内容简介
本书内容从半导体相关基础知识入手，首先介绍半导体的物理特性，以及与其相关的晶体、原子、能带理论、空穴、掺杂等基本概念；再从晶体管入手，讲述晶体管的结构、工作原理、制备工艺，以及集成电路的相关知识；最后，落地到应用，介绍了半导体器件的使用和具体的应用电路，以及半导体器件参数和等效电路。由于半导体技术涉及材料、微电子、电子、物理、化学等专业，属于交叉学科，还涉及许多全新的领域，相关教材及参考书籍较少，适合初学者入门的书籍更少。为此，本书在编写过程中，通过提供详细的图表和丰富的实例来提高可读性与易懂性，为读者进入半导体这一领域提供了一本入门指南。
本书涵盖大量具有代表性的与半导体相关的内容，主要强调对基础器件结构及内部工作机制的基本认识。本书内容深入浅出、图文并茂，适合半导体领域的工程技术人员、大专院校的学生作为专业技术的学习资料，也可以作为广大科技爱好者了解半导体技术的初级读物。读者通过对本书内容的阅读，也将为后续的深入学习，如集成电路制造、集成电路设计、集成电路测试等打下理论基础。
目录
目 录
前言
第1章 什么是半导体1
1.1 人类生活和物质2
1.2 从电学的角度来对物质进行分类3
1.3 半导体的定义 3
1.4 半导体为什么重要5
第2章 晶体的故事7
2.1 晶体是什么8
2.2 为什么使用晶体更好9
2.3 如何区分晶体12
2.4 制造人工晶体13
第3章 原子的故事17
3.1 电子高速公路18
3.2 量子力学的奥秘20
3.3 原子和繁星20
3.4 原子的结合之手21
3.5 当有很多原子存在的时候23
第4章 能带理论25
4.1 原子的结合26
4.2 能带的组成28
4.3 各能带的作用31
4.4 热能驱动电子31
4.5 根据禁带宽度对物质进行分类32
第5章 空穴的故事35
5.1 空穴的定义36
5.2 空穴的移动方式38
5.3 能带中的空穴39
5.4 有杂质会怎么样40
第6章 掺杂的作用42
6.1 杂质太少了43
6.2 5价的杂质原子43
6.3 掺杂后能带图的变化46
6.4 3价的杂质原子47
6.5 杂质的掺杂方法49
6.6 杂质半导体的电阻值49
第7章 半导体中的载流子动态52
7.1 杂质半导体53
7.2 电子和空穴哪个移动得更快55
7.3 电子和人类谁跑得更快56
7.4 空穴在n型半导体中的移动方式58
7.5 空穴的寿命60
第8章 费米能级的故事61
8.1 物体所持的电压62
8.2 费米能级63
8.3 电子的费米能级64
第9章 pn结及其作用66
9.1 什么是pn结67
9.2 如果把p型和n型半导体“粘”在一起会发生什么67
9.3 为什么会产生电压70
9.4 真正的pn结72
9.5 半导体中的费米能级73
9.6 当p型和n型半导体结合变成pn结时75
9.7 pn结和能带图78
9.8 整流作用78
9.9 击穿现象与齐纳二极管80
9.10 隧道二极管82
9.11 pn结与光83
9.12 太阳能电池和光电二极管84
9.13 发光二极管85
9.14 变容二极管85
9.15 注入效应和抽取作用86
9.16 热敏电阻和压敏电阻87
9.17 压电效应和感压二极管88
9.18 肖特基势垒二极管88
第10章 晶体管的结构90
10.1 通过两个pn结形成晶体管91
10.2 不能用导线直接连接制造晶体管吗93
10.3 晶体管的发明94
10.4 晶体管发射极的作用94
10.5 晶体管集电极的作用96
10.6 晶体管基极的作用 97
第11章 晶体管的工作原理99
11.1 从发射极注入空穴100
11.2 基极中注入空穴的运动方式102
11.3 载流子的扩散距离104
11.4 救出空穴105
11.5 集电极就像“水槽”107
11.6 基极中电流的流动方式107
11.7 晶体管整体的电流流动方式109
11.8 场效应晶体管111
11.9 晶闸管112
第12章 晶体管放大的原理114
12.1 什么是放大115
12.2 变压器能进行放大吗116
12.3 硅晶体管中的电流放大和电压放大117
12.4 发射极接地的情况118
12.5 基极接地的情况121
12.6 关键的内部电阻122
12.7 集电极接地的情况123
12.8 晶体管配置的相位关系124
第13章 晶体管的制备工艺126
13.1 生长结型晶体管127
13.2 合金晶体管127
13.3 漂移晶体管131
13.4 台面晶体管131
13.5 平面晶体管133
第14章 集成电路136
14.1 转变思维137
14.2 集成电路的大小137
14.3 集成电路为何能实现很好的价格138
14.4 高可靠性的集成电路140
14.5 集成电路的内部构造140
14.6 集成电路的制造143
14.7 集成电路的未来145
14.8 技术演进：突破物理法则的四大路径146
14.9 应用场景：从“计算工具”到“文明器官”147
14.10 挑战与未来：向“后硅时代”迁徙147
第15章 半导体器件的使用149
15.1 半导体是“优等生”150
15.2 热与半导体150
15.3 电与半导体152
15.4 水与半导体153
15.5 光与半导体155
第16章 晶体管的电气特性156
16.1 扎实掌握基础知识157
16.2 二极管的电气特性157
16.3 测量二极管的电气特性159
16.4 电阻的本质160
16.5 二极管的电阻特性162
16.6 晶体管的电气特性163
16.7 集电极的输出特性165
16.8 基极电流为参数167
第17章 半导体器件的应用电路171
17.1 增幅电路的基础172
17.2 偏置电路的基础178
17.3 偏置电路的设计193
前言/序言
我国半导体与集成电路产业发展的宏观环境十分有利：市场需求持续旺盛，产业政策和投资环境持续向好，这些因素都促使半导体产业持续发展。随着产业高速发展，对人才的需求也不断增加。由于半导体技术涉及材料、微电子、电子、物理、化学等专业，属于交叉学科，还涉及许多全新领域，相关教材及参考书籍较少，适合初学者入门的书籍更少。为此，本书在编写过程中，通过提供详细的图表和丰富的实例来提高可读性与易懂性，为读者进入半导体这一领域提供了一本入门指南。
1947年，贝尔实验室成功制造出了第一个晶体管。但是，晶体管真正作为一种“实物”出现在我们眼前，是1956年前后的事情。当时人们的震惊是难以想象的。之前只知道电子管（也叫真空管）的人们，突然被展示了尺寸只有1mm的小颗粒，并被告知它可以用来放大信号，而且，它不需要灯丝，不会摔坏，寿命几乎是永久的—简直是优点多到数不过来，就像未知的宇宙飞船降临地球一样。
晶体管在多个方面引发了革命。
首先是材料革命，在此之前，真空管需要切割和弯曲金属作为电极，并封装在玻璃管中；电阻器也是类似“陶器”一样的东西；当然，阴极等材料早已被研究过。但电子工程学本质上还是一种“连接金属线”的技术。
其次，晶体管是通过控制物质内部电子的运动来发挥作用的，这种新理念成为下一代电子工程学的巨大跳板。电子工程学从“连接金属线”的阶段迈向了物理学领域，并逐渐创造出新的科学分支。
此外，晶体管的小型化本身也是一种革命。如果要制造非常复杂的电子电路，传统技术会导致电路本身变得过于复杂，难以实际操作，因此很多人都放弃了。然而，随着晶体管时代的到来，这个梦想似乎可以实现了。信息处理学科也因此迅速发展。如今，大家都很熟悉计算机的强大功能，而晶体管的出现正是使电子计算机成为可能的关键。
从晶体管的发明到现在，还不到80年。以历史发展的角度来看，这是一段非常短的时间。然而，晶体管的发展速度却令人难以置信。在现代科学中，很少有技术能像晶体管这样快速迭代。考虑到这种惊人的速度，再过10年会有什么新东西出现，简直无法想象。
其中一个重要的成果就是集成电路（IC），大家应该都耳熟能详了。看到IC时，你会觉得它超越了人类智慧，像是宇宙时代的产物。然而，它却是由人类亲手制造出来的，这实在令人惊叹。
从晶体管到IC，半导体材料的发展留下了很多足迹。未来，它还会继续前进。然而，半导体的原理确实不容易理解。很多人觉得它不像金属线那样直观可见，因为它“看不见”。
正如之前所述，晶体管和半导体的历史其实非常短暂。可能有人认为晶体管已经完全开发完成，只需要使用就可以了。但实际上，我们每个人都处在半导体发展的历史进程中，并非旁观者。我们可以吸收前人积累的知识，但也要有决心创造属于自己的历史。半导体领域仍然是一个充满创意的领域，值得每个人去探索和创新。
为了做到这一点，我们需要首先了解半导体内部发生了什么。本书将深入浅出地讲解半导体的原理，并介绍晶体管的工作原理及简单电路的运行方式。
半导体技术不断推动人类进步，助力人类收获诸多科技成果。例如，被称为LSI（大规模集成电路）的技术，能够部分替代人类大脑的功能。如今，我们身边已经有了个人计算器和数字手表等产品。以前被认为不可想象的高端技术，现在已经成为日常生活中不可或缺的部分。
再过10年，我们可能会看到一个全新的电子世界，这是我们现在无法想象的。而半导体仍将是这一全新的电子世界的核心推动力量。
编者
2025年2月
