《固态电子器件》课件(2009-2010)Review
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《固态电子器件》课件6(5)
dVG kT Cd Cit S 2.3 (1 ) d (log I D ) q Ci
Fig.6-38
S, a measure of the efficacy of the gate potential in modulating ID. The smaller the value of S, the better the transistor is as a switch. S is improved by reducing the gate oxide thickness . S is higher for heavy channel doping or if the silicon-oxide interface has many fast interface states.
This current is due to weak inversion in the channel. It leads to an electron diffusion current from source to drain.
Z kT I D Cd Cit L q
•power dissipation
In practice, power supply voltages are not scaled down with the device dimensions, partly because of other system-related constraints.
Question: • How about applying a forward bias between the source and the substrate?
Conclusions:
• MOSFET正常工作时，必须保证 漏p-n结和源p-n结零偏或反偏。
《固态电子器件》课件 6(1)
• By using GaAs instead of Si, a higher electron mobility is available ,and furthermore GaAs can be operated at higher temperature( and therefore higher power levels). Since no diffusion are involved, close geometrical tolerance can be achieved and MESFET can be made very small. This is
Voltage-controlled amplification — FET Current-controlled amplification — BJT
6.2 Junction Field Effect Transistor(结型场 效应管，JFET) basic structure
6.2 Junction Field Effect Transistor(JFET) A fabrication process for JFET
qa 2 N d VP 2
1/ 2
2 ( VGx ) h( x ) a W ( x ) a qN d 1/ 2 Vx VG a 1 V P
L
0
I D dx
VD
0
Vx VG 2 Za 1 V P
P+-type/diffusion扩散 Metal Lithography光刻
SiO2 /oxidation氧化 n-type
P+-type Si Epitaxial film外延
《固体电子论基础》课件
课件的编写目的和意义
课件的结构和内容安排
课件目的
掌握固体电子论的基本概念和原理 了解固体电子论在材料科学中的应用 掌握固体电子论的数学基础 了解固体电子论在物理、化学等领域的应用
适用人群
固体电子论专业本 科生
固体电子论爱好者
电子工程、材料科 学等领域的研究人 员
对固体电子论感兴 趣的其他人员
课件结构
固体电子论在器 件设计中的应用
半导体技术 太阳能电池 电子器件 磁学和光学应用
应用领域
固体电子结构与性质
固体电子结构
固体电子论的 概述
固体电子的能 级结构
固体电子的态 密度
固体电子的输 运性质
电子性质
电子的电荷与质 量
电子的能级与跃 迁
电子的波粒二象 性
电子在固体中的 行为
固体能带结构的定义
固体电子论概述
固体电子论的定义
定义与概念
固体电子论的研究对象
固体电子论的基本概念
固体电子论与量子力学、固体物理学的关系
固体电子论的起源
发展历程
固体电子论的发展阶段
固体电子论的应用领域
固体电子论的未来展望
研究内容
固体电子论的基 本概念和原理
固体电子论的研 究对象和方法
固体电子论在材 料科学中的应用
单击此处输入你的 项正文
电流方向：单向 导电
单击此处输入你的 项正文
伏安特性：正向和 反向伏安特调幅 信号解调为音频信
号
单击此处输入你的
项正文
开关电路：控制 电路的通断
单击此处输入你的 项正文
晶体管工作原理及应用
晶体管基本结构与工作原理 晶体管类型与特性 晶体管在电路中的应用 晶体管在固体电子器件中的重要性
固态电子器件ppt课件
所以
n(xp ) ni exp
EpF EiP qVA
/ kT
np
exp(
qVA KT
)
（xn）处少子空穴浓度，同理可得：
p(x
n
)
pn
exp(
qVA KT
)
空间电荷内及其边界电子与空穴浓度的积：
n(x)
p(x
)
n(xp
)
p(x
n
)
ni2
exp(
qVA KT
)
a. 非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴 浓度的积相等，且是偏置电压的e指数函数。
P区
Eip
Ei(x)
qVD
Ein
N区
ψ(x)
VD
-xp
-xn
费米能级:
对于平衡pn结，只要确定费米能级位置，则可得到其能带结构。
设ψ(-xp)=0，有
Ei(x) = Eip―qψ(x)
式中Eip为中性p区本征费米能级，对上式微分有
1 dEi (x) d(x) (x)
q dx
dx
利用上式及
p(x)
n(x) ni exp EnF Ei (x) / KT p(x) ni exp Ei (x) EpF / KT
空间电荷区边界载流子浓度：
仍设pn结外加偏压为VA，VA>0为正偏，VA<0为反偏
（-xp）处少子电子浓度：
因为 EnF = EpF + qVA ，Ei(-xp) =Ei p—中性p区本征费米能级
7. 电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、
正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，形
东南大学考研固态电子器件(2009-2010)chapter 7 (3)
n p p n p n n p −1
= [cosh(0.1) + 2 * 0.5 * 0.1sinh(0.1)]−1 = 0.988
α β= = 82 1−α
7.7 Other important effects
• 7.7.1 Drift in the Base Region
Within the base region, the net doping concentration decreases along a profile
kT a ξ ( xn ) = q Wb
• Since this field aids the transport of holes across the base region from emitter to collector, the transit time is reduced below that of a comparable uniform base transistor. This shortening of transit time can be very important in high frequency devices.
Because the base width Wb <<Lp, τt << τp In steady state there are excess electrons and holes in the base. The charge in the electron distribution Qn is replaced every τp seconds. iB=Qn/ τp The charge in the hole distribution Qp is collected every τt seconds. iC Qn / τ t τ p β= = = iB Q p / τ p τ t iC=Qp/ τt For space charge neutrality, Qn=Qp
= [cosh(0.1) + 2 * 0.5 * 0.1sinh(0.1)]−1 = 0.988
α β= = 82 1−α
7.7 Other important effects
• 7.7.1 Drift in the Base Region
Within the base region, the net doping concentration decreases along a profile
kT a ξ ( xn ) = q Wb
• Since this field aids the transport of holes across the base region from emitter to collector, the transit time is reduced below that of a comparable uniform base transistor. This shortening of transit time can be very important in high frequency devices.
Because the base width Wb <<Lp, τt << τp In steady state there are excess electrons and holes in the base. The charge in the electron distribution Qn is replaced every τp seconds. iB=Qn/ τp The charge in the hole distribution Qp is collected every τt seconds. iC Qn / τ t τ p β= = = iB Q p / τ p τ t iC=Qp/ τt For space charge neutrality, Qn=Qp
《固态电子器件》课件7(2)
Excess hole concentrations at the edge of transition regions, ΔpE and ΔpC?
pE pn (e pC pn (e
qVEB / kT qVCB / kT
1) 1)
VEB>>kT/q VCB<<0
pE pn e
Where,
e x e x sh( x) 2 1 csch ( x) sh( x) e x ex ch ( x) 2 1 sec h( x) ch ( x) sh( x) tanh( x) ch ( x) ch ( x) ctnh ( x) sh( x)
pE pn (e pC pn (e
nn pn ni2 ; n p p p ni2 nn N D ; pp N A
I Ep I Ep I En
xp
Ln
kT
1) 1)
kT
p-n junction
dn( x p ) dp ( xn ) I p ( xn ) qAD p ; I n ( x p ) qADn dx dx for ideal pn junction
qV Dp Dp dp( xn ) I p ( xn 0) qAD p qA pn qA pn (e kT 1)(5 33) dx xn 0 Lp Lp
D Wb Wb qVEB / kT I Ep qA pE ctnh qA pn e ctnh n Lp Lp L Lp Dn D I En qA nE qA n p e qVEB / kT Ln L
p n p n
Dp
n p n p
D
kT ; q
pE pn (e pC pn (e
qVEB / kT qVCB / kT
1) 1)
VEB>>kT/q VCB<<0
pE pn e
Where,
e x e x sh( x) 2 1 csch ( x) sh( x) e x ex ch ( x) 2 1 sec h( x) ch ( x) sh( x) tanh( x) ch ( x) ch ( x) ctnh ( x) sh( x)
pE pn (e pC pn (e
nn pn ni2 ; n p p p ni2 nn N D ; pp N A
I Ep I Ep I En
xp
Ln
kT
1) 1)
kT
p-n junction
dn( x p ) dp ( xn ) I p ( xn ) qAD p ; I n ( x p ) qADn dx dx for ideal pn junction
qV Dp Dp dp( xn ) I p ( xn 0) qAD p qA pn qA pn (e kT 1)(5 33) dx xn 0 Lp Lp
D Wb Wb qVEB / kT I Ep qA pE ctnh qA pn e ctnh n Lp Lp L Lp Dn D I En qA nE qA n p e qVEB / kT Ln L
p n p n
Dp
n p n p
D
kT ; q
《固态电子器件》课件8(2)
1 2
Where，
n n 2n
2 1 2 1
2 2
， α~1~∞
• (cable)光缆
Fabrication(光纤的制造)
硫化（固化）
Attenuation or loss(衰减或损耗）
1.3m 1.55m
I ( x) I 0 e P( x)
α (1/km) is attenuation coefficient, and the x attenuation is not the P0 e same for all wavelengths.
(2)Wavelength and Spectrum width • Radiated wavelength often referred to as a peak wavelength, is determined by band gap, Eg; Spectrum width, , is measured as full width at half maximum, FWHM. ~ from several nm to several hundred nm
For a material with a direct band gap, the energy will be light emission.
GaAs
h Ec Ev ; Generators of light k 0
Efficient radiative recombination
At λ=1.27μm, chromatic dispersion is zero (2)Intermodal dispersion（模间色散）: different modes propagate with different path lengths (it can be reduced by grading the index of the core). (3) Waveguide dispersion（波导色散）: small part of signal power propagate in cladding, different group velocities between the power propagating in core and in cladding
固体电子学PPT
3 (2 ) ( a2 a3 ) [( a3 a1 ) ( a1 a2 )] * b1 (b2 b3 ) 3 3 (2 ) ( a2 a3 ) {[( a3 a1 ) a2 ]a1 [( a3 a1 ) a1 ]a2 } 3 =0 3 3 (2 ) ( a2 a3 ) a1 (2 ) 3
Rn n1a1 n2a2 n3a3
n1，n2，n3为包括零在内的任意整数 晶体中任一物理量沿基矢方向平移基矢的整数倍，保持性质不 变，体现了平移对称性。
2. 在波矢空间里——倒格子
晶体结构的周期性
Q r Q r Rl Rl —晶格格矢
a1 ( a 2 a 3 )
——原胞体积
倒格矢：倒格子中任一格点的位置矢量
11
2) 正、倒格子间的关系
I.
a i b j 2 ij
i , j 1, 2, 3
II. 倒格子原胞体积是正格子原胞体积的倒数的 (2 π ) 3倍。
简证： 倒格子原胞体积
电子在边长为L的立方体中自由运动——三维无限深势阱模型
0 V x, y, z
0 x, y, z L x, y, z 0或x, y, z L
2 2m
2 E
k 2 2mE 2
分离变量法：
2 2 2 2 2 2 y z x
c 0 1 0 c2 f H2 0 0 1 c H ff Ek f
上式是以系数 Ci 为未知数的一次齐次方程组， 它有非零解的条件是系数行列式为零
《固态电子器件》课件8(1)
kT g op Voc ln q g th pn g th n
for
g op g th
kT Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱa N d V0 ln 2 q ni
Current does not depend on the biasing ,but depends on the generation gop
n g op n p g op p
On p side
On n side
The minority carriers within a diffusion length will diffuse toward to the junction and will be swept to the other side of junction by the electric field.
N d N a 1/ 2 A 2q A Cj [ ] 2 (V0 V ) N d N a W
But on the other hand, W must not be so wide that the time required for drift out of the depletion region is excessive.
Large contact potential—V0 Nd
---Na
Heavily doped, but low lifetime, and short Ln Series resistance
GaAs and related compounds Im Vm can be used at 100℃ or higher. conversion efficiency转
I mVm fill factor 填充因子 FF I scVoc Pin
【VIP专享】《固态电子器件》课件(2009-2010)chapter 7(4)
(2)The forward bias of the collector junction
leads to positive pc , driving the device further into saturation. An increase in iB calls for an increase in the area under the
If the base current is zero or negative, the point C is reached at the bottom end of the load line, and the collector current is negligible. This is the “off” state of the transistor.
7.6 Switching
Rc
U +
iC
U
vEC RC
;
v e
i EB S ;
B
RE
iC iB
iC
U
vEC RC
If iB is such that the operating point lies somewhere between the two end points of the load line, the transistor operates in the normal active mode. That is, the emitter junction is forward biased and the collector is reverse biased.
• The base current iB can be approximated for a symmetrical transistor on a charge storage basis as –qApnWb/τp. In this calculation a negative excess hole concentration corresponds to generation in the same way that a positive distribution indicates recombination.
《固体电子导论》课件
钙钛矿材料
钙钛矿材料在太阳能电池、光电探 测器等领域展现出巨大的应用潜力， 具有高效、低成本的优势。
新器件的研发
01
柔性电子器件
柔性电子器件能够适应各种曲面和弯曲状态，具有轻便、可折叠、可穿
戴等特点，为便携式电子设备和可穿戴设备的发展提供了技术支持。
02
纳电子器件
纳电子器件是指尺寸在纳米级别（10^-9米）的电子器件，具有极高的
复合材料的性能取决于其组成材料的性质以及它们的组合方式，可以通过调整材料 的比例和制备工艺来优化其性能。
03
固体电子器件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二极管
总结词
基本电子元件，具有单向导电性
详细描述
二极管是电子学中的基本元件，由一个PN结组成，它允许电流沿一个方向流动 ，阻止电流沿相反方向流动。它在各种电子设备中都有应用，如整流器、开关和 信号放大器。
燃料电池
燃料电池利用化学反应产生电 能，其中的电化学反应传感器 、电流收集器等部件由固体电
子器件构成。
医疗电子
医疗电子
医疗电子设备如医学影像设备、监护仪、起搏器等都离不开固体电子 技术的应用。
医学影像设备
医学影像设备如X光机、CT机、MRI机等利用固体电子器件实现图像 的获取、处理和显示。
监护仪
监护仪是一种用于监测病人生命体征的医疗设备，其核心部件如传感 器、放大器等由固体电子器件构成。
02
固体电子材料
半导体材料
半导体材料在固体电子技术中具有重 要地位，其导电性能介于导体和绝缘 体之间。
半导体材料的电子和空穴是可移动的， 这使得它们在制造电子器件如晶体管、 太阳能电池和集成电路等方面具有广 泛应用。
常见的半导体材料包括硅、锗、硒、 磷等元素半导体以及化合物半导体如 砷化镓、磷化铟等。
钙钛矿材料在太阳能电池、光电探 测器等领域展现出巨大的应用潜力， 具有高效、低成本的优势。
新器件的研发
01
柔性电子器件
柔性电子器件能够适应各种曲面和弯曲状态，具有轻便、可折叠、可穿
戴等特点，为便携式电子设备和可穿戴设备的发展提供了技术支持。
02
纳电子器件
纳电子器件是指尺寸在纳米级别（10^-9米）的电子器件，具有极高的
复合材料的性能取决于其组成材料的性质以及它们的组合方式，可以通过调整材料 的比例和制备工艺来优化其性能。
03
固体电子器件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二极管
总结词
基本电子元件，具有单向导电性
详细描述
二极管是电子学中的基本元件，由一个PN结组成，它允许电流沿一个方向流动 ，阻止电流沿相反方向流动。它在各种电子设备中都有应用，如整流器、开关和 信号放大器。
燃料电池
燃料电池利用化学反应产生电 能，其中的电化学反应传感器 、电流收集器等部件由固体电
子器件构成。
医疗电子
医疗电子
医疗电子设备如医学影像设备、监护仪、起搏器等都离不开固体电子 技术的应用。
医学影像设备
医学影像设备如X光机、CT机、MRI机等利用固体电子器件实现图像 的获取、处理和显示。
监护仪
监护仪是一种用于监测病人生命体征的医疗设备，其核心部件如传感 器、放大器等由固体电子器件构成。
02
固体电子材料
半导体材料
半导体材料在固体电子技术中具有重 要地位，其导电性能介于导体和绝缘 体之间。
半导体材料的电子和空穴是可移动的， 这使得它们在制造电子器件如晶体管、 太阳能电池和集成电路等方面具有广 泛应用。
常见的半导体材料包括硅、锗、硒、 磷等元素半导体以及化合物半导体如 砷化镓、磷化铟等。
固态电子2010-第四章
一维无限长原子链
.
五、色散关系
⑴频率ω的范围 频率是波数的偶函数， 如图4.6。
图4.6 一维单原子链的色散关系
色散关系曲线是周期性的 在q空间的周期为：2π/a
频率的极小值为：ωmin=0; 频率的极大值为：
.
⑵长波近似和短波近似 长波近似：当q→0，即波长λ>>a时，色散关系
如图4.7中蓝线所示。在长波极限下一维单原子晶格 格波的色散关系和连续介质中弹性波的色散关系一 致，因此在长波极限下，对于一维单原子晶格格波 可以看作是弹性波，晶格可以看成是连续介质。
.
图4.1
一维单原子链模型
二、格波的意义
晶体中的格波与连续介质波具有完全相同的形式。 一个格波表示的是所有原子同时做频率为ω的振动， 在简谐近似下，格波是简谐平面波。
图中的向上的箭 头代表原子沿X 轴向右振动，向 下的箭头代表原 子沿X轴向左振 动。箭头的长度 代表原子离开平 衡位置位移的大 小。
.
结论： 对含N个原子的一维单原子晶体（即一维简单晶格）
⒈可用格波来描述晶格的振动； ⒉格波的波矢q在第一布里渊区内取N个不同的分立
值，每个q值对应一个ω,一组（ω，q）对应一个 格波，则晶格的振动可用N个独立的格波（即N个 独立的简正模式）来描述； ⒊这N个格波的频率ω与波矢q的关系由同一条色散 曲线所概括，即这N个格波属于同一种格波； ⒋晶格中每一个原子都参与了这N 个独立的简谐振 动，任何一个原子的实际振动是这N个格波所描述 的简谐振动的线性叠加。
图4.4 一维. 无限长链
由N个原子头尾相接形成一个环链，它保持了所 有原子等价的特点，而且N很大，其中的原子运动近 似为直线运动。第n个原子和第N+n个原子应该为同 一原子，他们的位移也应该相同。波矢q应该满足的 条件为：
固态电子器件.ppt
§1.1 pn结基本物理特性
1.1.1 平衡pn结 平衡pn结是指不受电、光、热、磁等各种外界因素作用与影响的pn结。
※基本特征：形成空间电荷区，产生自建电场，
形成接触电势差，能带结构变化。
一、空间电荷区与自建电场形成(以突变结为例)
物理过程：
pp
1. Pp (NA) ＞＞Pn ，nn (ND) ＞＞np；
固态电子器件
Solid State Electronic Devices
教材：张鹤鸣 张玉明 曹全喜
课程内容
Ch1 pn结二极管 Ch2 双极型晶体管 Ch3 JFET与MESFET
Ch4 MISFET Ch5 电力电子器件 Ch6 CCD器件 Ch7 LED器件 Ch8 光电探测器 Ch9 半导体太阳电池 Ch10 片式元器件
在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积 分即可得到接触电位差
VD
xxn p (x)dx
KT ln q
pp pn
KT ln q
nn np
C. 能带结构 孤立p区和n区能带结构如下图
Eip EFp
EFn Ein
空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。 使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区 边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为ψ(x)，那么ψ(x)、能带结构如图示
电子器件
光子器件 无源器件
第一章 pn结二极管
§1.1 pn结基本物理特性 §1.2 pn结基本电学特性 §1.3 异质结 §1.4 pn结二极管
3
引言
※二极管：
具有某种电学功能的二端器件。从二极管的结构划分，可分为pn结二 极管，金属-半导体接触二极管( 肖特基二极管)和金属-氧化物-半导体二极 管(MOS二极管)等
《固态电子器件》课件5(2)
V0 V2 ( x2 ) V1 ( x1 ) and V01 V1 ( x0 ) V1 ( x1 ) V02 V2 ( x2 ) V2 ( x0 )
x1 x0 x2
qN A1 ( x0 x1 ) 2 V01 2 1 qN D 2 ( x2 x0 ) 2 V02 2 2
(2) different materials, but one doped types
(1) different materials, and different doped type
W2
E g E g1 E g 2 Ec Ev ; Ec q( 2 1 )
EF 2 EF1 W1 W2
Heterojunction! AlGaAs Undoped GaAs
AlGaAs
It is also called a modulation doped FET (MODFET)(调 制掺杂场效应晶体 管 )or high electron mobility tion Bipolar Transistor (HBT)
W ( x0 x1 ) ( x2 x0 ) d1 d 2
Q qN A1 ( x0 x1 ) qN D 2 ( x2 x0 ) x0 x1 N D 2 x2 x0 N A1
N D 2W d1 x0 x1 N A1 N D 2 N A1W d 2 x2 x0 N A1 N D 2
W1
W1
q1 qV01 Ec qV02 q 2 qV0 Ec q( 2 1 ) qV0 q(V01 V02 )
W2
EF 2 EF1 W1 W2 qV0
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Chapter 7 Bipolar Junction transistors
• 1.The principle of Amplification with BJT? The definitions of the emitter injection efficiencyγ, the current transfer ratio α, the base to collector current amplification factorβ • 2. Know about the calculation of the terminal currents • 3．Understand the coupled-diode model (E-M equations) • 4. Output characteristics of BJT • 5. Saturation and cutoff conditions of BJT?
Metal-Semiconductor Junctions and heterojunctions
1. How to form a rectifying contact ? How to form an Ohmic contact? 2. What is the difference between p-n diode and Schottky barrier diode? 3.Concept of heterojunction
Chapter 10 Negative Conductance Microwave Devices
1.The principle of Esaki or tunnel diodes? Understand the difference between Esaki diode and Zener diode. 2.Know about the operation principle of impact avalanche transit time (IMPATT) diodes. 3.What is the bulk negative differential conductivity effect? Explain the reason. What is the operation principle of the Gunn diode?
Chapter 6
1．The Operation Principle of the Junction FET(结
型场效应管(JFET)工作原理)? 2. Pinch-off and saturation of JFET? 3.Understand how ID is controlled by gate voltage? The definition of mutual transconductance gm? 4.Heterojunction in MESFET, the High Electron Mobility Transistor (HEMT) 5. Short channel effect of JFET？
Chapter 8 Optoelectronic Devices
1.The principle of solar cells? Photovoltaic effect? 2. The principle of photo detectors? 3. Output characteristics of LED ? 4.The concept of spontaneous emission, stimulated emission and stimulated absorption; population inversion 5.How to describe the population inversion at a junction by quasi-Fermi-level?
Review
Metal-Semiconductor Junctions, Heterojunctions FET(JFET, MESFET,MOSFET) BJT Optoelectronic Devices(Photo diode, solar cell, LED, LD) Microwave Negative Devices
6. What is the effect of drift in e narrowing effect (base-width modulation, Early effect)? 8. Understand the effect of injection level on γ ,αand β. 9. Base resistance and emitter crowding 10．What are the main frequency limitations of bipolar transistors? What is Webster Effect? 11．Why is the heterojunction bipolar transistor (HBT) better than the bipolar junction transistor (BJT)?
6.The operation principle of MOSFET? 7.Ideal MOS structure，surface potential and band diagram ;What is the criterion for strong inversion in a MOSFET? 8.What is enhance mode transistor and what is depletion mode? 9. What is flat band voltage? Effects of real surface? 10. How to calculate the threshold voltage of MOSFET?
6. The operation principle of p+n+
homojunction semiconductors ? Output characteristics? 7.What are the differences in output characteristics between semiconductor lasers and LEDs? 8．What are the advantages of heterojunction semiconductor lasers?
11. How to control the threshold voltage of MOSFET? 12.Understand the output characteristics and transfer characteristics 13. Substrate bias effect (body effect)? 14. Hot electron effects 16.Short channel effects and narrow width effect of MOSFET? 17. MOS capacitance-Voltage analysis