半导体物理学基础知识_图文(精)
半导体物理与器件基础知识
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
半导体物理的基础知识
半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。
半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。
一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。
单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。
多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。
非晶的特点是结构无序，导电性能较差。
半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。
共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。
离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。
这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。
二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。
根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。
能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。
价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。
在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。
半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。
杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。
掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。
三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。
根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。
n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。
这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。
n型半导体表现为电子富余。
p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。
空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。
p型半导体表现为电子贫缺。
四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。
半导体基本知识(PPT课件)
例开关电路如图所示.输入信号U1是幅值为5V频率为 1KHZ的脉冲电压信号.已知 β=125,三极管饱和时 UBE=0.7V,UCES=0.25V.试分析电路的工作状态和输出电压 的波形
三极管的三种接法
• 共射极电路： • 共基极电路: • 共集极电路（射极跟随器）
MOS场效应管
• 压控电流源器件 • 分类：
• 难点：
– １、载流子运动规律与器件外部特性的关系。 只须了解，不必深究
半导体基本知识
• 半导体：
– 定义:导电性能介于导体和绝缘之间的物质 – 材料:常见硅、锗 – 硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密
结合在一起。
本征半导体
• 本征半导体：纯净的半导体。0K时，价电子
不能挣脱共价键而参与导电，因此不导电。随 T上升晶体中少数的价电子获得能量。挣脱共 价键束缚，成为自由电子，原来共价键处留下 空位称为空穴。空穴与自由电子统称载流子。 • 自由电子：负电荷 • 空穴：正电荷 • 不导电– 增强源自、耗尽型 – PMOS管、NMOS管
• 特性曲线
– 转移特性曲线 – 输出特性曲线
MOS场效应管的主要参数
• 直流参数：
– 开启电压 UTN，UTP – 输入电阻 rgs
• 交流参数：
– 跨导gm – 导通电阻Rds – 极间电容
例NMOS管构成反相器如图示,其主要参数为UTN=2.0V， gM=1.3MA/V，rDS(ON)=875，电源电压UC=12V。输入脉 冲电压源辐值为5V,频率为1KHZ。试分析电路的工作状 态及输出电压UO的波形。
限幅电路如图示：假设输入UI为一周期性矩形 脉冲，低电压UIL=-5V，高电压UIH=5V。
• 当输入UI为-5V时，二极管D截止， • 视为“开路”，输出UO=0V。 • 当输入UI为+5V时，二极管D导通， • 由于其等效电阻RD相对于负载电 • 阻R的值小得多，故UI基本落在R上， • 即UO=UI=+5V。
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
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
第01章半导体基础知识-105页精品文档
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为电子半导体。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体， 也称为空穴半导体。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
U
死区电压，硅管 0.5V，锗管0.1V。
1、正向特性
只有当加在二极管两端的正向电压超过死区电压值 时，正向电流才明显增大。
2、反向特性
当二极管加上反向电压时，反向电流值很小，当反 向电压超过零点几伏后，反向电流达到饱和值IS 。
当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流急 剧增大，发生击穿现象。二极管击穿以后，不再具有单 向导电性。
1.2uiiR U zW 2R 5 10 ——方程1
令输入电压降到下限
i
时，流过稳压管的电
流为Izmin 。
ui
i IzminURZLW10mA
iL
R
DzW 1R 0 1—0—方程2
联立方程1、2，可解得：
ui1.7 8V 5 , R0.5k
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
01-半导体物理基础知识.ppt
半导体硅的物理性质
原子量
28.86
晶格常数
5.42A
密度(固态)
熔点 介电常数 电子迁移率
本征载流子 浓度
原子密度
2021/3/23
2.33g/cm3
禁带宽度
1416±4℃
沸点
11.7±0.2
折射率
1350±100cm2/V· 空穴迁移率 s
1.5×1010个/cm-3 熔解热
4.99×1022个/cm- 本征电阻率 3
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
1.4半导体的导电特性
2、导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就 会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得 很弱。
3、杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电 能力会有上百万倍的增加。这是最特殊的独特性能 。
对硅的导电性能有决定影响的主要是三族(如硼 B、铝Al、镓Ga)和五族(如磷P、砷As、锑Sb)元素 原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁，氧，碳 等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生 缺陷，有着许多有害的作用。
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
2021/3/23
前言
• 太阳能的利用
1、太阳能热的利用，如太阳能热水器、太阳能热 水发电。 2、太阳能直接发电即光伏技术。 光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、 应用系统五个环节。上游为硅料、硅片环节；中游 为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1半导体中的电子状态
1.2半导体中电子状态和能带
1.3半导体中电子的运动有效质量
1半导体中E与K的关系
2半导体中电子的平均速度
3半导体中电子的加速度
1.4半导体的导电机构空穴
1硅和锗的导带结构
对于硅，由公式讨论后可得：
I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰
II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰
III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰
IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰
2硅和锗的价带结构
重空穴比轻空穴有较强的各向异性。
2半导体中杂质和缺陷能级
缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等
1.替位式杂质间隙式杂质
2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。
3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。
4.杂质的补偿作用
5.深能级杂质：
⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。
⑵这些深能级杂质能产生多次电离。
6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。
肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。
空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。
3半导体中载流子的分布统计
电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。
一、状态密度
状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。
首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。
导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。
二、费米能级和载流子的统计分布
在T=0K时，费米能级E(f可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。
附图：
随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。
2波尔兹曼分布函数
在E-E(f>>K(0T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。
附：导带中电子浓度公式空穴浓度公式
载流子浓度乘积，对于一定的半导体材料，只与温度有关。
三、本征半导体的载流子浓度
附：本征载流子浓度公式
一定的半导体材料，本征载流子浓度随温度升高；在同一温度，禁带宽度E(g 越大，本征载流子浓度就越小。
四、杂质半导体的载流子浓度
附：电离得施主浓度，受主浓度
可以看出，对于施主杂质，当费米能级远在施主能级下时，可以认为几乎都电离，反之可以认为几乎没有电离，当重合时，施主杂质有1/3电离，2/3没有电离。
同理，费米能级在受主杂质能级之上时，完全电离，反之；
N型半导体的载流子浓度
附：电中性条件
各个温度的情况：
①低温弱电离区：大部分施主杂质能级被电子占据，只有少量的被激发，称为
弱电离。
此时导带中的电子完全有电离施主杂质提供。
附低温弱电路区的费米能级表达式
低温弱电离区E(f与T的关系
②中间电离区
有1/3电离。
③强电离区
温度升高至大部分杂质都电离，当施主杂质全部电离时，电子浓度等于施主杂质浓度，载流子浓度与温度无关。
载流子浓度保持等于这一浓度的温度范围称为饱和区。
④过渡区
半导体处于饱和区与完全本征激发之间。
⑤高温本征激发区
此时费米能级接近禁带中线，载流子浓度随温度升高而迅速升高。
附：电子浓度与温度曲线
六、简并半导体
附：简并的条件
简并是杂质没有充分电离。
4半导体导电性
一、载流子的漂移运动迁移率
迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度。
半导体的导电作用是电子和空穴到点作用之和。
附半导体导电率公式
二、载流子的散射
主要由于周期性势场的破坏。
①电离杂质散射：由于杂质电离之后带电…散射概率与杂质浓度成正比，与温
度成反比。
②晶格振动的散射
六、电阻率及其与杂质浓度和温度的关系
I.电阻率和杂质浓度
随浓度增加而下降，但不是直线。
因为：1 杂质在室温下不能完全电离2迁移率随浓度增加而显著下降。
II.电阻率随温度变化
AB段：温度很低，本征激发可忽略，载流子主要由本征激发提供，随温度升高而升高，故电阻率下降。
BC段：杂质完全电离，本征激发不充分，晶格振动散射称为主要矛盾；
CD段：本征激发很快增加，本征载流子产生远远大于迁移率减小对电阻率的影响。
附图
5非平衡载流子
一、用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光注入。
光注入必然导致半导体导电率增大
二、非平衡载流子的复合率：在单位时间单位体积内净复合消失的电子空穴对数。
四、复合理论
复合过程分为两种：直接复合：电子在导带和价带之间的之间跃迁。
间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心（由杂质和缺陷提供））进行复合。
根据位置分为：体内复合表面复合
发出能量：发射光子发射声子：引起晶格振动能量赋予其他载流子（俄歇复合）
五、陷阱效应
杂质能级积累非平衡载流子的作用
把显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱，相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。
虽然杂质俘获多数载流子的概率比俘获少数载流子的概率大得多，而且杂质
能级的位置也有利于陷阱作用，但是不能形成多数载流子陷阱，通常的都
少数载流子的陷阱作用。
杂质能级与平衡时费米能级重合时最有利于陷阱作用。
对于再低的能级，平衡时被电子填满，不能形成陷阱。
费米能级之上时，随E(f的升高，电子被激发到导带的概率迅速增加。
因此，对于电子陷阱，费米能级之上，越接近E(f陷阱效应越显著。
电子落入陷阱后，基本上不能直接与空穴复合，需要先激发到导带，才能通过复合中性复合。
因此陷阱大大增加了从非平衡态回复到平衡态的弛豫时间。
6P—-N结
一、pn结及其能带图
Pn结能带图附
解释:按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴相反。
由于pn结空间电荷区中存在内建电场的结果，随着从n区指向p区的内建电场不断增强，电子势能由n到p 不断升高，空穴势能有Ndao p不断降低。
从图中看出，电子要从势能低的n区到势能高的p区，必须克服这一势垒，故空间电荷区也叫势垒区。
二、Pn结的电流电压特性
①外加电压
外加正向偏压（即p区接电源正极，n负极），在势垒区产生了与内建电场相反的电场，减弱了势垒区中的电场强度，空间电荷相应减少。
故势垒区的宽度减小，势垒高度下降。
势垒区电场减弱使得扩散大于漂移，在p区的边缘有少数的电子聚集，并扩散进入p区与空穴复合，这一区域称为扩散区。
外加反向电压，势垒区变宽，势垒高度增加。
N和p区的少数载流子相当于被抽取，形成反偏电压下的电子扩散电流和空穴扩散电流。
因为少子浓度低，而扩散长度基本不变，所以反偏时少子浓度梯度也低。
当反偏电压很大时，边界处可认为少子浓度为零，此时少子浓度梯度不再随电压变化，扩散电流也不随电压变化。
三、pn结电容
势垒电容扩散电容
单边突变结的势垒宽度随轻掺杂一边的杂质浓度增大而下降，势垒区几乎在轻掺杂一侧，能带弯曲主要发生于这一区域。
四、pn结击穿
雪崩击穿隧道击穿（齐纳击穿）热点击穿
①雪崩击穿：反向偏压，由p区扩散到势垒区的电子电流和n区扩散到势垒区的空穴电流。
②隧道击穿：强电场下，大量电子从价带穿过禁带进入到导带所引起的击穿。