造流程与设备，最后介绍了相关量测工艺与设备。书中通过“结构—特性—应用”三维模型，形成了完整的认知闭环。全书践行产学研协同理念，联合上海积塔半导体有限公司等企业，融入晶圆级制造及车规级芯片产业化成果，依托联合实验室，融合经典理论与异构集成技术，兼具学术深度与产业前瞻性。
本书适合芯片制造与设计人员、半导体工艺和设备工程师阅读，也适合作为高等院校微电子科学与工程、电子科学与技术等相关专业的教材。

前言
第 1 章　半导体器件物理基础 1
1.1 固体物理概述 1
1.1.1 固体物理基础 1
1.1.2 晶体结构与对称性 1
1.2 能带理论 3
1.2.1 晶体能带的形成 3
1.2.2 价带、导带和禁带 6
1.2.3 布里渊区和能带结构 7
1.2.4 费米能级 14
1.3 载流子行为 17
1.3.1 载流子的定义 17
1.3.2 本征激发 17
1.3.3 产生机制与能带关联 17
1.3.4 载流子与材料导电性的关系 17
1.3.5 半导体材料分类及载流子特性分析 18
1.3.6 载流子的漂移运动 18
1.3.7 载流子的扩散运动 19
1.3.8 双极输运现象 19
1.4 PN 结及其特性 20
1.4.1 PN 结的形成 20
1.4.2 PN 结零偏 21
1.4.3 PN 结反偏 26
1.4.4 PN 结正偏 28
1.4.5 PN 结应用 29
第 2 章　二极管 31
2.1 PN 结二极管 31
2.1.1 PN 结的基本结构 31
2.1.2 PN 结电流 31
2.1.3 边界条件 32
2.1.4 PN 结的能带图和耗尽层 35
2.2 雪崩二极管 36
2.2.1 雪崩击穿 36
2.2.2　雪崩二极管简介 43
2.2.3　雪崩二极管的伏安特性曲线 44
2.3　齐纳二极管 44
2.3.1　齐纳击穿 44
2.3.2　齐纳二极管简介 45
2.3.3　齐纳二极管的伏安特性曲线 46
2.4　发光二极管 46
2.4.1　基本结构与工作原理 47
2.4.2　特征曲线 48
2.4.3　实用案例 49
第 3 章　双极型晶体管 51
3.1　基本结构与工作原理 51
3.1.1 NPN 型晶体管 51
3.1.2 PNP 型晶体管 54
3.2　特性曲线 54
3.2.1　共基极直流特性曲线族 55
3.2.2　共发射极直流特性曲线族 55
3.2.3　不正常的输出特性分析 56
3.3　双极型晶体管应用实例 60
3.3.1 NPN 型晶体管的应用电路设计 60
3.3.2 PNP 型晶体管的应用电路设计 61
3.3.3 NPN 型与 PNP 型晶体管混合应用 62
3.3.4 NPN 型与 PNP 型晶体管的优缺点分析 63
第 4 章　场效应晶体管 64
4.1　结型场效应晶体管 64
4.1.1　结型场效应晶体管的基本结构 64
4.1.2　结型场效应晶体管的基本原理（以 N 沟 JFET 为例） 64
4.1.3　结型场效应晶体管的特性曲线 66
4.1.4 MESFET 67
4.1.5　结型场效应晶体管的直流特性与低频小信号参数 68
4.1.6 结型场效应晶体管的交流小信号参数 74
4.1.7　结型场效应晶体管的交流特性 76
4.1.8　结型场效应晶体管结构举例 78
4.2　绝缘栅场效应晶体管 82
4.2.1　绝缘栅场效应晶体管的基本概念 82
4.2.2　绝缘栅场效应晶体管技术发展历程 82
4.2.3　绝缘栅场效应晶体管的结构组成 82
4.2.4　绝缘栅场效应晶体管的工作原理 83
4.2.5　绝缘栅场效应晶体管的分类 84
4.2.6　绝缘栅场效应晶体管的主要特性 84
4.2.7　绝缘栅场效应晶体管的主要应用领域 84
4.2.8　未来挑战与创新方向 84
4.3　金属-氧化物-半导体场效应晶体管 85
4.3.1　基本结构与工作原理 85
4.3.2　特性曲线 87
第 5 章　集成电路制造工艺与设备 89
5.1 集成电路制造概述 89
5.1.1 硅片制造厂 90
5.1.2 集成电路的制造步骤 90
5.2 图形生成工艺与设备 92
5.2.1 图形生成工艺概述 92
5.2.2 基本光刻工艺流程 97
5.2.3 光刻技术中的常见问题 105
5.2.4 图形生成设备 107
5.3 增材工艺与设备 114
5.3.1 化学气相淀积 114
5.3.2 APCVD 116
5.3.3 LPCVD 117
5.3.4 PECVD 119
5.3.5 薄膜质量控制 120
5.3.6 物理气相淀积 122
5.3.7 真空蒸镀 124
5.3.8 溅射 127
5.3.9 直流溅射 131
5.3.10 射频溅射 132
5.3.11 磁控溅射 133
5.3.12 其他溅射方法 135
5.4 减材工艺与设备 137
5.4.1 减材工艺设备概述 137
5.4.2 湿法刻蚀的工艺原理与设备 138
5.4.3 干法刻蚀的工艺原理与设备 140
5.4.4 CMP 的工艺原理与设备 145
5.5 材料改性工艺与设备 150
5.5.1 材料改性工艺概述 150
5.5.2 离子注入工艺和设备 152
5.5.3 离子注入激活工艺 158
第 6 章　量测工艺与设备 159
6.1 半导体工艺监测与测量 159
6.1.1 半导体工艺监测内容与需求 159
6.1.2 外观监测 160
6.1.3 颗粒监测 162
6.1.4 带图案晶圆的缺陷监测 163
6.2 红外检验技术 163
6.2.1 红外检验的原理及应用 163
6.2.2 红外显微镜 165
6.2.3 红外显微镜使用的检测器 167
6.2.4 红外显微镜的灵敏度 168
6.2.5 红外显微镜系统的参量 169
6.2.6 热显微照相 170
6.2.7 扫描时间极限 172
6.2.8 高速扫描显微镜 172
6.3 形貌检测技术 173
6.3.1 扫描电子显微镜技术 173
6.3.2 重叠监测 175
6.4 膜厚测量与截面测量技术 177
6.4.1 膜厚测量的原理 177
6.4.2 截面测量技术 177
6.4.3 TEM 制样技术 178
6.5 缺陷分析 179
6.5.1 缺陷分析的基础知识 179
6.5.2 利用 FMB 进行比较 179

前言
在当今时代，半导体技术已成为现代信息社会的基石，其影响力无处不在。从智能手机、高速通信到人工智能、量子计算，半导体器件的创新与制造工艺的突破，持续推动着科技革命的浪潮。为培养半导体领域的专业人才，本书系统梳理了集成电路核心器件的原理与关键技术，旨在搭建一座连接基础物理与产业实践的桥梁。
全书共 6 章，内容编排严格遵循知识递进规律与学科内在逻辑。第 1 章“半导体器件物理基础”着重探讨能带理论、载流子输运机制及 PN 结原理，为后续章节奠定坚实的物理理论基础。第 2 ~ 4 章依次深入剖析核心器件：从二极管的单向导电特性，到双极型晶体管的电流放大效应，再到场效应晶体管的多维度调制模型，逐步揭示半导体器件的工作
机理与设计精髓。第 5 章“集成电路制造工艺与设备”聚焦于 Fab 厂晶圆加工全流程工艺，涵盖光刻、刻蚀、淀积等关键工艺环节，并结合最新制造设备与技术趋势，完整呈现集成电路从设计到量产的实现路径。第 6 章“量测工艺与设备”则重点讨论半导体制造过程中的关键量测技术，包括红外检验技术、形貌检测技术、膜厚测量与截面测量技术、缺陷分析等，为产品质量控制与工艺优化提供技术支持。
在内容架构上，本书始终围绕半导体器件的基本结构与工作原理展开系统性解析，通过“结构—特性—应用”的三维知识链强化认知深度。以 PN 结二极管为例，在基本结构层面，解析 P 型 /N 型半导体的原子键合与耗尽层形成机制；在工作原理上，阐明单向导电性源于载流子扩散与内建电场的动态平衡；通过特性曲线，揭示正向导通阈值、反向击穿
电压及温度敏感性规律；结合应用实例，如在 CMOS 芯片中的应用，展现器件特性在工业场景中的核心价值。全书以“结构→原理→特性→应用”为脉络，实现理论认知与工程实践的深度贯通。
本书的编写深度践行了产学研协同创新理念。编者团队与行业领军企业上海积塔半导体有限公司等建立了长期技术合作，聚焦特色工艺开发与先进器件研发。上海积塔半导体有限公司的晶圆级芯片制造经验、浙江晶能微电子有限公司在车规级芯片领域的产业化成果，以及编者团队与企业共建的“芯片封装联合实验室”在研发过程中积累的晶圆级封装、系统级测试等技术资源，为本书的编写提供了核心数据支持。
在本书编写过程中，我们深切感受到半导体领域知识迭代的迅猛速度：第三代半导体材料的产业化进程、原子层沉积（ALD）等先进工艺的突破、芯片三维集成技术的演进……这些变革既带来新的挑战，也赋予我们更新知识体系的动力。为此我们还组建了由高校教师与产业专家组成的顾问团队，其中上海积塔半导体有限公司的工艺整合可靠性设计团队、封装技术骨干均深度参与本书内容的优化，确保全书既保持学科经典理论的完整性，又充分融合先进功率器件等最新产业技术进展，使全书内容兼具前沿性与实用性。
本书适合微电子科学与工程、电子科学与技术等专业的高年级本科生及研究生阅读，同时可供集成电路设计、半导体制造等领域的工程技术人员参考学习。我们希望读者通过本书的学习，不仅能掌握半导体器件与工艺的核心知识，更能培养出解决复杂工程问题的系统思维。当在未来设计更高性能的芯片或开发更精密的制造设备时，愿这些知识能成为照亮创新之路的明灯。半导体技术的星辰大海，正等待新一代工程师的探索与征服。
最后，我们衷心感谢所有为本书编写提供支持和帮助的专家、学者和同行。由于时间和水平的限制，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正，以便我们在今后的修订中不断完善。
谨以此书献给所有致力于推动中国半导体产业发展的教育工作者与科技工作者。
编者谨识 　　
2025 年春