1998年，我在復(fù)旦大學(xué)本科三年級(jí)時(shí)首次接觸半導(dǎo)體器件原理課程。當(dāng)時(shí)使用了一本較為經(jīng)典的校本教材《雙極型與MOS半導(dǎo)體器件原理》，教材編寫者黃鈞鼐教授擔(dān)任主講，把我引入了半導(dǎo)體器件這個(gè)神奇的領(lǐng)域。
2009年，我開始在復(fù)旦大學(xué)為微電子專業(yè)的本科生教授半導(dǎo)體器件原理課程。至今，已經(jīng)為本校本科生（包含卓越工程師班和普通班）教授過(guò)18期，為外校本科生教授過(guò)3期，為企業(yè)員工講授過(guò)2期。在多次的教授過(guò)程中，本課程教學(xué)質(zhì)量持續(xù)提升，先后獲得上海市一流本科課程、國(guó)家級(jí)一流本科課程（部分內(nèi)容）和上海市示范性本科課堂等榮譽(yù)，課程還榮獲首屆全國(guó)高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)和教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新獎(jiǎng)。網(wǎng)絡(luò)上與本課程相關(guān)的教學(xué)視頻也得到眾多學(xué)生的點(diǎn)播，并取得較好的評(píng)價(jià)。
然而，我在多年的教學(xué)過(guò)程中，深感缺少一本得心應(yīng)手、符合本科生特點(diǎn)、聚焦集成電路產(chǎn)業(yè)直接需求的教材。于是，在清華大學(xué)出版社文怡編輯的鼓勵(lì)下，我編寫了本書。本書立足微電子或集成電路相關(guān)專業(yè)本科生的需求，精選4章集成電路所用半導(dǎo)體器件的核心內(nèi)容，即PN結(jié)、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)和小尺寸場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第1~3章的具體內(nèi)容基本撰寫順序是基礎(chǔ)知識(shí)、核心參數(shù)、直流特性、交流特性、開關(guān)特性、功率特性。第4章則圍繞短溝道效應(yīng)的各種具體表現(xiàn)依次展開描述，最后給出相應(yīng)的解決方案和最新進(jìn)展。
本書具有以下特點(diǎn)。①內(nèi)容聚焦： 只重點(diǎn)闡述與集成電路芯片直接相關(guān)的半導(dǎo)體器件。②圖多式多： 配備了大量的精致圖表和公式，旨在直觀展示物理圖景和相關(guān)推導(dǎo)過(guò)程。③不厭其煩： 考慮到本書內(nèi)容的易學(xué)性，給出極其具體的推導(dǎo)過(guò)程和充分說(shuō)明。④邏輯清晰： 每章都按照清晰的邏輯逐層展開，層層遞進(jìn)，一氣呵成。⑤與時(shí)俱進(jìn)： 對(duì)小尺寸場(chǎng)效應(yīng)晶體管特性的描述，大量引入相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告和最新的研究成果，附錄部分還對(duì)業(yè)界典型參數(shù)提取做法進(jìn)行了介紹。
本書的內(nèi)容架構(gòu)雛形源自茹國(guó)平教授2008年的PPT講義，他對(duì)書稿進(jìn)行了多遍認(rèn)真的審閱，提出了很多寶貴的意見。書中大量圖片由王琳琳、彭霧、崔子悅精心繪制，梁成豪、蔡漢倫為本書的習(xí)題和附錄整理提供了大量幫助。清華大學(xué)出版社文怡編輯為本書的成書做了整體規(guī)劃。本書入選復(fù)旦大學(xué)七大系列百本精品教材特邀編寫計(jì)劃，學(xué)校為本書的編寫及出版提供了資金和政策層面的大力支持。我在此一并表示衷心的感謝。
由于本人水平有限，書中難免會(huì)有錯(cuò)誤和瑕疵，懇請(qǐng)讀者指正。
編者
2024年4月
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第1章PN結(jié)
1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)
1.1.1導(dǎo)帶電子濃度
1.1.2價(jià)帶空穴濃度
1.1.3四種電流
1.1.4突變PN結(jié)耗盡區(qū)寬度
1.1.5一維擴(kuò)散方程的穩(wěn)態(tài)解
1.1.6玻耳茲曼分布規(guī)律的應(yīng)用
1.2PN結(jié)直流特性
1.2.1基本結(jié)構(gòu)
1.2.2正偏下的電流
1.2.3非平衡PN結(jié)的能帶圖
1.2.4正向偏壓下非平衡少子的分布
1.2.5反向偏壓下非平衡少子的分布
1.2.6理想PN結(jié)的電流電壓關(guān)系
1.3PN結(jié)交流特性
1.3.1交流小信號(hào)下的PN結(jié)少子分布
1.3.2擴(kuò)散電流
1.3.3交流小信號(hào)導(dǎo)納
1.3.4交流小信號(hào)等效電路
1.4PN結(jié)的開關(guān)特性
1.4.1PN結(jié)二極管的開關(guān)作用
1.4.2導(dǎo)通過(guò)程
1.4.3關(guān)斷過(guò)程
習(xí)題
第2章雙極型晶體管
2.1工作原理
2.1.1晶體管的發(fā)明
2.1.2基本結(jié)構(gòu)
2.1.3放大原理
2.1.4共基極電流放大系數(shù)
2.1.5共射極電流放大系數(shù)
2.2直流特性
2.2.1BJT中的少子分布
2.2.2理想晶體管的電流電壓方程
2.2.3電流放大系數(shù)表達(dá)式
2.2.4理想晶體管的輸入與輸出特性
2.3BJT的非理想現(xiàn)象
2.3.1發(fā)射結(jié)面積對(duì)的影響
2.3.2基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（Early效應(yīng)）
2.3.3發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響
2.3.4大注入效應(yīng)之一Webster效應(yīng)
2.3.5大注入效應(yīng)之二Kirk效應(yīng)
2.3.6大注入效應(yīng)之三發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻
自偏壓效應(yīng)）
2.3.7實(shí)際晶體管的輸入與輸出特性
2.4反向特性
2.4.1晶體管的反向電流
2.4.2晶體管反向擊穿電壓
2.4.3晶體管穿通電壓
2.5晶體管模型
2.6頻率特性
2.6.1晶體管的放大作用
2.6.2低頻交流小信號(hào)等效電路
2.6.3放大系數(shù)的頻率特性
2.6.4高頻等效電路
2.6.5漂移型晶體管
2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管
2.7開關(guān)特性
2.7.1晶體管的開關(guān)作用
2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時(shí)間
習(xí)題
第3章場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)
3.1表面電場(chǎng)效應(yīng)
3.1.1表面電導(dǎo)
3.1.2MOSFET發(fā)明簡(jiǎn)史
3.2工作原理
3.3MOSFET的閾值電壓
3.3.1閾值電壓的定義
3.3.2影響閾值電壓的因素
3.4MOSFET的直流特性
3.4.1MOSFET非平衡時(shí)的能帶圖
3.4.2IDSVDS的關(guān)系
3.4.3MOSFET的亞閾值特性
3.4.4MOSFET的直流參數(shù)和低頻小信號(hào)參數(shù)
3.4.5MOSFET的二級(jí)效應(yīng)
3.4.6擊穿特性
3.5MOSFET的頻率特性
3.5.1交流小信號(hào)等效電路
3.5.2高頻特性
3.6MOSFET的開關(guān)特性
3.6.1電阻型負(fù)載MOS倒相器
3.6.2增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS倒相器
3.6.3增強(qiáng)型耗盡型MOS倒相器
3.6.4互補(bǔ)型MOS倒相器
3.7MOSFET的功率特性
習(xí)題
第4章小尺寸MOSFET
4.1小尺寸效應(yīng)
4.1.1MOSFET的短溝道效應(yīng)
4.1.2閾值電壓滾降
4.1.3反常短溝道效應(yīng)
4.1.4窄溝道效應(yīng)
4.1.5漏感應(yīng)勢(shì)壘降低
4.1.6短溝道 MOSFET的亞閾特性
4.1.7熱載流子效應(yīng)抑制新型漏結(jié)構(gòu)
4.2小尺寸MOSFET的直流特性
4.2.1載流子速度飽和效應(yīng)
4.2.2短溝道器件溝道中的電場(chǎng)
4.3MOSFET的按比例微縮規(guī)律
4.3.1按比例微縮規(guī)律概述
4.3.2MOSFET的微縮規(guī)則
4.3.3微縮的限制及對(duì)策
習(xí)題
附錄AEbersMoll方程仿真NPN BJT共射極輸出特性曲線的
MATLAB程序樣例
附錄B均勻基區(qū)NPN BJT交流小信號(hào)情況下的超相移因子
附錄C集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)d()和集電結(jié)渡越時(shí)間d的推導(dǎo)
附錄D氧化物隔離雙極型晶體管典型工藝流程
附錄E淺槽隔離平面CMOS晶體管典型工藝流程
附錄F淺槽隔離立體FinFET典型工藝流程
附錄GMOSFET重要參數(shù)的業(yè)界測(cè)量方案
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