本书是微电子与集成电路设计相关技术的专业英语教材，紧扣基本概念、基本理论和分析方法。全书共27讲，分为4部分：半导体物理基础，主要内容包括半导体概述、晶体结构、能带模型、平衡半导体、载流子输运、半导体中的非平衡过剩载流子；半导体器件，主要内容包括pn结、金属-半导体接触、异质结、双极晶体管、现代双极晶体管结构、MOSFET基础、MOSFET的非理想效应、先进的MOSFET器件；集成电路设计，主要内容包括集成电路简介、模拟集成电路设计、数字集成电路设计、半导体存储器、射频集成电路设计、仿真与验证；半导体技术与工艺，主要内容包括：半导体技术简介、双极技术和砷化镓数字逻辑工艺、CMOS工艺、可靠性等。本书提供两个附录半导体微波与功率器件和超越摩尔定律，可扫描书中二维码拓展阅读；配套电子课件、习题参考答案、部分课文录音、英文阅读材料译文等，请登录华信教育资源网注册下载。本书既可作为高等学校微电子、集成电路、电子及相关专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可作为职业本科和高职高专相关课程的教材，还可供集成电路领域相关科研工作者和工程技术人员学习参考。
李聪,博士、副教授、博士生导师，主要研究方向为新型半导体器件及电路研究。2008年在芬兰奥卢（oulu）大学访问研究，2011 年在欧洲微电子中心（IMEC）访问研究。2015年-2016年在美国佛罗里达大学（UF）访问研究。主持国家自然科学基金两项，参与多项国防科研项目，发表论文30余篇，专利5个。
目 录
Session 1 Introduction to Semiconductor 1
1.1 What Is Semiconductor 1
1.2 Classification of Semiconductor 3
Reading Materials 3
Session 2 Crystal Structure 9
2.1 Primitive Cell and Crystal Plane 9
2.2 Atomic Bonding 11
Reading Materials 12
Session 3 Band Model 17
3.1 Introduction to Quantum Mechanics 17
3.1.1 The Principle of Energy Quanta 17
3.1.2 Schrodinger’s Wave Equation 18
3.2 Band 18
3.3 Effective Mass Theory 19
Reading Materials 20
Session 4 The Semiconductor in
Equilibrium 23
4.1 Charge Carriers in Semiconductor 23
4.2 Intrinsic Semiconductor 25
4.3 Extrinsic Semiconductor 26
Reading Materials 28
Session 5 Carrier Transport 32
5.1 Overview of Carrier Transport 32
5.2 Low Field Transport 33
5.2.1 Mobility 33
5.2.2 Microscopic Scattering Processes 34
5.3 High Field Transport 35
5.4 Diffusion Current 36
Reading Materials 38
Session 6 Nonequilibrium Excess Carriers
in Semiconductor 42
6.1 Recombination 42
6.1.1 Band to Band Recombination 42
6.1.2 Free-Exciton Recombination 43
6.1.3 Auger Recombination 43
6.1.4 Band-Impurity Recombination 43
6.1.5 Surface Recombination 44
6.2 Minority Carrier Lifetime 44
6.3 Ambipolar Transport 45
Reading Materials 46
Session 7 The pn Junction (Ⅰ) 49
7.1 Introduction 49
7.2 Basic Structure of the pn Junction 49
7.3 Energy Band Diagram for a pn
Junction 50
7.4 Ideal Current-Voltage Relationship 51
7.5 Characteristics of a Practical Diode 51
Reading Materials 52
Session 8 The pn Junction(Ⅱ) 57
8.1 Breakdown in pn Junction 57
8.2 Small-Signal Diffusion Resistance
of the pn Junction 57
8.3 Junction Capacitance 58
8.4 Diffusion or Storage Capacitance 59
8.5 Diode Transients 60
8.6 Circuit Models for Junction Diodes 60
Reading Materials 61
Session 9 Metal-Semiconductor
Contacts 65
9.1 Schottky Contacts 65
9.1.1 Schottky Contacts in Equilibrium 66
9.1.2 Schottky Contacts under Applied
Bias 68
9.2 Ohmic Contacts 70
Reading Materials 72
Session 10 Heterojunctions 75
10.1 Strain and Stress at Heterointerfaces 75
10.2 Heterojunction Materials 76
10.3 Energy-Band Diagram 78
Reading Materials 79
Session 11 The Bipolar Junction
Transistor (Ⅰ) 82
11.1 The Bipolar Junction Transistor Construction 82
11.2 Transistor Action 82
11.3 Nonideal Effects 83
11.4 Base Resistance 85
Reading Materials 86
Session 12 The Bipolar Junction
Transistor (Ⅱ) 90
12.1 Breakdown Voltage 90
12.2 Frequency Limits of BJT 91
12.3 The Schottky-Clamped Transistor 92
12.4 Small-Signal Transistor Model 93
Reading Materials 94
Session 13 Modern BJT Structures 97
13.1 Introduction 97
13.2 Deep-Trench Isolation 97
13.3 Polysilicon Emitter 98
13.4 Self-Aligned Polysilicon Base
Contact 98
13.5 Pedestal Collector 98
13.6 SiGe-Base 99
Reading Materials 99
Session 14 Basics of MOSFETs 104
14.1 Introduction 104
14.2 General Characteristics of a
MOSFET 104
14.3 MOS System 105
14.4 Work Function Differences 106
14.5 Flat-Band Voltage 106
14.6 Threshold Voltage 107
Reading Materials 107
Session 15 Nonideal Effects of
MOSFETs 111
15.1 Introduction 111
15.2 Effective Mobility 111
15.3 Velocity Saturation 111
15.4 Channel-Length Modulation 112
15.5 DIBL 112
15.6 Hot-Carrier Effect 113
15.7 GIDL 114
Reading Materials 114
Session 16 Advanced MOSFET
Devices 118
16.1 Introduction 118
16.2 Channel Doping Profile 118
16.3 Gate Stack 118
16.4 Source/Drain Design 119
16.5 Schottky-Barrier Source/Drain 120
16.6 Raised Source/Drain 120
16.7 SOI 121
16.8 Three Dimensional Structure 121
Reading Materials 122
Session 17 Introduction to Integrated
Circuits 127
17.1 Introduction 127
17.2 Size and Complexity of Integrated Circuits 128
17.3 Semiconductor Device for Integrated Circuits 129
17.4 IC Design Process 131
Reading Materials 132
Session 18 Analog Integrated Circuits
Design 138
18.1 Introduction 138
18.2 Analog Signal Processing 140
18.3 CMOS Technology 141
18.4 Amplifiers 141
18.5 Differential Amplifiers 142
18.6 Operational Amplifiers 143
18.7 Characterization of Op Amps 144
Reading Materials 145
Session 19 Digital Integrated Circuits
Design 149
19.1 Introduction 149
19.2 The Static CMOS Inverter 149
19.2.1 Switching Threshold 150
19.2.2 Noise Margins 150
19.2.3 Performance of CMOS Inverter:
The Dynamic Behavior 151
19.3 Designing Combinational Logic
Gates in CMOS 153
19.3.1 Static CMOS Design 153
19.3.2 Dynamic CMOS Design 156
Reading Materials 157
Session 20 Semiconductor Memories 162
20.1 Introduction 162
20.2 SRAM 163
20.3 DRAM 164
20.4 Flash Memories 165
Reading Materials 167
Session 21 Radio Frequency Integrated Circuits Design 172
21.1 Introduction 172
21.2 RF System Performance Metrics 173
21.3 RF Transceiver Architectures 174
21.4 RF Passive Component 174
21.5 Low-Noise Amplifier 175
21.6 Frequency Synthesizer 176
21.7 Transmitter 177
21.7.1 Up conversion versus Downconversion 177
21.7.2 Mixer 178
21.7.3 RF PA (Power Amplifier) 178
Reading Materials 179
Session 22 Simulation and Verification 186
22.1 Introduction 186
22.2 SPICE Circuit Simulator 186
22.2.1 SPICE Models 186
22.2.2 Circuit Simulation 188
22.3 Circuit Design Automation with
Verilog 189
22.3.1 Digital Design Flow 189
22.3.2 Verilog HDL 190
22.4 Verification 191
Reading Materials 192
Session 23 Introduction to the Semiconductor
Technology (Ⅰ) 196
23.1 The Development of Semiconductor Technology 196
23.2 Wafer Fabrication 197
23.2.1 Wafer Preparation 197
23.2.2 Oxidation 198
23.2.3 Diffusion 199
23.2.4 Ion Implantation 199
23.2.5 Chemical-Vapor Deposition 199
23.2.6 Metallization 200
23.2.7 Photolithography 200
23.2.8 Etching 201
Reading Materials 202
Session 24 Introduction to the Semiconductor Technology (Ⅱ) 205
24.1 Assembly 205
24.2 Metrology 207
Reading Materials 209
Session 25 Bipolar Technology and GaAs Digital Logic Process 212
25.1 Bipolar Technology 212
25.1.1 pn Junction Isolated Bipolar IC Technology 212
25.1.2 Dielectrically Isolated Bipolar Technologies 216
25.2 GaAs Digital Logic Process 217
Reading Materials 219
Session 26 CMOS Technology 224
26.1 CMOS Fabrication Sequence 224
26.2 Twin Well and Retrograde Well 226
26.3 Isolation 227
26.4 Structures that Reduce the
Drain Field 227
26.5 Gate Engineering 228
Reading Materials 229
Session 27 Reliability 235
27.1 Introduction 235
27.2 Failure Modes 237
Reading Materials 241
参 考 译 文
第1讲 半导体概述 245
1.1 什么是半导体 245
1.2 半导体的分类 246
第2讲 晶体结构 247
2.1 原胞和晶面 247
2.2 原子价键 249
第3讲 能带模型 250
3.1 量子力学简介 250
3.2 能带 251
3.3 有效质量理论 251
第4讲 平衡半导体 252
4.1 半导体中的带电载流子 252
4.2 本征半导体 254
4.3 非本征半导体 255
第5讲 载流子输运 256
5.1 载流子输运概要 256
5.2 低场输运 258
5.3 强场输运 260
5.4 扩散电流 260
第6讲 半导体中的非平衡过剩载流子 261
6.1 复合 262
6.2 少数载流子寿命 264
6.3 双极输运 264
第7讲 pn结（Ⅰ） 265
7.1 概述 265
7.2 pn结的基本结构 265
7.3 pn结的能带图 266
7.4 理想电流-电压关系 267
7.5 实际二极管特性 267
第8讲 pn结（Ⅱ） 268
8.1 pn结击穿 268
8.2 pn结的小信号扩散电阻 269
8.3 结电容 269
8.4 扩散电容（存储电容） 270
8.5 二极管瞬态特性 271
8.6 pn结二极管的电路模型 271
第9讲 金属-半导体接触 272
9.1 肖特基接触 272
9.2 欧姆接触 276
第10讲 异质结 277
10.1 异质界面的应变与应力 277
10.2 异质结材料 278
10.3 能带图 280
第11讲 双极晶体管（Ⅰ） 281
11.1 双极晶体管结构 281
11.2 晶体管作用 281
11.3 非理想效应 282
11.4 基区电阻 284
第12讲 双极晶体管（Ⅱ） 285
12.1 击穿电压 285
12.2 双极晶体管的频率特性 286
12.3 肖特基钳位晶体管 286
12.4 晶体管的小信号模型 287
第13讲 现代双极晶体管结构 288
13.1 引言 288
13.2 深槽隔离 288
13.3 多晶硅发射极 289
13.4 自对准多晶硅基极接触 289
13.5 台状掺杂集电区 289
13.6 SiGe基区 290
第14讲 MOSFET基础 290
14.1 引言 290
14.2 MOSFET的一般特征 291
14.3 MOS系统 291
14.4 功函数差 292
14.5 平带电压 292
14.6 阈值电压 293
第15讲 MOSFET的非理想效应 293
15.1 引言 293
15.2 有效迁移率 293
15.3 速度饱和 294
15.4 沟道调制效应 294
15.5 漏致势垒降低 295
15.6 热电子效应 295
15.7 栅致漏极泄漏电流 296
第16讲 先进的MOSFET器件 296
16.1 引言 296
16.2 沟道掺杂分布 296
16.3 栅叠层 297
16.4 源/漏设计 297
16.5 肖特基源/漏 298
16.6 提升的源/漏 298
16.7 SOI（绝缘层上的硅） 299
16.8 三维结构 299
第17讲 集成电路简介 300
17.1 概述 300
17.2 集成电路的面积和复杂度 301
17.3 集成电路中的半导体器件 302
17.4 集成电路设计过程 303
第18讲 模拟集成电路设计 304
18.1 概述 304
18.2 模拟信号处理 306
18.3 CMOS工艺 307
18.4 放大器 307
18.5 差分放大器 308
18.6 运算放大器 309
18.7 运放的特点 309
第19讲 数字集成电路设计 310
19.1 介绍 310
19.2 静态CMOS反相器 310
19.3 CMOS组合逻辑门的设计 313
第20讲 半导体存储器 317
20.1 简介 317
20.2 静态随机存取存储器
（SRAM） 318
20.3 动态随机存取存储器
（DRAM） 319
20.4 闪存 320
第21讲 射频集成电路设计 322
21.1 概述 322
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