6半导体器件-器件基本结构 pn结2学时

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半导体器件基本结构

半导体器件基本结构半导体器件是一种基于半导体材料制造的电子元件，用于控制和调节电流和电压。

它在现代电子设备中起着重要的作用，包括计算机、手机、电视、汽车等。

半导体器件的基本结构主要由半导体材料、金属电极和其他衬底材料构成。

半导体材料是半导体器件的核心部分，主要有硅和锗。

这些材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，即在一定程度上可以导电，但电阻相对较高。

半导体材料的导电性质可以通过杂质掺杂来调节，这种过程可以增加或减少材料中的自由电子和空穴数量。

通过控制杂质的类型和浓度，半导体材料可以具有不同的电性能，如P型半导体和N型半导体。

P型半导体和N型半导体是半导体器件的两种基本类型。

P型半导体是通过杂质掺入三价元素，如硼，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。

这些杂质原子缺少一个电子，被称为“空穴”。

因此，P型半导体中的电荷移动是由空穴贡献的。

N型半导体是通过杂质掺入五价元素，如磷，将半导体材料中的一些原子替换为杂质原子。

这些杂质原子有一个额外的电子，被称为“自由电子”。

因此，在N型半导体中，电荷移动是由自由电子贡献的。

半导体器件的常见结构包括二极管、三极管和场效应晶体管。

二极管是最简单的半导体器件之一，由P型半导体和N型半导体材料的结合组成。

在二极管中，当正向电压施加在P型半导体一侧时，空穴和自由电子结合，形成一个电流通路，即正向电流。

而在反向电压施加时，两种半导体材料之间形成一个势垒，阻止电流流动，即阻塞反向电流。

三极管是一种基于二极管的三端口装置，通常由两个N型半导体材料和一个P型半导体材料组成。

三极管中的电流被控制通过一个输入电流和一个输出电流进行放大。

当输入电流施加到基极时，它会控制两个PN结之间的电流流动，从而调节输出电流。

这种结构使得三极管成为一种重要的电子放大器和开关。

场效应晶体管（FET）是一种依靠电场调控电流的器件。

它由一个控制电极（栅极）、一个源极和一个漏极组成，通常是由浅的、高掺杂的P型或N型半导体材料制成。

半导体物理与器件第八章pn结二极管

半导体物理与器件
正偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况
反偏pn结耗尽区边界处少数载流子浓度的变化情况
例8.1
半导体物理与器件
少数载流子分布
假设：中性区内电场为0 无产生稳态pn结 0 长pn结
例8.4
0
0
Dn
2 n x2
n n n E g x n0 t
Js eDp pn 0 Lp eDn n p 0 Ln
反偏饱和电流（密度）
则理想pn结的电流-电压特性可简化为：
eV J J s exp a kT 1
尽管理想pn结电流-电压方程是根据正偏pn结推导出来的，但它同样应当适用于理想的反偏状态。可以看到，反偏时，电流饱和为Js
势垒高度由平衡时的eVbi降低到了e(Vbi-Va) ；正向偏置电压
Va在势垒区中产生的电场与自建电场方向相反，势垒区中的电场强度减弱，并相应的使空间电荷数量减少，势垒区宽度变窄。
半导体物理与器件
产生了净扩散流；电子：n区→ p区
空穴：p区→ n区
热平衡时载流子漂移流与扩散流相互抵消的平衡被打破：势垒高度降低，势垒区中电场减弱，相应漂移运动减弱，因而使得漂移运动小于扩散运动，产生了净扩散流。
偏置状态下p区空间电荷区边界处的非平衡少数载流子浓度
注入水平和偏置电压有关
eVa pn ( xn ) pn 0 exp kT
半导体物理与器件
注入到p（n）型区中的电子（空穴）会进一步扩散和复合，因此公式给出的实际上是耗尽区边界处的非平衡少数载流子浓度。上述边界条件虽然是根据pn结正偏条件导出的，但是对于反偏情况也是适用的。因而当反偏电压足够高时，从上述两式可见，耗尽区边界处的少数载流子浓度基本为零。

半导体与电子器件PN结与二极管

半导体与电子器件PN结与二极管半导体与电子器件一直是电子科技领域的重要组成部分，其中PN 结与二极管是半导体器件中常见且关键的元件。

本文将介绍PN结和二极管的基本原理、结构以及主要应用。

一、PN结的基本原理和结构PN结是由P型半导体和N型半导体的结合形成的。

P型半导体中的杂质原子掺入了三价元素，如硼（B）元素，使得半导体中存在电子空穴对，形成P型半导体；N型半导体则是通过掺入五价元素，如磷（P）元素，引入多余的电子而形成。

当P型和N型半导体相接触时，由于浓度差异，会出现电子从N型半导体转移到P型半导体的趋势，形成一个电子亏损区和一个电子富集区，即PN结。

PN结的结构可以简单分为P区、N区和结区。

P区富集了电子空穴对，N区则富集了自由电子。

结区是PN结最关键的部分，由于P区富电子空穴对，N区富自由电子，两者通过扩散在结区发生重组，形成电子亏损区和电子富集区。

这种扩散导致在PN结附近出现自愿产生的电场，并在不同的电势下形成一个势垒。

这个势垒阻碍了电子和空穴进入对方区域，从而形成了PN结的特性。

二、二极管的基本原理和结构二极管是基于PN结构的半导体器件，具有两个电极，分别为阴极（Cathode）和阳极（Anode）。

二极管可分为正向偏置和反向偏置两种状态，取决于电压的极性。

1. 正向偏置在正向偏置下，即将正电压施加在P区，负电压施加在N区。

这样，电子从N区跨越PN结进入P区，同时空穴从P区进入N区，两者在PN结重组后均得到补偿。

在正向偏置下，PN结的势垒得到降低，电流可以流通，形成导通状态。

二极管此时表现为低电阻状态，允许电流通过。

2. 反向偏置在反向偏置下，即将正电压施加在N区，负电压施加在P区。

这样，电子会受到势垒的阻碍无法通过，空穴也无法进入N区。

因此，在反向偏置下，PN结的势垒增加，形成一个高电阻状态，阻止电流流过，此时二极管处于关闭状态。

三、PN结和二极管的应用PN结作为半导体的基本结构，广泛应用于各种电子器件中，包括二极管、三极管、场效应管等。

使用半导体器件进行 pn 结特性实验的教程

使用半导体器件进行 pn 结特性实验的教程半导体器件是现代电子技术中不可或缺的组成部分，而了解和掌握半导体器件的特性对于电子工程师和科学研究人员来说至关重要。

本文将为您提供一份使用半导体器件进行 pn 结特性实验的详细教程，帮助您深入了解 pn 结的性质和工作原理。

一、实验所需材料和设备在进行 pn 结特性实验之前，我们需要准备以下材料和设备：1. 半导体二极管：用于构建 pn 结的主要器件，可以通过购买或者向实验室借用获得。

2. 直流稳压电源：用于为实验提供稳定的电压，并可调节电压大小。

3. 万用表：用于测量 pn 结的电流、电压和其他相关参数。

4. 连线材料：如导线和插头，用于连接各个器件。

5. 实验台和支架：用于搭建实验电路和固定器件。

6. 安全眼镜、手套和防护服：用于保护实验人员安全。

二、实验步骤以下是使用半导体器件进行 pn 结特性实验的详细步骤：1. 确保实验室环境安全，并带好安全装备。

2. 将实验台和支架摆放整齐，并连接好直流稳压电源和万用表。

3. 选择一只半导体二极管作为实验器件，并将它放置在支架上。

4. 首先，将电源的负极连接到二极管的阴极，正极连接到二极管的阳极。

注意极性的正确连接，以免损坏二极管。

5. 打开电源，调节电压到适当的范围（如1V），并使用万用表测量二极管上的电流和电压。

记录测量结果。

6. 逐渐调节电压，每次增加一定的值（如0.1V），并记录相应的电流和电压数值。

7. 在整个电压范围内重复步骤6，直到达到电源的最大电压或者观察到二极管的击穿现象。

8. 分析实验数据，绘制 pn 结的特性曲线，包括电压-电流特性曲线和电压-电阻特性曲线。

9. 根据特性曲线的形状和实验数据，分析pn 结的工作状态和特性，如正向偏置、反向偏置、截止区和导通区等。

10. 完成实验后，关闭电源，断开连接，并将实验台恢复整洁。

三、实验注意事项在进行 pn 结特性实验时，务必注意以下事项：1. 仔细阅读并遵守实验室的安全操作规程，确保实验过程中的人身安全和设备安全。

半导体物理学中的pn结

半导体物理学中的pn结半导体物理学是研究半导体材料和器件的特性及其应用的科学领域。

而其中一个核心概念便是pn结，它是一种半导体器件中常见的结构。

本文将介绍pn结的基本原理、特性和应用。

一、pn结的构成pn结由p型半导体和n型半导体直接接触形成。

p型半导体是掺入了三价杂质的半导体，如掺入硼或铝，带有多余的电子空穴。

n型半导体则是掺入了五价杂质的半导体，如掺入砷或磷，带有过剩的自由电子。

当这两种半导体相结合时，空穴和自由电子会通过碰撞重组，形成一个带电的区域，即结区。

二、pn结的工作原理在pn结中，有两个关键区域：n端和p端。

n端富含自由电子，而p端则富含电子空穴。

由于电荷差异，电子和空穴会相互扩散到对方的区域，形成漂移电流。

同时，当电子和空穴通过重组而消失时，会形成一个正电荷层和一个负电荷层。

这就是常说的耗尽区。

在平衡状态下，耗尽区的正电荷层和负电荷层正好平衡，称为开路状态。

而当外加电压施加在pn结上时，会改变耗尽区的电荷分布。

当施加的电压为正向偏置时，p端连接的电源的正极与n端连接的电源的负极，会加大耗尽区的宽度，减小耗尽区正负电荷层的高度，这就形成了导通状态。

反过来，当施加的电压为反向偏置时，p端连接的电源的负极与n端连接的电源的正极，会增大耗尽区的宽度和正负电荷层的高度，这就形成了截止状态。

三、pn结的特性1. 双向导电性：pn结在正向偏置下会导电，形成导通状态。

而在反向偏置下则会截止，不导电。

这种特性使得pn结成为一种可控制的电子器件。

2. 整流性：由于pn结的双向导电性，它可以用于整流电路。

在正向偏置下，电流可以流过pn结，而在反向偏置下则会被截止。

3. 光电效应：当光照射到pn结上时，通过光电效应，光子能量会被转化为电能。

这使得pn结广泛应用于光电器件，如太阳能电池。

四、pn结的应用1. 整流器件：如二极管和整流电路，用于将交流电转换为直流电。

2. 放大器件：如晶体管，能够放大信号，实现电子设备的放大功能。

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

半导体器件的基本知识

1.4.2 光敏二极管
a) 光敏二极管伏安特性曲线
b) 光敏二极管图形符号
图1-17 光敏二极管伏安特性曲线及图形符号
1.4.3 发光二极管
发光二极管简写为LED，其工作原理与光电二极管相反。由于它采用砷化镓、磷化镓等半导体材料制成，所以在通过正向电流时，由于电子与空穴的直接复合而发出光来。
a) 发光二极管图形符号
b) 发光二极管工作电路
图1-18 发光二极管的图形符号及其工作电路
1.5 双极型晶体管
• 双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称晶体管，它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件。由于PN结之间相互影响，BJT表现出不同于单个PN 结的特性，具有电流放大作用，使PN结的应用发生了质的飞跃。
1．输入特性曲线 UCE=0V的输入特性曲线类似二极管正向于特性曲线。UCE≥1V时，集电极已反向偏置，而基区又很薄，可以把从发射极扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。此后，UCE对IB就不再有明显的影响，其特性曲线会向右稍微移动，但UCE再增加时，曲线右移很不明显，就是说UCE≥1V后的输入特性曲线基本是重合的。所以，通常只画出UCE≥1V的一条输入特性曲线。
PN结的两端外加不同极性的电压时，PN结呈现截然不同的导电性能。
1．PN结外加正向电压
当外加电压V，正极接P区，负极接N区时，称PN结外加正向电压或PN结正向偏置(简称正偏)。外加正向电压后，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场促使N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，PN结呈现出一个阻值很小的电阻，称为PN结正向导通。

第一章半导体基础知识

第一章半导体基础知识〖本章主要内容〗本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。

首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。

其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。

然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。

〖本章学时分配〗本章分为4讲，每讲2学时。

第一讲常用半导体器件一、主要内容1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。

半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。

典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。

2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。

在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。

3、半导体的本征激发与复合现象当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。

当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。

这一现象称为本征激发（也称热激发）。

因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。

游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。

在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。

4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。

17_功率半导体器件基础教学大纲

《功率半导体器件基础》课程教学大纲课程编号：课程名称：功率半导体器件基础/ Fundamentals of Power Semiconductor Devices 课程总学时/学分：48/3.0（其中理论36学时，实验12学时）适用专业：电子科学与技术专业一、教学目的和任务功率半导体器件基础是电子科学与技术本科专业必修的一门专业核心课程。

功率半导体器件基础讲述功率半导体器件的原理、结构、特性和可靠性技术，在此基础上分析当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT和功率集成器件，并包含了制造工艺、测试技术和损坏机理分析。

根据电子科学与技术本科专业的特点和应用需要，使学生对功率半导体器件的基础理论和最新发展有一个全面而系统的认识，并培养学生在工程实践中的应用能力，提高学生的创新能力。

二、教学基本要求通过对计算机控制技术课程的学习，要求学生：（1）了解如何使用和选择功率半导体，以及半导体和PN结的物理特性以及功率器件的工艺。

（2）熟悉功率器件的可靠性和封装，以及在电力电子系统中的应用。

（3）掌握pin二极管、双极型晶体管、晶闸管、MOS晶体管、IGBT的结构与功能模式及物理特性。

三、教学内容与学时分配第一章（知识领域1）：功率半导体器件概述（2学时）。

（1）知识点：装置、电力变流器和功率半导体器件；使用和选择功率半导体；功率半导体的应用。

（2）重点与难点：重点是装置、电力变流器和功率半导体器件；使用和选择功率半导体；功率半导体的应用。

第二章（知识领域2）：半导体的性质（2学时）。

（1）知识点：晶体结构；禁带和本征浓度；能带结构和载流子的粒子性质；掺杂的半导体；电流的输运；半导体器件的基本功式。

（2）难点与重点：重点是晶体结构、禁带和本征浓度和载流子的粒子性质第三章（知识领域3）：PN结（2学时）。

（1）知识点：热平衡状态下的PN结；PN结的I-V特性；PN结的阻断特性和击穿；发射区的注入效率；PN结的电容。

第2章_PN结2

• 空间电荷 • 空间电荷区 • 内建电场
13
2.1平衡PN结 2.1.2、能带图与空间电荷区
什么是空间电荷区
带正电的电离施主和带负电荷的电离受主都是固定在晶格点上不可移动，称之为空间电荷。其所在的区域则称之为空间电荷区。
N
XN
XP
P
空间电荷区XM
2.1平衡PN结 2.1.2、能带图与空间电荷区
Ei x p EF
空间电荷区
pP 0 ni e PN 0 ni e
pP 0 e pN 0

kT
Ei xn EF kT
Ei x p Ei xn kT

P
xp
电位电子势能
内建电场
N
xn
VD
qVD
pN 0 nP 0 e p P 0 nN 0
•
•
一、PN结
在同一块半导体单晶中N型区与P型区的交界面以及交界面两侧的过渡区，称为 PN结。
PN结
P
N
4
5
2.1 平衡PN结 2.1.1、PN结结构与杂质分布
•
二、PN结加工方式与杂质分布
合金法制造PN结过程
P区 N区
熔融
Al N-Si
P-Si
杂质浓度
NA ND xj x
7
突变结
2.1平衡PN结 2.1.1、PN结结构与杂质分布
•
一
外加电压下pn结势垒区的变化及载流子的运动 ⒈正向偏压
外加偏压与内建电场方向相反,势垒区区宽度减小,势垒高度降为 q(VD-V)。扩散运动大于漂移运动,pn结内有由p 区流向n区的净扩散电流,随正向偏压增大而增大,形成非平衡载流子的电注入(少子注入 ),pn结导通. 29

《半导体器件物理》教学大纲(精)

《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。

它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。

本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。

二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。

半导体器件物理课件-pn结2

内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用 y 0 表示）。
势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区
也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。
PN结
PN结
2.1热平衡PN结
4.空间电荷区内建电势差(N型一边和P型一边中性区之间的电位差）
方法一：（中性区电中性条件）
PN结
引言
3.采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
光刻胶
N Si
N+
SiO 2
N Si
N+
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶
光刻胶 SiO2
SiO2
N Si N+
SiO 2
N Si
N
+
n Si
N+
2
x pN d
0 x xn
0
xn x Na N d
P侧Poisson方程：
d 2y qN a 2 dx k 0
xp x 0
- Na
a （）

x
b （）
空间电荷的电中性： Na xp Nd xn 空间电荷层宽度： W x p xn 对于单边突变结：
y
m
x
y0
c （）
Na Nd
xn x p
0
W xp xn xn
单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布
PN结
2.1热平衡PN结
qN d d 2y 对N侧Poisson方程做一次积分： 2 dx k 0 qN dy d ( x xn ) dx k 0 dy 0 x xn , 边界条件： dx x dy 应用得： m 1 dx xn qN x m d n k 0

半导体器件物理课程设计

半导体器件物理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解半导体的基本概念，掌握半导体材料的性质与分类。

2. 学会分析PN结的形成原理及其在半导体器件中的应用。

3. 掌握晶体管的基本结构、工作原理及主要参数，了解不同类型晶体管的特点。

4. 了解半导体器件在实际电路中的应用，学会分析其功能与作用。

技能目标：1. 能够运用所学知识，分析并解决与半导体器件相关的问题。

2. 学会使用半导体器件测试仪器，进行简单的实验操作与数据采集。

3. 培养动手能力，能够搭建简单的半导体器件电路，并分析其性能。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对半导体物理的兴趣，激发探索科学的精神。

2. 增强学生的团队合作意识，培养在实验与讨论中积极与他人交流、分享观点的习惯。

3. 强化学生的环保意识，认识到半导体器件在生产与使用过程中应遵循的环保原则。

课程性质：本课程为高中物理选修课程，旨在帮助学生深入理解半导体器件的原理与应用。

学生特点：高中生具有一定的物理基础，对新兴科技充满好奇，喜欢动手实践。

教学要求：结合课程性质、学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的动手操作能力和问题分析能力。

通过具体的学习成果分解，使学生在掌握半导体器件知识的同时，培养科学精神和环保意识。

二、教学内容1. 半导体基本概念：半导体材料的性质与分类，杂质掺杂原理。

教材章节：第一章第一节2. PN结原理：PN结的形成，PN结的特性与应用。

教材章节：第一章第二节3. 晶体管结构及工作原理：晶体管的基本结构，放大原理，开关原理。

教材章节：第二章4. 晶体管主要参数：放大倍数、输入阻抗、输出阻抗、功耗等。

教材章节：第二章第三节5. 半导体器件应用：实际电路中的应用，如放大电路、开关电路等。

教材章节：第三章6. 实验操作与数据采集：使用半导体器件测试仪器，进行实验操作，采集相关数据。

教材章节：第四章7. 电路搭建与分析：搭建简单的半导体器件电路，分析其性能。

教材章节：第四章教学进度安排：第一周：半导体基本概念第二周：PN结原理第三周：晶体管结构及工作原理第四周：晶体管主要参数第五周：半导体器件应用第六周：实验操作与数据采集第七周：电路搭建与分析教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节，按照教学进度逐步推进，使学生全面掌握半导体器件的相关知识。

《半导体物理与器件》课程教学大纲

《半导体物理与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：半导体物理与器件英文名称：Semiconductor Physics and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：40学分：2.5四、先修课程《量子力学》、《统计物理》、《固体物理》、《电路原理》五、授课对象本课程面向功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂半导体物理与器件相关工程问题，获得有效结论。

2、掌握半导体物理与器件相关问题的特征，以及解决复杂工程问题的方法。

3、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法；具备应用各类文献、信息及资料进行半导体物理与器件领域工程实践的能力。

4、了解半导体物理与器件的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。

5、了解半导体物理与器件领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点课程重点：（1）掌握能带理论以及从能带理论的角度分析半导体的导电机制；熟悉半导体中电子的状态及其运动规律；熟悉实际半导体中的杂质和缺陷的种类、性质及其作用；掌握并且会计算热平衡状态下载流子的浓度问题以及非平衡载流子的概念、产生及其随时间的演化规律（寿命问题）；掌握载流子的几种输运机制。

（2）理解和熟悉PN结及其能带图；掌握PN结的电流-电压特性以及电容-电压特性；熟悉PN结的三种击穿机理；理解和掌握PN结二极管的工作原理。

（3）在对PN结二极管工作原理分析的基础上，学会将此分析进行合理的拓宽，即从单结/两端二极管发展到双结/三端晶体管；掌握双极型晶体管（BJT）的基本概念、符号的定义、工作原理的定性分析以及关键的关系表达式等。

（4）系统地了解和掌握MOSFET的基本工作原理与物理机制；掌握MOSFET器件的主要结构形式、工作特性和有关的物理概念；熟悉MOSFET的电容-电压特性、伏-安特性及其交流效应，并能掌握主要参数和特性的分析与计算方法；了解半导体器件制备的方法、过程及几个器件制备的实例。

《半导体物理与器件》教学大纲

《半导体物理与器件》教学大纲课程类别：专业方向课程性质：必修英文名称：Semiconductor Physics and Devices总学时：48 讲授学时：48学分： 3先修课程：量子力学、统计物理学、固体物理学等适用专业：应用物理学(光电子技术方向)开课单位：物理科学与技术学院一、课程简介本课程是应用物理学专业(光电子技术方向)的一门重要专业方向课程。

通过本课程的学习，使学生能够结合各种半导体的物理效应掌握常用和特殊半导体器件的工作原理，从物理角度深入了解各种半导体器件的基本规律。

获得在本课程领域内分析和处理一些最基本问题的初步能力，为开展课题设计和独立解决实际工作中的有关问题奠定一定的基础。

二、教学内容及基本要求第一章：固体晶格结构（4学时）教学内容：1.1半导体材料1.2固体类型1.3空间晶格1.4原子价键1.5固体中的缺陷与杂质1.6半导体材料的生长教学要求：1、了解半导体材料的特性, 掌握固体的基本结构类型；2、掌握描述空间晶格的物理参量, 了解原子价键类型；3、了解固体中缺陷与杂质的类型；4、了解半导体材料的生长过程。

授课方式：讲授第二章：量子力学初步（4学时）教学内容：2.1量子力学的基本原理2.2薛定谔波动方程2.3薛定谔波动方程的应用2.4原子波动理论的延伸教学要求：1、掌握量子力学的基本原理，掌握波动方程及波函数的意义；2、掌握薛定谔波动方程在自由电子、无限深势阱、阶跃势函数、矩形势垒中应用；3、了解波动理论处理单电子原子模型。

授课方式：讲授第三章：固体量子理论初步（4学时）教学内容：3.1允带与禁带格3.2固体中电的传导3.3三维扩展3.4状态密度函数3.5统计力学教学要求：1、掌握能带结构的基本特点，掌握固体中电的传导过程；2、掌握能带结构的三维扩展，掌握电子的态密度分布；3、掌握费密-狄拉克分布和玻耳兹曼分布。

授课方式：讲授第四章：平衡半导体（6学时）教学内容：4.1半导体中的载流子4.2掺杂原子与能级4.3非本征半导体4.4施主与受主的统计学分布4.5电中性状态4.6费密能级的位置教学要求：1、掌握本征载流字电子和空穴的平衡分布；2、掌握掺杂原子的作用，掌握非本征载流字电子和空穴的平衡分布；3、掌握完全电离和束缚态，掌握补偿半导体平衡电子和空穴浓度；4、掌握费密能级随掺杂浓度和温度的变化。