尼曼-半导体物理与器件@第四版@对应PPT@第二章
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
第一章：半导体材料与晶体
1.1 半导体材料的基本特性
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。它的基
本特性包括：
1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带
或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成
的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电
子和空穴。自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情
况下能够自由移动的电子。空穴是在价带上的，当一个价
带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对
其进行掺杂。掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以
改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷
半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。晶体结构
是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：
1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重
复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等
不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：
1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺
陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，
主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶
面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工
半导体物理与器件第四版课后习题答案2
______________________________________________________________________________________
Chapter 2
2.1
Sketch
_______________________________________ 2.2
Sketch
_______________________________________ 2.3
Sketch
_______________________________________
2.4
From Problem 2.2, phase t x
ωλπ-=2
= constant Then
⎪⎭⎫ ⎝⎛+==⇒=-⋅πλωυωλπ2,02p dt dx dt dx From Problem 2.3, phase t x ωλ
π+=2
= constant Then
⎪⎭⎫
⎝⎛-==⇒=+⋅πλωυωλπ2,02p dt dx dt dx
_______________________________________
2.5
E
hc hc h E =⇒==λλν Gold: 90.4=E eV ()()
19
106.190.4-⨯= J So, (
)(
)
()(
)
519
10
341054.210
6.190.410310625.6---⨯=⨯⨯⨯=λcm or μλ254.0=m
Cesium: 90.1=E eV ()()
19
106.190.1-⨯=
J So,
(
)(
)
()(
)
519
10
341054.610
6.190.110310625.6---⨯=⨯⨯⨯=λcm or
尼曼-半导体物理与器件@第四版@对应PPT@第十章
随着正栅压的增大，半导体与氧化物接触的表面处能带 继续弯曲，出现导带距费米能级更近，呈现出n型半导体 特点，从而产生了氧化物-半导体界面处的电子反型层。
资源整合，共享知识第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
5
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Neamen
fp
资源整合，共享知识第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
12
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Neamen
资源整合，共享知识第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
7
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Neamen
（2）耗尽层厚度
电势fp是EFi和EF之
间的势垒高度：
fp
Vt
ln
Na ni
9
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对于n型衬底MOS电容器
电势fn同样是EFi和
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案之第一部分-半导体属性
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案之第一部分-半导体属性
1. 导电性：
半导体材料是指在电声信号强度及温度变化范围内，具有显著能量带隙、静电屏蔽能力和较强导电性的半导体物质。其导电性取决于半导体物质的原子结构和物理性质。值得注意的是，半导体材料具有非常高的电阻率，其电阻率取决于半导体材料中存在的空穴和电子的数量及相应的电子移动速率。在常温下，半导体物质的电阻率可以达到106到1012欧姆之间的数字，而在低温和高温下，电阻率几乎可以忽略不计。
2. 光电效应：
半导体物质具有光电效应，即半导体物质可以在受到光照时发生微小变化。由于半导体物质具有光电效应，因此，当光照在半导体物质上时，可以产生电压，从而使半导体物质的电阻率发生变化，产生静电效应。这种光电效应可以被用于光电器件的研制中，例如太阳能电池，光敏电阻等等，具有十分广阔的应用范围。
3. 热敏性：
半导体物质具有高的热敏性，当温度发生变化时，半导体物质的性质也会发生变化。当温度提高时，半导体物质开始呈现出热电效应，其电阻率会随着温度提高而减小，而当温度降低时，会出现负热效应，其电阻会随着温度降低而增加。因此，半导体物质的热敏性可以被利用于研制热敏电阻、热敏电容等等的器件中。
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
从共有化量子态的能级图及其与原子能级的关系，可以看 出，晶体中量子态的能级分成由高到低的很多组，分别与 原子能级相对应，每一组内含有大量的、能量很接近的能 级，这样迷你的能级看起来像一条带子，因此成为能带， 能带之间的间隙成为禁带，禁带宽度就是一个能带到另一 个能带之间的能量差。
2.1.3 几种典型的半导体材料
无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导 体及固溶体半导体。
1.无机半导体晶体材料
(1)元素半导体晶体
Si、Ge、Se 等元素
• 在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着 11种具有半导性的元素。 • C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体 与半导体两种形态; • B、Si、Ge、Te具有半导性； • Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形 态。 • P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高 、容易分解，所以它们的实用价值不 大。 • As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体 是不稳定的形态。 • B、C、Te也因制备工艺上的困难和性 能方面的局限性而尚未被利用。 • 元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元 素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导 体材料中应用最广的两种材料。
导带电子
《半导体物理与器件》第四版答案第十章
Chapter 10
10.1
(a) p-type; inversion (b) p-type; depletion (c) p-type; accumulation (d) n-type; inversion
_______________________________________ 10.2
(a) (i) ⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=i a t fp n N V ln φ ()⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛⨯⨯=10
15
105.1107ln 0259.0 3381.0=V 2
/14⎥⎦
⎤⎢⎣⎡∈=a fp s dT
eN x φ
()(
)
()(
)(
)
2
/1151914107106.13381.01085.87.114⎥
⎦
⎤
⎢⎣⎡⨯⨯⨯=--
51054.3-⨯=cm or μ354.0=dT x m
(ii) ()⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯=1016105.1103ln 0259.0fp φ
3758.0=V ()(
)
()(
)(
)
2
/1161914103106.13758.01085.87.114⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯=--dT
x
51080.1-⨯=cm
or μ180.0=dT x m
(b) ()03022.03003500259.0=⎪⎭⎫
⎝⎛=kT V
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=kT E N N n g c i exp 2υ (
)(
)
3
19
19
3003501004.110
8.2⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯=
⎪⎭
⎫
⎝⎛-⨯03022.012.1exp
221071.3⨯=
so 111093.1⨯=i n cm 3-
(i)()⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯=11151093.1107ln 03022.0fp φ
半导体器件物理PPT课件
25
1.3 半导体中的电子状态和能带
单个原子的电子
电子 -
原子核
E1 E2 E3
能级
电子受到原子核和其 他电子的共同作用。
静电引力（库仑力），使电子只 能在围绕原子核的轨道上运动。
量子力学 虽然在空间的所有范 围内都有电子出现的几率，但对 单个原子中的电子而言，其几率 的最大值则局限在离原子核中心 很小的范围内（玻尔半径数量 级）。
16
如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的
截距为1，1，∞，
其倒数为1，1，0，
此平面用密勒指数表示 为（110），
此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
17
练习
试求ADD’A’的密勒指数。
18
晶列指数——晶向指数
8
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
9
元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
10
【半导体物理与器件】【尼曼】【课后小结与重要术语解释】汇总
【半导体物理与器件】【尼曼】【课后小结与重要术语解释】
汇总
第一章固体晶体结构
小结
1.硅是最普遍的半导体材料
2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。晶胞是晶体中的一小块
体积，用它可以重构出整个晶体。三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。3.硅具有金刚石晶体结构。原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。二元半导体
具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。
4.引用米勒系数来描述晶面。这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。密勒系数也可以
用来描述晶向。
5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。少量可控的替位杂质有益于改
变半导体的特性。
6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。体生长生成了基础半导体材料，即衬底。外延
生长可以用来控制半导体的表面特性。大多数半导体器件是在外延层上制作的。
重要术语解释
1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。
2.共价键：共享价电子的原子间键合。
3.金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个四面体组态。
4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。
5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。
6.外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。
7.离子注入：一种半导体掺杂工艺。
8.晶格：晶体中原子的周期性排列
9.密勒系数：用以描述晶面的一组整数。
10.原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。
11.衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他原材料。
12.三元半导体：三元素化合物半导体，如AlGaAs。
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
4-2 扩散工艺：
引言
常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑扩散。
4-3 离子注入技术：
杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电场下加速，获得较 高的能量（1万-100万eV）后直接轰击到半导体基片（靶片）中，再 经过退火使杂质激活，在半导体片中形成一定的杂质分布。 离子注入技术的特点： （1）低温； （2）可精确控制浓度和结深； （3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质； （4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层； （5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术； （6）设备昂贵。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
线性缓变结
如果杂质分布可用x = xj处的切线近似表示，则称 之为线性缓变结，如图(b)所示。此时，线性缓变 结的杂质分布可表示为:
半导体物理与器件第四版答案
半导体物理与器件第四版答案
半导体物理与器件第四版答案
【篇一：半导体物理第五章习题答案】
>1. 一个n型半导体样品的额外空穴密度为1013cm-3，已知空穴寿命为100?s，计算空穴的复合率。
解：复合率为单位时间单位体积内因复合而消失的电子-空穴对数，因此
1013
u1017cm?3?s ?6
100?10
2. 用强光照射n型样品，假定光被均匀吸收，产生额外载流子，产生率为gp，
空穴寿命为?，请①写出光照开始阶段额外载流子密度随时间变化所满足的方程；②求出光照下达到稳定状态时的额外载流子密度。解：⑴光照下，额外载流子密度?n=?p，其值在光照的开始阶段随时间的变化决定于产生和复合两种过程，因此，额外载流子密度随时间变化所满足的方程由产生率gp和复合率u的代数和构成，即 d(?p)?p gp? dt?
d(?p)
0，于是由上式得⑵稳定时额外载流子密度不再随时间变化，即dt
p?p?p0?gp?
3. 有一块n型硅样品，额外载流子寿命是1?s，无光照时的电阻率是10??cm。今用光照射该样品，光被半导体均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1022/cm3?s，试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数载流子的贡献占多大比例？
解：光照被均匀吸收后产生的稳定额外载流子密度
p??n?gp??1022?10?6?1016 cm－3
取?n?1350cm2/(v?s)，?p?500cm/(v?s)，则额外载流子对电导率的贡献
2
pq(?n??p)?1016?1.6?10?19?(1350?500)?2.96 s/cm
尼曼半导体物理与器件第一章课件
尼曼半导体物理与器件第一章
30
➢替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂 质原子价电子壳层结构接近本体原子，如Ⅲ、Ⅴ族在Si、Ge （Ⅵ族）中的情况，Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ-Ⅴ化合物中。
尼曼半导体物理与器件第一章
31
◆杂质原子激活：
人为引入的杂质原子， 只有处于替位式时，才能激活，起到 改变和控制半导体材料导电性的作用。例如Ⅲ、Ⅴ族元素原 子掺入Si、Ge中，多以替位式存在。
组数称为晶向指数<l1 l2 l3> 。
c
b a
尼曼半导体物理与器件第一章
21
§1.4 金刚石结构
• 金刚石结构（硅、锗）：属面心立方晶体家族，由两个面 心立方结构套构形成，此两个副晶格偏移的距离为立方体 体对角线的1/4。此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结 构上相同，但以晶格观点看却不同。
尼曼半导体物理与器件第一章
除顶角外在立方体中心还有 有一个原子
z
a
y
x x
尼曼半导体物理与器件第一章
y
14
➢面心立方结构
Face Centered Cubic
简立方的六个面的中 心各有一个原子
z y
x
例1.1：求体心立方单晶材料的原子体密度，其晶格常数a=5Å。 解：原子体密度=（8×1/8+1）/（5×10-8）3
半导体器件物理PPT课件
载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所达到 的动态平衡（p-n结的净电流为零）。
PN结
多子的扩散运动
少子的漂移运动
形成扩散电流 并增加空间电荷区的宽度
形成漂移电流 并减小空间电荷区的宽度
平衡时
空间电荷区的宽度也达到稳定，电流为零
PN结
平衡p-n结
2.1热平衡PN结
2.PN结空间电荷区的形成（热平衡系统划分）
dx2
k0
0 x xn
xpN d
0
Na N d
P侧Poisson方程： d 2y qNa dx2 k0
xp x 0
- Na
xn x
（a ）
空间电荷的电中性： Na xp Nd xn
x
（b ）
空间电荷层宽度： W xp xn
y
m
x
对于单边突变结： Na Nd xn x p
0 y0
PN结
引言
3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
N Si
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
光刻胶
N+
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
SiO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 SiO2
N Si N+
第二讲-半导体物理及器件基础总结PPT课件
半导体物理基础
三种半导体的费米能级分布
Ec Ei Ev
本征半导体
Ec Ef Ei
Ev
N型半导体
Ec
Ei Ef Ev
P型半导体
11/50
半导体物理基础
平衡态半导体的载流子浓度方程
n0
N
C
.
exp(
EF kT
EC
)
n0
ni
.
exp(
EF kT
E
i
)
p0
NV
. exp( EV EF kT
V
＋－
反向偏置 N－Si：高电位 P－Si： 低电位
22/50
PN结
EC EV EC EV
PN结形成之前
EC
PN结的能带
EV
PN结形成之后
qVbi
XM
EC EV
23/50
PN结
EC EV EC EV
正偏状态
q（Vbi－VD） qVD
XM’
反偏状态
q（Vbi＋VR） qVR
XM’
PN结的能带
EC EV
+ + + + + + + + + + －－－－－－－－－－
+ + + + + + + + + + －－－－－－－－－－
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半导体物理与器件
第二章 量子力学初步
资源整合，共享知识
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
（1）能量量子化原理
• 1900，普朗克，量子概念，量子能量E=hν ； • 1905，爱因斯坦，光波由分立的粒子组成，解释
了光电效应；光子是粒子化的能量，能量E=hν。
例2.1：计算对应某一粒子波长的光子能量。考虑一种X射线， 其波长为λ=0.708×10-8cm。
解：
E h hc
6.6251034 31010 0.708 108
2.811015 J
2.811015 1.6 1019
1.75104 eV
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
（2）波粒二相性原理
• 1924，德布罗意，物质波：p=h/λ→λ=h/p
（2）波函数的物理意义
• 波函数Ψ(x, t)用以描述粒子或系统的状态， 本身是一个复函数，不具有物理意义。
• 波函数的模平方是概率密度函数
x,t 2 x x x 2
• 概率密度函数代表在空间中某一点发现粒 子的概率。
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
（1）波动方程：用于描述电子运动的波理论，
通过薛定谔波动方程描述。
– 一维非相对论的薛定谔波动方程
Biblioteka Baidum
2 x,t
x2
V
x
x,t
j
x,t
t
– 分离变量法，薛定谔波动方程中与时间无关的项
2
x2
x
2m
2
E
V
x
x
0
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
• 无法确定一个电子的准确坐标，将其替换 为确定某个坐标位置可能发现电子的概率， 概率（密度）函数。
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.2 薛定谔波动方程
• 1926，薛定谔，波动力学理论，结合量子化和波 粒二相性。
B
exp
j
x
2mE
Et
自由空间中的粒子运动表现为行波。
假设某一时刻，粒子沿+x方向运动，则
x,t Aexp j kx t
因此，
h 2mE k 2
概率密度为AA*，与坐标无关：具有明确动量定义的自由粒子 在空间任意位置出现的概率相当。
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
• 波粒二相性是利用波理论描述晶体中电子运动和 状态的基础。
例2.2：计算一个粒子的德布罗意波长，电子的运动速度为 107cm/s。
解：电子动量
p mv 9.111031 105 9.111026 kg m s
德布罗意波长为
h 6.6251034 7.27 109 m 72.7 A
（2）无限深势阱
粒子被局限在有限的区域内， 如下图中的区域Ⅱ。
与时间无关的薛定谔波动方程：
2 x
x2
2m
2
E
V
x
x
0
区域Ⅱ中，V=0，波函数Ψ(x)连续的边界条件，可得
波函数: x
2 a
sin
n
a
x
总能量：E En
2n2 2
2ma2
n
N
粒子的能量只能是 特定的分立值！
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（3）边界条件
|Ψ(x, t)|2——概率密度，对于单电子：
x 2 dx 1
上式对Ψ(x, t)进行了归一化，是一个边界条件。
当E和V(x)在任何位置均为有限值时，还有一下的边 界条件： 1）Ψ(x, t)必须有限、单值和连续， 2）əΨ(x, t)/əx必须有限、单值和连续。
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p 9.111026
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（3）不确定原理
• 1927，海森伯不确定原理：描述共轭变量 间的基本关系。
① ΔpΔx≥ħ ② ΔEΔt≥ħ
本章内容
1. 量子力学的基本原理
2. 薛定谔波动方程
3. 薛定谔波动方程的应用
4.原子波动理论的延伸
5. 小结
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.1 量子力学的基本原理
8
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.3 薛定谔波动方程的应用
（1）自由空间中的电子
势函数V(x)为常量，且有E>V(x)=0，求解可得
x, t
A
exp
j
x
2mE Et
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半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
前四级能量
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对应的波函数
对应的概率函数
• 量子力学的波理论是半导体物理 学理论的基础。
• 量子力学的三个基本原理
– 能量量子化原理 – 波粒二相性原理 – 不确定原理
资源整合，共享知识
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