半导体器件物理第五章 施敏 第二版
半导体器件物理(第五章)_59230712
下页图中曲线所示为依据上述关系在不同P 型基
区宽度W 的条件下，P 型区中归一化的过剩少数载流
子电子浓度的分布情况。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
PN结正向注入时P型区中过剩少子电子的浓度分布：
W＝基区宽度 L＝少子扩散长度
（W＝∞）
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
从图中可见，P 型基区宽度W 越窄，基区中过剩
如图所示，当VCE < VBE 时，器件的收集结也处于 正偏状态，晶体管处于饱和区，此时收集极电流可近
似为正偏发射结电流与正偏收集结电流之差（忽略基
极电流），因此当VCE不断增大时，晶体管逐渐退出 饱和区（收集结正偏状态），晶体管的收集极电流也
不断增大。
而当VCE > VBE 时，器件的收集结处于反偏状态， 晶体管处于非饱和区（正向放大区），此时由发射区
和收集结均处于正偏状态； （2）非饱和区：VCE >VBE 此时器件的发射结处于正偏
状态，而器件的收集结则处
于反偏状态。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
理想双极型晶体管的输出电流－电压特性：
虚线所示为饱和区与非饱和区 的分界点，该处VCE=VBE 。
J.Hsu
微电子学研究所
微电子与纳电子学系
流增益β ，但这也会增大控制薄基区宽度WB的难度。
其次是关于器件基区的设计，要尽可能减小基区
结深，以缩小基区宽度，增大电流增益，同时减少收
集结正偏时的基区存储电荷QB ，提高双极型晶体管 的开关性能；至于基区的掺杂浓度则可以适当提高，
以减小基区的串联电阻，这样既可以提高双极型晶体
半导体器件物理课后习题(施敏)
p N A N D 5 1015 1017 1017 5 1015 cm3
ni (9.65 109 ) 2 4 3 n 1 . 86 10 cm p 5 1015
1 1 8.33cm 19 15 qp p 1.6 10 5 10 150
因为霍耳电压为正的，所以该样品为p型半导体(空穴导电) 多子浓度：
霍耳系数：
IBZW 2.5 103 30 104 0.05 17 3 p 1 . 46 10 cm qVH A 1.6 1019 10 103 1.6 103
1 1 3 RH 42 . 8 cm /C 19 17 qp 1.6 10 1.46 10
因为热平衡时，样品内部没有载流子的净流动，所以有
J n漂移 J n扩散 J n 0
根据欧姆定律的微分形式
J n漂移 E ( x)
(a) q
E
J n扩散 ( x)
Dn N 0 exp( ax)
a q kT n N 0 exp( ax) q a kT n N 0 exp( ax) a kT n N D q n N D a kT q
1 1 2.78cm qp p 1.6 1019 5 1015 450
2
注意：双对数坐标！ 注意：如何查图？NT？
(b) 21016硼原子/cm3及1.51016砷原子/cm3
p N A N D 2 1016 1.5 1016 5 1015 cm3
密度 = 每立方厘米中的原子数× 原子量/阿伏伽德罗常数
(69.72 74.92) 3 2.2 10 g / cm 23 6.02 10
半导体器件物理课后习题(施敏)
1 1 (3) 从(111)面上看，每个面上有 × 3 + × 3 = 2 个原子 6 2
所以，每平方厘米的原子数=
2 4 = ≈ 7.83×1014 3 ⋅ ( 2a)2 3 × (5.43×10−8 )2 4
2.
假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部， 假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 找出图中三原子（ Z）的高度。 找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
根据题意，有 用ρn和ρp相除，最后得 NA=100ND
11. 一个本征硅晶样品从一端掺杂了施主，而使得 一个本征硅晶样品从一端掺杂了施主， ND = Noexp (-ax)。(a)在ND >> ni的范围中，求在平 的范围中， 。 在 衡状态下内建电场E(x)的表示法。(b)计算出当 = 的表示法。 计算出当 计算出当a 衡状态下内建电场 的表示法 1µm-1时的 µ 时的E(x)
2
ρ≈
1 1 = ≈ 2 .78 cm ⋅ Ω qp µ p 1 . 6 × 10 −19 × 5 × 10 15 × 450
注意：双对数坐标！ 注意：如何查图？NT？
(b) 2×1016硼原子 硼原子/cm3及1.5×1016砷原子 砷原子/cm3 × ×
p ≈ NA − ND = 2 ×1016 −1.5×1016 = 5×1015cm−3
(69.72 + 74.92) = 2.2 ×10 × g / cm3 6.02 ×10 23
22
2.2×144.64 = g / cm3 60.2
≈ 5.29g / cm3
(b)一砷化镓化镓样品掺杂锡 的位置，那么锡是施主还是受主? 为什么? 的位置，那么锡是施主还是受主 为什么 此 半导体是n型还是 型还是p型 半导体是 型还是 型?
施敏 半导体器件物理与工艺
施敏半导体器件物理与工艺
施敏（Shi Min）是半导体器件物理与工艺领域的专家，研究
方向主要涉及半导体材料、器件物理和工艺技术。
他在该领域做出了多项重要的研究成果，对于半导体器件的性能提升和工艺改进具有重要的指导意义。
施敏在半导体材料方面的研究主要涉及材料的生长和特性研究，以及材料在器件中的应用和优化。
他对于新型半导体材料的研究，如氮化物材料、碳化硅材料等，具有深入的了解和广泛的经验。
通过对材料的结构、晶格、电学、光学等性质进行研究，他能够准确地评估材料的适用性和性能。
此外，他还对材料的生长过程进行了优化，以提高材料的质量和一致性。
施敏在半导体器件物理方面的研究主要围绕器件内部的电学和光学特性展开。
他研究了器件中电子和空穴的输运过程，以及载流子和能带在器件中的分布规律。
通过深入理解器件中的物理现象，他能够提出相应的改进方法，以提高器件的效率和性能。
施敏在半导体器件工艺方面的研究聚焦于器件的制备和加工过程。
他研究了各种器件加工方法的优缺点，以及不同材料在加工过程中可能出现的问题。
通过优化制备工艺，他能够提高器件的稳定性和可靠性，同时降低生产成本。
总体而言，施敏在半导体器件物理与工艺领域的研究成果丰富，对于推动半导体器件的发展和应用具有重要的贡献。
他的研究
旨在提高器件性能、优化工艺流程和推动新材料的应用，为半导体行业的发展提供技术支持和指导。
半导体器件物理施敏
NMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体
绝缘体
栅极
栅极
n
n
p 掺杂半导体衬底
n 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底 耗尽型电路符号
衬底 增强型电路符号
PMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体 绝缘体
栅极
栅极
p
p
n 掺杂半导体衬底
p 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底
衬底
耗尽型电路符号
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子 电荷。
金 属
氧化层陷阱电荷
可动离子电荷 Na+K+氧源自层固定电荷SiO2Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线
平带电压：
VFBmsQf Q Cm oQot
实际MOS二极管的阈值电压：
V T V F B qC A W o N m ψ s(i n V Fv B) 2sq C o A ( N 2 ψ B ) 2 ψ B
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的金属平行板电压— —阈值电压
一旦当强反型发生时，总电容保持在最小值Cmin。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
V TqC A N W omψ s(in v 2s)qC o A N (2 ψ B )2 ψ B
三种 状态
由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下的表面势和空间电荷分布：
表面电势ψs：
中科院半导体器件物理 第五章
5
3。半导体激光器
体积小，易于调制，是光纤通讯中最重要的光源之一。 材料要求： 直接带隙 低界面态异质结构—晶格匹配
19
a 无光照平衡PN结
光照下理想PN结方程和特性曲线
IL ---光照引起的通过PN结的光 生电流，在结内部为NP RS ---串联电阻，无负载时为 负载电阻 IS ---流过RS 的电流 RS 上的压降：
Vs I s Rs
光伏效应原理图
pn结势垒上的压降： V s
势垒降低： Vs
势垒降低引起的正向注入电流： 也叫暗电流，漏电流
BCCD的结构示意图
16
迁移率高，界面陷阱 导致的电荷损失少。
5.太阳电池
pn结太阳电池 太阳电池的理想光电转换效率
17
1)Pn结太阳电池
光生伏特效应的三个物理过程：
吸收光能激发出非平衡电子空穴对 非平衡电子和空穴向非均匀势场区的扩散和漂移运动 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 PN结 肖特基势垒 异质结 以PN结为例，分析光电转换的物理过程
15
埋沟CCD 对于SCCD，由于电荷包沿边导体表面传输，主要的限制是表 面陷阱效应导致的电荷损失。 埋沟CCD ：电荷包不在半导体表面流过，而是被约束在紧 贴半导体表面的沟道内，具有消除界面陷阱效应的潜力。 与衬底相反类型的窄 N 型半导体层，在栅 极加正电压时，窄 n 型层全部耗尽，成为 沟道。
20
半导体器件物理课后习题(施敏)
解：根据题意有
n i N c N v exp(-Eg /2kT), N D 1015 cm 3
3 2
本征温度时，Ni=ND
将NV ≡2(2mpkT/h2)3/2和N C 12( 2mn kT / h 2 )
1 2
代入上式并化简，得
Eg 3 2kT 3 2 ni 24 (m p mn ) ( 2 ) exp( ) h 2kT
所以，每平方厘米的原子数=
4 14 7 . 83 10 2 8 2 3 ( 2 a ) 3 ( 5 . 43 10 ) 4
2
2.
假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。 找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
解：此正方形内部诸原子可视为是由一个顶点及其 所在 三个邻面的面心原子沿体对角线平移1/4 长度后，向底面投影所得。 因此，x的高度为3/4 y的高度为1/4 z的高度为3/4
Ec
( E Ec ) N ( E ) F ( E )dE
N ( E ) F ( E )dE
而导带单位体积总的电子数为
Ec
导带中电子平均动能：
Ec
( E Ec ) N ( E ) F ( E )dE
=3/2kT
Ec
N ( E ) F ( E )dE
14. 一半导体的本征温度为当本征载流子浓度等 于杂质浓度时的温度。找出掺杂1015 磷原子/立方 厘米的硅样品的本征温度。
ni (9.65 109 ) 2 4 3 n 1 . 86 10 cm p 5 1015
2
1 1 3.57cm 19 15 qp p 1.6 10 5 10 350
半导体器件物理第五章 施敏 第二版
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO
ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
施敏 半导体器件物理与工艺 pdf
施敏半导体器件物理与工艺 pdf 施敏半导体器件物理与工艺pdf：详细解析半导体器件的物理性质和制程技术 施敏半导体器件物理与工艺pdf是一本系统地介绍半导体器件物理性质和制程技术的文档。
本文将以一个逐步思考的方式，详细描述半导体器件的物理性质和制程技术，并通过举例来加深理解。
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第一部分：半导体器件的物理性质 在本部分，我们将首先介绍半导体器件的基本概念和性质。
我们将从半导体材料的能带结构开始，解释导电性差异的原因以及控制电流的机制。
我们将详细讨论pn结的形成、载流子注入和扩散，并介绍不同类型的半导体器件如二极管、晶体管和场效应晶体管。
此外，我们还将介绍半导体器件的基本特性，如电流-电压特性和频率响应特性。
第二部分：半导体器件的制程技术 在本部分，我们将重点讨论半导体器件的制程技术。
我们将详细描述半导体器件的制造过程，并重点介绍光刻、扩散、蚀刻和沉积等关键制程步骤。
我们将解释每个制程步骤的原理、方法和影响因素，并提供实际例子来说明。
此外，我们还将讨论半导体器件的封装技术和测试技术，以确保器件的可靠性和性能。
第三部分：半导体器件物理与工艺的联系 在本部分，我们将探讨半导体器件物理性质与制程技术的密切联系。
我们将详细说明物理性质如材料的能带结构、载流子注入和扩散是如何影响制程技术的选择和结果的。
我们还将介绍如何通过物理性质的优化来改进器件的性能，并讨论不同制程参数对器件性能的影响。
通过本文的详细解析，我们可以深入了解半导体器件的物理性质和制程技术。
我们了解了半导体器件的基本概念和性质，以及其在电流控制和信号放大中的重要作用。
我们还学习了半导体器件的制程技术，以及如何根据物理性质来改进器件的制程过程。
通过这些知识，我们能够更好地设计、制造和测试半导体器件，以满足不同应用领域的需求。
总结起来，施敏半导体器件物理与工艺pdf通过清晰的结构、逐步思考的方式，详细描述了半导体器件的物理性质和制程技术。
半导体器件物理第五章资料
Semiconductor Devices
1
中国科学技术大学物理系微电子专业
简介
• MOSFET在半导体器件中占有相当重要的地位，它 是大规模集成电路和超大规模集成电路中最主要的 一种器件。 • MOSFET是一种表面场效应器件，是靠多数载流子 传输电流的单极器件。它和前面介绍的JFET、 MESFET统称为场效应晶体管，其工作以半导体的 场效应为物理基础。 • 与两种载流子都参加导电的双极晶体管不同，场效 应晶体管的工作原理是以简单的欧姆定律为根据， 而双极晶体管是以扩散理论为根据。双极晶体管是 电流控制器件，场效应晶体管则是电压控制器件。 • 与JFET和MESFET栅压控制导电沟道截面积不同， MOS器件栅压控制的是导电沟道的载流子浓度。
EF Ei 0.56eV
G 0.56V 即， 其中，p型取＋，n型取－。
2018/11/24
Semiconductor Devices
2
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 与双极晶体管相比，场效应晶体管的优点是：
（1）输入阻抗高。一般为1010Ω的数量级，最高可达1013Ω，这有利于放 大器各级间的直接耦合，且只需要很小的前级驱动电流，并可与多个 FET并联； （2）场效应晶体管的输入功耗很小； （3）温度稳定性好；因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。 例如当温度升高后，FET沟道中的载流子数略有增加，但同时又使载流 子的迁移率稍为减小，这两个效应正好相互补偿，使FET的放大特性随 温度变化较小； （4）场效应晶体管的增益（即栅的跨号gm）在较大漏电流条件下基本上 不变化。而双极晶体管的hFE（IC）在大电流下却很快下降； （5）噪声系数小，这是因为FET依靠多子输运电流，故不存在双极晶体 管中的散粒噪声和配分噪声； （6）抗辐射能力强。双极晶体管受辐射后非平衡少子寿命降低，故电流 增益下降。FET的特性与载流子的寿命关系不大，故抗辐射性能较好； （7）增强型MOS晶体管之间存在着天然的隔离，可以大大地提高MOS集 成电路的集成度。
半导体器件物理课程大纲_施敏
《半导体器件物理》教学大纲课程名称: 半导体器件物理学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计适用专业:集成电路设计与集成系统一、本课程的性质和任务本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。
本课程是本专业必修课和学位课。
本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。
二、本课程的教学内容和基本要求一、半导体器件简介1．掌握半导体的四种基础结构；2．了解主要的半导体器件；3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。
二、热平衡时的能带和载流子浓度1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构；2．了解基本晶体生长技术；3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论；4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。
三、载流子输运现象１．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系；２．了解霍耳效应；３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式；４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程；５．掌握连续性方程式；６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。
四、p-n结１．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念；２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算；３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程；４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念；５．掌握p-n结的三种击穿机制。
６．了解异质结的能带图。
五、双极型晶体管及相关器件１．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应；3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念；4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益；5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
半导体器件物理课后习题答案中文版(施敏)
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式形分微的律定姆欧据根
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有以所�动流净的子流载有没部内品样�时衡平热为因
)x(E的时1-m�1 = a当出算计)b(。法示表的)x(E场电建内下态状衡 平在求�中围范的in >> DN在)a(。)xa-( pxeoN = DN 得使而�主施了杂掺端一从品样晶硅征本个一 .11
1
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1
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半导体器件物理 施敏 第二版页PPT文档
4.1 基本工艺步骤 4.2 热平衡状态 4.3 耗尽层 4.4 耗尽层势垒电容 4.5 电流-电压特性 4.6 电荷储存与暂态响应 4.7 结击穿 4.8 异质结
本章主题
电特性和物理特性上p-n结的形成 在偏压下，结耗尽层的特性 电流在p-n结的输运，产生及复合对其的影响 p-n结的电荷储存对其暂态响应的影响 发生在p-n结的雪崩倍增及其对最大反向电压
变容器
许多电路应用p-n结在反向偏压电压变 化特性，达此目的的p-n结称为变容器
反向偏压势垒电容
C J V b i V R （ n当 V RV b i时 ， C J V R n ）
其中对线性缓变结n=1/3，突变结n=1/2 ，超突变结 n>1/2 电压灵敏度：超突变结>突变结>线性缓变结
VR p+
n
超突变结m=-3/2 线性缓变结m=1 突变结m=0
三种结的杂质分布
耗尽区宽度和反向偏压的关系 w （VR）1/（m+2）
CJ W S VR 1（ / m2）
4.5 电流电压特性
理想电流电压特性基于如下假设
1 耗尽区为突变边界，边界之外为电中性 2 在边界的载流子浓度和静电电势有关 3 小注入情况，（在中性区边界，多数载 流子因加上偏压改变的量可忽略） 4 在耗尽区内无产生和复合电流，空穴电 子为常数
继续扩散。
在平衡态，扩散=漂移, BJ =常数
p
-- ++ -- ++
n
电荷和电势分布满足Poisson方程： BJ
ddx22 ss,sq(NDNApn)
内建电势
内建电势概念
在热平衡时p型和n型中性区的总静电势差
(施敏)半导体器件物理(详尽版)82866
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
注意三个“准”
• 准连续 • 准粒子 • 准自由
江西科技师范大学
半导体器件物理
练习
• 整理空带、满带、半满带、价带、导带、 禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概 念。
• 简述空穴的概念。
江西科技师范大学
半导体器件物理 1.4 半导体中的杂质和缺陷 理想的半导体晶体
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。
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。
江西科技师范大学
半导体器件物理 1.2 半导体的电性能
温度与半导体
江西科技师范大学
半导体器件物理
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）
江西科技师范大学
半导体器件物理
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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n+ Buried Layer
p-
C
Metal
n+
SiO2
pn-Isolation
p+
典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图
集电结外延，发射结离子注入
5.1.2 电流增益
发射区（p+） 基区（n） 集电区（p）
IE
} IEP
IEn 空穴电流和穴电流
{IBB IB
} ICP
IC
ICn
电子电流 电子流
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关
1]
a22
a21
qADP W
pn0
a22
qA
DP pn0 W
DC nCO LC
基极电流
I
B
（a11
a21）[exp
qVEB kT
1]
（a12
a22）
结极性与少数载流子分布
E
B
C
E
B
C
nP pn
nP
0W
放大
nP
Pn
nP
0W
饱和
E
B
C
np
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
各模式下的一般表示式
IE
a11
exp
qVEB kT
1
a12
exp
qVCB kT
理能力
5.1 晶体管的工作原理
晶体管概念：是一种多重结的半导体器件 三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结， 浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n 区域，称为基区，浓度最小的p型区域称 为集电区。
晶体管的发明
理论推动
19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
量子力学 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半导体 研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain
Bardeen提出了表面态理论， Schokley 给出了实现放大器的基本设想，Brattain 设计了实验
一双向三端点的可控硅器件称为三 极交流开关
可控硅器件形式
传统可控硅器件 非对称可控硅器件 栅极关闭可控硅器件 光感应可控硅器件
可控硅器件应用
HVDC 马达驱动 电源供应 SMPS高频功率转换 照明超声波发生器
n-p-n双极型晶体管
5.1.1 工作在放大模式
由邻近的射基极注射过来的电 子可在反向偏压的集基极造成大电 流，这就是晶体管的放大作用，而 且，只有当此两结彼此足够接近时 才会发生，此两结被称为交互 p-n 结
双极集成电路中元件的形成过程和元件结构
pn-Isolation p+ n-
B
E
p
n+
β ~(NE/NB)exp(Δ Eg/kT)
5.5 可控硅器件
J1
J2 J3
P1
n1
P2 n2
a
X=0
b
X=w
可控硅器件
J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相 连的最外层p层称阳极，另一边n层 称为阴极。这个没有额外电极的结 构是个两端点的器件，被称为p-np-n二极管，若另一个称为栅极的电 极被连到内层的p层，所构成的三端 点器件一般称为半导体控制整流器
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
第5章 双极型晶体管及相关器件
5.1 晶体管的工作原理 5.2 双极型晶体管的静态特性 5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性 5.4 异质结双极型晶体管 5.5 可控硅器件及相关功率器件
相关主题
1 双极型晶体管的电流增益工作模式 2 双极型晶体管的截止频率与开关时间 3 异质结晶体管的优点 4 可控硅器件与相关双极型器件的功率处
1
IC
a21
exp
qVEB kT
1
a22
exp
qVCB kT
1
共基组态输出I-V特性
EB C IE
E
p+ n p
+
VEB
IB
-
B
IC
+C VCB
-
饱和
IE =6mA 放大
P-n-p共基组态
截止
ICBO BVCBO
Pn(x)
集电区 p
QQB B
nco
nEO nE(x)
Pno
nc(x)
-xE 0
W XC
p-n-p
基极（ qVEB kT
）（1 x W
）
=p（n 0）（1-
x W
）
发射极和集电极
n（E x）
nEO
nEO
[exp
qVEB kT
1]exp（ x
（j f
/
f）
f （1 0）fa
fT 02 1 f 0 10 f 0 f
IP=qv（x）p（x）A
B
W 0
（vdxx）
W q（p x）Ad（x）
0
IP
B
W2 2DP
VEB VS
0
开关暂态过程
IC
IB P
t RS
n
VEB
P+
IE
RL -
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO
ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
VCC
+
晶体管开关电路
IB
0
t2
QB（t2） QS O t1 ta t2t3 t
IC
ts
IC（t1）
0 t1 ta t2t3
Pn（x）
基区 t2
ta
t1，t3 QS
t=0
0
w
5.4 异质结双极型晶体管
异质结双极型晶体管是指晶体管 中的一或两个结由不同半导体材料 组成，主要优点是发射效率高，具 有较高的速度
1947年12月23日，第一次观测到了具有 放大作用的晶体管
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
第一个点接触式的NPN Ge晶体管 (transistor)
Bardeen, Brattain, and Schockley获1956
年诺贝尔物理奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
+
xE LE
）x
-xE
n（C x）=nCO
nC O
exp（
x
xcE LC
）
x xC
发射极电流
IE
a11[exp（
qVEB kT
）
1]
a12
a11
qA（ DP pn0 W
DE nEO ） LE
a12
qADP pn0 W
集电极电流
IC
a21[exp
qVEB kT
ICEO
V
截止 BVCEO
厄雷效应
IC IB
厄雷
电压 VA
VCE
又称为基区宽度调制效应
5.3 频率响应与开关特性
高频等效电路
B`
rB
B
CCB
C
rc
C`
~ VEB
CEB
CD
~
gmVEB
gEC
gEB
E
E
截止频率
共基电流增益 共射电流增益
特征频率
0
1 （j f
/
f
）
a
1
1
0
VEC
-
E
发射区 基区 集电区