电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1ElementaryCrystals,3Ed

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研究生电子材料_第一讲

研究生电子材料_第一讲
《电子材料》第一讲
电子材料概论
主讲人:汪晓东教授
授课提纲
一、电子材料简介 二、电子材料的研究范畴 三、电子材料的基本特性 四、几种重要的电子材料实例
参考书目录
[1]《电子材料导论》,李言荣、恽正中主编,清华大 学出版社,2001年出版。 [2]《电子材料》,贾德昌等编著,哈尔滨工业大学出 版社,2000年出版。 [3]《电子材料》,陈鸣主编,北京邮电大学出版社, 2006年出版。
现代电子元器件-集成电路芯片
碳纳米管勇闯晶元厂
電極 奈米碳管 電晶體 二氧化矽層 矽化物層
連結導線 矽晶圓
现代电子元器件-液晶显示器
TFT-LCD:
在两层玻璃板间夹一层液晶材料,其中上层玻 璃板为彩色滤光片,下层玻璃上镶嵌电晶体。
当电流通过电晶体时发生电场变化,造成液晶 分子发生偏转,籍以改变光线的偏振性;再利 用偏光片来确定像素(Pixel)的明暗状态。
通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结构和与链非键合的一 价阴离子或阳离子共同组成。即在导电高分子结构中,除了具有高 分子链外,还含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子(p型掺杂)或 对阳离子(n型掺杂)。
导电高分子的类型 结构型导电高分子:结构型导电高分子本身具有“固有”的导 电性,由聚合物结构提供导电载流子(包括电子、离子或空 穴)。这类聚合物经掺杂后,电导率可大幅度提高,其中有些 甚至可达到金属的导电水平; 复合型导电高分子:复合型导电高分子是在本身不具备导电性 的高分子材料中掺混入大量导电物质,如炭黑、金属粉、箔等, 通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料, 其中以分散复合最为常用;
按化学组成划分:无机电子材料和有机电子材料: 无机电子材料以可分为金属材料(以金属键结合)和非金属材料 (以离子键和共价键结合) 有机电子材料主要是指高分子材料(以共价键结合)

模拟电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管

模拟电子电路模电清华大学华成英半导体二极管和三极管

稳压 二极管
发光 二极管
一、二极管的组成
点接触型:结面积小, 面接触型:结面积大, 平面型:结面积可小、
结电容小,故结允许 结电容大,故结允许 可大,小的工作频率
的电流小,最高工作 的电流大,最高工作 高,大的结允许的电
频率高。
频率低。
流大。
第14页/共36页
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
• 为什么半导体器件有最高工作频率?
第11页/共36页
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
第12页/共36页
一、二极管的组成
将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
第13页/共36页
有利于漂移运动,形成漂移电 流。由于电流很小,故可近似 认为其截止。
第9页/共36页
四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变 化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相 同,其等效电容称为势垒电容Cb。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的 过程,其等效电容称为扩散电容Cd。
第四版——P20
第21页/共36页
讨论:解决两个问题
• 如何判断二极管的工作状态?
• 什么情况下应选用二极管的什么等效电路?
iD
V
uD R
对V和Ui二极管的模 型有什么不同?
V与uD可比,则需图解: ID 实测特性
Q

电子材料与器件总结

电子材料与器件总结

Chapter 1.Introduction1.What are electronic materials?电子材料是用在电子电气工厂的材料,它们是电子器件和集成电路制造的基础。

2.What are the functional electronic materials?功能电子材料是指除强度性能外,还有特殊功能,或能实现光电磁热力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料。

3.What are the basic requirements of modern society to electronic materials?1.高纯度与完美的晶体结构。

2.先进的制造技术。

3.大尺寸。

4.寿命长且可控。

5.具有优异结构与功能特性。

6.减少污染节约能源。

4.What is the future direction for the development of advanced electronicmaterials?先进复合材料有机电子材料电子薄膜材料5.What is Moore’s law?集成电路上可容纳的晶体管数目将在每三年变成原来的4倍。

Chapter 2. Elementary materials science concepts1.Please explain the shell model of atomic structure and sketch that for sodium.壳模型是基于波尔模型的。

原子核:带正电的质子与中性的中子。

原子序数:核电荷数。

电子:质量极小,带负电,在原子中绕电子核旋转。

核外电子排布:泡利不相容定理、能量最低原理、洪特定理。

2.What’s the force between the two atoms when their separation is above the bond length, equal to the bond length and below the bond length? What are the net force and potential energy in bonding between two atoms?距离大于键长时合力为吸引力,等于键长时合力为0,小于键长时合力为斥力。

电子材料与器件原理

电子材料与器件原理

电子材料与器件原理
电子材料与器件原理是现代电子科学与技术的基础。

电子材料是指能够在电子器件中用作载流子传递的材料。

常见的电子材料包括金属、半导体和绝缘体等。

其中,金属具有良好的导电性能,可以用来制造电子器件中的导线和接触等部件。

半导体是一种介于金属和绝缘体之间的材料,具有较高的电阻率,但在一定条件下能够导电。

半导体材料广泛应用于各种电子器件中,如晶体管、集成电路等。

绝缘体是电子材料中电阻率最高的一类材料,用于隔离和保护电子器件中的不同功能单元。

在电子器件中,材料的选择和应用极为重要。

不同的电子器件需要不同性质的材料来实现其功能。

例如,金属材料的良好导电性能使其成为电子器件中传输信号和电流的理想选择。

而半导体材料则因其在一定条件下可调节导电性能而广泛应用于电子器件的控制和放大等功能。

绝缘体材料则起到隔离和保护的作用。

电子器件的工作原理可以大致分为两类:基于电流的原理和基于电场的原理。

基于电流的原理包括电阻、电容和电感等器件,它们根据电流通过器件的方式实现对电信号的处理和控制。

基于电场的原理则是利用电场对电荷的作用,实现能量转换、信号调制和存储等功能。

常见的基于电场的器件有二极管、晶体管和集成电路等。

电子材料与器件原理是电子工程师和科学家研究和开发先进电子器件的基础。

通过深入了解材料和器件之间的相互作用和特性,可以优化器件的性能,并推动电子科技的不断发展和应用。

模拟电子技术基础简明教程-(第三版)第一章

模拟电子技术基础简明教程-(第三版)第一章

于扩散电流,漂移电流也称反向电流 I ; 由于少数载流子浓度很低,反向电流数值非常小。
反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随
着温度升高,
IS
将急剧增大。 19
总结:
第二节 半导体二极管
当 PN 结正向偏置时,耗尽层变窄,回路
中产生一个较大的正向电流, PN 结处于 导通
状态;当 PN 结反向偏置时,耗尽层变宽,回
+4
+4
+4
电子 – 空穴对
+4
+4
+4
在一定温度下电子 – 空穴对的
产生和复合达到动态平衡。
本征载流子的浓度对温度十分敏感
6
第一节 半导体的特性
二、 杂质半导体
在本征半导体中掺入某种特定的杂质,就成为杂质半导体。
1. N型(或电子型)半导体 (N-type semiconductor) 在4价的硅或锗中掺入少量的5价杂质元素,
29
(b) PN 结加反向电压
第二节 半导体二极管
空间电荷区的正负离子数目发生变化,如同电 容的放电和充电过程。
势垒电容的大小可用下式表示:
Cb
dQ dU
S l
:半导体材料的介电比系数;
S :结面积; l :耗尽层宽度。
由于 PN 结 宽度 l 随外
Cb
加电压 U 而变化,因此势垒
电容 Cb不是一个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。
第1章 半导体器件
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 双极型三极管(BJT) 1.4 场效应三极管
1
第一节 半导体的特性
本征半导体 杂质半导体
2

电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1IonicCrystals

电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1IonicCrystals

4
4 3
πR+3
+4 a3
4 3
πR±3
=
1
4 3
π
0.1673
+1
4 3
π
0.1813
0.5413
= 0.70
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All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise,
Packing of coins on a table top to build a two dimensional crystal.
Figure 1
Problem: CsCl The CsCl unit cell is shown in Figure 2. The ionic radii of Cs+ and Cl– are 0.170 nm and 0.181 nm respectively. Confirm that the coordination number (CN) is 8 as in the figure and calculate the lattice parameter a and the APF.
Ionic Crystals (© S. O. Kasap, 1990 - 2000)
1

2章-电子技术基础(第3版)-霍亮生-清华大学出版社

2章-电子技术基础(第3版)-霍亮生-清华大学出版社

Ii
输入电阻:
US ~
Ui Au
ri
Ui Ii
(2-5)
(3)输出电阻ro
以将放它大等电效路为对戴其维负宁载等而效不言电讲,路相(当“于一信个含号独源立,电我源们、可线
性电阻和受控源的一端口,对外电路而言,可以用一个电压
源和电阻的串联组合等效置换”),这个戴维宁等效电 路的电阻就是输出电阻。
US ~
ro
Au
Us ~
(2-6)
如何确定电路的输出电阻?
在电路的计算中求ro的方不法讲:
1、所有的电源置零。
2、加压求流法。
I
将独立源置零, 保留受控源。
U
U
ro I
(2-7)
输出电阻的测量方法:
ro
Us ~
不讲
Uo 测量开路电压
ro
Us ~
Ro
(Uo Uo
1)R L
RL
Uo
测量接入负载后 的输出电压
②电感视为短路。 ③信号源视为短路,但应保留其内阻。 交流通道是输入信号作用下交流信号流经的通 路,用于研究动态参数。 交流通路:①耦合电容视为短路。 ②无内阻的直流电源视为短路。
(2-19)
例:
Rb
RC
C1
断路
+VCC C2
断路 RL
(2-20)
直流通道
Rb
RC
+VCC
(2-21)
对交流信号(输入信号ui)
+VCC RC
集电极电源, 为电路提供能 量。并保证集 电结反偏。
T ui
Rb VBB
(2-16)
共射放大电路
+VCC RC
集电极电阻,将 变化的电流转变 为变化的电压。

电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1ElementaryCrystals,3Ed

电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1ElementaryCrystals,3Ed

ρ=
Mass of atoms in unit cell Volume of unit cell
=
( Number of atoms in unit cell) × (Mass of one atom)
Volume of unit cell
that is, i.e.
M 2 at NA ρ= = a3
thedensityofthecrystalis???????numberofatomsinunitcellmassof1atomvolumeofunitcell81033mnaatathusamngata????????10mol?????????????810810726532602210331332311313kgg
4
107.87 × 10−3 kg mol−1 −1 23 6.022 × 10 mol
(0.4084 × 10
−9
m)
3
ρ = 1.05 × 104 kg m-3 or 10.5 g cm-3
Atomic concentration is 4 atoms in a cube of volume a3, i.e. nat = 4 4 28 m −3 or 5.87 × 10 22 cm −3 = 3 = 5.87 × 10 3 − 9 a (0.4084 × 10 m)
a (a) a a (b) Cube diagonal is 4R. 4R (b)
(a) Unit cell of the body centered cubic (BCC) crystal structure. Examples are: Alkali metals (Li, Na, K, Rb), Cr, Mo, W, Mn, -Fe (< 912 C), -Ti (> 882 C).

电工与电子技术基础习题答案清华大学第3版

电工与电子技术基础习题答案清华大学第3版

电工与电子技术基础习题答案清华大学第3版第1章电路的基本定律与分析方法【思1.1.1】(a) 图U ab=IR=5×10=50V,电压和电流的实际方向均由a指向b。

(b) 图U ab=-IR=-5×10=-50V,电压和电流的实际方向均由b指向a。

(c) 图U ab=IR=-5×10=-50V,电压和电流的实际方向均由b指向a。

(d) 图U ab=-IR=-(-5)×10=50V,电压和电流的实际方向均由a指向b。

【思1.1.2】根据KCL定律可得(1) I2=-I1=-1A。

(2) I2=0,所以此时U CD=0,但V A和V B不一定相等,所以U AB不一定等于零。

【思1.1.3】这是一个参考方向问题,三个电流中必有一个或两个的数值为负,即必有一条或两条支路电流的实际方向是流出封闭面内电路的。

【思1.1.4】(a) 图U AB=U1+U2=-2V,各点的电位高低为V C>V B>V A。

(b) 图U AB=U1-U2=-10V,各点的电位高低为V B>V C>V A。

(c) 图U AB=8-12-4×(-1)=0,各点的电位高低为V D>V B(V A=V B)>V C。

【思1.1.5】电路的电源及电位参考点如图1-1所示。

当电位器R W的滑动触点C处于中间位置时,电位V C=0;若将其滑动触点C右移,则V C降低。

【思1.1.6】(a) 当S闭合时,V B=V C=0,I=0。

当S断开时,I=1233+=2mA,V B=V C=2×3=6V。

(b) 当S闭合时,I=-63=-2A,V B=-321+×2=-2V。

当S断开时,I=0,V B=6-321+×2=4V。

【思1.1.7】根据电路中元件电压和电流的实际方向可确定该元件是电源还是负载。

当电路元件上电压与电流的实际方向一致时,表示该元件吸收功率,为负载;当其电压与电流的实际方向相反时,表示该元件发出功率,为电源。

PrinciplesofElectronicMaterialsandDevices第三版教学设计

PrinciplesofElectronicMaterialsandDevices第三版教学设计

Principles of Electronic Materials and Devices 第三版教学设计一、课程简介本课程旨在介绍电子材料和器件的基本原理、特性和应用。

重点介绍材料物理、半导体器件、光电子学、量子器件和纳米电子学等内容。

通过本课程的学习,学生将获得电子材料和器件领域的基础知识和技能,为进一步学习和研究提供基础。

二、课程目标1.掌握电子材料和器件的基本原理和概念;2.了解电子材料和器件的结构、制备、特性和应用;3.熟练使用物理和数学工具分析电子材料和器件的性能和特性;4.培养创新和实践能力,能够设计和制作简单的电子器件。

三、教学内容1. 电子材料的基本概念•材料的物理性质和特性;•材料的分类和性能参数;•材料的加工和制备技术。

2. 半导体器件的原理和应用•材料的禁带宽度和掺杂机理;•pn结和二极管的特性和应用;•晶体管和场效应晶体管的工作原理和应用。

3. 光电子学的原理和应用•光的性质和特性;•光电效应和半导体光电器件;•激光器和光通信技术。

4. 量子器件和纳米电子学•量子力学基础知识;•量子器件的原理和应用;•纳米材料和器件的基本概念。

四、教学方法本课程采用多种教学方法,包括:1.课堂讲授,通过理论知识的讲解和示例的演示,使学生对电子材料和器件的基本概念和原理有更深入的理解;2.实验教学,通过实验的设计和完成,帮助学生深入了解电子材料和器件的制备和应用;3.讨论和研究,通过案例和论文的讲解和讨论,培养学生分析和解决问题的能力。

五、考核方式本课程的考核方式包括:1.平时成绩,包括课堂参与、作业和实验报告等;2.期中考试,测试学生对课程内容的掌握程度;3.期末考试,测试学生对整个课程的掌握程度。

六、参考文献1.Kasap, S. O. (2006).。

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55.85 × 10 −3 kg mol −1 2 −1 23 6.022 × 10 mol 3 (0.2866 × 10 −9 m)
ρ = 7.88 × 103 kg m-3 or 7.88 g cm-3
Atomic concentration is 2 atoms in a cube of volume a3, i.e.
Elementary Crystals ( S. O. Kasap, 1990 - 2001: v.1.0) An e-Booklet
1
Elementary Crystals
Safa Kasap Department of Electrical Engineering University of Saskatchewan Canada
Elementary Crystals ( S. O. Kasap, 1990 - 2001: v.1.0) An e-Booklet
2
Solution Consider a face diagonal as shown in Figure 1. Two corner atoms and the central atom are in contact and the length of the face-diagonal is 4R, a2 + a2 = (4R)2 and therefore a= 4 R = 2 2R 2
3. The Diamond and the Zinc Blende Structures
The diamond and the zinc blende crystal structures have similarities. Both are cubic crystals and both have 8 atoms in the unit cell. In the zinc blende unit cell, four are Zn atoms and four are S atoms. Problem: Density of Si and GaAs and atomic concentration The crystal structures for Si and GaAs are shown Figure 3. Given the lattice parameters of Si and GaAs, a = 0.543 nm and a = 0.565 nm respectively, and the atomic masses of each element in the Periodic Table, calculate the density of Si and GaAs. What is the atomic concentration, atoms per unit volume, in each crystal?
a = (4/√3)(0.1241 nm) = 0.2866 nm
There are 2 atoms in the unit cell. There are 8 corners and each corner has 1/8th of an atom within the unit cell. In addition, there is one full atom at the center of the cube. The density is
a = (2√2)(0.1444 nm) = 0.4084 nm
There are 4 atoms in the unit cell. There are 8 corners and each corner has 1/8th of an atom within the unit cell. In addition, there are 6 faces and each face has a 1/2-atom at the center. The density is
Figure 2 Problem: BCC crystal characteristics Iron (below 912 °C) has the BCC crystal structure. The atomic mass of Fe is 55.85 g mol-1. If the radius of the Fe atom is 0.1241 nm find the lattice parameter a, density ρ and the atomic concentration of tungsten. Find also the atomic packing factor APF. Solution Consider a cube diagonal as shown in Figure 2. Two corner atoms and the central atom are in contact and the length of the diagonal is 4R. Since we have a cube a2 + a2 + a2 = (4R)2 and tha) a a (b) Cube diagonal is 4R. 4R (b)
(a) Unit cell of the body centered cubic (BCC) crystal structure. Examples are: Alkali metals (Li, Na, K, Rb), Cr, Mo, W, Mn, -Fe (< 912 C), -Ti (> 882 C).
ρ=
Mass of atoms in unit cell Volume of unit cell
=
( Number of atoms in unit cell) × (Mass of one atom)
Volume of unit cell
that is, i.e.
M 2 at NA ρ= = a3
(Number of atoms in unit cell) × (Volume of one atom)
Volume of unit cell
3 2( 4 3 πR )
a3
=
3 2( 4 3 πR )
4 R 3
3
=
2( 4 3 π) 4 3
3
= 0.68 or 68%
ρ=
Mass of atoms in unit cell Volume of unit cell
=
( Number of atoms in unit cell) × (Mass of one atom)
Volume of unit cell
that is, i.e.
M 4 at NA ρ= = a3
4
107.87 × 10−3 kg mol−1 −1 23 6.022 × 10 mol
(0.4084 × 10
−9
m)
3
ρ = 1.05 × 104 kg m-3 or 10.5 g cm-3
Atomic concentration is 4 atoms in a cube of volume a3, i.e. nat = 4 4 28 m −3 or 5.87 × 10 22 cm −3 = 3 = 5.87 × 10 3 − 9 a (0.4084 × 10 m)
Errors using inadequate data are mush less than those using no data at all Charles Babbage (1792-1871)
1. Unit Cell and FCC Crystals
The unit cell is the most convenient small cell in the crystal structure that carries the properties of the crystal. The repetition of the unit cell in three dimensions generates the whole crystal structure as in Figure 1. Face centered cubic (FCC) unit cell has a cube face with one atom at each face corner and one atom at the center of the face. Only one-eighth of each face-corner atom however belongs to the unit cell as shown in Figure 1. In addition, only half of an atom at the face center belongs to the unit cell. There are therefore 4 atoms in the unit cell. The lattice parameter a is a cube side. Atomic packing factor is the fraction of volume in the crystal actually occupied by atoms.
3
) = 4(
(2
4 3
πR3 )
2R
3
) (2 2 )
=
4( 4 3 π)
3
= 0.74 or 74%
Elementary Crystals ( S. O. Kasap, 1990 - 2001: v.1.0) An e-Booklet
3
2. BCC Crystals
Body centered cubic (BCC) unit cell has an atom at each corner of the cube and one atom at the center of the cube. Only one-eighth of each corner atom however belongs to the unit cell as shown in Figure 2. There are therefore 2 atoms in the unit cell.
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