半导体物理_第十章综述
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
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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 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
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Neamen
对于n型衬底MOS电容器
电势fn同样是EFi和
《半导体物理学》课程教学大纲
《半导体物理学》课程教案大纲
一、课程说明
（一）课程名称：《半导体物理学》
所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）
课程性质：专业课
学分：学分
（二）课程简介、目标与任务：
《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。
本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：
本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。
（四）教材与主要参考书：
［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .
［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .
［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .
［］. . , ( .), , , .
二、课程内容与安排
第一章半导体中的电子状态
第一节半导体的晶格结构和结合性质
第二节半导体中的电子状态和能带
第三节半导体中电子的运动有效质量
半导体物理第十章3
§10.5 半导体发光
一、辐射复合
半导体中电子从高能量状态向较低能量状态跃迁并伴随发射光子的过程。主要有两种：
1、本征辐射复合(带－带复合)
导带电子跃迁到价带与空穴复合的过程称为本征跃迁，本征跃迁伴随发射光子的过程称为本征辐射复合。对于直接禁带半导体，本征跃迁为直接辐射复合，全过程只涉及一个电子－空穴对和一个光子，辐射效率较高。II-VI 族和具有直接禁带的部分III-V 族化合物的主要发光过程属于这种类型。对于间接禁带半导体，本征跃迁必须借助声子，因而是间接复合。其中包含不发射光子的多声子无辐射复合过程和同时发射光子和声子的间接辐射复合过程。因此，间接禁带半导体中发生本征辐射复合的几率较小，辐射效率低。Ge 、Si 、SiC 和具有间接禁带的部分III-Ⅴ族化合物的本征复合发光属于这种类型，发光比较微弱。
因为带内高能状态是非稳状态，载流子即便受激进入这些状态也会很快通过“热化”过程加入导带底或价带顶。显然，带间跃迁所发射的光子能量与E g 有关。对直接跃迁，发射光子的能量满足
g E h =ν
对间接跃迁，在发射光子的同时，还要发射声子，因而光子能量应满足
p g E E h -=ν
其中E p 是声子能量。
2、非本征辐射复合
涉及杂质能级的辐射复合称为非本征辐射复合。在这种过程中，电子从导带跃迁到杂质能级，或从杂质能级跃迁到价带，或仅仅在
杂质能级之间跃迁。由于这种跃迁不受选择定则的限制，发生的几
率也很高，是间接禁带半导体，特别是宽禁带发光材料中的主要辐
射复合机构。 下面着重讨论电子在施主与受主杂质之间的跃迁，如图10-22所示。当半导体中同时存在施主和受主杂质时，两者之间的库仑作用力使受激态能量增大，其增量△E 与施主和受主杂质之间距离r 成反比。当电子从施主向受主跃迁时，若没有声子参与，发射光子能量为
《半导体物理与器件》习题库
《半导体物理与器件》习题库
目录
《半导体物理与器件》习题库 (1)
第1章思考题和习题 (2)
第2章思考题和习题 (3)
第3章思考题和习题 (6)
第4章思考题和习题 (10)
第5章半导体器件制备技术 (12)
第6章Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂 (13)
第1章思考题和习题
1. 300K时硅的晶格常数a=5.43Å，求每个晶胞内所含的完整原子数和原子密度为多少？
2. 综述半导体材料的基本特性及Si、GaAs的晶格结构和特征。
3. 画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能作出定性解释。
4. 以硅为例，简述半导体能带的形成过程。
5. 证明本征半导体的本征费米能级E i位于禁带中央。
6. 简述迁移率、扩散长度的物理意义。
7. 室温下硅的有效态密度Nc=2.8×1019cm-3,κT=0.026eV,禁带宽度Eg=1.12eV，如果忽略禁带宽度随温度的变化，求：
（a）计算77K、300K、473K 3个温度下的本征载流子浓度。
（b） 300K本征硅电子和空穴的迁移率分别为1450cm2/V·s和500cm2/V·s，计算本征硅的电阻率是多少？
8. 某硅棒掺有浓度分别为1016/cm3和1018/cm3的磷，求室温下的载流子浓度及费米能级E FN的位置（分别从导带底和本征费米能级算起）。
9. 某硅棒掺有浓度分别为1015/cm3和1017/cm3的硼，求室温下的载流子浓度及费米能级E FP的位置（分别从价带顶和本征费米能级算起）。
10. 求室温下掺磷为1017/cm3的N+型硅的电阻率与电导率。
半导体物理第十章半导体的光学性质
10.5 半导体发光
半导体中电子能吸收光子而跃迁到激发态 同样，激发态的电子也可以向低能级跃迁
，并以光辐射的形式释放能量。 这就是半导体的发光现象
辐射跃迁过程
半导体材料受激发后，电子由 低能级向高能级跃迁，形成非 平衡载流子。非平衡载流子会 复合，并以不同的形式释放多 余的能量，从高能级到低能级 的电子跃迁过程有以下：
∇ ×ε = − ∂B
∂t ∇ × H = J + ∂D
∂t
J = σε
B = μrμ0H D = εrε0ε
∇×ε
=
−μ0
∂H ∂t
∇×
H
=
σε
+ ε0εr
∂ε
∂t
∇⋅B =0
∇⋅H =0
∇⋅D = ρ =0
∇⋅ε = 0
∇×∇×ε
=
−μ0
∂ ∂t
(∇ ×
H)
=
−μ0 (σ
∂ε
∂t
+ ε0ε r
透过一定厚度d的媒质(两个界面）：
T = (1− R)2 e−αd
如：玻璃，消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁，间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收： 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
半导体物理与器件-第十章-MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)
28
10.1 MOS电容
P型衬底MOS结构
阈值电压:导通类型
VTN>0
MOSFET为增强型
VG=0时未反型，加有 正栅压时才反型
VTN<0
MOSFET为耗尽型
10.1.2 耗尽层厚度
耗尽情况 反型情况 会算其厚度 了解阈值反型点条件 常用器件掺杂范围
16
10.1 MOS电容
功函数差:MOS接触前的能带图
金属的 功函数
金属的费米能级 二氧化硅的 禁带宽度
绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换
二氧化硅的电子亲和能
硅的电子亲和能 金属的功函数
第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
1
第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 11.6
双端ＭＯＳ结构 电容－电压特性 ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理 频率限制特性 ＣＭＯＳ技术 小结
本章概述
MOSFET和其他电路元件结合能够产生电压增益和信号功 率增益；
Al SiO2 Si : fp 0.228V
(T 300K, Na 1014 cm3 )
ms 0.83V
《半导体物理与器件》教学大纲
《半导体物理与器件》教学大纲
课程类别：专业方向
课程性质：必修
英文名称：Semiconductor Physics and Devices
总学时：48 讲授学时：48
学分： 3
先修课程：量子力学、统计物理学、固体物理学等
适用专业：应用物理学(光电子技术方向)
开课单位：物理科学与技术学院
一、课程简介
本课程是应用物理学专业(光电子技术方向)的一门重要专业方向课程。通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为开展课题设计和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。
二、教学内容及基本要求
第一章：固体晶格结构（4学时）教学内容：
1.1半导体材料
1.2固体类型
1.3空间晶格
1.4原子价键
1.5固体中的缺陷与杂质
1.6半导体材料的生长
教学要求：
1、了解半导体材料的特性, 掌握固体的基本结构类型；
2、掌握描述空间晶格的物理参量, 了解原子价键类型；
3、了解固体中缺陷与杂质的类型；
4、了解半导体材料的生长过程。
授课方式：讲授
第二章：量子力学初步（4学时）教学内容：
2.1量子力学的基本原理
2.2薛定谔波动方程
2.3薛定谔波动方程的应用
2.4原子波动理论的延伸
教学要求：
1、掌握量子力学的基本原理，掌握波动方程及波函数的意义；
2、掌握薛定谔波动方程在自由电子、无限深势阱、阶跃势函数、矩形势垒
中应用；
3、了解波动理论处理单电子原子模型。
授课方式：讲授
第三章：固体量子理论初步（4学时）
半导体物理_第十章
本章学习要点：
1. 了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流电压关系； 2. 分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布情况； 3. 分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子并推导出 其数学表达式； 4. 了解双极型晶体管中的几个非理想效应； 5. 建立双极型晶体管的小信号等效电路模型；
其中JRB、JpE和JR这三个电流仅仅流过发射 结，并没有流过收集结，而Jpc0和JG这两个电流 则仅仅流过收集结，并没有流过发射结。因此 这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有 任何贡献。直流情况下BJT器件的共基极电流 增益定义为：
我们真正感兴趣的实际上是器件的收集极 电流如何随着发射极电流的改变而变化，即在 正弦小信号情况下，BJT器件的共基极电流增 益可定义为：
下图所示为工作在饱和状态时BJT中不同区 域的少数载流子浓度分布。器件发射结和收集 结均处于正偏状态，但是发射结上的正偏电压 还是略高于收集结上的正偏电压，因此在基区 内部仍然存在着过剩少子电子的浓度梯度，由 此形成BJT器件的收集极电流。
下图所示为工作在饱和状态时BJT器件中各 区的能带情况示意图
BJT器件四种不同的工作模式所对应的PN结 偏置情况如下页图所示。
BJT器件四种不同的工作模式及其对应的PN结 偏置条件示意图
§10.2 少数载流子分布情况 我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个 电流表达式，和理想PN结情况类似，这些电流 都是BJT中各个区域少数载流子浓度分布的函 数，因此首先确定在不同工作模式下，双极型 晶体管中稳态条件下各个不同区域的少数载流 子浓度分布。 1. 正向放大模式 考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJT器件。
半导体物理与器件1.1——第十章
iC iB 1
共射极电流增益
iE iB 1 1 iE iB iC 1 1 iC iC
半导体物理与器件
工作模式
截止模式 正向有源模式 饱和模式 反向有源模式
不同的工作模式下， EB结和BC结处于不 同的偏置状态，其电 路功能也不同
VCC IC RC VCB VBE VR VCE
半导体物理与器件
wenku.baidu.com
符号 npn和pnp晶体管 NE，NB，NC xE，xB，xC
定义 E、B和C区中的掺杂浓度 （下标代表区域） 电中性E、B和C区的宽度
DE，DB，DC LE， LB， LC τ E， τ B， τ C npn晶体管 pE0，nB0，pC0 pE(x’)，nB(x)，pC(x’’)
n++ E
P+
n C
半导体物理与器件
定性分析 热平衡和偏置状态
注意这里没有反映出各 个区杂质浓度的区别 正向有源区，电子的输 运过程
半导体物理与器件
B-E结正偏；B-C 结反偏；正向有 源模式
注意基区宽度 回忆：短二极管
半导体物理与器件
发射结正偏，电子扩散注入基区 B-C结反偏，基区中靠近B-C结边界处电子浓度为零。 基区中电子存在着较大的浓度梯度，因此电子可以通 过扩散流过基区，和正偏的PN结二极管类似，少子电 子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发 生一定的复合。
半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象
v0 为光波的频率最低限，（或波长的最大限 λ0 ）对应于吸收系数显著下降
的特定波长 λ0 （或特定频率 v0 ）称为半导体的本征吸收限。即：
λ0
=c
ν0
=
hc
hν 0
=
hc Eg
=
1.24
Eg (eV
)
(μm)
一、本征吸收
几种常见的半导体材料的长波限为：
Si Ge GaAs AlP CdS
hv ≥ Eg
kr′
−
r k
=
0
或
kr′
=
r k
E
0'
我们把遵守选择定则的跃迁称为直
接跃迁（或竖直跃迁）;
把不遵守选择定则的跃迁称为间接
0
跃迁（或非竖直跃迁）。
Eg
k
一、本征吸收
直接跃迁（竖直跃迁）： 遵守选择定则的跃迁。在直接跃迁过程中，电子只与电磁波相互作用，与
晶格不发生相互作用，即只有电子和光子参与，没有声子参与的跃迁。
CC
εrμr [
2
1
+
ω
σ 2ε
2
r2ε
2 0
−1]
一、折射率和吸收系数
讨论：
<1>对于绝缘体σ = 0，所以α = 0，这说明绝缘体对于光是透明的。
半导体物理习题课-第十章
x a
上述两式代入（1）式可求出系数A。
sGt A Dp s cosh(a / L p ) sinh(a / L p ) Lp
于是少子空穴浓度分布为：
st cosh(x / L p ) p Gt 1 st cosh(a / L p ) L p sinh(a / L p )
③ 样品的电导增量ΔG？ 解：样品的电导率增量为：
n e n 2.11014 cm3 1.6 1019 C 100cm2 V-1s-1 3.36103 1 cm1
电导增量，即光电导为：
S 0.1cm 0.1cm 3 1 1 G 3.361Fra Baidu bibliotek cm l 0.01cm 3.36103 1
a
① 样品中每秒产生的电子-空穴对数？
解：每秒产生的电子-空穴对数=每秒吸收的光 子数×量子产率β。（其中b=1） 假设光照能量全部被晶片吸收，因此，每秒产生的 电子-空穴对数等于每秒入射到晶片的光子数。
每秒钟入射到晶片的能量为：
2 2 E 1mW/cm （ 1mm） 1s 110-5 J
Si
1.24 1.11 m 1.12 （eV ）
GaAs
10.2 N 型 CdS 正方形晶片，边长 1mm ，厚 0.1mm ， 其长波吸收限为 5100Å，用强度为 1mW/cm2 的 紫色光（ λ=4096Å）照射正方形表面，设量子 产额β=1，光生空穴全部被陷，光生电子寿命 tn=10-3s，电子迁移率 100cm2/Vs，并假定光照 能量全部被晶片吸收，试求出： ① 样品中每秒产生的电子-空穴对数； ② 样品中增加的电子数； ③ 样品的电导增量ΔG； ④ 样品上加50V电压时的光生电流。
半导体物理与器件-第十章。MOSFET基础(2)(MOSFET工作原理,频率,CMOS)
半导体物理与器件-第十章。MOSFET 基础(2)（MOSFET工作原理，频率，
CMOS）
在这一段中，我们将介绍MOSFET的工作原理。我们将详细解释MOSFET是如何控制电流的，以及它的主要组成部分和功能。
本段将介绍MOSFET的频率特性。我们将讨论MOSFET的截止频率和增益特性，以及如何分析和优化MOSFET的频率响应。
半导体物理与器件-第十章。MOSFET基础(2)（MOSFET工作原理，频率，CMOS）
第三段：CMOS技术
在最后一段，我们将介绍CMOS技术。我们将解释CMOS是如何结合N型MOSFET和P型MOSFET来实现高性能的集成电路设计的。我们还将探讨CMOS的优点和应用领域。
CMOS (互补金属氧化物半导体)技术是一种常用的集成电路设计技术。它通过将N型MOSFET和P型MOSFET组合在一起来实
现高性能和低功耗。CMOS技术的优点是它可以实现良好的抗干扰性能，同时功耗较低。这使得CMOS技术在当前的集成电路设计中得到广泛应用。
CMOS技术的应用领域非常广泛。它被广泛用于数字集成电路设计中，例如微处理器、存储器和逻辑门等。CMOS技术还被应用于模拟集成电路设计中，如运算放大器和数据转换器等。由于CMOS技术的优点，它在现代集成电路设计中扮演着重要的角色。
以上是关于CMOS技术的一些介绍。在下一章中，我们将继续讨论MOSFET的其他方面和相关内容。
以上是关于CMOS技术的一些介绍。在下一章中，我们将继续讨论MOSFET的其他方面和相关内容。
《半导体物理》课程考试大纲 .doc
《半导体物理》课程考试大纲
一、适用专业：
集成电路工程
二、参考书目：
1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社
三、考试内容与基本要求：
第一章绪论
[考试要求]
本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。
[考试内容]
①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念
②晶体中的缺陷、晶格振动
③晶体中的电子运动
第二章半导体中的电子状态
[考试要求]
本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。
[考试内容]
①电子、空穴和有效质量的概念
②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象
③常用半导体的能带结构
④半导体中的杂质和缺陷
第三章热平衡状态下载流子的统计分布
[考试要求]
本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。
[考试内容]
①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式
②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度
③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化
④简并半导体
第四章载流子的漂移和扩散
[考试要求]
本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。
[考试内容]
①半导体中载流子的各种散射机制
②电导率和迁移率
③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系
《半导体物理学》习题库
第1章思考题和习题
1. 300K时硅的晶格常数a=5.43Å，求每个晶胞内所含的完整原子数和原子密度为多少？
2. 综述半导体材料的基本特性及Si、GaAs的晶格结构和特征。
3. 画出绝缘体、半导体、导体的简化能带图，并对它们的导电性能作出定性解释。
4. 以硅为例，简述半导体能带的形成过程。
5. 证明本征半导体的本征费米能级E i位于禁带中央。
6. 简述迁移率、扩散长度的物理意义。
7. 室温下硅的有效态密度Nc=2.8×1019cm-3,κT=0.026eV,禁带宽度Eg=1.12eV，如果忽略禁带宽度随温度的变化，求：
（a）计算77K、300K、473K 3个温度下的本征载流子浓度。
（b） 300K本征硅电子和空穴的迁移率分别为1450cm2/V·s和500cm2/V·s，计算本征硅的电阻率是多少？
8. 某硅棒掺有浓度分别为1016/cm3和1018/cm3的磷，求室温下的载流子浓度及费米能级E FN的位置（分别从导带底和本征费米能级算起）。
9. 某硅棒掺有浓度分别为1015/cm3和1017/cm3的硼，求室温下的载流子浓度及费米能级E FP的位置（分别从价带顶和本征费米能级算起）。
10. 求室温下掺磷为1017/cm3的N+型硅的电阻率与电导率。
11. 掺有浓度为3×1016cm-3的硼原子的硅，室温下计算：
（a）光注入△n=△p=3×1012cm-3的非平衡载流子，是否为小注入？为什么？
（b）附加光电导率△σ为多少？
（c）画出光注入下的准费米能级E’FN和E’FP(E i为参考)的位置示意图。
《半导体物理学》【ch10】 半导体的光学性质和光电与发光现象 教学课件
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 式中， ε0和μ0是自由空间的介电常数和磁导率；εr是媒质的相对介电常数； σ是媒质的电导率。从 式（10- 5 ）和式（10-6 ）得
对于H 也可获得类似的方程。 现考虑沿x方向传播的平面电磁波， 取§的一个分量§y，其表示式为
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 代入式(10 -10 ） ， 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 这说明，当光波在媒质中传播时， H0与§0的数值不同， 且两者之间有一相差θ＝arctan k/n，从 式（10- 14a）得知，当σ≠0 时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按exp (-wkx/c） 的形式 减小。这里n 是通常的折射率，而是则是表征光能衰减的参量， 称为消光系数。既然光波的电矢量 和磁矢量都按指数exp (-wkx/ c） 衰减，而能流密度（ 以坡印廷矢量表示）正比于电矢量和暗矢量 振幅的乘积， 其实数部分应该是光强度I 随传播距离Z 的变化关系。因此，光强度按exp ( -2wkx/ c ） 衰减，即 用透射法测定光的衰减〈见图10 -1 ）时，发现媒质中光的衰减与光强度成正比， 引入比例系数的 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
半导体物理 半导体的光学性质
3.重掺杂半导体（如n型），Ef进入导带，低温时，Ef以 下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而 本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。
4.强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子 诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗 朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应。
( m )
3、吸收谱：
图10.2 InSb的吸收谱
吸收系数与h或的关系
I x I0ex； 为吸收系数，光在介质中传播1 / 长度时，光
强衰减为原来的 1 / e。 4、吸收边：吸收限附近的吸收谱。
吸收曲线在短波段陡峭上升，是半导体吸收谱的一个突出特点, 标志着本征吸收的开始。
5、本征吸收：直接跃迁 间接跃迁
1、本征吸收：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收。它 是最重要的吸收，又叫基本吸收。
本征吸收产生电子-空穴对，从而引起光电导。
2、本征吸收限：
h h 0 Eg，
0，0为
本
征吸收限
。cm
1
100 75
0 :引起本征吸收的最低频率限；
50
0：本征吸收长波限
25
0
hc Eg
1.24 Eg
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§10.1 双极型晶体管的基本工作原理 组成情况：三个掺杂区，两个PN结两种结构： NPN型BJT：两个N型区中间夹着一个薄的P型区； PNP型BJT：两个P型区中间夹着一个薄的N型区；
BJT中通常发射区掺杂浓度最高(1019/cm3)，基 区次之(1017，1018)，而收集区的掺杂浓度（1015） 则最低。
正向放大模式下BJT中各区少子浓度分布示意图
下图所示为工作在截止状态时BJT中不同区 域的少数载流子浓度分布。
由于发射结和收集结均处于反向偏置状态， 又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度， 因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载 流子浓度均为零。
下图所示为工作在截止状态时BJT中各区的 能带情况示意图。
C. 基区中的少子电子存在着比较大的浓度梯度， 因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PN结
二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中
也会与其中的多子空穴发生一定的复合。
D. 电子扩散通过基区之后，将进入反偏的收集
结空间电荷区中，收集结中的电场将把扩散过来
的电子拉向收集区，能够被拉向收集区的电子数
G. 由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发射 结空间电荷区向发射区扩散，但是由于基区掺杂浓度通 常远远低于发射区的掺杂浓度，因此空穴由基区扩散至 发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由发射区扩
散至基区所引起的电子电流，这个空穴电流也构成了基
极电流和发射极电流的一个组成部分。
H. 反偏的收集区中也存在着一个反向漏电流，这个反
BJT器件四种不同的工作模式所对应的PN结 偏置情况如下页图所示。
BJT器件四种不同的工作模式及其对应的PN结 偏置条件示意图
§10.2 少数载流子分布情况 我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个 电流表达式，和理想PN结情况类似，这些电流 都是BJT中各个区域少数载流子浓度分布的函 数，因此首先确定在不同工作模式下，双极型 晶体管中稳态条件下各个不同区域的少数载流 子浓度分布。 1. 正向放大模式 考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJT器件。
实际BJT的结构示意图 例1：传统双极型集成电路中的BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用PN结；
实际BJT的结构示意图 例2：先进的双层多晶硅BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；
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1. 基本的工作原理 NPN型BJT与PNP型BJT是完全互补的两种双极 型晶体管，将以NPN型器件为例来进行讨论分析。 理想情况下，一个均匀掺杂的NPN型BJT的掺杂 分布如下图所示：
向漏电流通常很小。
BJT器件的一个主要工作目标就是要使得 由发射区注入到基区的电子能够尽量多地被 收集区收集到。为此，基区中少子电子与多 子空穴之间的复合应该尽可能地减少，基区 宽度也必须小于少子的扩散长度，从而使两 个PN结之间能够产生相互作用。
2. 工作模式 BJT器件可以有四种工作模式： （1）当发射结处于正偏，而收集结处于反偏 时，这也就是所谓的正向放大模式； （2）当发射结处于零偏或反偏，收集结也处 于反偏时，BJT器件发射区中的多数载流子电 子不会向基区中注入，因此器件发射极电流和 收集极电流均为零，此时称为截止模式；
第十章
本章学习要点：
双极型晶体管
1. 了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流电压关系； 2. 分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布情况； 3. 分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子并推导出 其数学表达式； 4. 了解双极型晶体管中的几个非理想效应； 5. 建立双极型晶体管的小信号等效电路模型；
目取决于由发射区注入到基区中的电子数目。
E. 流入到收集区中的电子数量（构成收集极电 流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型 晶体管的放大作用，即：BJT中流过一个端点的 电流取决于另外两个端点上的外加电压。 发生在正向放大模式BJT中的其它次要的物理过 程还有： F.基区中的少子电子将与基区中的多子空穴相 复合，因此基区中的多子空穴必须得到补充， 这个过程构成了基极空穴电流的一个组成部分
最后，我们再给出BJT处于反向放大状态时不 同区域的少数载流子浓度分布。由于器件发射结 处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由 收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被 发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子 的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。
6. 掌握分析双极型晶体管频率限制因素的方法；
7. 掌握分析双极型晶体管大信号开关特性的方法。
双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），有时也简称为双极型晶 体管或双极晶体管，之所以称为双极型器件， 是因为其工作过程中包含了电子和空穴两种 载流子的运动. 双极型晶体管包含3个独立的掺杂区域 （NPN或PNP），由此构成两个靠得很近且二 者之间具有相互作用PN结，双极型晶体管的 工作原理与这两个PN结的特性密切相关。
（3）随着发射结正 向偏置电压的不断增 加，收集结由反偏变 为零偏甚至正偏，此 时BJT即进入饱和工 作模式。 发射结正偏，收集结 正偏。
（4）当BJT器件的发射结处于反偏，而收集结处 于正偏时，则BJT处于反向放大模式。由于BJT器 件结构上的非对称性，其反向放大特性与正向放 大特性有很大差别。
下图所示为工作在饱和状态时BJT中不同区 域的少数载流子浓度分布。器件发射结和收集 结均处于正偏状态，但是发射结上的正偏电压 还是略高于收集结上的正偏电压，因此在基区 内部仍然存在着过剩少子电子的浓度梯度，由 此形成BJT器件的收集极电流。
下图所示为工作在饱和状态时BJT器件中各 区的能带情况示意图
正常工作时，BJT器件的发射结（E-B结）处于正向偏 置状态，而其收集结（B-C结）则处于反向偏置状态， 这种情况通常称为正向放大模式。
首先来讨论发生在正向放大模式BJT中的主要 物理过程：
A. 发射结正偏，电子由N型发射区越过发射结空间电 荷区扩散进入基区，并在基区中形成非平衡过剩少子 电子的浓度分布，基区中少子电子的浓度分布是发射 结上外加正偏电压的函数，发射区中的电子电流是流 过发射极电流的一个组成部分。 B. 收集结反偏，因此基区中靠近收集结边界处少子电 子的浓度为零。