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编辑推荐

　　1. 通过三个实际设计实例：双极型器件及集成电路设计、场效应器件及MOS型集成电路设计、大功率器件及功率集成电路设计，将设计原理、设计思路、设计技巧等逐一展现给读者。从简到难，边学边做，从不会到会，再到创新思维的培养。教材中大量的图片及视频资料都是首次应用，为微电子专业教学提供了宝贵的教学资源。
　　2.通过二维码链接了管芯片制造原理、集成电路芯片设计、硅芯片制作的视频，帮助读者理解集成电路设计的原理。

内容简介

　　本书详细论述了半导体物理基础及PN结的结构与原理。通过三个实际设计实例： 双极型器件及集成电路设计、场效应器件及MOS型集成电路设计、大功率器件及功率集成电路设计，将设计原理、设计思路、设计技巧等逐一展现给读者。从简到难边学边做，从不会到会，再到创新思维的培养。本书配置的图片都是首次应用，同时还配套了一些视频帮助读者理解集成电路设计的原理，读者可以扫描文中二维码直接观看。
　　本书可作为微电子专业本科及大专教材，也可作为微电子专业教师或技术人员入职培训用书，还可作为微电子技术人员的参考用书。

作者简介

　　马奎，博士，副教授，主要承担微电子技术方面的教学和科研工作，研究方向为半导体功率器件、智能功率集成电路、半导体集成技术等。

目录

第1章半导体物理基础及PN结简介
1.1半导体物理基础
1.1.1晶体结构体
1.1.2基元、点阵和晶格
1.1.3原胞、基矢、晶向和晶面
1.1.4能带的形成
1.1.5锗、硅和砷化镓的能带结构
1.1.6绝缘体、半导体和导体
1.1.7本征半导体、半导体中的载流子、空穴
1.2载流子的输运
1.2.1扩散运动
1.2.2漂移运动
1.3PN结简介
1.3.1PN结的形成及其基本特性
1.3.2平衡PN结的能带结构和载流子分布
1.3.3非平衡PN结的能带结构和载流子分布
1.3.4PN结的电场和电势分布
1.4PN结的有关特性
1.4.1PN结的直流特性
1.4.2PN结的电容特性
1.4.3PN结的小信号交流特性
1.4.4PN结的开关特性
1.4.5PN结的击穿
第2章双极型器件及集成电路设计
2.1双极型晶体管的结构
2.2双极型晶体管的工作原理
2.2.1双极型晶体管内载流子的输运过程
2.2.2晶体管的直流特性
2.3双极型晶体管设计
2.3.1NPN双极型晶体管的设计要求及预期参数
2.3.2参数设计
2.3.3仿真分析
2.4双极型集成电路设计
2.4.1双极型集成电路设计基础
2.4.2双极型集成电路设计实例
第3章场效应器件及MOS型集成电路设计
3.1MOSFET结构及工作原理
3.1.1半导体表面的特性和理想MOS结构
3.1.2MOSFET结构及其工作原理
3.1.3MOSFET的阈值电压
3.1.4MOSFET的电流、电压关系
3.1.5MOSFET的击穿电压
3.1.6MOSFET的高频等效电路和频率特性
3.2JFET结构及工作原理
3.2.1结型场效应晶体管的工作原理
3.2.2JFET的电流—电压方程
3.2.3JFET的直流参数和频率参数
3.3场效应器件设计
3.3.1MOSFET的设计要求及预期参数
3.3.2材料参数设计
3.3.3仿真分析
3.4MOS型集成电路设计
3.4.1MOS型集成电路设计基础
3.4.2MOS型集成电路设计实例
第4章大功率器件及功率集成电路设计
4.1大功率器件简介
4.2大功率器件设计
4.2.1VDMOS耐压层的设计
4.2.2VDMOS原胞的设计及仿真分析
4.2.3VDMOS的终端结构设计
4.3功率集成技术简介
4.4功率集成电路设计实例
4.4.1系统方案设计
4.4.2检测、比较电路模块
4.4.3控制电路模块
4.4.4驱动电路模块
4.4.5保护电路模块
4.4.6整体电路设计
4.4.7集成智能功率模块版图设计
参考文献
附录A硅芯片制作、MOS管芯片制造原理、集成电路芯片设计参考视频
附录B常用物理常数
附录C主要符号表

精彩书摘

　　第1章半导体物理基础及PN结简介
　　本章是微电子设计人员应掌握的基本知识。半导体材料是微电子器件的衬底材料，半导体物理学是描述半导体材料相关特性的学科，了解这门学科的基础知识对设计微电子器件大有益处。PN结是微电子器件中的基础结构之一，掌握PN结的形成机理及相关特性是进行微电子器件设计工作所必需的。
　　在进行微电子器件设计之前，了解和掌握相关基础知识是十分必要的。微电子器件是制作在半导体材料上的，其内部载流子的输运状况对其宏观特性有着直接影响。学会通过能带图定性分析半导体的导电类型和载流子浓度的高低，能够定量求解连续性方程和泊松方程从而得到半导体中的电场分布、电势分布和载流子浓度分布，将为后续各类器件的结构、原理和设计的学习打下基础。微电子器件的基础结构之一是PN结，了解和掌握PN结空间电荷区的形成及其基本特性，PN结的能带结构，将为定性分析其他半导体器件打下基础。用泊松方程和电流连续性方程分析PN结的基本特性，导出PN结的电流、电压关系，将为定量表征半导体器件特性建立起基本的数学方法。
　　1.1半导体物理基础
　　1.1.1晶体结构体
　　按照原子或分子的排列状况，可将固体材料分为晶体和非晶体两种。根据原子或分子排列的全局周期性和局部周期性，又可将晶体分为单晶和多晶。如图1.1所示，单晶材料内部原子或分子的排列在整块固体材料中都呈现严格一致的周期性，多晶材料内部原子或分子的排列只在小范围呈现周期性而在大范围不具备周期性，原子或分子排列没有任何周期性的是非晶材料。
　　图1.1单晶、多晶与非晶原子排列示意图
　　半导体单晶材料（以下简称半导体材料）是固体材料的一个重要分支，其导电能力介于金属和绝缘体之间。这类材料的显著特点是可以通过掺入杂质等办法改变其导电能力或导电类型，这是由半导体材料的晶体结构、能带结构和电荷的输运性质决定的。正是因为这一显著特点，使得半导体材料被广泛应用于制作各类微电子器件和集成电路。
　　1.1.2基元、点阵和晶格
　　在晶体的周期性排列结构中存在一个基本的结构单元，称为基元。基元可以是一个原子、一个分子，也可以是由若干原子组成的原子团。基元在空间三个不同方向上分别按一定距离进行周期性重复排列，就构成了晶格。基元以及周期性重复排列的间距不同，所构成的晶体也就不同。
　　为直观起见，可把每个基元抽象为一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有规律性的空间架构，称为点阵。每个抽象的点又叫作格点，这种空间点阵又称为布喇菲格子(Bravais Lattice)。可以推断，点阵中抽象的点在空间分布的周期性与晶体中原子排列的周期性完全相同。
　　基元是晶体中最小的周期性重复单元，每个基元中的原子数就是构成晶体的原子种类数。点阵从全局的角度描绘了晶体的空间架构。把点阵和基元组合起来，就构成了晶体结构，简称晶格。若晶体材料只由一种原子构成，其晶格就是布喇菲格子。若是由两种或两种以上的原子构成，那么各种原子在空间的分布亦相同，并且与该晶体的空间点阵的分布情况一致，因为只有这样，晶体中总的原子排列才具有统一的周期性。对于这种情况，可以分别把每种原子各自的分布看成一套空间点阵，而晶体中总的原子排列则可以看成由两套或两套以上分布情况完全相同的空间点阵套在一起构成，这种晶格又称为复式格子。
　　1.1.3原胞、基矢、晶向和晶面
　　在描述晶体内部结构周期性时，采用的另一种方法是把晶体划分成一些周期性重复区域——原胞或单胞。原胞是晶体的最小周期性单元，每个原胞只有一个布喇菲格点，空间点阵的格点只能在原胞的顶角点上。由于原胞是体积最小的周期性重复单元，所以用原胞来描述晶体内部结构的周期性可能描述得最充分、最仔细。但在很多情况下，原胞的形状不便于反映晶体中原子排列的对称性。因此为了既能描述原子排列的周期性，又便于反映它们的对称性，在习惯上有时不得不采用体积较大的晶体学原胞(晶胞)。通常的做法是选择晶体学原胞的对称性与晶体的空间点阵的点群对称性一致。
　　基矢是为便于进行数学分析而设置的一组描述晶体结构周期性的基本平移矢量。原胞基矢量为三个不共面的独立矢量，其方向与原胞结构的空间方向一致，长度等于原胞边长(称为晶格常数)，通常用符号a、b、c来表示。利用原胞基矢，晶格中的任一点可表示为
　　r=pa+qb+sc(1.1)
　　式中： p、q、s为整数。如果在晶体中有两点r和r′，满足：
　　r′=r+(m1a+m2b+m3c)(1.2)
　　式中： m1、m2、m3为整数，从这两点上看，r和r′位置上原子的分布情况完全相同。因此，这两点的微观物理性质完全一致，这一特征称为晶体的平移对称性（或称平移不变性），这是晶体结构周期性的必然结果。以图1.2的二维晶格为例，单胞ODEF与O′D′E′F′具有完全相同的结构和物理性质。
　　图1.2二维晶格的平移操作（r=3a+2b）
　　原胞中原子排列的具体形式称为晶格结构。不同的排列规则形成不同的晶格结构。不同的原子排列和不同的晶格对称性，可以划分为7大晶系、14种布喇菲格子。任何一种晶体都是14种晶格结构中的一种，知道晶体所属的晶格结构，也就知道了晶体的对称性。晶体结构的周期性(平移不变性)和对称性是研究晶体材料物理性质的基本出发点。
　　许多半导体材料具有四面体键的金刚石结构和闪锌矿结构，金刚石结构是一种由相同原子组成的复式格子，可看作两个面心立方晶格沿立方对称原胞体对角线移动1/4长度套构而成。半导体Si、Ge、α�睸n都具有金刚石结构。多数Ⅲ~Ⅴ族化合物半导体具有闪锌矿结构，闪锌矿晶格也是由两个面心立方格子沿体对角线平移1/4长度套构而成的，每个子晶格由同种元素组成。
　　由于具有周期性，晶格中的格点可以被认为处在一系列方向相同的直线上，这种直线称为晶列。在同一晶格中存在许多不同的晶列。相互平行的晶列组成各种晶面系，不同的晶面系有不同的取向，如图1.3和图1.4所示。晶体中任一晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来表示：
　　……

前言/序言

　　前言
　　微电子芯片技术自出现以来以惊人的速度发展，是人类历史上发展最快的技术之一。所有传统产业只要能够与微电子技术结合，并利用集成电路芯片进行智能改造，就会使传统产业焕发青春。器件尺寸越来越小，尺寸达到深亚微米甚至超深亚微米，而器件特性一直是永远探究不到的谜底。
　　全书共4章，第1章以半导体物理基础及PN结简介为基础，为微电子芯片设计奠定了必要的理论基础。第2章双极型器件及集成电路设计，介绍了双极型晶体管的结构、双极型晶体管的工作原理、双极型晶体管内载流子的输运过程、晶体管的直流特性、双极型晶体管设计、NPN双极型晶体管的设计要求及预期参数、参数设计、仿真分析、双极型集成电路设计、双极型集成电路设计基础、双极型集成电路设计实例。这一章是以双极型晶体管为载体，从理论到实用技术完整的体现。让学生在学习过程中不知不觉地将知识与技术有机地融合在一起，方便教师以实际案例让学生在学中做，在做中学。极大激发学生的学习兴趣。第3章场效应器件及MOS型集成电路设计和第4章大功率器件及功率集成电路设计，都是用同样的方法展现了设计理论、设计思路、设计方法和设计实例。通过这一独特的理论与工作思路和工作方法的完美结合，有效地带领读者学习基础知识和掌握设计技能。附录中有硅芯片制作、MOS管芯片制造原理、集成电路芯片设计参考视频，可扫描二维码直接观看。
　　本书可作为微电子专业本科及大专教材，也可作为微电子专业教师和技术人员入职培训用书，还可作为微电子技术人员的参考用书。
　　本教材由马奎、龚红、唐召焕编着，参加编写的人员还有：杨发顺、李国良、刘杰。本书撰写过程中，有多名博士生和硕士生协助做仿真实验并给予很大支持，在此一并表示谢意。
　　由于编者水平有限，书中疏漏之处，还请读者批评、指正，以便修订时改进。
　　编着者
　　2017年3月8日

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