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1 半导体元件物理的基础1

1.1 半导体能带观念与载子浓度2

1.1.1 能带与能隙2

1.1.2 费米分布函数4

1.1.3 本质载子浓度5

1.1.4 施体与受体8

1.1.5 外质半导体之载子浓度11

1.2 载子的传输现象14

1.2.1 载子漂移与漂移电流14

1.2.2 载子扩散与扩散电流18

1.3 支配元件运作的基本方程式19

1.3.1 电流密度方程式19

1.3.2 连续方程式20

1.4 本章习题24

参考文献26

2 P-N接面29

2.1 p-n接面的基本结构与特性30

2.2 零偏压32

2.2.1 内建电位32

2.2.2 电场分析34

2.2.3 空乏区宽度37

2.3 逆向偏压38

2.4 空乏层电容40

2.5 单侧陡接面42

2.6 理想的电流—电压特性45

2.6.1 边界条件与接面定律45

2.6.2 中性区中的少数载子分布49

2.6.3 接面二极体的理想I-V（电流—电压）特性51

2.7 实际的电流—电压特性56

2.7.1 逆向偏压下的产生电流与总电流57

2.7.2 顺向偏压下的复合电流与总电流58

2.8 接面崩溃现象与机制61

2.8.1 穿透效应与稽纳崩溃61

2.8.2 冲击游离与雪崩崩溃62

2.9 本章习题70

参考文献72

3 金氧半场效电晶体（MOSFET）的基础75

3.1 MOS电容的结构与特性76

3.2 理想的MOS（金氧半）元件77

3.2.1 理想的MOS元件77

3.2.2 理想MOS的临界电压与C-V特性88

3.3 实际的MOS（金氧半）元件96

3.3.1 实际状况的MOS元件96

3.3.2 实际MOS的临界电压与C-V特性109

3.4 本章习题116

参考文献118

4 长通道MOSFET元件121

4.1 MOSFET的基本结构与类型123

4.2 基本操作特性之观念127

4.3 电流—电压特性之推导132

4.3.1 输出特性ID-VD133

4.3.2 转移特性ID-VG136

4.4 其他重要元件参数与特性140

4.4.1 次临界特性140

4.4.2 基板偏压效应143

4.4.3 临界电压的调整145

4.4.4 迁移率退化149

4.5 本章习题152

参考文献154

5 短通道MOSFET元件157

5.1 短通道元件的输出特性ID-VD159

5.1.1 通道长度调变159

5.1.2 速度饱和162

5.2 短通道元件的漏电流现象166

5.2.1 临界电压下滑167

5.2.2 汲极引起的位能下降171

5.2.3 贯穿174

5.3 本章习题179

参考文献181

6 CMOS制造技术与制程介绍183

6.1 CMOS制造技术184

6.1.1 热制程184

6.1.2 离子布植187

6.1.3 微影制程189

6.1.4 蚀刻制程192

6.1.5 薄膜沉积194

6.2 CMOS制造流程介绍196

6.2.1 前段制程（FEOL）196

6.2.2 后段制程（BEOL）207

6.3 本章习题215

参考文献217

7 制程整合219

7.1 元件发展需求220

7.1.1 摩尔定律220

7.1.2 CMOS元件发展需求221

7.2 基板工程223

7.2.1 晶片选择223

7.2.2 浅沟槽隔离（STT）225

7.2.3 井工程227

7.2.4 元件隔离工程229

7.2.5 通道工程230

7.2.6 噪音隔离232

7.3 闸极工程233

7.3.1 闸极氧化层需求233

7.3.2 闸电极工程236

7.3.3 制程考量238

7.4 源/汲极工程239

7.4.1 源/汲极工程需求239

7.4.2 源/汲极延伸240

7.4.3 袋植入工程243

7.4.4 侧壁子244

7.4.5 接触区源/汲极工程246

7.4.6 自动对准矽化物247

7.4.7 提高源/汲极（Raised S/D）248

7.5 内连线工程249

7.5.1 内连线工程需求249

7.5.2 低介电材料251

7.5.3 铜制程252

7.6 本章习题255

参考文献256

8 先进元件制程257

8.1 先进元件制程需求258

8.2 SOI260

8.2.1 SOI基材的制作260

8.2.2 SOI特牲261

8.2.3 完全空乏SOI与完全空乏SOI262

8.2.4 SOI的工程问题264

8.3 应变矽Strain Si265

8.3.1 应变矽特性265

8.3.2 全面性应变矽265

8.3.3 局部性应变矽269

8.3.4 应变矽的工程问题270

8.4 非平面元件3D device273

8.4.1 鳍式电晶体273

8.5 高介电闸极氧化层274

8.5.1 高介电闸极氧化层需求与特性274

8.5.2 高介电闸极氧化层的工程问题278

8.6 金属闸极Metal gate282

8.6.1 金属闸极特性与需求282

8.7 本章习题286

参考文献287

9 逻辑元件289

9.1 逻辑元件的要求—速度、功率290

9.2 反向器291

9.3 组合逻辑294

9.3.1 基本组合逻辑294

9.3.2 Pseudo NMOS299

9.3.3 逻辑传输闸300

9.3.4 加法器302

9.3.5 解码器303

9.3.6 编码器304

9.3.7 多工器304

9.4 时序逻辑Sequential Logic—Latch， DFF305

9.4.1 闩锁器305

9.4.2 正反器306

9.4.3 计数器308

9.4.4 暂存器308

9.5 逻辑元件应用Standard Cell、Gate Array、CPLD、FPGA308

9.5.1 标准单元308

9.5.2 闸矩阵309

9.5.3 可程式逻辑元件（PLD）310

9.6 本章习题314

参考文献315

10 逻辑/类比混合讯号317

10.1 混合讯号特性318

10.1.1 ADC/DAC数位/类比转换318

10.2 混合讯号电路320

10.2.1 电源/参考电压电路321

10.2.2 放大/差动电路323

10.2.3 振荡/回授电路326

10.2.4 射频元件329

10.3 混合讯号的主动元件331

10.3.1 CMOS金氧半导体331

10.3.2 Bipolar双载子电晶体332

10.4 混合讯号被动元件334

10.4.1 电阻334

10.4.2 电容336

10.4.3 可变电容器337

10.4.4 电感338

10.5 混合讯号电路特别需求340

10.5.1 匹配340

10.5.2 杂讯噪音343

10.6 本章习题349

参考文献350

11 记忆体351

11.1 CMOS记忆体特性与分类352

11.2 静态随机存取记忆体SRAM356

11.3 动态随机存取记忆体DRAM362

11.4 快闪记忆体Flash369

11.5 发展中的先进记忆体376

11.5.1 NROM376

11.5.2 FRAM377

11.5.3 MRAM379

11.5.4 OUM379

11.6 本章习题383

参考文献384

12 SOC与半导体应用385

12.1 IC功能分类386

12.2 SOC387

12.3 半导体应用390

12.3.1 资讯Computer390

12.3.2 通讯Communication393

12.3.3 消费性电子产品Consumer400

12.3.4 网际网路与半导体产业407

12.4 本章习题410

参考文献411

13 元件电性量测WAT413

13.1 直流（DC）电性量测415

13.1.1 MOS电晶体相关参数量测415

13.1.2 隔离量测427

13.1.3 电阻量测432

13.1.4 闸极氧化层Integrity量测435

13.1.5 接面整合量测437

13.1.6 设计守则检查437

13.2 C-V （capacitance-voltage）电性量测442

13.2.1 氧化层电容442

13.2.2 接面电容444

13.2.3 电容法求有效通道长度（Leff）446

13.2.4 金属间/金属内电容量测448

13.3 RF电性量测449

13.3.1 量测方法449

13.3.2 量测校正451

13.3.3 量测结果453

13.4 元件模型459

13.4.1 元件模型介绍459

13.4.2 元件模型描述462

13.5 本章习题467

参考文献469