半导体器件物理14
《半导体器件物理》课程教学大纲
《半导体器件物理》课程教学大纲课程名称：半导体器件物理课程代码：ELST3202英文名称：Semiconductor Device Physics课程性质：专业必修课学分/学时：3.0 / 63开课学期：第*学期适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路设计与集成系统先修课程：半导体物理及固体物理基础后续课程：器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计、大规模集成电路制造工艺开课单位：课程负责人：大纲执笔人：大纲审核人：一、课程性质和教学目标课程性质：《半导体器件物理》课程是微电子科学与工程、电子科学与技术以及集成电路设计与集成系统专业的一门专业必修课，也是三个专业的必修主干课程，是器件模拟与工艺模拟、模拟集成电路课程设计等课程的前导课程，本课程旨在使学生掌握典型的半导体器件的工作机制和特性表征方法，为设计和制造集成电路奠定知识基础。
教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料特性的物理机制以及典型半导体器件的作用原理。
通过本课程的学习，要求学生能基于半导体物理知识，分析BJT、MOSFET、LED以及Solar Cell等半导体器件的工作原理、器件特性以及影响器件特性的关键参数。
本课程的具体教学目标如下：1、掌握牢固的半导体基础知识，理解半导体器件工作的物理机制。
2、掌握影响半导体器件电学特性的关键因素，能够从半导体器件的电学特性曲线提取半导体器件的关键参数。
3、能够根据给定的器件特性要求，设计和优化器件参数和器件结构。
4、能够对半导体器件的特性进行测量，对测量结果进行研究，并得到合理有效的结论。
二、课程目标与毕业要求的对应关系（一）半导体的晶体结构与能带理论（支持教学目标1）课时：1周，共3课时1. 晶体结构与硅工艺1.1 晶体的结构★1.2 硅工艺简介2. 基本能带理论2.1 能带理论2.2 统计分布的特点2.3 本征与掺杂半导体★（二）载流子输运（支持教学目标1）课时：1周，共3课时1. 传统输运机制★1.1 漂移运动1.2 扩散运动2. 产生复合机制与连续性方程2.1 几种产生复合假设2.2 连续性方程及其基本应用（三）PN结二极管课时：1周，共3课时1. 热平衡状态下的PN结（支持教学目标1）1.1 PN结的形成与能带特点★1.2 突变PN结耗尽近似的基本方程与参数分布★2. 直流偏压下的PN结（支持教学目标1）2.1 载流子与能带分析★2.2 电流电压方程★2.3 异质结（四）双极晶体管课时：4周，共12课时1. 晶体管的工作原理（支持教学目标1）1.1 器件结构特点和工作模式（支持教学目标1）2.1 电流增益（支持教学目标2）★3.1非理想效应（支持教学目标3）★2. 电路模型（支持教学目标1）3. 频率响应（支持教学目标2）★4. 特殊结构晶体管（支持教学目标3）◆（五）MOSFET基础（支持教学目标1）课时：2周，共6课时1. MOS的基本结构与能带分析1.1 能带分析（支持教学目标1）★1.2 阈值电压（支持教学目标2）★2. MOSFET的基本原理2.1 MOSFET结构（支持教学目标1）2.2 电流电压特性（支持教学目标2）★2.3 小信号模型（支持教学目标2）◆（六）MOSFET概念深入课时：3周，共9课时1. 亚阈值特性（支持教学目标1）1.1亚阈值电流机制★1.2亚阈值摆幅2. 非理想效应（支持教学目标1）★2.1沟道长度调制效应2.2表面散射效应2.3速度饱和效应2.4弹道输运3. MOSFET按比例缩小理论（支持教学目标3）3.1按比例缩小理论★3.2阈值电压修正◆4. 击穿级热载流子效应（支持教学目标3）4.1击穿及轻掺杂漏★4.2辐射及热载流子效应思考题：1、Bipolar与MOSFET的比较（七）结型场效应晶体管和功率器件课时：2周，共6课时1. 结型场效应晶体管（支持教学目标1）1.1 JFET工作原理及器件特性1.2 MESFET工作原理及器件特性★1.3 MODFET◆2. 功率器件2.1 功率双极晶体管2.2 功率MOSFET2.3 半导体闸流管（八）光电器件课时：4周，共12课时1. 光谱及光吸收（支持教学目标2）1.1光谱1.2光吸收系数2. 太阳能电池（支持教学目标2）2.1pn结太阳能电池★2.2异质结太阳能电池2.3非晶硅太阳能电池3. 光电探测器（支持教学目标2）◆3.1光导体3.2光电二极管3.3光电晶体管4. LED和激光（支持教学目标3）4.1电致发光4.2发光二极管★4.3激光二极管（九）实验（支持教学目标4）★课时：3周，共9课时1）显微镜下观察MOSFET器件并测量MOSFET器件的尺寸2）MOSFET CV特性测量3）MOSFET 转移、输出特性曲线测量四、教学方法授课方式：A、理论课（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布习题和课外拓展学习等）；B、课后练习（按照理论内容进行）；C、实验环节（根据理论课教学内容，要求学生学会简单操作、四探针仪以及探针台并完成实验任务）；D、办公室时间（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内、外内容进行讨论）；E、答疑（全部理论课程和实验课程完成后安排1～2次集中答疑，答疑时间不包括在课程学时内，答疑内容包括讲授内容、习题、实验等）；F、期中和期末闭卷考试。
半导体器件物理知识点总结
半导体器件物理知识点总结《半导体器件物理知识点总结：那些让我又爱又恨的小家伙们》嘿，各位小伙伴们！今天咱来唠唠半导体器件物理知识点，这可真是个让人又爱又恨的领域啊！先说说这半导体吧，那可真是深藏不露的家伙。
就像个神秘的宝库，里面藏着无数的奇妙之处。
咱就得像探险家一样，一点点去挖掘、去了解。
什么能带啦、禁带啦，刚开始接触的时候，感觉就像在云里雾里摸索。
但是一旦搞懂了，嘿，还真有那么点成就感。
就好像终于找到了宝藏的钥匙，能开启那扇神秘的大门了。
pn 结，这可是半导体器件里的大明星！它就像个小小的魔术贴，把两种不同的半导体材料紧紧粘在一起。
这玩意儿的特性那叫一个神奇，正向导通，反向截止，就像个聪明的小开关。
还有场效应管，哇哦，这家伙可厉害了。
就像个能控制电流大小的司令官，可以精确地指挥着电流的流动。
想想看，能掌握这么个厉害的小玩意儿，是不是感觉自己酷毙了。
但是，这些知识点可不好搞啊！有时候为了搞懂一个小小的概念，得死磕好多书和资料。
那感觉就像在和一个调皮的小精灵斗争，它老是在你快要抓住它的时候溜走。
做题的时候就更别提了，有时候一道题能让我纠结半天。
一边挠着头，一边心里想着：“哎呀呀，这个该咋整呢。
”不过呢，一旦做出一道难题，那种开心劲儿啊，比吃了蜜糖还甜。
学半导体器件物理就像一场冒险，有时候会遇到迷雾重重的森林，有时候又会发现美丽的宝藏。
每次搞懂一个新的知识点，都感觉自己又升级了。
就好像游戏里的角色，不断地获得新技能，变得越来越强大。
哎呀呀，总之呢，半导体器件物理知识点总结起来就是既有挑战又有趣。
虽然有时候会被它们弄得晕头转向，但是探索的过程中也会有很多惊喜和乐趣。
希望各位小伙伴们也能在这个神奇的领域里尽情地探索，找到属于自己的宝藏！加油哦！。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
半导体器件的物理原理
半导体器件的物理原理半导体器件是当今科技进步的重要基石，广泛应用于电子设备、通信技术和能源转换等领域。
半导体器件的物理原理涉及到晶体结构、载流子运动以及电子能带等概念，下面将从这些方面展开论述。
晶体结构是半导体器件物理原理的基础。
半导体材料通常采用单晶或多晶的结构，其中单晶具有高度有序的原子排列，能够提供更好的电子传输通道。
晶体结构中的晶格常数以及晶格点的配位数决定了材料的载流子密度和能带结构。
例如，硅(Si)是一种常用的半导体材料，其晶格常数较大，晶格点配位数为4，因此具有较高的载流子密度，适用于大功率器件。
而锗(Ge)是另一种半导体材料，晶格常数较小，晶格点配位数为4，因此具有较低的载流子密度，更适用于低功率器件。
载流子运动是半导体器件工作的关键。
半导体材料中的载流子主要包括自由电子和空穴。
自由电子具有负电荷，在外电场的作用下形成电流；而空穴则相当于正电荷缺失的位置，同样能够参与电流的传输。
半导体材料内的载流子运动受到晶格振动、杂质掺杂以及温度等因素的影响。
在零温下，半导体处于绝缘态，载流子几乎没有运动能力；而在高温下，载流子的运动能力增强，半导体逐渐变为导体。
半导体器件的物理原理还涉及到电子能带结构。
在晶体中，电子的能量将按照一定规律排列成能带。
最低能量的能带称为价带，其中填满了电子；而最高能量的能带称为导带，其中没有或仅有极少数的电子。
半导体材料的价带和导带之间的能带隔离称为禁带宽度，它决定了半导体的导电性能。
当禁带宽度较小时，外界的微弱电场就能够激发半导体中的载流子，使其变为导体；而禁带宽度较大时，外界电场的激发能力较弱，使得半导体呈现绝缘性。
通过控制禁带宽度，我们可以调节半导体器件的电导率，从而实现对电流的精确控制。
为了实现特定的功能，半导体器件常常需要经过复杂的工艺制造。
例如，晶体管是一种重要的半导体器件，它通过控制电场和电流的作用，实现对电路的放大和开关功能。
晶体管的制造过程包括材料生长、掺杂、薄膜沉积、光刻、蚀刻等多个步骤，每个步骤都需要精确控制参数，以确保器件的性能和可靠性。
半导体器件物理
器件仿真的基本原理
• 基于数学模型和计算机算法
• 仿真结果与实际器件性能关系
器件仿真的方法
• 有限元法
• 有限差分法
• 分子动力学法
器件性能的优化策略
器件性能优化策略
器件性能优化的应用
• 材料选择和结构设计优化
• 提高半导体器件的性能
• 制程工艺优化
• 降低半导体器件的成本
D O C S S M A RT C R E AT E
半导体器件物理
CREATE TOGETHER
DOCS
01
半导体器件物理的基本概念
半导体材料的性质和特点
半导体材料的特点
• 介于导体和绝缘体之间
• 能带结构中的能隙较小
• 温度和掺杂浓度影响导电性
半导体材料的分类
• 元素半导体（如硅、锗）
• 化合物半导体（如镓砷化物）
能带结构的基本概念
• 电子的能量状态分布
• 能带之间的能量间隙
载流子的类型和输运
• 电子和空穴作为主要载流子
• 载流子的输运特性与能带结构关系
能带结构和载流子的应用
• 半导体器件性能分析
• 半导体器件设计
p-n结和势垒
p-n结的基本概念
• 半导体中两种载流子浓度的交界处
• 内建电场和空间电荷分布
p-n结的特性
• 光通信和光计算
• 显示和照明技术
• 生物检测和医疗应用
05
半导体器件的数学模型
泊松方程和电流连续性方程
01
泊松方程的基本概念
• 电场分布的描述
• 电荷分布与电场关系
02
电流连续性方程的基本概念
• 电流密度分布的描述
半导体器件物理 教案 课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。
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。
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理是研究半导体材料（如硅、锗等）的电学、光学、磁学、热学等性质及其在半导体器件中的应用的学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其具有特殊的电子能带结构和载流子特性，使其在电子器件中具有广泛的应用。
半导体材料的物理研究主要包括以下几个方面：
1. 能带理论：半导体材料的导电特性与其电子能带结构紧密相关，能带理论研究了材料中电子的能量分布与输运特性。
2. 载流子特性：半导体材料中的导电是由自由电子和空穴贡献的，研究载流子的产生、寿命、迁移特性等有助于理解半导体材料的导电机制。
3. 杂质和缺陷：半导体材料中引入杂质原子或缺陷点可以改变其电学特性，研究杂质掺杂和缺陷制备对器件性能的影响是半导体材料的重要研究内容。
4. 光学性质：半导体材料对光的响应是其在光电子器件中应用的基础，研究半导体的光学吸收、发射、散射等性质对器件的设计和优化起到关键作用。
在半导体材料的基础上，半导体器件物理研究了各种半导体器件的原理、结构、制备工艺以及性能优化等方面的问题。
常见的半导体器件包括二极管、场效应晶体管（MOSFET）、太阳能电池、光电二极管等。
研究半导体器件物理可以深入了解器件的工作原理，优化器件结构和参数，提高器件的性能和可靠性。
半导体材料与器件物理在电子、光电子、纳米技术等领域的应用非常广泛，对于现代电子和信息科技的发展具有重要的意义。
《半导体器件物理》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
《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。
半导体器件物理(课堂)
未来发展趋势与挑战
随着新材料、新工艺的发展，半导体器件的性能将不断提升，未来将有更多创新型半导体器件涌现。 技术创新 随着物联网、人工智能等技术的发展，半导体器件将更加集成化、智能化，以满足不断增长的计算和通信需求。 集成化与智能化 随着对可持续发展的重视，半导体器件的生产和使用需要更加环保和节能，以减少对环境的影响。 可持续性与环保
比热容(cp)
衡量材料温度升高或降低时吸收或释放热能的能力的参数，单位为J/(kg·K)。
热扩散率(D)
衡量材料内部温度变化传播速度的参数，单位为m^2/s。
热导率(k)
衡量材料导热能力的参数，单位为W/(m·K)。
半导体器件制造工艺
第五章
外延生长技术
外延生长技术是指在单晶衬底上通过化学气相沉积方法生长一层单晶层的过程。 外延生长技术可以控制单晶层的厚度、掺杂类型和浓度，从而控制半导体器件的性能。 外延生长技术需要精确控制温度、气体流量和压力等参数，以确保单晶层的质量和均匀性。 外延生长技术广泛应用于制造高效率太阳能电池、高电子迁移率晶体管等高性能半导体器件。
薄膜制备技术
薄膜制备技术是指通过物理或化学方法在衬底上制备一层薄晶体膜的过程。 薄膜制备技术有多种方法，如化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等。 薄膜制备技术可以控制膜层的厚度、结构、掺杂类型和浓度，从而控制半导体器件的性能。 薄膜制备技术广泛应用于制造薄膜晶体管、光电器件、传感器等高性能半导体器件。
半导体器件的历史与发展
历史 自20世纪初发现半导体材料以来，半导体器件经历了从晶体管到集成电路、超大规模集成电路的发展历程。 发展 随着新材料、新工艺、新结构的不断涌现，半导体器件的性能不断提高，应用领域不断拓展。 未来趋势 未来半导体器件将朝着更高性能、更低功耗、更小尺寸的方向发展，同时还将探索新型半导体材料和器件。
半导体器件物理习题与参考文献
第一章习题1–1．设晶格常数为a 的一维晶体，导带极小值附近能量为)(k E c ：mk k m k k E c 21222)(3)(-+= 价带极大值附近的能量为：mk m k k E v 222236)( -=式中m 为电子能量，A14.3,1 ==a ak π，试求： （1）禁带宽度；（2）导带底电子的有效质量； （3）价带顶空穴的有效质量。
1–2．在一维情况下：（1）利用周期性边界条件证明：表示独立状态的k 值数目等于晶体的原胞数；（2）设电子能量为*222nm k E =，并考虑到电子的自旋可以有两种不同的取向，试证明在单位长度的晶体中单位能量间隔的状态数为1*2)(-=E hm E N n。
1–3．设硅晶体电子中电子的纵向有效质量为L m ，横向有效质量为t m（1）如果外加电场沿[100]方向，试分别写出在[100]和[001]方向能谷中电子的加速度；（2）如果外加电场沿[110]方向，试求出[100]方向能谷中电子的加速度和电场之间的夹角。
1–4．设导带底在布里渊中心，导带底c E 附近的电子能量可以表示为*222)(nc m k E k E += 式中*n m 是电子的有效质量。
试在二维和三维两种情况下，分别求出导带附近的状态密度。
1–5．一块硅片掺磷1510原子3/cm 。
求室温下（300K ）的载流子浓度和费米能级。
1–6．若n 型半导体中（a ）ax N d =，式中a 为常数；（b ）ax d e N N -=0推导出其中的电场。
1–7．（1）一块硅样品的31510-=cm N d ，s p μτ1=，1319105--⨯=s cm G L ，计算它的电导率和准费米能级。
（2）求产生1510个空穴3/-cm 的L G 值，它的电导率和费米能级为若干？ 1–8． 一半导体31031610,10,10--===cm n s cm N i n a μτ，以及131810--=s cm G L ，计算300K 时（室温）的准费米能级。
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I CEO ( 0 1) I CBO 0 I CBO I CEO （其中 0 ） 1 0 1 0
式中， 0 为集电结无雪崩倍增时的共基极电流放大系数。 当外加偏压增高，集电结发生雪崩倍增效应时，设倍增因子 为 M ，有：
M 0
M 0 1 1 M 0 ( 1) MI CBO I CEO
MI CBO I CEO 1 M 0
显然，当 M 0 1 时，I CEO ，发生了击穿，此时在集电 极－发射极间加的反向电压即为击穿电压 BV CEO 。
I CEO 0 I CBO I CBO ( 0 1) I CBO
注：此时的 0 是电流为I CEO 时所对应的电流放大系数，通 常 I CEO 数值较小，此时 0 比正常工作时的 0 要小很多。 因此，一般 I CEO 比 I CBO 大不了多少。
2．晶体管的反向击穿电压 （1）集电结反向击穿电压（发射极开路）BV CBO 测量 BV CBO 的原理图如下。增大电源电压时，反向电流随之 增加，当反向电流增大到规定值时所对应的电压即为 BV CBO 。 在软击穿特性情况下（图中乙），BV CBO 比集电结雪崩击穿 电压 V B 小；在硬击穿特性下（图中甲），BV CBO 是由 V B 决 定的。
（3）发射结反向击穿电压（集电极开路）BV EBO
如图所示为测量的 BV EBO 原理图。发射极加反偏，若改变 电源电压，当 I EBO 得到规定的电流值时所对应的发射结外 加反向偏压即为 BV EBO 。BV EBO 一般与基区杂质浓度有关。
3．穿通击穿
在测量平面晶体管集电结反向击穿特性时，有时会出现如图 所示的电流－电压曲线。当反向电压超过 V PT （基区穿通电 压）时，反向电流随电压近似于线性地增加，电压增高到 V B （雪崩击穿电压）才是发生正常的雪崩击穿。发生这种现象 的原因，一般认为是基区穿 通引起的。基区穿通是指在 发生雪崩倍增效应之前，集 电结空间电荷区在反偏压的 作用下，往基区一侧扩展， 而与发射结空间电荷区连通 在一起的现象。
（2）集电极－发射极反向击穿电压（基极开路） BV CEO 基极开路（如图），当改变 电源电压时，电流 I CEO 随着 增加，当得到规定的电流值 时所对应的电压即为 BV CEO 。 BV CEO 是晶体管在共发射极 应用时，集电极－发射极间 所能承受的最大反向电压。
1） BV CEO 与 BV CBO 的关系
（2）发射结反向电流（集电极开路） I EBO
I EBO 定义为集电极开路（ I C 0 ）时，发射结的反向电流， 如图所示。 I EBO 与 I CBO 类同。
（3）集电极发射极间的穿透电流（基极开路）I CEO
I CEO 定义为基极开路（ I B 0 ）时，集电极－发射极间的
反向电流，如图所示。
DnB 2 D pC I R q AC x N L N ni pC dC B aB q ACW C ni Ig 2
N aB →基区净受主杂质浓度 N dC →集电区净施主杂质浓度 AC →集电结面积 W C →集电结空间电荷区宽度
由于 n i 随温度升高而呈指数增大，所以 I R 和 I g 都随温度的 升高而呈指数增大，说明 I CBO 随温度升高而快速增大。表 面漏电流 大得多，因此减小 I R I、 I CBO ，关键在 I S 往往比 g 于减小 I S 。搞好表面处理，减少玷污，是减小表面漏电流 的关键。
集电结加的是反向偏压，发射结为正向偏压。集电结反偏使 空穴流向基区，并在基区积累，从而使发射结变为正偏，因 此发射区就有电子注入基区，注入基区的大部分电子传输到 集电极形成集电极电流 I n ( xC) 。同时，基区积累的空穴一 部分在基区与电子复合，另一部分注入发射区发射区电子 复合。显然，这股空穴流动形成的电流 I CBO 就相当于基极 电流，亦即在基极开路时， I B 。所以有 I CBO 相当于
§ 2.7 晶体管的反向电流与击穿特性
晶体管有两个 PN 结，在一定的反向偏压下存在反向电流， 并在反向偏压下高到一定程度时会发生反向击穿现象。 晶体管的反向电流主要有：I CBO 、I EBO 、 I CEO 。反向电流 对晶体管的放大作用没有贡献，它消耗了一部分电源的能 量，甚至影响晶体管工作的稳定性，因此希望反向电流尽 可能小。晶体管的击穿电压有 BV CBO 、 BV EBO 、BV CEO 及 穿通电压 V PT 。击穿电压决定了晶体管外加电压的上限。 晶体管的反向电流与击穿电压标志着晶体管性能的优劣与 使用的电压范围，它们都是晶体管的主要参数。
1．晶体管的反向电流 （1）集电结反向电流（发射极开路）I CBO
I CBO 定义为发射极开路时，集电结
的反向电流，如图所示。PN 结的 反向电流由空间电荷区外的反向扩 散电流 I R 、空间电荷区内的产生 电流 I g 和表面漏电流 I S 三部分构 成，即：
I CBO I R I g I S
集电结倍增因子 M 与外加反向电压 V 的关系可用经验公式表 示
M
1 1 V / BV CBO
n
（硅的 n 值在 2 ~ 4 ）
集电极－发射极反向击穿时，令 V BV CEO ，有
M 0
0
1 BV CEO / BV CBO
n
1
BV CEO n 1 0 BV CBO
可见，BV CEO BV CBO ，要提高 BV CEO 必须提高 BV CBO 。
2）集电极－发射极反向击穿特性曲线
经常可以看到 I C ~ V CE 有负阻现象， 如图所示。在基极开路，外加电压 增高至 BV CEO 时，集电结有雪崩倍 增效应发生，雪崩碰撞产生的空穴 被集电结空间电荷区电场扫入基区， 由于基极开路，这些空穴不能从基 区流走，而是去填充发射结空间电荷区，使发射结空间电荷区 变窄，正向偏压增大。扫入基区的空穴，也同时填充集电结空 间电荷区，使其变窄，结果使集电结反向偏压减小。虽然集电 结反向偏压减小，雪崩倍增因子减小了，但因 0 随集电极电 流增大而增大，M 0 仍朝着趋近于 1 的方向增大。所以，集 电极电流也仍然继续不断地增大，也就出现集电结反向偏压减 小而集电极电流却增大的负阻现象。