本书根据教育部新的课程改革要求，在已取得多项教学改革成果的基础上进行编写。内容主要包括半导体物理和晶体管原理两部分，其中，第1章介绍半导体材料特性，第2～3章系统阐述PN结和双极型晶体管，第4～5章系统阐述半导体表面特性和MOS型晶体管，第6章介绍其他几种常用的半导体器件。全书结合高等职业院校的教学特点，侧重于物理概念与物理过程的描述，并在各章节设有操作实验和仿真实验，内容与企业生产实践相结合，适当配置工艺和版图方面的知识，以方便开展教学。本书为高等职业本专科院校相应课程的教材，也可作为开放大学、成人教育、自学考试、中职学校、培训班的教材，以及半导体行业工程技术人员的参考书。本书提供免费的电子教学课件、习题参考答案等资源，相关介绍详见前言。

近几年，我国集成电路产业得到快速发展，已经形成了IC设计、制造、封装、测试及支撑配套业等较为完善的产业链格局，成为全球半导体产业关注的焦点。同时，适合集成电路产业发展的高技能应用型人才相对匮乏，产业技能人才的需求十分紧迫。目前，不少高职院校设置了半导体器件物理等核心课程，但实操性强且适合高职院校学生的教材较少。现有成熟教材的特点是基础知识点的理论性强、数学推导繁杂、内容覆盖面太广，不利于技术技能型人才的培养。

本书根据教育部新的课程改革要求，在已取得多项教学改革成果的基础上进行编写。本书为江苏高校微电子技术品牌专业建设工程资助项目成果（编号PPZY2015B190）。全书结合高等职业院校的教学特点，侧重于物理概念与物理过程的描述，内容叙述力求重点突出、条理分明、深入浅出、图文并茂，简化数学推导，并在各章节设有操作实验和仿真实验，内容与企业生产实践相结合，适当配置工艺和版图方面的知识，以方便开展教学。

本书内容主要包括半导体物理和晶体管原理两部分，其中，第1章介绍半导体材料特性，第2～3章系统阐述PN结和双极型晶体管，第4～5章系统阐述半导体表面特性和MOS型晶体管，第6章介绍其他几种常用的半导体器件。本课程的参考学时为68～96学时，各校可根据不同的教学环境和专业要求进行适当的内容取舍与安排。

本书由江苏信息职业技术学院徐振邦副教授担任主编，陆建恩担任副主编。具体编写分工为：第1～3章和第6.4、6.5节由徐振邦编写，第4～5章和第6.7节由陆建恩编写，第6.1、6.2、6.3、6.6节和各章所有的仿真实验由黄玮编写，书中的操作实验由袁琦睦编写并绘制了部分插图。全书由江苏信息职业技术学院孙萍教授主审。

本书在编写过程中参考了一些优秀的著作和资料，汲取了其中的部分精华内容，另外还得到了电子工业出版社的大力支持，在此一并表示诚挚的谢意。

由于作者水平有限，书中难免存在错漏之处，恳请专家和读者批评指正。

本书配有免费的电子教学课件与习题参考答案等资源，请有此需要的教师登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载。直接扫一扫书中的二维码可阅览更多的立体化教学资源。如有问题请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail：hxedu@phei.com.cn）。

编者

徐振邦 副教授，毕业于南京大学应用物理专业，已在江苏信息职业技术学院电信学院从事多年的电子类专业课程的教学与研究工作，教学经验丰富。

目 录



第1章 半导体特性1
1.1 半导体的晶体结构2
1.1.1 晶体的结构2
1.1.2 晶面与晶向3
1.2 半导体中的电子状态4
1.2.1 能级与能带4
1.2.2 本征半导体的导电机制7
1.3 杂质与缺陷8
1.3.1 杂质与杂质能级8
1.3.2 缺陷与缺陷能级11
实验1 晶体缺陷的观测12
1.4 热平衡载流子13
1.4.1 费米能级与载流子浓度14
1.4.2 本征半导体的载流子浓度17
1.4.3 杂质半导体的载流子浓度18
1.5 非平衡载流子19
1.5.1 非平衡载流子的注入19
1.5.2 非平衡载流子的复合20
实验2 高频光电导衰减法测量硅中少子寿命21
1.5.3 复合机制24
1.6 载流子的运动25
1.6.1 载流子的漂移运动与迁移率26
1.6.2 载流子的扩散运动与爱因斯坦关系29
知识梳理与总结33
思考题与习题135
第2章 PN结36
2.1 平衡PN结37
2.1.1 PN结的形成与杂质分布37
2.1.2 PN结的能带图38
2.1.3 PN结的接触电势差与载流子分布39
2.2 PN结的直流特性41
2.2.1 PN结的正向特性41
2.2.2 PN结的反向特性45
实验3 PN结伏安特性与温度效应46
2.2.3 影响PN结伏安特性的因素47
2.3 PN结电容49
2.3.1 PN结电容的成因及影响49
2.3.2 突变结的势垒电容50
实验4 PN结势垒电容的测量53
2.3.3 扩散电容54
2.4 PN结的击穿特性55
2.4.1 击穿机理55
2.4.2 雪崩击穿电压57
2.4.3 影响雪崩击穿电压的因素58
2.5 PN结的开关特性60
2.5.1 PN结的开关作用60
2.5.2 PN结的反向恢复时间61
知识梳理与总结63
思考题与习题263
第3章 双极晶体管及其特性65
3.1 晶体管结构与工作原理66
3.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布66
3.1.2 晶体管的电流传输68
3.1.3 晶体管的直流电流放大系数70
3.2 晶体管的直流特性75
3.2.1 晶体管的伏安特性曲线75
仿真实验1 共发射极晶体管伏安特性仿真76
实验5 半导体管特性图示仪测试晶体管的特性曲线80
3.2.2 晶体管的反向电流81
3.2.3 晶体管的击穿电压82
仿真实验2 BVCEO仿真83
实验6 晶体管直流参数测量85
3.2.4 晶体管的穿通电压87
3.3 晶体管的频率特性87
3.3.1 晶体管频率特性和高频等效电路88
3.3.2 高频时晶体管电流放大系数下降的原因89
3.3.3 晶体管的电流放大系数92
3.3.4 晶体管的极限频率参数93
3.4 晶体管的功率特性96
3.4.1 大电流工作时产生的三个效应96
3.4.2 晶体管的最大耗散功率和热阻100
3.4.3 功率晶体管的安全工作区101
3.5 晶体管的开关特性103
3.5.1 晶体管的开关作用103
3.5.2 开关晶体管的工作状态103
3.5.3 晶体管的开关过程105
3.5.4 提高晶体管开关速度的途径108
3.6 晶体管的版图和工艺流程109
3.6.1 晶体管的图形结构109
3.6.2 双极晶体管的工艺流程111
知识梳理与总结113
思考题与习题3114
第4章 半导体的表面特性116
4.1 半导体表面与Si-SiO2系统117
4.1.1 理想的半导体表面117
4.1.2 Si-SiO2系统及其特性118
4.1.3 半导体制造工艺中对表面的处理清洗与钝化121
4.2 表面空间电荷区与表面势122
4.2.1 表面空间电荷区122
4.2.2 表面势?S125
4.3 MOS结构的阈值电压127
4.3.1 理想MOS结构的阈值电压127
4.3.2 实际MOS结构的阈值电压129
4.3.3 MOS结构的应用电荷耦合器件133
4.4 MOS结构的C-V特性136
4.4.1 集成化电容的选择MOS电容136
4.4.2 理想MOS电容的C-V特性136
4.4.3 实际MOS电容的C-V特性139
实验7 MOS电容的测量141
4.5 金属与半导体接触143
4.5.1 金属?半导体接触143
4.5.2 肖特基势垒与整流接触144
4.5.3 欧姆接触146
4.5.4 金属?半导体接触的应用肖特基势垒二极管（SBD）147
实验8 SBD（肖特基）二极管伏安特性的测量148
知识梳理与总结149
思考题与习题4150
第5章 MOS型场效应晶体管151
5.1 MOS型晶体管的结构与分类152
5.1.1 MOS型晶体管的结构与工作原理152
5.1.2 MOS型晶体管的分类155
5.1.3 MOS型晶体管的基本特征156
5.1.4 集成MOS型晶体管与分立器件MOS型晶体管的异同157
5.2 MOS型晶体管的阈值电压158
5.2.1 MOS型晶体管阈值电压的定义158
5.2.2 理想情况下MOS型晶体管阈值电压的表达式158
5.2.3 影响MOS型晶体管阈值电压的各种因素159
仿真实验3 MOS型晶体管阈值电压仿真163
实验9 MOS型晶体管阈值电压VT的测量167
5.3 MOS型晶体管的输出伏安特性与直流参数169
5.3.1 MOS型晶体管的输出伏安特性169
5.3.2 MOS型晶体管的输出伏安特性方程172
5.3.3 影响MOS型晶体管输出伏安特性的一些因素175
仿真实验4 MOS型晶体管输出伏安特性曲线仿真176
实验10 MOS型晶体管输出伏安特性曲线的测量181
5.3.4 MOS型晶体管的直流参数182
5.3.5 MOS型晶体管的温度特性与栅保护183
5.4 MOS型晶体管频率特性与交流小信号参数185
5.4.1 MOS型晶体管的交流小信号等效电路185
5.4.2 MOS型晶体管的交流小信号参数186
5.4.3 MOS型晶体管的最高工作频率fm187
5.4.4 MOS型晶体管开关189
5.5 MOS型晶体管版图及其结构特征189
5.5.1 小尺寸集成MOS型晶体管的版图（横向结构）189
5.5.2 小尺寸集成MOS型晶体管的剖面结构（纵向结构）192
5.5.3 按比例缩小设计规则193
5.6 小尺寸集成MOS型晶体管的几个效应195
5.6.1 短沟道效应196
5.6.2 窄沟道效应196
5.6.3 热电子效应197
知识梳理与总结199
思考题与习题5199
第6章 其他常用半导体器件200
6.1 达林顿晶体管201
6.2 功率MOS型晶体管202
6.2.1 功率MOS型晶体管的种类203
6.2.2 功率MOS型晶体管的版图结构与制造工艺204
6.3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）206
6.3.1 IGBT的结构与伏安特性206
6.3.2 IGBT的工作原理207
6.4 发光二极管（LED）209
6.4.1 LED发光原理210
6.4.2 LED的结构与种类210
6.4.3 LED的量子效率212
6.5 太阳能电池212
6.5.1 PN结的光生伏特效应213
6.5.2 太阳能电池的I-V特性和效率213
6.5.3 PERL太阳能电池214
6.5.4 非晶硅太阳能电池214
6.6 结型场效应晶体管（JFET）215
6.6.1 JFET的结构215
6.6.2 JFET的工作原理216
6.6.3 JFET的输出特性217
6.7 晶闸管218
6.7.1 晶闸管的基本结构和特性218
6.7.2 晶闸管的工作原理219
6.7.3 双向晶闸管221
知识梳理与总结222
思考题与习题6222
附录A XJ4810型半导体管特性图示仪面板功能223
附录B 扩散结电容和势垒宽度的计算曲线226
附录C 硅扩散层表面杂质浓度与扩散层平均电导率的关系曲线228
参考文献236