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《半导体物理》课件

半导体器件
半导体应用
探索各种半导体器件，如二极管、晶体管和集成电路的工作原理。
了解半导体在电子通信、计算机和能源技术等领域中的应用。
晶体物理基础
本节将介绍晶体物理学的基本原理及晶格结构。了解晶体的性质和结构对于理解半导体物理至关重要。
晶体结构
探索晶体的结晶结构和晶格参数。
布拉维格子
了解布拉维格子及其在晶体物理中的重要性。
PN结与二极管
深入了解PN结和二极管的工作原理和特性。探索PN结在电子器件中的重要性和应用。
PN结形成
了解PN结的形成过程和材料特性。
正向偏置
介绍正向偏置情况下PN结的导电性能和电流行为。
反向偏置
研究反向偏置情况下PN结的特性和电流行为。
场效应晶体管
本节将深入研究场效应晶体管的工作原理和应用。了解场效应晶体管作为重要的电子器件的优势和特性。
晶体缺陷
研究晶体中的缺陷和杂质对材料性能的影响。
晶体生长
了解晶体的生长原理和方法。
晶体缺陷与扩散
本节将深入研究晶体缺陷和扩散现象。了解这些关键概念对于半导体器件设计和制造至关重要。
1
缺陷类型
介绍晶体缺陷的种类，如点缺陷和线缺
扩散过程
2
陷。
详细了解扩散现象的原理和应用，包括
掺杂和控制扩散速率。
3
热扩散
1
原理介绍
详细了解场效应晶体管的基本物理原理和工作机制。
2
பைடு நூலகம்
MOSFET
研究金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和特性。
3
JFET
了解结型场效应晶体管的结构和特点。
集成电路基础
在本节中，我们将介绍集成电路的基本概念和设计原则。了解集成电路的演变和应用。

半导体器件物理(详尽版)ppt

半导体电阻率介于导体和绝缘体之间。导体（电阻率小于10-8Ω·m），绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？
●导带底EC
导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带电子的过程。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常温下，部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。
在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；

现代半导体器件物理与工艺ppt课件

桂林电子科技大学
尘埃粒子在掩模版图案上所造成的不同腐蚀的影响
现代半导体器件物理与工艺
图形曝光与光刻 3
英制系统等级数值是每立方英尺中直径大于或等于0.5 um的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值。
公制系统等级数值是每立方米中直径大于或等于0.5um 的尘埃粒子总数不准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。
图形曝光与光刻 15
抗蚀剂
抗蚀剂是对光敏感的化合物，依其对光照的反应分成正性和负性。正性抗蚀剂：被曝光的区域将变得较易溶解，可以在显影步骤时较容易被去除。所产生的图案将会与掩模版上的图案一样。负性抗蚀剂：被曝光区域的抗蚀剂将变得较难溶解，所产生的图案与掩模版上的相反。
正性抗蚀剂包括：感光化合物、树脂基材和有机溶剂；曝光后，曝光区的感光化合物因吸光改变了本身的化学结构而可以溶解于显影液中。负性抗蚀剂包括：聚合物和感光化合物合成。曝光后，感光化合物吸收光变成化学能而引起聚合物链反应，是聚合物分子发生交联，变得难溶解于显影液中。缺点：显影中抗蚀剂吸收显影液而膨胀，限制了分辨率。
桂林电子科技大学
现代半导体器件物理与工艺
图形曝光与光刻 12
桂林电子科技大学
IC掩模版
现代半导体器件物理与工艺
图形曝光与光刻 13
缺陷密度是掩模版好坏的主要原因之一。掩模版缺陷可能在制造掩模版时或是接下来的图形曝光工艺步骤中产生。即使是一个很小的掩模版缺陷密度都会对IC的成品率产生很大的影响。成品率的定义是：每一晶片中正常的芯片数与中芯片数之比。若取一级近似，某一层掩模版与成品率Y之间的关系式为
桂林电子科技大学
简单的成像系统
现代半导体器件物理与工艺
图形曝光与光刻 10

《半导体物理学》课件

重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息科技的基础，对微电子、光电子、电力电子等领域的发展具有至关重要的作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率。
分析器件在长时间使用或恶劣环境下的性能退化，以提高其可靠性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种，其工作原理基于PN结的单向导电性。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半导体结合而成，在交界处形成PN结。当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流；当反向电压施加时，电流极小或无电流。

半导体器件物理ppt 共62页

N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平。
EC EF
如图为一 p-n-p 双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域，再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p＋型区域，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。
天津工业大学
现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管，即基极被输入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p＋发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn

《半导体器件物理》课件

《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成，它们之间存在一个禁带。当电子从价带跃迁到导带时，需要吸收或释放能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种类型，其结构包括源极、漏极和栅极。
场效应晶体管在放大、开关、模拟电路等中应用广泛，具有功耗低、稳定性高等优点。
当栅极电压变化时，导电沟道的开闭状态会相应改变，从而控制漏极电流的大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性

[物理]半导体器件物理ppt

V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗尽时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反型时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0：空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0：平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB：禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB：反型(能带向下弯曲超过费米能级)．

半导体器件物理PPT幻灯片

第六章薄膜晶体管（TFT）
主要内容
（1）TFT的发展历程（2）TFT的种类、结构及工作原理（3）p-si TFT的电特性（4）p-si TFT的制备技术（5）TFT的应用前景
TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步，然而 TFT发展速度及应用远不及（1）1934M年O第S一FE个T?T!FT的发明专利问世-----设想. （2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现. 特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术. 器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz. CdSe----迁移率达200 cm2/vs
TFT的I-V描述
在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为
Qi Ci (V g V th V )
…….（1）
在忽略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，可表示为
Id
W
Qi E y W
dV Qi dy
(1)代入(2)，积分可得：
…….（2）
Id
W L
Ci[(V
g
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
为碰撞电离产生率,与电场相关,类似于pn结的雪崩击穿.
4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应）
正栅压应力负栅压应力
现象1：阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正栅压应力向负方向漂移. 产生机理：可动离子漂移.
负栅压应力
正栅压应力
现象2：亚阈值摆幅(S)增大. 机理：应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.

半导体器件物理课件一.ppt

第一章半导体物理基础
能量为E的电子状态密度
EC 导带底 h 普朗克常数 mn* 电子的有效质量
广东工业大学
第一章半导体物理基础
能量为E的空穴状态密度
mp* 空穴的有效质量 EV 价带顶
广东工业大学
第一章半导体物理基础
费米-狄拉克分布函数
能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率
E 电子能量 k0 玻耳兹曼常数 T 热力学温度 EF 费米能级常数，大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。
广东工业大学
第一章半导体物理基础
1.3 半导体中的平衡与非平衡载流子
载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。
载流子的产生本征激发电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；
当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴
广东工业大学
第一章半导体物理基础
广东工业大学
第一章半导体物理基础
深能级杂质
非Ⅲ、Ⅴ族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非Ⅲ、Ⅴ族元素产生的能级有以下两个特点：
（1）施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；
（2）这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。
若E> EF，则f（E）<1/2
当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。因此，费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空穴的一个标志。

《半导体器件物理》课件

MOSFET的构造和工作原理
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
通过施加电压控制栅极和通道之间的电荷分布，实现放大和开关功能。
三个区域
源极、栅极和漏极，通过电流控制源极和漏极之间的导电通道。
应用
MOSFET被广泛用于各种电子设备中，包括计算机芯片和功率放大器。
JFET的构造和工作原理
1 结构
由P型或N型半导体形成的通道，两个掺杂相对的端部形成控制电流的栅极。
PN结的形成和性质
1 结构
由P型半导体和N型半导体通过扩散形成的结合层。
3 击穿电压
当施加足够的反向电压时，PN结会被击穿，允许电流通过。
2 整流作用
PN结具有整流（仅允许电流单向通过）的特性，可用于二极管。
4 应用
PN结广泛应用于二极管、太阳能电池和光敏电阻等器件中。
PN结的应用：二极管
2 广泛应用
从计算机和手机到电视和汽车电子，硅晶体管和二极管的应用无处不在。
3 可靠性和效率
硅晶体管和二极管的可靠性和效率使它们成为现代电子技术的基石。
《半导体器件物理》PPT 课件
探索半导体器件物理的精彩世界！本课程将介绍半导体材料及其性质，PN结的应用，MOSFET和JFET的工作原理，光电子学等内容。
介绍
半导体器件物理是研究半导体材料中电子行为的科学。它包括半导体材料的物理性质、PN结的形成与应用、MOSFET和JFET的工作原理等内容。
2 电荷调控
通过控制栅极电压来控制通道中电荷的密度，进而改变电流。
3 应用
JFET用于低噪声放大器和开关等应用。
功能区和结构
结构
包括负责控制电流的基极、负责放大电流的发射极和负责收集电流的集电极。

现代半导体物理.ppt

氢键
金属键பைடு நூலகம்
氢原子与一个原子结合后，由于其原子核体积很小，可以与另一个电负性较大的原子结合形成氢键
共用传导电子，原子核与共有电子之间通过库伦力相互作用
金刚石型结构
金刚石结构
每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角：109˚28’
硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶。如 Ⅳ-Ⅵ 族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
第三章晶体中电子的能带
一. 能带的形成
1. 周期性势场的形成
2.
(1) 孤立原子中价电子所在处的势能及总能 (按经典理论, 电子在ab 之间运动)
导带
2. 绝缘体：
空带
绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁带宽度△Eg 较大，电子很难跃迁导电。但是，如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的击穿。
满带
3. 半导体：半导体的能带结构与绝缘体大致相同，价带也是满带，但满带与空带之间的禁带宽度 △Eg较小。容易把电子从满带激发到空带中去，从而电子和空穴都参与导电。例如, 硅 (Si) 和锗 (Ge) 的禁带宽度，在常温下分别为 1.11 eV 和 0 .47 eV 。
a a1 2 (i a a2 ( j 2 a a (k 3 2
j) k ) i)
a2
a1
a1,a2,a3
a1,a2,a3