半导体器件物理基础(精)
半导体器件物理复习纲要word精品文档5页
第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。
题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。
温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之，温度降低，将导致禁带变宽。
因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下 降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。
半导体器件基础ppt课件
常温300K时：
硅：1.4 1010
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.51013 5cm3
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
动画演示
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流＋总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 6
100
0
0
7 00
27
例 ： 二 极 管 构 成 的 限 幅 电 路 如 图 所 示 ， R ＝ 1kΩ ，
UREF=2V，输入信号为ui。
(1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、
理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo
解：（1）采用理想模型分析。
R
+
I＝ui UREF 4V 2V 2mA
(1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下UZ，所对应的Izm反in 向工作电u压。
(2) 动态电阻rZ ——
△I
rZ =U /I
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性△U愈陡。
I zm a x
(3) 最小稳定工作 电流IZmin——
保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。
23
一 、半导体二极管的V—A特性曲线
实验曲线
i
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
第二讲半导体器件物理基础
np ni2
p n Nd Na 0
N 型半导体： Nd Na Nd ni
则 n Nd , p ni2 / Nd
P 型半导体： P Na , n pi2 / Na
4.费米能级的确定
双极性器件物理 Physics of Semiconductor Devices
（1）本征费米能级 EFi
N
型半导体： n
Nd
Nc
exp[
(Ec EF )] kT
则 EF
kT
ln
Nc Nd
Ec
P
型半导体：
p
Na
Nv
exp[
(EF Ev )] kT
则 EF
Ev
kT
ln
Nv Nd
另外一种表达方式：
EF
EFi
kT
ln( n0 ni
)
EFi
EF
kT
ln(
p0 ) ni
对于均匀掺杂的半导体，在平衡条件下，费米能级是与位置无关的不变量。
（2） 在非平衡时，产生和复合之间的相对平衡就打破 非平衡载流子的净复合=复合率-产生率 复合率与寿命的数学关系：
U n or p n p
二.基本方程
（一）泊松方程--Poisson Equation 泊松方程为△φ=f 在这里 △代表的是拉普拉斯算符(也就是哈密顿算符▽的平方)，拉普拉斯算子通常表示
（二）载流子输运与迁移率
1.载流子输运 一般工作条件下，载流子输运有三种基本形式： （1） 漂移：载流子在外加电场的作用下的定向运动，所形成的电流成为漂移电流； （2） 扩散：由于载流子浓度的不均匀而造成的定向运动，所形成的电流为扩散电流；
双极性器件物理 Physics of Semiconductor Devices
半导体物理基础
1第一章 半导体物理基础半导体物理知识是学习半导体器件物理课程的基础。
为了方便学过半导体物理的学生使用本书时对半导体物理的有关知识进行回顾和查阅，也为了给没有学过半导体物理的读者提供必要的参考，我们在本章简明地介绍半导体的基本性质。
其主要内容包括半导体能带论的主要结果，半导体中载流子浓度的统计分布，费米能级的计算，载流子的输运以及半导体中的基本控制方程等。
半导体表面和半导体光学性质等是半导体物理中的重要内容。
为不使本章的内容过于冗长，更为了学习相关器件物理的方便，分别把它们放在有关章节（第六、七章）予以介绍。
相信上述内容可为读者学习半导体器件物理提供足够的预备知识。
如果有些读者觉得本书所介绍的内容尚不够全面深入和详尽，可参阅标准的半导体物理和固体物理等教材。
1.1 半导体中的电子状态1.1.1半导体中电子的波函数和能量谱值 布洛赫定理电子状态亦称为量子态，指的是电子的运动状态。
晶体是由规则的周期性排列起来的原子所组成的。
每个原子又包含有原子核和核外电子。
原子核和电子之间、电子和电子之间存在着库仑作用。
因此，它们的运动不是彼此无关的，应该把它们作为一个体系统一地加以考虑。
也就是说，所遇到的是一个多体问题。
为使问题简化，近似地把每个电子的运动单独地加以考虑，即在研究一个电子的运动时，把在晶体中各处的其它电子和原子核对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑，这种近似称为单电子近似。
这样，一个电子所受的库仑作用仅随它自己的位置的变化而变化。
于是它的运动便由下面仅包含这个电子的坐标的波动方程式所决定()()()r E r r V m vv v h ψψ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇−222 （1-1） 式中2222∇−mh —— 电子的动能算符 )(r V v——电子的势能算符，它具有晶格的周期性E ——电子的能量()r vψ ——电子的波函数π2h =h ，h 为普朗克常数，h 称为约化普朗克常数如果势函数)(r V v有晶格的周期性，即)()(r V R r V m vv v =+ （1-2）则方程（1-1）的解)(r vψ具有如下形式)()(r u e r k rk i kv v r vv v ⋅=ψ （1-3） 式中)(r u kvv 为一与晶格具有同样周期性的周期性函数，即 ()()r u R r u k m kvv v v v =+ （1-4）（1-2）和（1-4）式中的m R v称为晶格平移矢量：332211a m a m a m R m vv v v ++= （1-5）式中1a v 、2a v 、3a v为晶格的一组基矢量，1m 、2m 、3m 为三个任意整数。
大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
《半导体物理基础》课件
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
《半导体器件物理基础》复习要点V2.1Final
《半导体器件物理基础》复习要点授课教师：李洪涛编辑：徐驰第一章PN结载流子：N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
pn结：指半导体中p区和n区的交界面及两侧很薄的过渡区,由p区和n区共格相连而构成。
多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成ＰＮ结。
突变结：由合金法、分子束外延法制得的pn结，在p区和n区内杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变。
缓变结：由扩散法制得的p－n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，交界面处杂质浓度是渐变的。
施主杂质浓度空间电荷区：ＰＮ结的内部由于正负电荷的相互吸引，使过剩电荷分布在交界面两侧一定的区域内。
电离施主与电离受主都固定在晶格结点上，因此称为“空间电荷区”。
空间电荷区电子浓度公式：n=n i exp((E f-E i)/KT)载流子在pn结区附近的分布：空间电荷区载流子浓度分布则如下图所示：用线性轴则如下图：结区电场、电位分布：耗尽区单位体积带电量相同。
势垒区内电场强度正比于Q1Q2/r2, 中心处电场最强。
所以就有了如下的电场强度分布和电位分布。
耗尽近似：空间电荷区只存在未被中和的带点离子，而不存在自由载流子，或者说自由载流子浓度已减小到耗尽程度，因此ＰＮ结又称为“耗尽层”。
耗尽区因无载流子，可忽略扩散和漂移的运动。
pn结能带图：接触电位差V D：pn结的内建电势差，大小等于空间电荷区靠近p区侧边界处电位与靠近n 区处电位之差。
n、p区掺杂浓度越大（或结区杂质浓度梯度越大）、材料禁带宽度越宽，温度越低，接触电势差越大。
PIN结构：在P区与N区中间加入一层本征半导体构造的晶体二极管。
高低结：n+-n或者p+-p结构的结。
同样有扩散和漂移的平衡，结区也有电场，但结区的载流子浓度介于两侧的浓度之间。
没有单向导电性。
半导体物理和器件物理基础
I I S (e
1)
VT —热电压 VT=KT/q IS—PN结反向饱和电流
在室温（T=300K)时，
讨论：
I I S (e
V VT
1)
（1）当V=0时，I=0
（2）当V>0，且V>>VT 时，
（3） 当V<0，且|V|>>UT时，I-IS
2 PN结——伏安特性
VD I I
PN结单向导电特性
由前面的a、b合起来可以表述为：
PN结加正向电压时，电阻小，形成较
大正向电流ID，导通；
PN结加反向电压时，电阻大，形成反
向电流极小，不导通(截止)； 这一特性称为单向导电性。
PN结的电压与电流关系
I
P
_ _ _ _ _
+ + + + +
N
V
PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：
+ + + + + +
+ + + + + +
P
E内 E PN结正向偏置
N
R
PN结变窄
+ + + + + + E + + + + + + + + + + + + + + + + + + R + + + + + + + + + + + +
《微电子与集成电路设计导论》第三章 半导体器件物理基础
Introduction to microelectronics and integrated circuit design
第三章 半导体器件物理基础
本节内容_ p-n结
热平衡状态下的p-n结 耗尽区 耗尽层势垒电容 电流-电压特性 结击穿
图3.1.1 （a）PN结的简化结构图； （b）理想均匀掺杂PN结的掺杂剖面
右图显示室温下硅和砷化镓p-n结 107
测量的正向特性．在低电流区域，复
合电流占优势， 等于2；在较高的
电流区域，扩散电流占优势， 接 近1．
10
9
0
Si 1 GaAs
1
2 2
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 VF /V
图 3.19 300K硅和砷化镓二极管的正向电流－电压特性比较. 虚线表示不同理想系数的 斜率
s
qND
s
(x
xn )
（b）
－N A W
E 0
x
0 x xn 其中E 是存在x＝0处的最大电场 m
－E m
面积＝Vbi
图3.8 (a)在热平衡时，(空a间)热电平荷在衡耗时尽空区的间分电布荷．在(b)电耗场尽分区布．的阴分影布面积为内建电势
Em
qND xn
s
qN A x p
s
(b)电场分布。阴影面积为内建电势
(a) 正向偏压
104 106 108 1010
225C 175 125 75 25
1012 102
100
102
VR /V
(b) 反向偏压
ND－NA
ND－NA
线性缓变结（linearly graded junction）
半导体器件物理
上一次课：半导体物理基础 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、多子、少子、平衡载流子、非平衡载流子掺杂、施主杂质、受主杂质能带、导带、价带、禁带、费米能级、准费米能级载流子浓度n，p；迁移率载流子输运："扩散、漂移、产生、复合电流连续性方程12服从玻尔兹曼分布的载流子浓度φF :体费米势φF)ln()ln(iD t i D F n N n N q kT φφ==)ln()ln(Ai t A i F N n N n q kT φφ==3电流连续方程()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G q tp p −+∇−=j 1∂∂电子：空穴•载流子输运影响载流子浓度随时间变化：漂移、扩散：电流变化间接或直接热复合、间接或直接产生4电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中nqD n q n n n ∇+=E j μpqD p q p p p ∇−=E j μ方程形式1方程形式2半导体器件物理基础5半导体器件据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：•PN结•金属－半导体接触•MIS结构•异质结•超晶格和量子阱61907：发光二极管1947：第一个晶体管: 诺贝尔奖1949：PN结晶体管1952：JFET1954：太阳电池1957: HBT：2000年诺贝尔奖1958: 隧道二极管(稳压管)：诺贝尔奖1962: CMOS1967: 非挥发存储器196+: 微波器件(IMPATT, 渡越电子二极管)1970：CCD器件1971：Intel CPU1974: 共振隧穿二极管1980: MODFET198＋：异质结构和基于量子效应的器件：纳米电子学7PN结/PN结二极管PN结"双极晶体管"MOS场效应晶体管、JFET"光电器件"电力电子器件（如可控硅器件等）的基本组成部分本身作为二极管"开关、整流、稳压、变容等8PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述PN结二极管电流特性的定量描述(稳态响应)PN结二极管的击穿PN结二极管的小信号特性PN结二极管的瞬态响应基本电路应用910PN 结的结构突变结线性缓变结注入或扩散相反类型杂质＋退火冶金结11有代表性：•两种载流子•漂移、扩散、产生复合基本运动形式PN 结：二极管（diode ）PNiPN结的单向导电性（整流特性）：P区接正，N区接负"正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小"反向导电性差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大"反向击穿分析"平衡情况"非平衡情况¾正向¾反向1213自建电场P 型N 型准中性区准中性区空间电荷区x px n•假设P 区、N 区均匀掺杂•突变结自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反，直到两者相抵，达到动态平衡空间电荷区耗尽层:高阻区PN 结的形成14平衡的PN 结：没有外加扰动能带图平衡情况下，费米能级一致势垒、位垒P 区能带上移是自建场的影响，P 区静电势能高能带按电子能量定自建势qV biN 区和P 区的电势差：自建势、接触电势差V bi15静电势由本征费米能级Ei 的变化决定qE i−=ϕ能带向下弯，静电势增加16与掺杂浓度有关自建势Vbi正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加运动的是多子势垒须下降到一定程度：导通电压，电流指数增加171819PN 结的反向特性反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散20P 区N 区电子：扩散漂移反向偏置时，漂移大于扩散•N 区中空穴、P 区中的电子被反向抽取•少子运动：电流小•反向电流：产生电流(产生率大于复合率)•边界处少子变化量不超过平衡少子浓度：电流趋于饱和•边界少子注入很多•光照: 光电二极管（光电探测）+－空穴N 区P 区扩散漂移单向导电性•正向导通，多数载流子电流：大、陡边界少子浓度增加形成积累注入多子•反向截止，少数载流子电流：小边界少子浓度减少抽取少子21PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡PN结二极管电流特性的定量描述击穿小信号特性2223PN 结耗尽区中电场、电势分布出发点：泊松方程：半导体器件基本方程描述半导体中静电势的变化规律形式1()02x,εερϕs t −=∇形式2()∫=ss dx x x ρεεε01)(24平衡情况(不加外偏压)()np NNq AD−+−=−+ρ耗尽近似：在冶金结附近载流子浓度与净杂质浓度相比近似忽略不计为了获得解析解：耗尽近似25N区P区最大电场在x＝0处积分积分2627P 区积分n 区积分20)(2)(x x qN x p sA +=εεϕ20)(2)(x x qN V x n sD bi −−=εεϕ在x ＝0处电势连续突变结耗尽近似正负电荷28耗尽区宽度例：单边突变结：P＋/N结，NA>>N DP型N型x p 0x n掺杂浓度高，耗尽区宽度小29加外偏压后30•两边费米能级之差为外加电压qV•能带弯曲q(V bi－V)31加外偏压VP型xpx nP型x p x nN型N型加正压：w变小电荷减少场减弱加负压：w变大电荷增加场增强32PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性3334PN 结二极管的电流－电压特性：稳态响应 假设："无光照等"外偏压全部加在耗尽区上，耗尽区以外没有电场（仅考虑扩散电流）"小注入情况：注入的少子浓度远低于多子浓度"耗尽区中无产生复合"载流子分布服从玻尔兹曼分布P 型x px nN 型35xn n qD xn qD J p p np nN ∂−∂=∂∂=)(0xp p qD x p qD J n n pn p P ∂−∂−=∂∂−=)(0P 型x px nN 型假设耗尽区中无产生、复合：J ＝J N ＋J P ＝J N (－x p )＋J P (x n )扩散方程36()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G qt pp −+∇−=j 1∂∂从电流连续性方程出发求出少子分布无产生，G=0；稳态，上式左边＝0pn n pnp p p R ττ)(0−−=Δ−=np p npn n n R ττ)(0−−=Δ−=以求解空穴少子分布为例边界条件的推出：37平衡少子浓度P型x p x nN型ppp DLτ=边界条件Wn>>Lp情况下38394041反向饱和电流：与ni 有关，与浓度有关Is42与理想情况的偏差Log 坐标的斜率q/nkT ，斜率越陡越好 理想情况60mV/dec 低温下性能会好 高掺杂n ＝2•串联电阻压降•大注入电导调制P 型x px nN 型PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性43PN结的反向击穿：可恢复•反向击穿区反向击穿电压Vrb，PN结承受的反向偏压的上限击穿机制•雪崩击穿•齐纳击穿/隧穿击穿4445PN 结的击穿(1)雪崩击穿：电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，在耗尽区产生电子空穴对:碰撞电离产生的额外载流子被加速，又发生碰撞电离载流子倍增在平均自由程中可以获得足够大的能量，与电场相关。
半导体物理及器件物理基础微电子
0, 0, 1 2
1,1,1 222
0, 1 , 1 22
( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 (1 00) {hkl} ： 代 表 相 对 称 的 平 面 群 ， 如 在 立 方 对 称 平 面 中 ， 可 用 {100}表示(100)，(010)，(001)，(1 00)，(0 1 0)，(00 1)六个平面。 [hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平 面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的 方向。
能级与能带
能级分裂成能带
首先考虑两个相同原子，当彼此距离很远时，对同一
个主量子数(如n＝1)而言，其能级为双重简并(degenerate) ，亦即两个原子具有相同的能量。
但当两个原子接近时，由于
两原子间的交互作用，会使得双重 简并能级一分为二。如有N个原子 形成一个固体，不同原子外层电子 的轨道重叠且交互作用。将造成能 级的移动。当N很大时，将形成一
晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八
个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。
z
z
B
C
A D
y
x
x
基本晶体结构
面心立方晶格(face-centered cubic, fcc):除了八个角落的原子外 ，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子
2N3个p状 态
半导体器件物理_0521024(精)
《半导体器件物理》教学大纲2005年4月18日课程编号：0521024课程类型：硕士研究生，学位课学分： 3教学时数：46小时参考教材：Physics of Semiconductor Devices 施敏，John Wiley & Sons，1982教学要求：1．通过本课程的学习，掌握下述半导体器件的工作机理：肖特基二极管，MESFET，量子阱器件，MOSFET，隧道器件，半导体光探测器，半导体发光器件，半导体激光器，半导体太阳能电池；2．掌握上述半导体器件的特性与材料和器件结构之间的关系；3．了解半导体晶闸管和有关半导体功率器件的工作机理；4．了解CCD器件、IMPATT器件以及TED器件的工作机理。
第一章金属-半导体接触（4）1．金属—半导体接触的表面势及Schottky效应2．金属—半导体接触的导电机理3．金属—半导体接触势垒高度4．金属—半导体接触势垒高度测量5．金属—半导体接触势垒高的调整6．欧姆接触第二章结型场效应晶体管与MESFET （4）1．概述2．非均匀掺杂分布的JFET的直流特性3．短沟道MESFET4．MESFET的频率特性5．几种JFET和MESFET的介绍第三章高电子迁移率晶体管（3）1．概述2．异质结量子阱中的二维电子气3．高电子迁移率晶体管第四章电荷耦合器件（3）1．概述2．MIS二极管的深耗尽和表面势3．CCD的工作原理4．CCD的主要工作参数第五章MOSFET （6）1．MOSFET的种类和基本工作机理2．MOSFET的亚阈特性3．MOSFET的短沟和窄沟效应亚阈特性，短沟的判据，短长和沟宽对阈值电压影响，DIBL效应及穿通，GIDL效应，强场效应4．等比例缩小5．几种MOSFET结构的介绍高性能MOSFET，LDMOS，VDMOS，肖特基源漏MOSFET，凹栅MOSFET，非挥发性存储器件等第六章PNPN闸流管及新型半导体功率器件（4）1．概述2．PNPN晶闸管的基本特性3．PNPN晶闸管电流电压特性的物理解释4．Schochley二极管和三端硅可控晶体管5．几种新型半导体功率器件的介绍第八章半导体隧道器件（4）1．概述2．隧道二极管3．隧道二极管的I～V特性4．隧道二极管的频率特性5．几种隧道器件的介绍第九章碰撞离化雪崩渡越时间器件（3）1．概述2．IMPATT二极管的静态特性3．IMPATT二极管的动态特性小信号分析，大信号分析4．功率和频率限制5．TRAPATT工作模式第十章电子转移器件（3）1．概述2．高场筹及其等面积定则3．TED的工作模式积累模式，偶极模式，猝灭偶极模式，LSA模式第十一章半导体发光器件及半导体激光器（4）1．概述2．LED的发光原理辐射跃迁，非辐射跃迁，发光效率，3．发光二极管4．半导体激光器的工作原理5．半导体激光器的工作特性第十二章半导体光探测器（4）1．概述2．光电导3．光电二极管4．雪崩光电二极管5．光电晶体管第十三章半导体太阳能电池（4）1．概述2．PN结光伏特性和理想转换效率3．PN结太阳能电池PN结的光谱响应，I～V特性，温度和辐射效应，器件结构4．其它种类太阳能电池介绍Didactical outline of Physics of Semiconductor DevicesApril 28, 2005Course Code: 0521024Course Type：Degree course for MS studentsCredits： 3Hours：46Reference Text：Physics of Semiconductor Devices, S. M. Sze John Wiley & Sons，1982Didactical demands:1.Learn the operational principles for following devices: Schottky barrier diode,MESFET, Quantum well device, MOSFET, Tunnel devices, Semiconductor photodetectors, Semiconductor light-emitting diodes, Semiconductor lasers, Semiconductor solar cells;2.Relation of the characteristics of devices with the materials and device structures;3.Operational principles of thyristor and related power semiconductor devices;4.Operational principles of charge-coupled device (CCD), IMPATT andtransferred-electron devices (TED).Chapter 1 Metal-Semiconductor Contacts (4)1.Surface potential and Schottky effect of metal-Semiconductor Contact2.Current transport processes3.Characterization of barrier height4.Measured barrier heights5.Barrier height adjustment6.Ohmic contactChapter 2 JFET and MESFET (4)1.Introduction2.DC characteristics of JFET with non-linear doping profile in channel3.MESFET with short channel4.Frequency characteristics of MESFET5.Related field effect devicesChapter 3 HEMT (3)1.Introduction2.Two dimensional electron gas in the quantum well of heterojunction3.High electron mobility transistorsChapter 4 Charge-Coupled Device (CCD) (3)1.Introduction2.Deep depletion and surface potential in MIS diode3.Operational principle of CCD4.The operational parameters of CCDChapter 5 MOSFET (6)1.Basic types and operational mechanism of MOSFETs2.Subthreshold characteristics of MOSFETs3.Short channel and narrow channel effects of MOSFETsSubthreshold characteristics, Empirical relation of minimum channel length, Effects of short channel and narrow channel on threshold voltage, Drain induced barrier lowering (DIBL) and punch through, Gate induced drain leakage (GIDL) effect, High electric field effects4.Scaled down devices5.Introduction of MOSFET structuresHMOS, LDMOS, VDMOS, Schottky barrier source and drain MOSFET, Recessed-channel MOSFET, SOI, Nonvolatile memory devices, etc.Chapter 6 Thyristor and Related Power Devices (4)1.Introduction2.Thyristor structure and basic characteristics3.Explanation of thyristor operation4.Schottky diode and three-terminal thyristor5.Introduction of semiconductor power devicesChapter 7 Tunnel Devices (4)1.Introduction2.Tunnel diode3.The I～V characteristics of tunnel diode4.Frequency characteristics of tunnel diode5.Other tunnel diodesChapter 8 IMPATT and Related Transit Time Diodes (3)1.Introduction2.Static characteristics3.Dynamic characteristicsSmall signal analysis, Large signal operation4.Power-Frequency Limitation5.TRAPATT diodeChapter 9 Transferred-Electron Devices (3)1.Introduction2.High field domain and “equal-areas rule”3.Operational modes of TEDAccumulation layer mode, Transit-time dipole-layer mode, Quenched dipole-layer mode, Limited-space-charge accumulation (LSA) modeChapter 10 LED and Semiconductor Lasers (4)1.Introduction2.Principle of light emitting diode (LED)Radiative transitions, nonradiative transitions and luminescent efficiency3.Light-Emitting diode4.Principle of semiconductor laser5.Characteristics of semiconductor laserChapter 11 Photodetectors (4)1.Introduction2.Photoconductor3.Photodiode4.Avalanche photodiode5.PhototransistorChapter 12 Solar Cells (4)1.Introduction2.Photovoltaic characteristics of PN junction and ideal conversion efficiency3.PN junction solar cellsSpectral response, I～V characteristics, Temperature and radiation effects, Device configurations4. Other solar cells。