第6章 半导体器件
半导体器件-第6章习题
[
(lg I D ) V
G VT G VT
(lg I D ) V VG V
G 0
G 0
VG V
]1
已知VT=0.5V时，S=0.1V/decade 当VG=VT时，ID=0.1×10-6A；当VG=0时，ID=?
所以，
16
解： 由已知条件可得：
10
所以
2
11
18. 一n沟道的n+多晶硅-SiO2-Si MOSFET，其NA=1017cm-3， Qf/q=5×1010cm-2，d=10nm，试计算其阈值电压. 解：
12
13
20. 一p沟道的n+多晶硅-SiO2-Si MOSFET，其ND=1017cm-3， Qf/q=5×1010cm-2，d=10nm，试计算其阈值电压.
1 d 解：由已知条件 Qot 0 y ot ( y )dy d
而， ot ( y 5nm) q 5 1011 cm 2 所以， Qot
1 19 7 11 1.6 10 5 10 5 10 10 107
4 108 C / cm 2
5
由Vo=0.35=Eo×d=Eo×10×10-9得 Eo=3.5×105V/cm 由 得，Es=Eoεox/εs
所以，Es=3.5×105×3.9/11.9=1.147×105V/cm
6
10. 假设氧化层中的氧化层陷阱电荷Qot为薄电荷层，且其在 y=5nm处的面密度为5×1011cm-2，氧化层的厚度为10nm。试计 算因Qot所导致的平带电压变化。
在本征时，有
ψ s ψ B 所以
所以，由 Es
质中静电场的边界条件，电位移矢量连续：
半导体器件基本结构
半导体器件基本结构半导体器件是一种基于半导体材料制造的电子元件，用于控制和调节电流和电压。
它在现代电子设备中起着重要的作用，包括计算机、手机、电视、汽车等。
半导体器件的基本结构主要由半导体材料、金属电极和其他衬底材料构成。
半导体材料是半导体器件的核心部分，主要有硅和锗。
这些材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，即在一定程度上可以导电，但电阻相对较高。
半导体材料的导电性质可以通过杂质掺杂来调节，这种过程可以增加或减少材料中的自由电子和空穴数量。
通过控制杂质的类型和浓度，半导体材料可以具有不同的电性能，如P型半导体和N型半导体。
P型半导体和N型半导体是半导体器件的两种基本类型。
P型半导体是通过杂质掺入三价元素，如硼，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。
这些杂质原子缺少一个电子，被称为“空穴”。
因此，P型半导体中的电荷移动是由空穴贡献的。
N型半导体是通过杂质掺入五价元素，如磷，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。
这些杂质原子有一个额外的电子，被称为“自由电子”。
因此，在N型半导体中，电荷移动是由自由电子贡献的。
半导体器件的常见结构包括二极管、三极管和场效应晶体管。
二极管是最简单的半导体器件之一，由P型半导体和N型半导体材料的结合组成。
在二极管中，当正向电压施加在P型半导体一侧时，空穴和自由电子结合，形成一个电流通路，即正向电流。
而在反向电压施加时，两种半导体材料之间形成一个势垒，阻止电流流动，即阻塞反向电流。
三极管是一种基于二极管的三端口装置，通常由两个N型半导体材料和一个P型半导体材料组成。
三极管中的电流被控制通过一个输入电流和一个输出电流进行放大。
当输入电流施加到基极时，它会控制两个PN结之间的电流流动，从而调节输出电流。
这种结构使得三极管成为一种重要的电子放大器和开关。
场效应晶体管（FET）是一种依靠电场调控电流的器件。
它由一个控制电极（栅极）、一个源极和一个漏极组成，通常是由浅的、高掺杂的P型或N型半导体材料制成。
半导体器件分析课件
微波与毫米波器件
随着无线通信技术的发展，对微波与毫米波器件的需求增加。研究新型微波与毫米波器件 结构、材料和制程技术，提高器件的频率范围、功率容量、效率等性能。
根据能带理论，半导体材料具有特殊的能带结构，其价带和导带之间的间隙称为能 隙，电子需要吸收或释放能量才能从价带跃迁到导带。
能带理论是理解半导体器件工作原理的基础，它解释了为什么半导体材料具有导电 性，以及为什么半导体器件能够在外加电场的作用下控制电流的流动。
半导体器件的输运特性
半导体器件的输运特性是指电子 在半导体材料中的运动规律，包 括电子的扩散、漂移、散射等过
流几乎为零。
实际半导体器件的电流-电压特性会受到温度、材料、工艺等因素的影响， 表现出不同的特性。
半导体器件的频率特性
频率特性是指半导体器件在工作频率下 的性能表现。
频率特性主要受到载流子寿命、迁移率、 了解频率特性对于设计高频或微波频段
结电容等因素的影响。在高频下，半导
的半导体器件具有重要的意义。
体器件的性能会受到散射和寄生效应的
限制，表现出不同的频率响应。
03
CATALOGUE
半导体器件的制造工艺
半导体材料的选择与制备
半导体材料种类
半导体材料制备方法
硅、锗、硒、磷等元素及化合物半导 体材料，具有导电性能可控的特性。
采用物理或化学气相沉积、外延生长 等方法制备单晶或多晶半导体材料。
半导体材料纯度要求
可靠性强化
选择适合特定应用的半 导体材料和介质材料，
以改善器件性能。
电工电子技术基础课件：半导体器件
分的平均有
UO
1 T
T
uidt
0
1 2π
π 0
2Ui sin tdt
2 π
Ui
0.45Ui
在本题中因为Ui =10V，所
以
UO 0.45Ui 4.5V
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半导体器件——二极管
（2）选择整流二极管主要是选择其参数，由于在负半周时二极 管不导通，这时加在二极管上的最大反向电压为10 2V的电压。在 二极管导通期间流过二极管的电流就是流过负载电阻的电流
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半导体器件——二极管
温度变化时的特性曲线
温度升高，正向特性左移，反向特性下移
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半导体器件——二极管
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三、主要参数
半导体器件——二极管
1.最大整流电流 IOM（IF）
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流
当输入为正半周时二极管D导通，负载上得到正弦波 正半周信号。当输入为负半周时二极管D截止，在负载上 得到是一个单向脉动的电压。
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半导体器件——二极管
[例题]如图中 ui (t) 10 2 sin 31试4t,求R输L 出 4电压, 平均值，并选
择整流二极管。
[解]（1）由于整流后的输出电压是脉动直流电压，通常它的大小
最大耗散功率PZM （电流IZM ）
稳压管不因为过热而损坏的最大功率损耗值（电
流值），它取决于PN结面积和散热条件。IZm= PZM／UZ
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半导体器件物理第6章习题及答案
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管6-3．在受主浓度为31610-cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层，40=K ，在下列条件下电容值为若干？（a ）V V G 2+=和Hz f 1=，（b ） VV G 20=和Hz f 1=，（c ）V V G 20+=和MHz f 1=。
解答： （1）V V G 2+=，Hz f 1= 由 si BTH C Q V ψ+-=014830004048.8510 3.5410(/)0.110K C F cm x ε----⨯⨯===⨯⨯ )(70.0105.110ln 026.02ln 221016V n N V i a T f si =⨯⨯===φψ si a s dm a B qN k x qN Q ψε02-=-=7.010106.110854.8122161914⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-- )/(1088.428cm C -⨯-= 则 )(08.270.01054.31088.4880V C Q V si B TH=+⨯⨯=+-=--ψTH G V V < ，则21020000)21(εs a G sSk qN V C C C C C C C +=+=21141619168)1085.81210106.121054.321(1054.3---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=)/(1078.128cm F -⨯=b) V V G 20=，Hz f 1=G TH V V >，低频)/(1054.3280cm F C C -⨯==∴c)V V G 20+=,MHz f 1=G TH V V >，因为高频，总电容为0C 与S C 串联820min 3.4810(/)s s s dmk C C F cm x ε-=====⨯则 )/(1075.1280cm F C C C C C s s -⨯=+=6-4．采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时，相应的平带电压变化可用下式表示：()x FBqx x V dx C x ρ∆=-⎰解答：如右图所示， 消除电荷电荷片dx x q )(ρ的影响所需平带电压：000000)()()()(C x dx x xq x x x k dx x q x C dx x q dV FBρερρ-=-=-=由 00x →积分：()x FBq x x V dx C x ρ∆=-⎰6-6．利用习题6-3中的结果对下列情形进行比较。
半导体物理与器件 第6章
式中， E Fm 表示金属的费米能级，下标 m 表示金属。
图 6.1 金属的功函数
功函数标志着金属中的电子摆脱金属的束缚所需要的能 量，表 6.1 为几种常见金属的功函数。类似地，也可定义半 导体的功函数为半导体的费米能级与真空能级之差，即
图 6. 2 为半导体的功函数，图 6. 2 中出现的 E Fs 表示半 导体的费米能级， χ 为半导体的电子亲和能，表示半导体导 带底的电子要逸出体外所需的最小能量。不同的半导体材料 具有不同的电子亲和能，表 6.2 中给出常见的几种半导体的 电子亲和能。半导体的功函数是随着半导体的掺杂浓度的变 化而变化的，但当材料的种类确定后，半导体的电子亲和能 则是定值，不随掺杂浓度的变化而改变。
6. 1 金属半导体接触
在这一节中将讨论金属和不同导电类型的半导体接触的 情况。
6. 1. 1 金属和半导体的功函数 金属和半导体类似，也存在自己的费米能级。在绝对零
度时，费米能级以下的所有能级都被电子所占据，而费米能 级以上的能级则是全空的。随着温度的升高，此时虽然有少 量电子通过热激发能获得能量跃迁到高于费米能级的地方， 但费米能级以下的所有能级几乎都被电子所占据，而费米能 级以上的能级几乎是全空的。因此，金属中的电子虽然可自 由运动，但它仍受金属的束缚。用 E 0 表示真空能级，金属 费米能级的位置如图 6.1 所示，其中定义金属费米能级与真 空能级 E 0的差为金属的功函数即
由于在金属和半导体接触的界面处，在接触前和接触后 各能级之间的关系没有发生变化，因此有
若金属与 N 型半导体接触，金属的功函数小于半导体 的功函数，则电子从金属向半导体流动，半导体一侧带负电， 金属一侧带正电，电场的方向是由带正电的金属指向带负电 的半导体，即电场是由半导体的表面指向体内。沿着电场的 方向就是电势降低的方向，乘以电子电量，就是电子电势能 增加的方向，因此从半导体表面到体内，能带向上弯，从半 导体体内向半导体表面看的话，能带是向下弯。此时在能带 弯曲的部分，积累了大量的电子，是一个高电导的区域，与 前面的阻挡层相对应，将其称为反阻挡层。其平衡时的能带 图如图 6.4所示。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识在当今科技飞速发展的时代，半导体器件已经成为了现代电子技术的核心基石。
从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的医疗设备、航空航天系统，半导体器件无处不在，深刻地影响着我们的生活和社会的发展。
那么，什么是半导体器件？它们是如何工作的？又有哪些常见的类型和应用呢？接下来，让我们一起走进半导体器件的世界，探寻其中的奥秘。
一、半导体的基本特性要理解半导体器件，首先需要了解半导体材料的特性。
半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料，常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
半导体的导电性可以通过掺杂等方式进行精确控制，这使得它们在电子器件中具有独特的应用价值。
半导体的一个重要特性是其电导特性对温度、光照等外部条件非常敏感。
例如，随着温度的升高，半导体的电导通常会增加。
此外，半导体还具有光电效应，即当半导体受到光照时，会产生电流或改变其电导特性，这一特性在太阳能电池、光电探测器等器件中得到了广泛应用。
二、半导体器件的工作原理半导体器件的工作原理主要基于 PN 结。
PN 结是在一块半导体材料中，通过掺杂工艺形成的P 型半导体区域和N 型半导体区域的交界处。
P 型半导体中多数载流子为空穴，N 型半导体中多数载流子为电子。
当P 型半导体和 N 型半导体结合在一起时，由于两种区域的载流子浓度差异，会发生扩散运动，形成内建电场。
在 PN 结上加正向电压（P 区接正，N 区接负）时，内建电场被削弱，多数载流子能够顺利通过 PN 结，形成较大的电流，此时 PN 结处于导通状态。
而加反向电压时，内建电场增强，只有少数载流子能够形成微小的电流，PN 结处于截止状态。
基于 PN 结的这一特性，可以制造出二极管、三极管等多种半导体器件。
三、常见的半导体器件1、二极管二极管是最简单的半导体器件之一，它只允许电流在一个方向上通过。
二极管在电路中常用于整流（将交流电转换为直流电）、限幅、稳压等。
例如，在电源适配器中，二极管组成的整流电路将交流市电转换为直流电，为电子设备供电。
第6章(MOS电容)
半导体器件原理
（2）界面陷阱电容（并联于硅电容）
（3）表面产生复合中心（减小少子寿命）
在耗尽时起作用，而在反型或积累时不起作用。
（4）表面态或陷阱帮助的带到带隧穿
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半导体器件原理
二、高场效应
1. 碰撞离化和雪崩击穿 αp 单位距离内空穴导致电子空穴对产生 αn单位距离内电子导致电子空穴对产生
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半导体器件原理
（4）氧化层中的可动电荷 来源：沾污氧化层外表面的正离子，在电场或温度的 作用下，漂移到近界面处。 影响：在硅表面处感应负电荷，影响器件的稳定性。
成份：Na+，K+，Li+，H+。 热氧化后去除表层氧化层， 采用P处理, 无钠清洁工艺 用氮化硅作表面钝化。
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半导体器件原理
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半导体器件原理
1）对耗尽层情况： 由氧化层厚度，半导体掺杂浓度，可得ψs 随VG的变化关系。
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半导体器件原理
2）对强反型情况： 空间电荷密度还包括载流子，耗尽层宽度达极 大值。 外加电压只引起反型层中电子浓度的增加以及 金属电极上正电荷的增加。
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半导体器件原理
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半导体器件原理
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半导 实际常用实验测定。
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半导体器件原理
经验碰撞离化率 (1)αn>> αP, 特别在低电场时 (2)离化系数随电场迅速增长,PN结中,减小最大 电场以减小离化系数 掺杂缓变或使用轻掺杂区做i层, 可有效降低PN 结中的峰值电场.
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半导体器件原理
λ：Si中热电子能量损失的平均自由程 qV(d)：发射的有效能量势垒 ER：光学声子能量 λ0：10.8 nm， λ的低温极限。
69第6章3_半导体器件物理EM3模型
半导体器件物理(1)半导体器件物理(I)在E-M2模型基础上进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、大注入效应等，就成为E-M3模型.第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)1.基区宽度调制效应(Early 效应)按照器件物理描述的方法，正向放大应用情况下，采用正向Early 电压V A （记为VA ）描述c’-b’势垒区两端电压Vc’b’对有效基区宽度X b 的影响，进而导致I S 、βF 等器件特性参数的变化。
同样引入反向Early 电压（记为VB ）描述反向放大状态下Ve’b’的作用。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)考虑基区宽变效应引入两个模型参数：正向Early 电压VA反向Early 电压VB这两个模型参数的默认值均为无穷大。
若采用其内定值，实际上就是不考虑基区宽度调制效应。
考虑基区宽变效应等效电路并不发生变化。
第6章BJT模型和BJT版图1.基区宽度调制效应(Early 效应)6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)小电流下正偏势垒区存在的复合和基区表面复合效应使基极电流增大。
引入下述基区复合电流项描述正向放大情况下be 结势垒区的影响：I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]反向放大情况下引入下述基区复合电流描述bc 结势垒区的影响：I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]相当于等效电路中I B 增加两个电流分量。
2.小电流下势垒复合效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型四、E-M3模型2.小电流下势垒复合效应的表征半导体器件物理(I)半导体器件物理(I)I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]新增4个模型参数：ISE (发射结漏饱和电流)ISC (集电结漏饱和电流)NE (发射结漏电流发射系数)NC (集电结漏电流发射系数)第6章BJT模型和BJT版图2.小电流下势垒复合效应的表征6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I )正向放大情况下，大注入效应使I CC 随be 结电压的增加趋势变慢，为此只需将I CC 表达式作下述修正，等效电路无需变化：I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)反向放大情况下，考虑大注入效应，I EC 随与bc 结电压关系作如下修正：I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)3.大注入效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)考虑大注入效应，新增两个模型参数：IKF ：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流IKR ：表征大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流3.大注入效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型五、讨论1.默认值为0或者无穷大的模型参数E-M2模型中有14个模型参数以及E-M3模型中的ISE和ISC两个参数的默认值均为0。
半导体物理与器件 第六章3
海因斯-肖克莱少子漂移迁移率实验 海因斯 肖克莱少子漂移迁移率实验
Vin d A n E0 V1 B V2
t=0时刻 时刻 输入脉冲
t=t0
t
x − µ p E0t = 0
d µp = E0t0
δp脉冲按少子迁移率 δp脉冲按少子迁移率 脉冲 沿着外加电场方向漂 沿着外加电场方向漂 移
t=t1 t
半导体物理与器件
Hale Waihona Puke 半导体物理与器件半导体物理与器件
§6.6 表面效应
在实际的半导体器件中，半导体材料不可能是无穷大的，总有 在实际的半导体器件中，半导体材料不可能是无穷大的 无穷大 一定的边界，因此表面（边界） 一定的边界，因此表面（边界）效应对半导体器件的特性具有 非常重要的影响。 非常重要的影响。 表面态 当一块半导体突然被中止时， 当一块半导体突然被中止时，表面理想的周期性晶格发生中 出现悬挂键（缺陷），从而导致禁带中出现电子态（ ），从而导致禁带中出现电子态 断，出现悬挂键（缺陷），从而导致禁带中出现电子态（能 ），该电子态称为表面态。通常位于禁带 该电子态称为表面态 禁带中 呈现为分立 级），该电子态称为表面态。通常位于禁带中，呈现为分立 的能级，可以起到复合中心的作用。SRH理论表明 复合中心的作用 理论表明， 的能级，可以起到复合中心的作用。SRH理论表明，过剩少 数载流子的寿命反比于复合中心的密度，由于表面复合中心 数载流子的寿命反比于复合中心的密度， 寿命反比于复合中心的密度 的密度远远大于体内复合中心的密度，因此表面过剩少数载 的密度远远大于体内复合中心的密度，因此表面过剩少数载 流子的寿命要远远低于体内过剩少数载流子的寿命 要远远低于体内过剩少数载流子的寿命。 流子的寿命要远远低于体内过剩少数载流子的寿命。
第6章半导体器件复习练习题
第6章半导体器件复习练习题一、填空题1．本征半导体中价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，留下一个空位称为空穴，它们分别带负电和正电，称为载流子。
2．在本征半导体中掺微量的五价元素，就称为N型半导体，其多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴，它主要依靠多数载流子导电。
3．在本征半导体中掺微量的三价元素，就称为P型半导体，其多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子，它主要依靠多数载流子导电。
4．PN结加正向电压时，有较大的电流通过，其电阻较小，加反向电压时处于截止状态，这就是PN结的单向导电性。
5．在半导体二极管中，与P区相连的电极称为正极或阳极，与N区相连的电极称为负极或阴极。
6．晶体管工作在截止区的条件是：发射结反向偏置，集电结反向偏置。
7．晶体管工作在放大区的条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
8．晶体管工作在饱和区的条件是：发射结正向偏置，集电结正向偏置。
9．三极管I B、I C、I E之间的关系式是（I E＝I B＋I C），•I C/I B的比值叫直流电流放大系数，△I C/△I B的比值叫交流电流放大系数。
10．在电子技术中三极管的主要作用是：具有电流放大作用和开关作用。
11．若给三极管发射结施加反向电压，可使三极管处于可靠的截止状态。
12．已知某PNP型三极管处于放大状态，测得其三个电极的电位分别为-9V 、-6V和-6.2V，则三个电极分别为集电极、发射极和基极。
13．已知某NPN型三极管处于放大状态，测得其三个电极的电位分别为9V 、6V和6.2V，则三个电极分别为集电极、发射极和基极。
14．N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
15．P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
16．给半导体PN结加正向电压时，电源的正极应接半导体的 P 区，电源的负极通过电阻接半导体的 N 区。
17．给半导体PN结加反向电压时，电源的正极应接半导体的 N 区，电源的负极通过电阻接半导体的 P 区。
电路与模拟电子技术_第6章 半导体器件
在放大区，硅管的发射结
压降UBE一般取0.7V，锗 管的发射结压降UBE一般取0.3V。
（2）输出特性
①放大区 条件：发射结正偏，集电结反偏。 特点：IC＝ I B ②截止区
，IC仅由IB决定。
条件：两个PN结均反偏。
特点是IB＝0、IC＝ICEO≈0，无放大作用。 ③饱和区 条件：两个PN结均正偏。 特点：UCE≤1V，有IB和IC ，但IC≠ IB。 IC已不受IB控制
2.主要参数 （1）电流放大系数 直流放大系数
和β
IC IB
交流放大系数β＝△IC／△IB≈ （2）穿透电流ICEO （3）集电极最大允许电流ICM
（4）集电极最大允许耗散功率PCM
(5)反向击穿电压U(BR)CEO
PC＝UCEIC
6.4 场效应管 三极管称电流控制元件；场效应管称电压控制元件。
场效应管具有输入电阻高（最高可达 1015Ω ）、噪声低、 热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点。
6.4.1 绝缘栅场效应管的结构和符号
6.4.2 场效应管的伏安特性和主要参数
使场效应管刚开始形成导电沟道的临界电压 UGS （ th ）， 称为开启电压。
当UGS的负值达到某一数值UGS（off）时，导电沟道消失， 这一临界电压UGS（off）称为夹断电压。 场效应管的主要参数： 增强型MOS管的开启电压UGS（th）， 耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off） 低频跨导
6.3 三极管 三极管在模拟电子电路中其主要作用是构成放大电路。
6.3.1 三极管的结构和分类 结构：三个区、 二个结、 三个电极。
分类：三极管如按结构可分为NPN型和 PNP型；按所用的 半导体材料可分为硅管和锗管；按功率可分为大、中、小功 率管；按频率特性可分为低频管和高频管等。
半导体器件物理6章p-n结的电流-电压方程
我们定义：
则式(6.25)可以写成
(6.27)式称为理想二极管方程。它是在很大电流与电
压范围内P-N结电流－电压特性的最佳描述。虽然(6.27)式是在正向偏压的假设下推导出来的，但也允许 取负值，图6.8为P-N结电流－电压关系曲线图。
假如 的值为负，比如几个热电压，那么反向电流的大小就与反向偏压无关了，此时 。因此 称为反向饱和电流密度。式(6.27)中的正向偏压值大于几个热电压时，则可以忽略式中的－1项。此时的电流电压关系为：
； ；
于是(6.12)式的输运方程可简化为
其中 是过剩空穴的扩散长度。在相同的假设条件下，P区内过剩载流子浓度满足下式
其中 是过剩电子的扩散长度。
总少子浓度的边界条件是：
式(6.13)的通解为
式(6.14)的通解为
由边界条件式(6.15b)和式(6.15d)可知，系数A和D必须为零。系数B和系数C由边界条件式(6.15a)和(6.15c)确定。
热平衡状态P区多子空穴浓度
热平衡状态P区少子电子浓度
非热平衡状态P区总少子电子浓度
非热平衡状态N区总少子空穴浓度
非热平衡状态空间电荷区边缘处P区少子电子浓度
非热平衡状态空间电荷区边缘处N区少子空穴浓度
非热平衡状态P区过剩少子电子浓度
非热平衡状态N区过剩少子空穴浓度
我们在前一章已经讨论过的P-N结内建电势的表达式 ，它是P-N结空间电荷区的电势差。对该式两边同除以热电压并取对数，再取倒数可得：
对P-N结施加正向偏压时，P区的多子空穴也可以穿过耗尽区而注入到N区，使N区产生过剩的少子空穴。同样，N区的少子空穴浓度可表示为：
N区过剩的少子空穴浓度可表示为：
半导体器件物理 chapter6 TFT及其制造技术
TFT的常用器件结构 的常用器件结构
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构 双栅薄膜晶体管结构 薄膜晶体管
TFT的工作原理 的工作原理
MOS晶体管工作原理回顾 一、MOS晶体管工作原理回顾
|,导电沟道形成 导电沟道形成. 当|VGS|>|VT|,导电沟道形成. 此时当V 存在时，则形成I 此时当VDS存在时，则形成IDS. 越大, 对于恒定的VDS,VGS越大,则 沟道中的可动载流子就越多, 沟道中的可动载流子就越多, 沟道电阻就越小, 就越大. 沟道电阻就越小,ID就越大. 即栅电压控制漏电流. 即栅电压控制漏电流. 增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极被夹 引起沟道电阻增加, 增加变缓. 增大， 达到饱和. 断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
W 1 2 C i [(V g − V th )V d − V d ] Id = µ L 2
(V d < V g − V th)
W C i (V g − V th) V d L
…….（3） .
,(3)式简化为 当Vd<<Vg时,(3)式简化为
I d ,sat =
Id = µ
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得： 在饱和区( ),将 代入(3)式可得： (3)式可得
自热应力
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC; ：
应力作用产生缺陷态，引起 曲线漂移. 应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移 曲线漂移
6. p-Si TFF的改性技术 的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, ）非晶硅薄膜晶化技术 更低的温度、更大的晶粒 更低的温度 进一步提高载流子迁移率. 进一步提高载流子迁移率 （2）除氢技术 改善稳定性 改善稳定性. ）除氢技术----改善稳定性 栅介质----降低阈值电压和工作电压 （3）采用高 栅介质 降低阈值电压和工作电压 ）采用高k栅介质 降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术 ）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
绪论半导体器件概况课件
光刻技术
总结词
光刻技术是半导体器件制造中的关键环节，通过精确 控制光刻胶的曝光和显影过程，将器件结构转移到衬 底上。
详细描述
光刻技术是半导体器件制造中的核心技术之一，它涉及 到将设计好的电路结构通过光刻胶曝光和显影过程转移 到衬底上。光刻技术的精度和分辨率直接影响到器件的 性能和可靠性。为了实现高精度和高分辨率的光刻，需 要选择合适的光源、光刻胶和曝光设备，同时还要精确 控制曝光时间和显影过程。光刻技术的应用范围涵盖了 集成电路、MEMS等领域。
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
总结词
金属-氧化物-半导体场效应晶体管是一种电压控制型器件，通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流。
详细描述
在金属-氧化物-半导体场效应晶体管中，源极和漏极之间存在一个导电沟道。当施加电压时，栅极产生的电场会 改变沟道的宽度，从而控制源极和漏极之间的电流。金属-氧化物-半导体场效应晶体管在微电子技术中占有重要 地位。
表面声波器件
总结词
表面声波器件是一种利用声波在固体表面传 播的器件，具有高频、高速、高精度等特性 。
详细描述
在表面声波器件中，声波在固体表面传播并 完成各种信号处理任务，如信号放大、滤波 、调制等。表面声波器件在通信、雷达、电 子对抗等领域有广泛应用。
CHAPTER
04
半导体器件的工作原理
半导体的能带理论
CHAPTER
06
新型半导体器件
功率半导体器件
1 2
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
具有高输入阻抗和低导通压降的特点，广泛应用 于电机控制、电网管理和太阳能逆变器等领域。
宽禁带半导体材料
如硅碳化物和氮化镓等，具有高禁带宽度和高速 开关性能，适用于高频、高温和高功率应用。
半导体物理与器件-第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
Generation rate
Recombination rate
3
6.1载流子的产生与复合 6.1.1平衡半导体
平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级
EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。
平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为
n0p0
Nc N vexp(
Eg kT
)
ni2
质量定律
称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。
第6章 半导体中的非平衡过剩载流子
1
第6章 半导体中的非平衡过剩载流子
6．1载流子的产生与复合 6．2过剩载流子的性质 6．3双极输运 6．4准费米能级 *6．5过剩载流子的寿命 *6．6表面效应
2
6.1载流子的产生与复合 6.1.1平衡半导体
平衡状态下产生率等于复合率
产生是电子和空穴的生成过程 复合是电子和空穴的消失过程
一般来说：n型半导体中：δn<<n0，δp<<n0。 p型半导体中：δn<<p0，δp<<p0。
小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度. 大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度.
7
6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子
注意：
1.非平衡载流子不满足费米－狄拉克统计分布.
(有发光现象)、把多余能量传递给晶格或者把多余能量交给其 它载流子(俄歇复合)。
15
6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子
过剩载流子的产生与复合相关符号
16
6.2过剩载流子的性质 6.2.1连续性方程
单位时间内由ｘ方向的粒子流产生的 空穴的净增加量
Fpx为空穴粒子的流量
第6章半导体器件的基本特性
A
DA DB
F
+3V
B
？
0V
-12V
例2:
D2 D1
求：UAB
3k 12V
6V
两个二极管的阴极接在一起 A + 取 B 点作参考点，断开二极 UAB 管，分析二极管阳极和阴极 – B 的电位。
V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V 流过 D2 的电流为 12 I D2 4mA 在这里， D2 起 3 钳位作用， D1起 D1承受反向电压为－6 V 隔离作用。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复 合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态 平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性 能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
2
N型半导体和 P 型半导体
掺入三价元素 空穴 掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多 数载流子，自由电子是少数 载流子。
Si
Si
Si B–
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
第六章 半导体器件的基本特性
《半导体器件》课件
总结词
高效转换，环保节能
详细描述
在新能源系统中，半导体器件用于实现高效能量转换和 环保节能。例如，太阳能电池板中的硅基太阳能电池可 以将太阳能转换为电能，而LED灯中的发光二极管则可 以将电能转换为光能。
THANKS
感谢观看
总结词
制造工艺复杂
详细描述
集成电路的制造工艺非常复杂，需要经过多个步骤和工艺 流程。制造过程中需要精确控制材料的物理和化学性质， 以确保器件的性能和可靠性。
总结词
具有小型化、高性能、低功耗等特点
详细描述
集成电路具有小型化、高性能、低功耗等特点，使得电子 设备更加轻便、高效和节能。同时，集成电路的出现也推 动了电子产业的发展和进步。
总结词
由半导体材料制成
详细描述
双极晶体管通常由半导体材料制成，如硅或锗。这些材料 在晶体管内部形成PN结，是实现放大和开关功能的关键 结构。
总结词
正向导通，反向截止
详细描述
在正向偏置条件下，双极晶体管呈现低阻抗，电流可以顺 畅地通过。在反向偏置条件下，双极晶体管呈现高阻抗， 电流被截止。
场效应晶体管
05
CATALOGUE
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
总结词
广泛使用，基础元件
详细描述
在电子设备中，半导体器件是最基本的元件 之一，用于实现信号放大、传输和处理等功 能。例如，二极管、晶体管和集成电路等是 电子设备中不可或缺的元件。
通信系统中的半导体器件
总结词
高速传输，信号处理
详细描述
在通信系统中，半导体器件用于信号的高速 传输和处理。例如，激光二极管用于光纤通
总结词
通过电场控制电流的电子器件
68第6章2_半导体器件物理EM2模型
半导体器件物理(1)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型三、E-M2模型在描述直流特性的EM-1模型基础上，再考虑串联电阻、势垒电容和扩散电容的影响，就得到考虑寄生电阻和交流特性和瞬态响应的EM-2模型。
1.串联电阻考虑基区、发射区和集电区3个区域的串联电阻，新增3个模型参数：RB、RE和RC。
半导体器件物理(I )半导体器件物理(I)反偏情况下势垒电容的一般表达式为：C J ＝C T0(1-V/V J )-mj包含3个模型参数：C T0:零偏势垒电容；V J :势垒内建电势；mj :电容指数。
对eb 结势垒电容，新增3个模型参数：CTE0、VJE 和MJE 。
对bc 结势垒电容，新增3个模型参数：CTC0、VJC 和MJC 对IC 考虑衬底结势垒电容，新增3个模型参数：CTS0、VJS 和MJS第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型2. 势垒电容半导体器件物理(I)在正偏条件下，势垒电容的表达式为：C J =C T0(1-F C )-(1+mj)(1-F C (1+mj)+mjV/V J )又新增一个模型参数FC (势垒电容正偏系数)。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型2. 势垒电容半导体器件物理(I)3.扩散电容发射结扩散电容为：C de ＝τF (eI CC /kT)新增一个模型参数：TF (正向渡越时间)集电结扩散电容为：C dc ＝τR (eI EC /kT)新增一个模型参数：TR (反向渡越时间)。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型半导体器件物理(I)4.等效电路在EM-1模型等效电路中新增三个电阻、三个势垒电容、两个扩散电容，成为EM-2模型等效电路。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型半导体器件物理(I)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型EM-2模型新增15个模型参数。
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多子浓度差
扩散形成 扩散运动 空间电荷区
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N型区
扩散 和漂移运动的 方向相反，最 后达到动态平 衡，空间电荷 区（又称为PN 结）的宽度就 固定下来。
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《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》
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第6章
半导体器件
一、半导体材料 本征半导体 提纯的半导体称为本征半导体。提纯的硅晶 体原子外层四个价电子分别与周围四个原子的 价电子形成共价键结构。
Si +4 Si
共价键 共价键
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
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《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》
普通高等教育“十一五”国家级规划教材第6章ຫໍສະໝຸດ 半导体器件一、结构类型
6.2 二极管
在PN结的两端引出引脚并进行封装，就做成了半导体二极管。 具体制造工艺又分为点接触型、面接触型和平面管三类。
正极引线 正极引线
合金球
正极引线
P型硅 合金层
P型硅
N型硅
Si Si
自由电子
Si Si Si Si
Si
Si
Si
Si
正离子 核
空穴
Si Si
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第6章
半导体器件
本征半导体的导电特性
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流:
(1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)空穴不断被价电子填补 空穴电流 自由电子和空穴称为载流子
正离子核
Si Si
价电子 共价键中的两个电子称为价电子。 四价硅原子
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第6章
半导体器件
半导体受到温度升高或光照的激发时，外层价电子会脱离 原子核的束缚成为自由电子。 空穴 在产生自由电子的同 时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位， 称为“空穴”。空穴也 会吸引邻近原子的电子 来填补，而在该原子中 又出现一个空穴，连续 起来形成空穴的运动 （相当于正电荷的移 动）。
第6章
半导体器件
半导体二极管的符号是一个从阳极指向阴极的受挡箭头。在 许多软件系统中，常常应用惯用符号。二极管的特性就是PN 结的特性。
I
20C
A
50C 20C
0
50C
U
K
(a)标准符号 (b)惯用符号 图6.2.2二极管的符号和特性曲线
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(c)随温度变化的特性曲线 温度升高，正向特性左移， 反向特性下移
绝缘体
半导体
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第6章
半导体器件
6.1 半导体基础知识
目前，半导体器件主要由硅材料制造而成。硅 晶体材料有两个重要特性： 1.掺杂特性。 即加进少量杂质就可以大大改变其 导电性能，利用这个特性就可以制造出各种半导 体器件； ２.温度（或光）敏感性。 硅半导体器件的参数 几乎都受温度影响而变化，为了克服这个弱点， 又形成了许多不同的工艺和电路结构。
0
U
C
B
正向压降
硅0.6 0.8V
死区 击穿特性
锗0.2 0.3V
D
硅0.5V，锗0.1V
反向电压大于B点后，反向电流突然急剧增加，在BD段 形成PN结的反向击穿特性。
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第6章
半导体器件
四、PN结的特性---伏安特性
I
A
正向特性
反向特性
0
U
C
B
I IS (e 1)
U UT
D
实验证明伏安特性的A—B段近似为指数关系式，式中IS称为 反向饱和电流，在一定温度下是常数，UT称为温度电压当 量，一定温度下也是常数，室温时UT = 26 mV。
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极小的反向电流
反向接法时，PN结呈现高阻性，只有极微小的反向电流IR流 过， 称PN结处于截止状态。
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第6章
半导体器件
PN结的电压----电流关系是非线性的，工程上用伏安特性描述 I A
正向导通段
正向特性
反向特性
UD
正向导通 反向截止
☺ 在电路中信号电压较小时，零点几伏的二极管导通压降 就不能忽略，正向导通时要有相当零点几伏的电压源串联。
正向导通 反向截止
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第6章
半导体器件
二、杂质半导体 本征半导体中掺入五价元素如磷后，磷原子只有四个价 电子能与周围原子中的价电子形成共价键，多余的一个价电子 因不受共价键束缚而易成为自由电子，这样掺入少量杂质可以 使得自由电子的浓度大为增加，形成的半导体称为电子型半导 体（N型半导体）。
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第6章
半导体器件
四、PN结的特性---单向导电 将N区接电源正极，P区接电源负极，称为反向接法 。
P区
N区
IR
外加电场和内电场 同向，PN结变宽。
内电场 外电场
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第6章
半导体器件
三、半导体器件的命名和制造商的datasheet
随着全球化的发展，目前电子电路中往往使用着来自不同 国家和标准的半导体器件，关于我们国家对半导体器件型号的 命名标准和日本、美国、欧洲的主要命名方式请参见附录。 几乎90%的半导体器件是几十家全球著名电气电子公 司提供的，他们在提供产品的同时都公开提供其产品的信 息集成体，称为Datasheet。这种Datasheet一般以PDF文 件格式存放于公司或其代理商的网站上，可以免费下载。 其中至少集成了产品型号、引脚和安装尺寸等外形信息、 产品主要特征及原理框图、产品的参数、特性曲线等信息， 并提供典型应用例图等，它是工程设计、系统维护和开发 研究的重要工具。
第6章
半导体器件
四、PN结的特性---单向导电 将N区接电源负极，P区接电源正极，称为正向接法 。
P区
N区
IF 外电场 内电场
外加电场强于内电 场，空间电荷区变窄
形成大的正向电流
正向接法时，PN结呈现低阻性，流过的正向电流IF 大 称PN结处于导通状态。
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第6章
半导体器件
根据物体导电能力(电阻率)的不同，可以 划分为导体、绝缘体和半导体
导体 导体内部有许多脱离原子核束缚的 自由电子，金属是导体，导电能力强。 绝缘体不能通过电流，橡胶、塑料和 干燥的木材为绝缘体。 导电特性处于导体和绝缘体之间的物体称为半导体， 硅Si 、锗Ge元素和砷化镓GaAs等化合物为半导体。
SiO2绝缘层
金属丝
底座 负极引线 负极引线
N型硅
负极引线
点接触型管
PN结面积小，电容效 应小，用于高频电路
面接触型管
PN结面积大，电流大， 用于大电流整流
章目录
平面管
PN结面积可大可小， 是常用的集成电路 工艺。
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图6.2.1二极管的结构示意图 《电路与电子技术(电工学Ⅰ)》
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第6章
半导体器件
四、PN结的特性---反向击穿
PN结 反向击穿的机理主要是两类：
1. 在反向电场力作用下高速运动的电子直接撞击出共价 键中的电子（称为雪崩击穿）。 2. 强大的电场力直接将电子拉出共价键（称齐纳击穿）。
当PN结反向击穿后，若减小反向电压后PN结还具有原来的 单向导电等特性，则称这种击穿为电击穿；若PN结反向击穿后， 减小电压后PN结已经不具有原来的单向导电等特性，则称这种 击穿为热击穿（又称为器件被烧坏）。
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第6章
半导体器件
教 学 目 标
基本原理
基本结构
应 用
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第6章
半导体器件
第一节 半导体基础知识 第二节 二极管
自由电子和空穴成对产生的同时，又不断复合。在一定温度下， 载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。