本書聚焦硅基集成電路主要器件，即 PN 結(jié)、雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)、直流特性、頻率特性、開關(guān)特性，側(cè)重對基本原理的討論，借助圖表對各種效應(yīng)進行圖形化直觀展示，并詳細推導了各種公式。此外，還對小尺寸場效應(yīng)晶體管的典型短溝道效應(yīng)及其實際業(yè)界對策進行了較為詳細的闡述。
本書適合集成電路或微電子相關(guān)專業(yè)本科生在學習完半導體物理知識后，進一步學習半導體器件工作原理之用；也可作為集成電路相關(guān)專業(yè)研究生的研究工作參考書，還可作為集成電路代工廠或電路設(shè)計從業(yè)人員的專業(yè)參考書。
（1） 內(nèi)容聚焦：只針對集成電路用半導體基礎(chǔ)器件即PN結(jié)、雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)、直流和交流特性、高階效應(yīng)等進行講述。
（2） 層次分明：從方便學生學習的視角，秉持由淺入深、由局部到整體的理念，層層遞進展開各章節(jié)。
（3） 圖表豐富：提供大量圖表，力求直觀展示器件工作的各種微觀過程和效應(yīng)，便于學生結(jié)合公式理解器件工作原理。
（4） 推導詳細：為了便于學生理解，非常詳細地給出各種原理的公式推導過程，力求減少因為數(shù)學問題而導致對器件工作原理的誤解。
（5） 理實結(jié)合：對于目前主導集成電路器件制造的場效應(yīng)晶體管，給出適用實際生產(chǎn)情況的典型短溝道效應(yīng)深入分析和業(yè)界對策。
（6） 配套完備：已出版配套在線混合式教材，共計視頻785分鐘，222道練習題，為教師開展混合式教學或?qū)W生自學提供便利。
1998年，我在復旦大學本科三年級時首次接觸半導體器件原理課程。當時使用了一本較為經(jīng)典的校本教材《雙極型與MOS半導體器件原理》，教材編寫者黃鈞鼐教授擔任主講，把我引入了半導體器件這個神奇的領(lǐng)域。
2009年，我開始在復旦大學為微電子專業(yè)的本科生教授半導體器件原理課程。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18期，為外校本科生教授過3期，為企業(yè)員工講授過2期。在多次的教授過程中，本課程教學質(zhì)量持續(xù)提升，先后獲得上海市一流本科課程、國家級一流本科課程（部分內(nèi)容）和上海市示范性本科課堂等榮譽，課程還榮獲首屆全國高校教師教學創(chuàng)新大賽一等獎和教學設(shè)計創(chuàng)新獎。網(wǎng)絡(luò)上與本課程相關(guān)的教學視頻也得到眾多學生的點播，并取得較好的評價。
然而，我在多年的教學過程中，深感缺少一本得心應(yīng)手、符合本科生特點、聚焦集成電路產(chǎn)業(yè)直接需求的教材。于是，在清華大學出版社文怡編輯的鼓勵下，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體器件的核心內(nèi)容，即PN結(jié)、雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)和小尺寸場效應(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、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展。
本書具有以下特點。①內(nèi)容聚焦： 只重點闡述與集成電路芯片直接相關(guān)的半導體器件。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)推導過程。③不厭其煩： 考慮到本書內(nèi)容的易學性，給出極其具體的推導過程和充分說明。④邏輯清晰： 每章都按照清晰的邏輯逐層展開，層層遞進，一氣呵成。⑤與時俱進： 對小尺寸場效應(yīng)晶體管特性的描述，大量引入相關(guān)文獻報告和最新的研究成果，附錄部分還對業(yè)界典型參數(shù)提取做法進行了介紹。
本書的內(nèi)容架構(gòu)雛形源自茹國平教授2008年的PPT講義，他對書稿進行了多遍認真的審閱，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、蔡漢倫為本書的習題和附錄整理提供了大量幫助。清華大學出版社文怡編輯為本書的成書做了整體規(guī)劃。本書入選復旦大學七大系列百本精品教材特邀編寫計劃，學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，書中難免會有錯誤和瑕疵，懇請讀者指正。
編者
2024年4月
蔣玉龍，復旦大學微電子學院教授、博導，復旦大學教師教學發(fā)展中心副主任。主要從事集成電路先進工藝與器件、功率器件、CMOS圖像傳感器和柔性電子器件研究，作為通訊作者在IEEE EDL、TED、IEDM上發(fā)表論文34篇。主持國家級一流本科課程和上海高校示范性本科課堂課程。獲上海市青年科技啟明星稱號以及上海市育才獎、上海市教學成果獎、國家級教學成果獎、首屆全國高校教師教學創(chuàng)新大賽一等獎等獎項。
課件下載
第1章PN結(jié)
1.1半導體物理基礎(chǔ)知識
1.1.1導帶電子濃度
1.1.2價帶空穴濃度
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交流小信號下的PN結(jié)少子分布
1.3.2擴散電流
1.3.3交流小信號導納
1.3.4交流小信號等效電路
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導通過程
1.4.3關(guān)斷過程
習題
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)時間
習題
第3章場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)
3.1表面電場效應(yīng)
3.1.1表面電導
3.1.2MOSFET發(fā)明簡史
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)和低頻小信號參數(shù)
3.4.5MOSFET的二級效應(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電阻型負載MOS倒相器
3.6.2增強型增強型MOS倒相器
3.6.3增強型耗盡型MOS倒相器
3.6.4互補型MOS倒相器
3.7MOSFET的功率特性
習題
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
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微縮的限制及對策
習題
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交流小信號情況下的超相移因子
附錄C集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù)d()和集電結(jié)渡越時間d的推導
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)界測量方案
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