半导体器件物理详尽
半导体器件物理课件——第八章
GaAs, n ，p 所30以它们是制造LE
8.3.2量子效率
2.辐射效率 • 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：
r
Ur U r Unr
Ur
n
r
U nr
n
nr
r
1
1r
nr
r
（8-16） （8-17） （8-18） （8-19）
8.3.2量子效率
三种可能的复合过程
Ec
Et
R1
Ev
R3 浅施主能级Ed
8.1.1辐射复合
.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。
由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
导带
价带
价带
图8-1 带间复合：（a）直接 能隙复合（b）间接能隙复合
8.1.1 辐射复合
8.3.2量子效率
• 1.注射效率
h
Eg
h ＞ Eg Eg
h ＜ Eg
（a）
（b）
图8-12 带尾对带带复合的影 响；（a）型，（b） 型
r
In
In I p Irec
8.3.2量子效率
注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比。
• 根据（8-15）式提高注射效率的途径是：
h
Eg
En exc
NEp
（8-8）
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子：
若激子对杂质的结合能为
E
，则其发射光谱的峰值为
(施敏)半导体器件物理(详尽版)
实际应用中的
半导体材料
原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格的格点位置上，而是在其平 衡位置附近振动
并不是纯净的，而是含有若干杂质， 即在半导体晶格中存在着与组成半 导体的元素不同的其他化学元素的 原子
晶格结构并不是完整无缺的，而存 在着各种形式的缺陷
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。
但内层电子的轨道交叠较 少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共 有化程度强些。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导 体只有电子导电，为什么半导体的导电 能力比导体差？
江西科技师范大学
半导体器件物理
●导带底EC 导带电子的最低能量
●价带顶EV 价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发 由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
江西科技师范大学
半导体器件物理
如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的
截距为1，1，∞，
其倒数为1，1，0，
此平面用密勒指数表示 为（110），
此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
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半导体器件物理
图1-7 一定温度下半导体的能带示意图 江西科技师范大学
半导体器件物理
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
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现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
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
半导体与器件物理全套课件
微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
2006 0.10 1.5—2
2009 0.07 <1.5
2012 0.05 <1.0
栅介质的限制
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
随着 tgate 的缩小，栅泄 漏电流呈指数性增长
栅介质的限制
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减 少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数
在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM…
10nm ? Atomic level?
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在 0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发
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。
半导体器件物理学习资料二
半导体器件物理
第二章 P-N结
当两块半导体结合形成P-N结时，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，空穴则从
P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至 EFn=EFp。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
半导体器件物理
● —— 本章重点
第二章 P-N结
P-N结的能带图 P-N结的特点
P-N结的直流特性
半导体器件物理学习资料二 上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第二章 P-N结
P-N结
采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可 以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这 种P型和N型区之间的冶金学界面称为P-N结。
因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的 电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。 可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。
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半导体器件物理 2.3 P-N结直流特性
平衡P-N结
第二章 P-N结
一定宽度和势垒高度的 势垒区；
合金结和高表面浓度的浅 扩散结一般可认为是突变结， 而低表面浓度的深扩散结一般 可认为是线性缓变结。
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半导体器件物理
P-N结能带图
第二章 P-N结
扩散
当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度， 导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
半导体器件物理
第二章 P-N结
nn0 N区平衡多数载流子——电子浓度
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
[物理]半导体器件物理ppt
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V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。 在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗 尽 时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反 型 时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型 当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0： 空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0： 平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB： 禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)．
(完整)半导体器件物理MOSFET精品PPT资料精品PPT资料
器件预VD 夹 SVD 断 (Ssa),t， IDID(sa)t VD(Ssa)tVGS VT
沟道夹断点X： 反型层电荷密度刚好≈0→VGX=VT,
→ VGS-VXS=VT
→ VXS=VGS-VT=VDS(sat)
2021/8/13
4.1 MOSFET
ID随VDS的变化(4)
饱和区
原沟道区：导电沟道区和夹断区。电流被夹断了吗？ 导电沟道区可导电，又有电势差，所以有电流，根据电流连续性原理，
4.1 MOSFET
0栅压是否存在反型沟道分：
MOSFET分类(2)
n沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道， VTN>0， 加栅压VGS>VTN, 沟道开启
n沟耗尽型MOSFET
零栅压时已存在反型沟道， VTN<0 加栅压VGS<VTN, 沟道关闭
思考：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？
1 MOSFET MOSFET分类（5）
1 MOSFET
跨导:模型
p沟增强型MOSFET
1 MOSFET
I-V特性:基本假设
漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极，形成ID
VDS<0, ID<0
n沟道MOSFET：NMOS
加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS)
2021/8/13
4.1 MOSFET
MOSFET分类(3)
p沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道 VTP<0 加栅压VGS<VTP, 沟道开启
2021/8/13
p沟耗尽型MOSFET
零栅压时存在反型沟道 VTP>0 加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
半导体器件物理(第一章 半导体特性)
2、导带和价带中的载流子数目还是可以很多。
1.4 热平衡载流子 3.载流子浓度
Ec E F n N C exp( ) kT
其中
* 2(2mn kT ) 3 / 2 NC h3
3/ 2 2(2m* kT ) p
Ev E F p NV exp( ) kT
其中
NV
h3
讨论：1、n和p随温度和费米能级如何变化？ 2、EF在不同的位置，n和p的大小关系？
1.2 半导体中的电子状态 2.能带的形成
由于一块晶体中的电子运动状态不能相同，因此为了容纳原来属 于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价 电子能级必须分裂成属于整个晶体的N个稍有差别的能级，这些能级 互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很 近的能级所占据的能量区域称为能带。
导带
Ec
Ev
Eg
价带
Eg
Ev
Ev
1.2 半导体中的电子状态
1.2.2 本征半导体的导电机制
半导体材料大部分是共价键晶体。 如果共价键中的电子获得足够的能量， 它就可以摆脱共价键的束缚，成为可 以自由运动的电子，这时在原来的共 价键上就留下了一个空位。因为邻键 上的电子随时可以跳过来填补这个空 位，从而使空位转移到邻键上去，所 以，空位也是可以移动的。这种可以 自由移动的空位被称为空穴。半导体 就是靠着电子和空穴的移动来导电的。 因此，电子和空穴被统称为载流子。
1.4 热平衡载流子 2.费米分布函数
1 f (E) E EF 1 exp( ) kT
上式表明，一定温度下，一个能量为E的电子状态被电子占据的几 率。 1、费米能级是基本上填满和基本上空的能级的分界线。
半导体器件物理复习资料1
半导体器件物理复习资料第1 页共11 页半导体器件物理复习资料半导体器件：导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件。
（器件的基础结构：金属—半导体接触，p-n 结，异质结，MOS 结构）Physics of Semiconductor半导体材料半导体的电导率则介于绝缘体及导体之间。
元素（Element）半导体：在周期表第Ⅳ族中的元素如硅（Si）及锗（Ge）都是由单一原子所组成的元素（element）半导体。
化合物（Compound）半导体：二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。
几种常见的晶体结构晶体：组成固体的原子（或离子）在微观上的排列具有长程周期性结构非晶体：组成固体的粒子只有短程序，但无长程周期性准晶：有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性能带的形成原子靠近→电子云发生重叠→电子之间存在相互作用→分立的能级发生分裂。
从另外一方面来说，这也是泡利不相容原理所要求的。
一个能带只能有N 个允许的状态；考虑电子有两种自旋状态，故一个能带能容纳2N 个电子；对于复式格子，每个能带允许的电子数还要乘上原胞内的原子个数；对于简并能带，状态总数要乘以简并度。
金属、半导体、绝缘体金属导体：最高填充带部分填充；绝缘体和半导体：T=0K，最高填充带为填满电子的带。
T>0K，一定数量电子激发到上面的空带。
绝缘体的Eg 大，导带电子极少；半导体的Eg 小，导带电子较多。
根据能带填充情况和Eg 大小来区分金属、半导体和绝缘体。
（全满带中的电子不导电；部分填充带：对称填充，未加外场宏观电流为零。
加外场，电子逆电场方向在k 空间移动。
散射最终造成稳定的不对称分布，产生宏观电流（电场方向）。
）有效质量电子共有化运动的加速度与力的关系和经典力学相同，即：m*具有质量量纲，称为晶体中电子的有效质量。
（能带越宽，有效质量越小；能带越窄，有效质量越大。
）m* 的意义：晶体中的电子除受到外力，还受到周期场力。
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 + + + + + + + + + + + +
半导体器件物理重要知识点优秀资料PPT
第二章 PN结二极管
Ø 掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单 边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势 差、势垒、正向注入、反向抽取、扩散近似。
Ø 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区 （SCR)的形成。
Ø 正确画出热平衡和加偏压PN结的能带图。 Ø 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式。 Ø 了解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
Ø掌握交流小信号参数并导出线性导纳和饱和区跨导表达式。 了了解解二 二极极Ø管管指的的开开出关关特特提性性高。。 工作频率或工作速度的途径。 掌掌握握提 正高向Ø提有掌高源太模握阳式电基场池区效效输率运应的因主子晶要公体措式施。管。 的类型。
第二章 PN结二极管 画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I－V特性方程。 第三章 双极结性晶体管 理解等电子陷阱复合，解释等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率的原因。 掌握四个概念：注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益 了解太阳电池的I-V特性曲线，解释该曲线所包含的物理意义。 导出耗尽层宽度和归一化MOS电容表达式。 掌握正向有源模式基区电子电流公式。 第三章 双极结性晶体管 掌握理想MOS系统的电容—电压特性。 导出夹断前JFET的I－V特性方程。
常数。 Ø 导出半导体表面载流子浓度表达式。 Ø 导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼方程〕。 Ø 了解MIS肖特基二极管工作原理。 Ø 掌握结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 Ø 了解肖特基势垒二极管的主要应用。 Ø 掌握欧姆接触概念和形成欧姆接触的条件。
半导体器件物理
半导体器件物理1.用能带理论说明导体、半导体、绝缘体导体：金属中，由于金属原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属有良好的导电性绝缘体：绝缘体的禁带很宽，电子需要吸收很大的能量才能被激发到导带上，在通常温度下，能激发到导带去的电子很少，微不足道，所以导电性很差。
半导体：半导体的禁带宽度比较小，在通常温度下，已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。
2．什么叫俄歇复合？载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合。
俄歇复合又可分为带间俄歇复合和与杂质和缺陷有关的俄歇复合。
常常会影响半导体发光器件的发光效率。
3．空间电荷区形成的物理过程？过程：浓度差—扩散（复合）--空间电荷区--（内建电场）--扩散漂移动态平衡—空间电荷保持一定浓度差—平衡的PN结半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区；同理，在P-N结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区（也称之为势垒区），产生了从N区指向P区，即从正电荷指向负电荷的电场称为内建电场，在其作用下，载流子作漂移运动，阻碍电子与空穴扩散作用，漂移与扩散运动方向相反，随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区扩展内建电场增强，载流子漂移运动加强，无外加电压情况下，载流子的扩散和漂移最终达到动态平衡。
4．试用简单推导来说明空间电荷区宽度与该区的杂质浓度的关系？势垒区的电荷密度为：势垒区宽度：Xm=x n+x p整个半导体满足电中性条件，势垒区内正负电荷总量相等: q N A x p=q N D x n=QN A x p=N D x n表明:势垒区内正负空间电荷区的宽度和该区的杂质浓度成反比。
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半导体器件物理
在ACC’A’平面 内有六个原子， 在ADD’A’平面 内有五个原子， 且这两个平面 内原子的间距 不同。
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半导体器件物理
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半导体器件物理
如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的
截距为1，1，∞，
其倒数为1，1，0，
此平面用密勒指数表示 为（110），
此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒件物理
a半3 / 2导体器件物理 例1-1
假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。
解
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半导体器件物理
练习
假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
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半导体器件物理
硅 （Si）
在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。
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半导体器件物理
杂质与半导体
杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。
例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m， 若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会 降至20Ω·m。
虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至 原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都 利用了半导体的这一特性。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
釙(Po) 江西科技师范大学
半导体器件物理
晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，称为 晶格。
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs） 磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS) 硫化镉(CdS)
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半导体器件物理 元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
化合物半导体
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
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半导体器件物理
● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合
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半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
半导体的电导率随温度升高而迅速增加。
金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温 度升高而增加，且增加得很慢）；
半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温 度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。
热敏电阻 对温度敏感，体积又小，热惯性也小， 寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、 自动化等许多方面都有广泛的应用价值。
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半导体器件物理
光照与半导体
光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。
例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧， 然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以 后改变了几百倍。
光敏电阻 成为自动化控制中的一个重要元件。
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其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo） 钨（W）
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面心立方结构
铝（Al） 铜（Cu） 金（Au） 银（Ag）
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金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
硅（Si） 锗（Ge）
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解
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半导体器件物理 例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
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半导体器件物理
晶体的各向异性
沿晶格的不同方向，原子排列的周期 性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在 不同方向的物理特性也不同 。
练习
试求ADD’A’的密勒指数。
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半导体器件物理
晶列指数——晶向指数
• 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。
• 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示
• 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数
• [111]、[100]、[110]
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半导体器件物理
晶面指数（密勒指数）
• 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面
• 一族平行晶面用晶面指数来表示 • 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互
质数 • (111)、(100)、(110) • 相同指数的晶面和晶列互相垂直。
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半导体器件物理 1.2 半导体的电性能
温度与半导体
晶面指数（密勒指数）
常用密勒指数来标志晶向的不同取向。 密勒指数是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密 勒指数。
大量的硅（Si）、锗 （Ge）原子靠共价键 结合组合成晶体，每 个原子周围都有四个 最邻近的原子，组成 正四面体结构， 。这 四个原子分别处在正 四面体的四个顶角上， 任一顶角上的原子各 贡献一个价电子和中 心原子的四个价电子 分别组成电子对，作 为两个原子所共有的 价电子对。
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