半导体器件物理第二章1-3
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
第2章 半导体物理概论
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第二章 半导体物理概论
2.1 半导体中电子的能量状态 2.2 半导体的导电性 2.3 半导体中的额外载流子
2.1 半导体中电子的能量状态
2.1.1 能带理论 2.1.2 半导体的能带结构 2.1.3 半导体中的载流子 2.1.4 载流子的有效质量
2.1.1 能带理论
2.1.2 半导体的能带结构
禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。
直接禁带
间接禁带
直接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的同一点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应
EC ED Eg EA EV
（4）载流子热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
np = ni
2 2 2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小， 原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能 级，准连续的，可看作一个能带
自由电子的电子状态
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围的 硅原子形成了共价键， 还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的 价电子
(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？
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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 。
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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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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
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第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。
题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。
温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之，温度降低，将导致禁带变宽。
因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
半导体物理学第二章-PPT
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
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半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
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(第二章-PN结)
n(x) n n 0
p p0
p(x)
n p0 xP
pn0 xN
空间电荷区中载流子浓度分 布是按指数规律变化的，变化 非常显著，绝大部分区域的载 流子浓度远小于两侧的中性区 域，即空间电荷区的载流子基
x 本已被耗尽，所以空间电荷区
又叫耗尽层。
2.2 PN结的直流特性
2.2.1 PN结的正向特性
2.1 平衡PN结
2.1.3 PN结的接触电势差与载流子分布
PN结的接触电势差
U (x)
UD
P区
N区
达到平衡状态时，如果P
区和N区的电势差为UD，则 两个区的电势能变化量为
qUD，其中UD称为PN结的接 触电势差，qUD就是势垒高 度。
xP
0 xN
x
UD kqTlnND niN2 A
2.1 平衡PN结
np(xP)np0expqk(U T) pn(xN)pn0expqk(U T)
我们看到，正向偏置的PN结边界处的少子浓度，等 于体内平衡少子浓度乘上一个指数因子。也就是说，势 垒区边界积累的少数载流子浓度随外加电压按指数规律 增加。
2.2 PN结的直流特性 3.PN结正向电流电压关系
空穴扩散电流密度
J Jp
n n(xP )
p
p(xN )
pn0
Ln
0 0 Lp
x
J Jn Jp Jn
0
xP xN
x
非平衡少子注入后，在 边界附近积累，形成从边 界到内部浓度梯度，并向 体内扩散，同时进行复合， 最终形成一个稳态分布。
扩散区中的少子扩散电 流都通过复合转换为多子 漂移电流。
2.2 PN结的直流特性
半导体器件物理学习指导：第二章 PN结
型区扩散。由电子和空穴扩散留下的未被补偿的施主和
受主离子建立了一个电场。这一电场是沿着抵消载流子扩 散趋势的方向
在热平衡时，载流子的漂移运动正好和载流子的扩散运动
相平衡，电子和空穴的扩散与漂移在N型和P型各边分别留
下未被补偿的施主离子和受主离子N d和
N
a
。结果建立了
两个电荷层即空间电荷区。
i
反偏产生电流在 P N 结反向偏压的情况下，空间电荷区 中 np ni2 。于是会载流子的产生，相应的电流即为空间电 荷区产生电流。
隧道电流：当P侧和N侧均为重掺杂的情况时，有些载流子可 能穿透(代替越过)势垒而产生电流，这种电流叫做隧道电流
产生隧道电流的条件： （1）费米能级位于导带或价带的内部； （2）空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道穿透几率； （3）在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另
雪崩击穿：在N区（P区）的一个杂散空穴（电子）进入空 间电荷层，在它掠向P区（N区）的过程中，它从电场获得 动能。空穴（电子）带着高能和晶格碰撞，并从晶格中电 离出一个电子以产生一个电子空穴对。在第一次碰撞之后， 原始的和产生的载流子将继续它们的行程，并且可能发生 更多的碰撞，产生更多的载流子。结果，载流子的增加是 一个倍增过程，称为雪崩倍增或碰撞电离，由此造成的PN 结击穿叫做雪崩击穿。
Ae-wn Lp K2 = - 2sh wn - xn
Lp
（4）
Aewn Lp K1 = 2sh wn - xn
Lp
（5）
将（4）（5）代入（1）：
sh wn - x
pn
-
pn0
=
pn0 (eV
VT
- 1) sh
Lp wn - xn
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。
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺：
外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
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第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
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
半导体物理与器件1.1——第二、三章
半导体物理与器件
定性理论（物理概念）：晶体中原子之间的相互作用 （泡利不相容原理），使能级分裂形成能带。 定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动， 其能量不连续成能带。
自由电子的运动 晶体中电子的运动与孤立原子的电子、自由电子的运动不同： 孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动 自由电子是在恒定为零的势场中运动 晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动， 单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且 固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中 运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格 周期相同。
27
半导体物理与器件
大量硅原子形成硅晶体的电子能级分裂示意图
第三章
固体量子理论初步
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半导体物理与器件
以Si 为例:
每个Si原子最外层有2个S能级和6个p能级，N 个Si原子构成单晶体后，每个能级都分裂成N 个能级，因而总共有8N个能级。但由于形成晶 体时，SP3杂化使得在平衡状态时，3s和3p态 相互作用并交叠，最终每个原子具有4个成键 态（能量低）和4个反键态（能量高）；每个 原子核外的4个电子都填充其中的4个低能状态， 因而低能带被填满（价带），高能带被空臵 （导带）。
半导体物理与器件
第三章
固体量子理论初步
§3.1 固体的能带理论
能带理论是研究固体中电子运动的一个主要理论基础 为什么需要能带理论： 怎么样来描述电子
电子-全同性粒子
电子的状态：波失k，能量E；
第三章
固体量子理论初步
19
半导体物理与器件
§3.1 固体的能带理论
能带理论是单电子近似的理论 把每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中 的运动。（哈特里-福克自洽场方法） 通过能带理论理解 K空间能带图 电子、空穴 金属、绝缘体、半导体 重在理解能带形成的机理，E-k能带图的作用及意义。
半导体器件物理(第二版)第二章答案解析
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2TV V i np n e=导出)(n n x p 表达式。
给出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。
解：在n x x =处 ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn in n FP i i nn exp exp()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 而()()()000n n n n nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+∆≈∆=+∆=+ （n n n p ∆=∆）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=∆+⇒=∆+2001TV V n i n n n p n p e n n ⎛⎫⇒+=⎪⎝⎭ T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为一般结果)小注入：（0n n n p <<∆）T TV V n V V n i n e p e n n p 002== ()002n n i p n n =大注入： 0n n n p >>∆ 且 n n p p ∆= 所以 TV V ine n p 22=或 TV Vi n en p 2=2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程20lniad T p n n N N V =-=ψψψ。
解：净电子电流为()n nn nI qA D n xμε∂=+∂处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为d dxψε=-所以nnd nn D dx xψμ∂=∂，又因为n T n D V μ=（爱因斯坦关系） 所以dn nV d T=ψ， 从作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =∆。
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 半导体的概念与分类介绍半导体的定义解释N型和P型半导体讲解半导体材料的分类及性质1.2 半导体的导电特性说明半导体的导电原理探讨半导体导电性的影响因素分析N型和P型半导体的导电特性第二章：PN结的形成与特性2.1 PN结的形成讲解PN结的形成过程说明PN结的形成机制探讨PN结的平衡状态2.2 PN结的特性分析PN结的伏安特性讲解PN结的击穿现象探讨PN结的势垒结构和电荷分布第三章：二极管的结构与特性3.1 二极管的结构介绍二极管的结构及组成讲解P型和N型半导体对接形成二极管的过程探讨二极管的掺杂浓度和材料选择3.2 二极管的特性分析二极管的伏安特性讲解二极管的正向和反向导通条件探讨二极管的动态响应特性和温度特性第四章：二极管的应用4.1 整流电路讲解二极管整流电路的原理分析整流电路的电压和电流波形探讨整流电路的效率和输出特性4.2 滤波电路介绍二极管滤波电路的原理分析滤波电路的频率响应特性探讨滤波电路的应用场景和效果4.3 稳压电路讲解二极管稳压电路的原理分析稳压电路的稳压特性探讨稳压电路的选用和设计要点第五章：晶体三极管的结构与特性5.1 晶体三极管的结构介绍晶体三极管的结构及组成讲解PNP和NPN型晶体三极管的结构特点探讨晶体三极管的制造工艺和材料选择5.2 晶体三极管的特性分析晶体三极管的伏安特性讲解晶体三极管的工作原理探讨晶体三极管的电流放大效应和输出特性第六章：晶体三极管的应用6.1 放大电路讲解晶体三极管放大电路的原理分析放大电路的电压和电流波形探讨放大电路的输入和输出特性6.2 开关电路介绍晶体三极管开关电路的原理分析开关电路的转换特性探讨晶体三极管在开关电路中的应用和选择第七章：场效应晶体管的结构与特性7.1 场效应晶体管的结构介绍场效应晶体管的结构及组成讲解MOSFET和JFET的结构特点探讨场效应晶体管的制造工艺和材料选择7.2 场效应晶体管的特性分析场效应晶体管的伏安特性讲解场效应晶体管的工作原理探讨场效应晶体管的电流放大效应和输出特性第八章：集成电路的基本原理8.1 集成电路的构成介绍集成电路的构成要素讲解集成电路的制造工艺探讨集成电路的分类和应用领域8.2 集成电路的设计与制造分析集成电路的设计流程讲解集成电路的制造步骤探讨集成电路的设计原则和制造技术第九章：常用集成电路应用实例9.1 放大集成电路讲解放大集成电路的原理与应用分析放大集成电路的性能指标探讨放大集成电路在实际电路中的应用实例9.2 数字集成电路介绍数字集成电路的原理与应用分析数字集成电路的逻辑功能探讨数字集成电路在数字系统中的应用实例第十章：半导体器件的发展与新技术10.1 半导体器件的发展历程回顾半导体器件的发展历程分析不期半导体器件的特点和突破探讨半导体器件未来发展趋势10.2 半导体新技术介绍半导体新技术的研究方向分析半导体新技术的应用前景探讨半导体新技术对半导体产业的影响重点和难点解析重点环节1：半导体的导电特性需要重点关注半导体导电原理和影响导电性的因素，因为这是理解后续半导体器件工作的基础。
半导体器件物理(第二章 PN结答案)
且 max
qa 8k 0
d 式再积分一次得 dx
qa 4 3 2 x W x B 8k 0 3
qaW 3 qaW 3 qaW 3 B B W n x 48 16 24 k k k 2 0 0 0 3 3 3 W qaW qaW B qaW B x 48k 0 16k 0 24k 0 2
D p p pVT p ， Ln Dn n nVT n
n n p0 n q ， p p n0 p q ， n p
n p 0 n q pV T p pn 0 ，即 N d pn 0 p q nVT n 即 n p 0 n Na ， pn 0 p
12k 0 0 qaW 3 0 n p W qa 12k 0 N Na Nd N VT ln a ln a 2 ni ni ni
1
3
因为
0 VT ln
当 x xn
W W 时 ， N d N a ax N d a 2 2 W W 当 x x p 时 ， Na 2 2 a 2W 2 aW 2VT ln 2 4ni 2ni
N d1 ni2 N d2 ni2
令 0 n1 n2 则
0 VT ln
N d1 N d2
0 即空间电荷区两侧电势差。
2-8． （a）绘出图 2-6a 中 N BC 10 cm 的扩散结的杂质分布和耗尽层的草图。解释为何耗
14
3
尽层的宽度和 VR 的关系曲线与单边突变结的情况相符。
2 K 0 0 N a xn qN a ( N a N d )
半导体器件物理-第二章1-3
外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬 底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶 材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度， 杂质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延 （MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
a
np np0eV VT 和
pn pn0eV VT
➢ 在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于
是稳态载流子输运满足扩散方程
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
突变结的杂质分布
N区有均匀施主杂质，浓度为ND， P区有均匀受主杂质，浓度为NA。 势垒区的正负空间电荷区的宽度分别为xn和-xp。 同样取x=0处为交界面，如下图所示，
明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制 造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路 和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
光刻工艺： 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化 等工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物 （由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表 面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为 正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝 光的胶被除去称之为负性胶；
半导体物理2013(第二章)剖析
§2.1.2 施主杂质 施主能级
施主杂质 V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产 生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为 施主杂质或n型杂质。
小概念：施主电离 束缚态和电离态 施主电离能 施主能级 n型半导体
§2.1.2 施主杂质 施主能级
以硅中掺磷P为例： 磷原子占据硅原子的位置。磷 其中四个价电子与周围的四个硅 原于形成共价键，还剩余一个多 余的价电子，束缚在正电中心P ＋的周围。价电子只要很少能量 就可挣脱束缚，成为导电电子在 晶格中自由运动这时磷原子就成 为少了一个价电子的磷离子P＋， 它是一个不能移动的正电中心。
§2.2.1 点缺陷
点缺陷对半导体性质的影响： 1）缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，致使
在禁带中产生能级。 2）点缺陷对材料的导电类型起一定的作用 3）热缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复
合中心作用，使非平衡载流子浓度和寿命降低。 4）空位缺陷有利于杂质扩散 5）对载流子有散射作用，使载流子迁移率和寿
实际材料中 1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂
质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应 的能级常常处在禁带中，对半导体的性质起 着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。
晶体中杂质来源 由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质 半导体单晶制备和器件制作过程中的污染 为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目
§2.1.7 化合物半导体中的杂质能级
Ⅵ族杂质：与Ⅴ族晶格原子的价电子数相近， 在Ⅲ-Ⅴ族化合物中取代Ⅴ族晶格原子，与周 围晶格原子形成共价键后多余一个价电子，易 失去这个价电子成为施主杂质，一般引入浅施 主能级，如GaAs中的S、Se。可作为n型掺杂 剂。
Ⅳ族杂质：既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作 用，又可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用，从 而在Ⅲ-Ⅴ族化合物中引入双重能级——双性 行为。
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离子注入技术：
将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电
场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接 轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激
活，在半导体片中形成一定的杂质分布。
离子注入技术的特点：
（1）低温； （2）可精确控制浓度和结深； （3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质； （4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层； （5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术； （6）设备昂贵。
引言
• 70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平 面工艺包括以下主要的工艺技术：
• 1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发明的 离子注入工艺。
• 1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 • 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenson)发
明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castellani)
发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件制 造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电路 和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
半导体器件物理
第二章 P-N结
引言
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金 属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN 结构成。PN结本身也是一种器件－整流器。PN 结含有丰富的物理知识，掌握PN结的物理原理 是学习其它半导体器件器件物理的基础。
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原 子级接触）所形成的结构叫做PN结。
氧化工艺：
1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的 作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。
在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条：
（1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都 称为结（junction）,有时也叫做接触 （contact）.
引言
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种 导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质 构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－ 锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型 同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导 体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们 叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
p nieVT
引言
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要
工艺过程
光刻胶
N Si
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
N+
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
S iO2
N Si N+
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶 S iO2
N Si N+
（d)图形掩膜、曝光
光刻胶
SiO2 n Si
N+
S iO2
N Si N+
扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。
常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑 扩散。
液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液 态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽 分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内 部扩散。
光刻工艺： 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化 等工艺而使用的一种工艺技术。 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物 （由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表 面上。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为 正性胶；反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝 光的胶被除去称之为负性胶；
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩 散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
(g)完成光刻后去胶的晶片
金属
P Si N+
SiO2
N Si
(i)蒸发/溅射金属
P Si N+
SiO2 N Si
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
Байду номын сангаас金属
P Si
金属
外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬 底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶 材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度， 杂质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延 （MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
N+
S iO2
N Si
（j） P-N 结制作完成
引言
突变结与线性缓变结
NaNd NaNd
Na
xj 0
x -Nd
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （虚线） 图 2.2
-ax
xj 0
x
（b）线性缓变结近似（实线）的 深扩散结（虚线）
引言
突变结：
0xxj, N(x)Na xj x, N(x)Nd
线性缓变结：在线性区 N(x)ax
图2-3
电场定义为电势 的负梯度
电势与电子势能的关系为
Eq
可以把电场表示为（一维）
取
Ei
表示静电势。
q
1 dEi d
q dx dx
与此类似，定义 为费米势。
EF q
于是 nnieVT
pnieVT
式中
VT
KT q
称为热电势.
在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它
取为零基准，于是
n nie VT