器件物理
半导体器件物理习题答案
半导体器件物理习题答案1、简要的回答并说明理由：①p+-n结的势垒宽度主要决定于n 型一边、还是p型一边的掺杂浓度？②p+-n结的势垒宽度与温度的关系怎样？③p+-n结的势垒宽度与外加电压的关系怎样？④Schottky 势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？【解答】①p+-n结是单边突变结，其势垒厚度主要是在n型半导体一边，所以p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边的掺杂浓度；而与p型一边的掺杂浓度关系不大。
因为势垒区中的空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷（耗尽层近似），则掺杂浓度越大，空间电荷的密度就越大，所以势垒厚度就越薄。
②因为在掺杂浓度一定时，势垒宽度与势垒高度成正比，而势垒高度随着温度的升高是降低的，所以p+-n结的势垒宽度将随着温度的升高而减薄；当温度升高到本征激发起作用时，p-n结即不复存在，则势垒高度和势垒宽度就都将变为0。
③外加正向电压时，势垒区中的电场减弱，则势垒高度降低，相应地势垒宽度也减薄；外加反向电压时，势垒区中的电场增强，则势垒高度升高，相应地势垒宽度也增大。
④Schottky势垒区主要是在半导体一边，所以其势垒宽度与半导体掺杂浓度和温度都有关（掺杂浓度越大，势垒宽度越小；温度越高，势垒宽度也越小）。
2、简要的回答并说明理由：①p-n结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？②p-n结的势垒高度与温度的关系怎样？③p-n结的势垒高度与外加电压的关系怎样？【解答】①因为平衡时p-n结势垒（内建电场区）是起着阻挡多数载流子往对方扩散的作用，势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱，即势垒高度表征着内建电场的大小；当掺杂浓度提高时，多数载流子浓度增大，则往对方扩散的作用增强，从而为了达到平衡，就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒，所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高（从Fermi 能级的概念出发也可说明这种关系：因为平衡时p-n结的势垒高度等于两边半导体的Fermi 能级的差，当掺杂浓度提高时，则Fermi能级更加靠近能带极值[n型半导体的更靠近导带底，p型半导体的更靠近价带顶]，使得两边Fermi能级的差变得更大，所以势垒高度增大）。
国科大-半导体器件物理
国科⼤-半导体器件物理第⼀章半导体物理基础1.主要半导体材料的晶体结构。
简单⽴⽅(P/Mn)、体⼼⽴⽅(Na/W)、⾯⼼⽴⽅(Al/Au)⾦刚⽯结构：属⽴⽅晶系，由两个⾯⼼⽴⽅⼦晶格相互嵌套⽽成。
Si Ge闪锌矿结构（⽴⽅密堆积），两种元素，GaAs, GaP等主要是共价键纤锌矿结构（六⽅密堆积），CdS, ZnS闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原⼦均处于另⼀种原⼦构成的四⾯体中⼼，配种原⼦构成的四⾯体中⼼，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，⽽纤锌矿上下相对2.⾦属、半导体和绝缘体能带特点。
1）绝缘体价电⼦与近邻原⼦形成强键，很难打破，没有电⼦参与导电。
能带图上表现为⼤的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电⼦激发到导带。
2）半导体近邻原⼦形成的键结合强度适中，热振动使⼀些键破裂，产⽣电⼦和空⽳。
能带图上表现为禁带宽度较⼩，价带内的能级被填满，⼀部分电⼦能够从价带跃迁到导带，在价带留下空⽳。
外加电场，导带电⼦和价带空⽳都将获得动能，参与导电。
3）导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠。
很容易产⽣电流3.Ge, Si，GaAs能带结构⽰意图及主要特点。
1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在⼀条竖直线上2）导带底电⼦有效质量为正，带顶有效质量为负3）有效质量与能带的曲率成反⽐，导带的曲率⼤于价带，因此电⼦的有效质量⼤；轻空⽳带的曲率⼤，对应的有效质量⼩4.本征半导体的载流⼦浓度，本征费⽶能级。
5.⾮本征半导体载流⼦浓度和费⽶能级。
<100K 载流⼦主要由杂质电离提供杂质部分电离区(凝固区) 。
100~500K，杂质渐渐全部电离，在很⼤温度范围内本征激发的载流⼦数⽬⼩于杂质浓度，载流⼦主要由掺杂浓度决定。
饱和电离区。
>500K，本征激发的载流⼦浓度⼤于掺杂浓度，载流⼦主要由本征激发决定。
本征区。
6.Hall效应，Hall迁移率。
半导体器件物理(课堂)
掺杂技术
掺杂技术是指在半导体材料中引入杂质元素，以改变其 导电性能的过程。
掺杂技术有多种方法，如扩散法、离子注入法、激光掺 杂法等。
掺杂技术是制造半导体器件的关键步骤，通过控制杂质 种类、浓度和分布，可以控制半导体器件的性能。
掺杂技术广泛应用于制造晶体管、二极管、集成电路等 高性能半导体器件。
光刻与刻蚀技术
半导体器件是现代电子设备中的核心元件，微处理器和中央处理 器作为计算机的“大脑”，由半导体器件构成。
存储器
半导体存储器如DRAM和NAND闪存在电子设备中用于存储数据， 具有高密度、高速读写等优点。
传感器
半导体传感器在电子设备中用于检测各种物理量，如光、温度、压 力等，广泛应用于消费电子产品和工业自动化领域。
类型
硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、染料敏化太阳 能电池等。
应用
3
光伏发电、太空探测等。
04 半导体器件性能参数
电学性能参数
电阻率(ρ)
衡量材料导电能力的参数，单位为Ω·m。
电导率(σ)
与电阻率互为倒数，表示材料导电能力的参数，单位为S/m。
迁移率(μ)
载流子在单位电场下的平均漂移速度，衡量载流子导电能力的参数，单位为m^2/(V·s)。
VS
风力发电
在风力发电系统中，半导体器件用于控制 和优化发电机的运行状态，提高发电效率 。
未来发展趋势与挑战
技术创新
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。
集成化与智能化
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。
03 半导体器件类型与工作原 理
半导体物理与器件物理
半导体物理、材料、工艺 半导体器件物理 集成电路工艺 集成电路设计和测试 微系统，系统
微电子学发展的特点
向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路方向发展 与其它学科互相渗透，形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物芯片
半导体概要
固体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）
MEM
Math
Bus
Controller
IO
Graphics
PCB集成 工艺无关
系统
亚微米级工艺 依赖工艺 基于标准单元互连 主流CAD:门阵列 标准单元
集成电路芯片
世纪之交的系统设计
SYSTEM-ON-A-CHIP
深亚微米、超深亚 微米级工艺 基于IP复用 主流CAD：软硬件协 同设计
1970
1980
1990
2000
2010
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番
1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3
’70 ’74 ’78 ’82 ’86 ’90 ’94 ’98 ’2002
Pentium II: 7,500,000
微处理器的性能
100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo
1970 1980 1990 2000 2010
Peak Advertised Performance (PAP)
Moore’s Law
Real Applied Performance (RAP) 41% Growth
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
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
半导体器件物理考试重点
一、选择题
1.半导体材料中最常用的元素是：
A.硅（正确答案）
B.铜
C.铁
D.铝
2.在半导体中，载流子主要包括：
A.电子和质子
B.电子和空穴（正确答案）
C.空穴和离子
D.质子和中子
3.PN结的正向偏置是指：
A.P区接高电位，N区接低电位（正确答案）
B.N区接高电位，P区接低电位
C.P区和N区都接高电位
D.P区和N区都接低电位
4.二极管的正向特性是指：
A.正向电压下，电流随电压指数增长（正确答案）
B.正向电压下，电流随电压线性增长
C.反向电压下，电流随电压指数增长
D.反向电压下，电流保持不变
5.MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）的栅极电压主要控制：
A.源极和漏极之间的电阻（正确答案）
B.源极和栅极之间的电阻
C.漏极和栅极之间的电阻
D.源极、栅极和漏极之间的总电阻
6.在CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑电路中，主要利用的是：
A.二极管的单向导电性
B.MOSFET的开关特性（正确答案）
C.双极型晶体管的放大特性
D.JFET（结型场效应晶体管）的电压控制特性
7.半导体器件中的“阈值电压”是指：
A.使器件开始导电的最小电压（正确答案）
B.使器件达到最大导电能力的电压
C.器件正常工作时的电压范围
D.器件击穿时的电压
8.在半导体存储器中，DRAM（动态随机存取存储器）需要定期刷新是因为：
A.DRAM中的电容会漏电（正确答案）
B.DRAM的访问速度较慢
C.DRAM的存储容量较小
D.DRAM的制造成本较高。
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理是研究半导体材料（如硅、锗等）的电学、光学、磁学、热学等性质及其在半导体器件中的应用的学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其具有特殊的电子能带结构和载流子特性，使其在电子器件中具有广泛的应用。
半导体材料的物理研究主要包括以下几个方面：
1. 能带理论：半导体材料的导电特性与其电子能带结构紧密相关，能带理论研究了材料中电子的能量分布与输运特性。
2. 载流子特性：半导体材料中的导电是由自由电子和空穴贡献的，研究载流子的产生、寿命、迁移特性等有助于理解半导体材料的导电机制。
3. 杂质和缺陷：半导体材料中引入杂质原子或缺陷点可以改变其电学特性，研究杂质掺杂和缺陷制备对器件性能的影响是半导体材料的重要研究内容。
4. 光学性质：半导体材料对光的响应是其在光电子器件中应用的基础，研究半导体的光学吸收、发射、散射等性质对器件的设计和优化起到关键作用。
在半导体材料的基础上，半导体器件物理研究了各种半导体器件的原理、结构、制备工艺以及性能优化等方面的问题。
常见的半导体器件包括二极管、场效应晶体管（MOSFET）、太阳能电池、光电二极管等。
研究半导体器件物理可以深入了解器件的工作原理，优化器件结构和参数，提高器件的性能和可靠性。
半导体材料与器件物理在电子、光电子、纳米技术等领域的应用非常广泛，对于现代电子和信息科技的发展具有重要的意义。
半导体器件物理 第一章总结(01)
dp J p q(μ p pE x D p ) dx
式中，Ex代表在x处的电场， dn/dx和dp/dx为引起扩散流的 载流子梯度。
19
dn J n q(μ n nE x Dn ) dx
p-n结能带图
• 平衡p-n结的情况,可以用能带图表示.下图表示n型、p型两 块半导体的能带。
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时 为止。 20
7
• 离子注入原理，扩散是一种与温度有关的物理现象，而离 子注入则依赖于离子运动的能量大小。具有一定动能的离 子射进硅片内部后，由于硅片内部原子核和电子的不规则 作用，而使得注入的离子能量逐渐受到消耗，离子注入速 度减慢，在硅片内部移动到一定的距离之后，就停止在硅 片内某一位置上。
8
离子注入法和扩散法的比较
4
2. 扩散法
扩散技术是在高温条件下，将杂质原子以一定的可控量掺 入到半导体中，以改变半导体基本（或以扩散过的区域） 的导电类型或表面杂质浓度。 扩散：一般有硼（B），磷（P），砷（As）等。 有两种表面源的扩散分布，一是恒定源扩散：硅片的表面与 浓度始终不变的杂质（气体或固体）相接触。即在整个扩 散过程中，硅片表面浓度保持恒定。 另一是有限源扩散：硅片内的杂质总量保持不变。它没有外 来杂质的补充，只依靠预淀积在硅片表面上的那一层数量 有限的杂质原子，向硅片体内继续进行扩散。
3
当温度继续上升到500－550 °C时，有一部分与铟相接触的 固体锗片渐渐地溶入到熔体的铟小球中，成为铟锗合金融体。 这个过程称为熔解。然后将温度降低，使铟球与锗片冷却。 这时，溶解在铟球里面的锗原子，就会沿着N型锗片的边缘 重新再结晶出来，再结晶层中就掺有大量受主杂质－铟。由 于受主杂质（铟）浓度大大超过了原先锗片（N型）中施主 杂质浓度，再结晶层就变成了P型。这一过程称为再结晶。 再结晶层下面的锗片仍然是N型。这样，利用铟锗熔合的方 法，就可以巧妙地在一块完整的锗半导体内部，实现N型和P 型部分的接触，即形成了PN结。这种方法就是典型的合金烧 结工艺。
半导体器件物理简答题
简答题答案：1.空间电荷区是怎样形成的。
画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。
答：当p型半导体和n型半导体紧密结合时，在其交界面附近存在载流子的浓度梯度，它将引起p区空穴向n区扩散，n区电子向p区扩散。
因此在交界面附近，p区留下了不能移动的带负电的电离受主，n区留下了不能移动的带正电的电离施主，形成所谓空间电荷区。
PN结零偏时的能带图：PN结反偏时的能带图：2.为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降？答：①由于空间电荷区宽度是反偏电压的函数，其随反偏电压的增加而增加。
空间电荷区内的正电荷与负电荷在空间上又是别离的，当外加反偏电压时，空间电荷区内的正负电荷数会跟随其发生相应的变化，这样PN结就有了电容的充放电效应。
对于大的正向偏压，有大量载流子通过空间电荷区,耗尽层近似不再成立，势垒电容效应不凸显。
所以，只有在反偏状态下的PN结存在电容。
②由于反偏电压越大，空间电荷区的宽度越大。
势垒电容相当于极板间距为耗尽层宽度的平板电容，电容的大小又与宽度成反比。
所以随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降。
3.什么是单边突变结？为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？答：①对于一个半导体，当其P区的掺杂浓度远大于N区（即N d>>Na〕时，我们称这种结为P+N；当其N区的掺杂浓度远大于N区（即Na >>岫）时，我们称这种结为N+P。
这两类特殊的结就是单边突变结。
②由于PN结空间电荷区内P区的受主离子所带负电荷量与N区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带电离子是不能自由移动的。
所以，对于空间电荷区内的低掺杂一侧，其带电离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。
因此，PN结低掺杂一侧的空间电荷区较宽。
4.对于突变p+-n结，分别示意地画出其中的电场分布曲线和能带图：答：①热平衡状态时：突变p+-n结的电场分布曲线：突变p+-n 结的能带图:注：画的时候把两条虚线对齐。
半导体器件物理
x一、选择题1．掺杂硼，EF 是升高还是降低；掺杂磷时呢？2．对于MIS 结构，其中S 是P 型半导体，其表面为多子积累状态时，能带是怎么弯曲的?（向上）N 型半导体处于耗尽状态，能带怎样弯曲？（向上）3．短沟道效应（在Mos那一节中），有哪些短沟道效应：漏致势垒降低、电荷共享效应、源漏穿通4．关于晶圆：最常用的晶向是〈100〉5．电荷共享效应，随着器件尺寸的缩短，阈值电压变小。
6．光和固体内电子的相互作用，有几种情况（P456、图12.3）7．双极型晶体管，放大时，发射极正偏，集电极反偏。
8．NMOS 为四段器件，NMOS 中衬底接低电位。
衬底加正偏压时，阈值电压变小。
9．迁移率公式中每个数值表示的意思10. 电子分布描述：玻耳兹曼分布代替费米分布函数条件（E-EF>>k0T）11. 根据给出的各个物质的掺杂浓度（如磷、砷等的掺杂浓度）判断半导体是什么型半导体？12. 栅电压为0 时，沟道不存在。
加上一个正向偏压，才形成沟道，那么该MOS 器件为NMOS。
13. PN 结耗尽区：P 区掺杂浓度大于N 区的掺杂浓度，耗尽区集中在哪里？（耗尽区集中在轻掺杂一侧）。
14.掺杂半导体，电阻率随温度的变化而变化。
（P111，徐）15.对于P 型半导体MIS 结构中，当金属功函数大于半导体功函数，将导致C-V 特性曲线往（左）移。
（金属和半导体功函数之差小于0 时，曲线左移；反之，右移。
）16.PPT 第五章16 页17.异质结：光电二极管，发光区在中间。
18．MOS 晶体管是电压控制器件。
MOS 器件中，哪种方法可以缩短少子寿命？（C）A．提高掺杂浓度 B. 改变温度 C.掺金工艺（在复合中讲过）D 钝化工艺19. 真空能级与费米能级的差称为（半导体的功函数）。
真空能级与导带（Ec）之间的差称为（电子亲和能）。
20.二极管中加反向偏压，达到某一数值时，反向电流迅速增加，这个电压叫做（击穿电压）。
器件物理MOSFET
0
x0
半导体的表面电容Cs是表面势s的函数， 因而也是外加栅电压VG的函数
6.2 理想MOS电容器
将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。
图6-7 P型半导体MOS的C-V特性 n型MOS电容高、低频C-V特性
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG>0 ）(以n衬底为例）
直流O-S界面积累多子，多子在1010-10-13秒的时间内达到平衡。加 交变信号，积累电荷的改变量ΔQ， 只在界面附近变化，因此MOS电 容相当于平板电容器
P型
0
VT
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
结论
耗尽-反型过渡点 平带
n型(F<0) INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
s
2 F
0
P型(F>0)
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
s
0
2 F
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
例题：两个理想MOS电容的电荷块图分布如下图所示，对每 一种情况：完成以下三个问题：
（6-46）
（6-47）
6.2 理想MOS电容器
反型： 出现反型层以后的电容C与测量频率有很大的关系，在测 量电容时，在MOS系统上施加有直流偏压VG,然后在VG 之上再加小信号的交变电压，使电荷QM变化，从而测量 C.
Cs ddQ SS ddQ Is ddQ Bs
6.2 理想MOS电容器
• 反型
6.2 理想MOS电容器
VGV0S
QS C0
S
氧化层电容
V0
QS C0
Q SQ BqD N xd
S
qND xd2
半导体器件物理复习重点
第一章 PN 结1.1 PN 结是怎么形成的？1.2 PN 结的能带图（平衡和偏压）* 1.3 内建电势差计算1.4 空间电荷区的宽度计算n d p a x N x N =1.5 PN 结电容的计算第二章 PN 结二极管2.1 理想PN 结模型是什么？2.2 少数载流子分布（边界条件和双极输运方程的应用）2.3 理想PN 结电流⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=002011p p d n n a inp n pn p s D N D N en L n eD L p eD J ττ2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？2.5 产生-复合电流的计算2.6 PN 结的两种击穿机制有什么不同？ 第三章 双极晶体管3.1 双极晶体管的工作原理是什么？3.2 双极晶体管有几种工作模式，哪种是放大模式？ 3.3双极晶体管的少子分布（图示）3.4双极晶体管的电流成分（图示），它们是怎样形成的？3.5 低频共基极电流增益的公式总结EB E B E B E E B B E B B B E E x x D D N NL x L x L D n L D p ⋅⋅+≈⋅+=11)/tanh()/tanh(1100γ2)/(2111)/cosh(1B B B B T L x L x +≈≈α⎪⎭⎫ ⎝⎛-+≈kT eV J J BE s r 2exp 1100δ δγααT =ααβ-=13.6 等效电路模型（Ebers-Moll 模型和Hybrid-Pi 模型）（画图和简述）3.7双极晶体管的截止频率受哪些因素影响？ 3.8 双极晶体管的击穿有哪两种机制？第四章 MOS 场效应晶体管基础4.1 MOS 结构怎么使半导体产生从堆积、耗尽到反型的变化？4.2 MOS 结构的平衡能带图（表面势、功函数和亲和能）及平衡能带关系ms s OX V φφ-=+004.3 栅压的计算(非平衡能带关系)m s s O X G V V φφ++=4.4 平带电压的计算4.5 阈值电压的计算dT a SD x eN Q =(max)'214⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=a p f s dT eN x φε⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i a th pf n N V ln φ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=p f g m mse E φχφφ2oxoxox t C ε=dT d SD x eN Q =(max)'214⎪⎪⎭⎫⎝⎛=d n f s dTeN x φε⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i dth nf nN V ln φ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=n f g m mse E φχφφ2ox oxox t C ε=4.6 MOS 电容的计算 总的电容公式aths D eN V Lε= ap f s dTeN x φε4=4.7 MOSFET 的工作原理是什么？ 4.8 电流-电压关系（计算） N 沟道：T G S DS V V sat V -=)(P 沟道：T SG SD V V sat V +=)(4.9 MOSFET 的跨导计算4.10 MOSFET 的等效电路（简化等效电路） 4.11 MOSFET 的截止频率主要取决于什么因素？第五章 光器件5.1电子-空穴对的产生率：νανh x I x g )()('= 5.2 PN 结太阳能电池的电流⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp kT eV I I I s L5.3光电导计算p L p n p n G e p e τμμδμμσ)()(+=+=∆5.4 光电导增益5.5 光电二极管的光电流)(n p L L L L W eG J ++=5.6 PIN二极管怎么提高光电探测效率？5.7发光二极管的内量子效率主要取决于哪些因素？5.8 PN结二极管激光器怎样实现粒子数反转（借助于能带图说明）第六章MOS场效应晶体管：概念的深入6.1 MOSFET按比例缩小理论（恒定电场缩小），哪些参数缩小，哪些参数增大？6.2 结型场效应晶体管的工作原理是什么？它有什么特点。
MOS器件物理(2)
W 1 2 I D = µ n C ox (VGS − Vth )V DS − V DS L 2 2 = K N 2(VGS − Vth )V DS − V DS
[
]
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压” 管的“ 管的 过驱动电压” L：指沟道的有效长度 ： W/L称为宽长比 称为宽长比 1 W K N = µ n C ox 称为NMOS管的导电因子 ，称为 管的导电因子 2 L ID的值取决于工艺参数：µnCox、器件尺寸 和L、VDS及VGS。 的值取决于工艺参数： 器件尺寸W和 、
MOS管的最高工作频率 管的最高工作频率 管的
gm ω m Cv g = g m v g ⇒ f m = 2πC C表示栅极输入电容，该电容正比于 表示栅极输入电容， 表示栅极输入电容 该电容正比于WLCox 。
µn fm ∝ (VGS − Vth ) 2 2πL
MOS管的最高工作频率与沟道长度的平方成 管的最高工作频率与沟道长度的平方成 反比，因此，减小MOS管的沟道长度就能很 反比，因此，减小 管的沟道长度就能很 显著地提高工作频率 。
器件物理(续 第二讲 MOS器件物理 续) 器件物理
MOS管的电特性 管的电特性
主要指： 主要指： 阈值电压 I/V特性 特性 输入输出转移特性 跨导等电特性
MOS管的电特性 －阈值电压（NMOS） 管的电特性 阈值电压（ ）
在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的V 为阈值电压V 在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的 G为阈值电压 th ：
∆I DS gd = ∆VDS
VGS ,VSB =C
MOS管的最高工作频率 管的最高工作频率 管的
定义：当栅源间输入交流信号时， 定义：当栅源间输入交流信号时，由源极增 减小）流入的电子流， 加（减小）流入的电子流，一部分通过沟道 对电容充（ 对电容充（放）电，一部分经过沟道流向漏 形成漏源电流的增量， 极，形成漏源电流的增量，当变化的电流全 部用于对沟道电容充放电时， 部用于对沟道电容充放电时，MOS管就失去 管就失去 了放大能力，因此MOS管的最高工作频率定 了放大能力，因此 管的最高工作频率定 义为： 义为：对栅输入电容的充放电电流和漏源交 流电流值相等时所对应的工作频率。 流电流值相等时所对应的工作频率。
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；
《现代半导体器件物理》课程介绍
《现代半导体器件物理》课程介绍现代半导体器件物理是电子信息类专业中的一门重要课程，它深入解析了半导体器件的物理原理、结构及工作原理等方面的知识。
本文将从课程内容、学习方法与应用前景三个方面介绍现代半导体器件物理。
一、课程内容现代半导体器件物理主要包括以下几个方面的内容：1.半导体基础知识：介绍半导体材料的基本特性以及晶体结构、能带理论、载流子的产生与输运等相关知识，为后续学习奠定基础。
2. pn结与二极管：讲解pn结的形成原理、二极管的工作原理以及常见二极管的特性参数和应用。
3. 势垒结与MOSFET：介绍势垒结的形成原理、MOSFET的结构和工作原理，详细分析MOSFET的静态和动态特性。
4. 双极型晶体管：讲解双极型晶体管的结构、工作原理和特性，深入分析放大器和开关电路的设计与应用。
5. 光电器件：介绍光电二极管、光电导、光电晶体管等光电器件的结构、特性及应用。
二、学习方法学习现代半导体器件物理需要掌握一定的学习方法，以下几点可以帮助学生更好地掌握该课程：1.理论与实践结合：理论知识与实际案例相结合，通过实验操作加深对理论的理解和记忆。
2.多角度思考：通过分析不同角度的问题，培养学生的思维能力，拓宽学生的视野。
3.积极参与讨论：与同学一起探讨问题，互相交流，共同解决难题。
4.多做习题：通过大量的习题练习，加深对知识点的理解和记忆，提高解决问题的能力。
5.查阅相关文献：利用图书馆和互联网资源，查阅相关文献，了解最新的研究成果和应用案例。
三、应用前景现代半导体器件物理是电子信息领域的基础课程，其应用前景广阔。
随着信息技术的飞速发展，半导体器件在通信、计算机、消费电子等领域的应用越来越广泛。
1.通信领域：半导体器件在通信领域扮演着重要角色，如光纤通信、无线通信、卫星通信等，都离不开半导体器件的支持。
2.计算机领域：半导体器件是计算机的核心组成部分，如集成电路、处理器、存储器等，它们的性能和功能都与半导体器件的发展密切相关。
《器件物理基础》课件
离子器件的应用
总结词
离子器件在电化学、生物传感器和离子传输 等领域中有着重要的应用。
详细描述
离子器件是利用离子学原理和技术制成的各 种离子元件和装置的总称，包括离子选择电 极、离子交换膜和电渗析器等。它们在电化 学、生物传感器和离子传输等领域中有着重 要的应用。例如，离子选择电极可以用于测 量溶液中的离子浓度，而电渗析器则可以用 于分离和纯化离子。
声子器件的种类
声子器件的种类很多，包括超 声波传感器、声表面波滤波器 、声学共鸣器等。
声子器件的应用
声子器件在通信、传感、医疗 等领域有广泛应用。
光子器件
光子器件的基本结构
光子器件通常由光波导、光调制器和光检 测器等组成。
光子器件的工作原理
光子器件利用光波在介质中的传播和调制 特性进行工作，如光放大器、光开关等。
件。
高性能、高可靠性和高稳定性需求
高性能
随着人工智能、云计算等技术的发展，对器件性能的要求越来越 高，需要不断突破现有技术瓶颈。
高可靠性
在航空航天、医疗等领域，器件的可靠性直接关系到安全问题，因 此对器件的可靠性要求极高。
高稳定性
在极端环境下，如高温、低温、强辐射等，器件需要保持稳定的性 能，以满足各种应用需求。
真空电子器件的应用
真空电子器件的种类很多，包括电子束管 、光电倍增管、示波管等。
真空电子器件在雷达、电视、通信等领域 有广泛应用。
离子器件
离子器件的基本结构
离子器件通常由离子源、加速电极和控制 电极等组成。
离子器件的工作原理
离子器件利用离子在电场中的运动特性进 行工作，如离子注入器、质谱仪等。
离子器件的种类
环境友好和可持续发展的挑战
器件物理岗位职责
器件物理岗位职责
器件物理岗位职责主要负责研究和开发各类电子器件及其相关
技术，从材料、加工、测试等方面进行全面研究和开发，以满足市
场的需求。
以下是器件物理岗位职责的具体内容：
1.研究和开发电子器件材料：研究各类电子器件所使用的材料，并进行性能测试及优化，以提高电子器件的性能。
2.进行器件工艺研究：研究电子器件加工工艺，并进行工艺流
程优化，提高器件加工的效率和品质。
3.进行器件设计与模拟：根据市场需求和客户要求，开发新型
电子器件，实现器件功能和性能的优化设计。
同时还需要运用相关
软件进行器件模拟和分析，提高设计的准确性和可靠性。
4.进行器件测试和分析：采用各种测试手段和设备，对已制作
出的电子器件进行各项性能测试和分析，以确保器件性能符合要求。
5.进行制程流程控制：全面掌控器件制程的各个环节，监控各
项参数和流程，确保所有制程符合标准和质量要求。
6.参与项目开发：参与各项电子器件研发项目，负责器件物理
相关的技术支持和解决方案提供。
7.撰写技术文档：编写器件物理相关的技术文档，包括器件研
究成果、分析报告、加工流程文件等，为后续开发和生产提供技术
支持。
总之，器件物理岗位职责主要是通过对电子器件的材料、工艺、设计、测试和分析等方面进行全面研究和开发，实现电子器件性能
和功能的优化，为市场提供高品质的电子器件。
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课本： 《半导体器件物理》 孟庆巨/刘海波/孟庆辉，科学出版社。
第〇章绪论
什么是微电子技术 晶体管的发明和半导体器件的发展 集成电路的发展历史和现状
什么是微电子学？
电 子 学
微电子学
30m
100 m 头发丝粗细
50m
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
集成电路的现状
• 不断提高产品的性能价格比是微电子技术 发展的动力
• 集成电路产业的现状： 独立的设计公司（Design House） 独立的制造厂家（标准的Foundry） 独立的封装厂家（ Packaging)
产业格局与产业结构
• 集成电路的生命力在于它可以大批量、低成本和高 可靠地生产出来。 – 集成电路芯片价格：101～102美元 – 生产线的投资： 109美元（8”、0.25微米） – 要想赢利：年产量～108 块 • 集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最 终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没 有价值和高附加值。 • 每l～2元的集成电路产值可带动10元左右的电子工 业产值，进而能大体带动100元的GDP增长。
按结构形式的分类
• 单片集成电路： –它是指电路中所有的元器件都制作在同一 块半导体基片上的集成电路。 –在半导体集成电路中最常用的半导体材料 是硅，除此之外还有GaAs等。 • 混合集成电路： –厚膜集成电路 –薄膜集成电路如LCD 液晶显示屏
按电路功能分类
• 数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号 的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻 辑函数运算的一类集成电路。 • 模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号( 连续变化的信号)的集成电路。 –线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放 大器、电压比较器、跟随器等。 –非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 • 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
5
微电子：Microelectronics
微电子技术——微型电子技术
核心——集成电路
微电子学是研究在固体材料上构成微小型化电子线路、 子系统及系统的电子学分支学科。是电子学最重要的组 成部分，是计算机科学、信息科学、固态电子学、医用 电子学等的发展基础。－《固体物理学大词典》
微电子的特点
微电子学是信息领域的重要基础学科 微电子学是电子学的一门分支学科 微电子学是一门综合性很强的边缘学科
集成电路的作用
小型化 价格急剧下降 功耗降低 故障率降低
几个概念
• 微电子学： Microelectronics 一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、 封装等全过程的学科。 • 半导体：Semiconductor 内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法。 • 集成电路IC（Integrated Circuit） ： 一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息 产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成。 • 芯片：chip 没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用， 作为集成电路的又一个名称.
• 集成电路芯片生产厂大致上可分为三类 –通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU。 – 集 成 器 件 制 造 商 (IDM— Integrated Device Manufactory Co.), 产品主要用于自己的整机和系 统。 –标准工艺加工厂或称代客加工厂，即Foundry。 Foundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品。 优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的服务为 客户提供加工服务。 客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着 技术的发展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交 给Foundry加工。
1939年Schottky 肖特基势垒
1949年Shockley pn结双极晶体管 （BJT）
1952年Schockley 结型场效应晶体 管JFET 第 1 个半导体场效 应器件 成 长 期
1950
1958年 1954年 Chapin, Fuller, Pearson，硅太阳 能电池，6％
Esaki
非挥1962年 Wanlass、 C. T. Sah CMOS技术
1963年Gunn
渡越电子二极管
1966年Mead MESFET
1968年Dennard 单晶体管DRAM
1980年 1970年 Boyle, Smith
调制掺杂场 效应晶体管 1971年
Intel公司微处理器 MODFET
1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 J. Bardeen, W. Schokley, W. Brattain 获得1956年
Nobel物理奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
NPN Ge 晶体管
成为现代电子 工业的基础
1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
半导体器件的发展历程
1874年F.Buran半导 体器件的第1项研究
1947年晶体管 1907年 H.J.Round，发光 二极管LED 1956年诺贝尔 奖
金属－半导体接触
萌 芽 期
1870
1930
1940
1950
量子力学的发展 以及半导体材料 制备技术的成熟
半导体的光电导 、光生伏特效应 、整流效应。
结束语
石器时代
~ 35000年 铜器时代
~ 1800年
铁器时代
~ 3200年 硅器时代 XX 年？
3000BC
1200BC
1968
5000 4000 3000 2000 1000
0
1000 2000 3000 4000
结束语
微电子是信息产业的核心和基础。 从历史上来说：没有微电子就没有今天的信息 社会。 从目前的状况来说：没有芯片的信息技术是没 有心脏的信息技术。 硅技术至少在今后50年仍然会保持高速发展， 目前还看不到能够替代的新技术。
CCD器件
1970
1980
分水岭：
1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管
1970年前发明
的器件全部实 现商业化
1984年 电荷注入晶体管 CHINT
1985年
共振隧穿热 电子晶体管 纳米电子 学器件
1980
1990
1980 年 后 出 现了大量的 异质结构器 件和量子效 应器件
思考题 • 列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路 及其主要作用。 • 用你自己的话解释微电子学、集成电路的概念。
1946年2月14日 Moore School， Univ. of Pennsylvania
18,000个电子 管组成
大小：长24m，宽6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30吨； 功率：140KW；平均无故障运行时间：7min
– 1946年第一台计算机：ENIAC – 这样的计算机能够进入办公室、车间、连 队和家庭？当时有的科学家认为全世界只 要4台ENIAC。 – 目前，全世界计算机不包括微机在内有几 百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机 完成的工作量超过4000亿人年工作量。
1984年
共振隧穿双极晶体管 RTBT
1990年 单电子存储器SEM
半导体器件的发展
• CMOS 器件成为主流技术－通过不断地缩小实现性能 的优化。 –摩尔定律Moore’s Law： 集成电路的特征尺寸每隔18个月缩小 2 倍 集成度每隔18个月增加一倍 • BJT主要用于高频领域 MOS器件缩小的极限 ？ MOS之后是什么器件 ？
• 新型器件层出不穷
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
按照此图比率下降，小汽车现在只有1.8cm长，价格 只有1美分。
什么是集成电路
• 集成电路：Integrated Circuit，缩写IC
– 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等 有源器件和电阻、电容等无源器件，照一定的电路 互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化 镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统 功能。
1962年Wanlass、C. T. Sah——CMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上 1967年Kahng、S. Sze ——非挥发存储器 1968年Dennard——单晶体管DRAM
1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏
目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成 的工作量超过 4000 亿人年工作量。美国欧特泰克公司认 为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是 21 世纪改变 人类社会和经济的三大技术创新
微电子科学技术的战略地位
信息技术的领域
核心和基础： 微电子
信息显示
关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、计算机和通信
基础： 软件、
微（纳）电子与光电子
实现社会信息化的网络及其关键部 件不管是各种计算机和/或通讯机， 它们的基础都是微电子。
第一台通用电 子计算机：
ENIAC
Electronic Numerical Integrator and Calculator
半导体器件及其发展
据统计,半导体器件主要有67种，另外还有110多个相关 的变种，所有这些器件都是由少数的基本模块构成.
基本模块
M-S 结构 PN结 MOS结构 异质结 量子阱
重要器件
1. 双极晶体管
BJT HBT (异质结双极晶体管，高速器件）
2. MOSFET
长沟MOSFET 短沟MOSFET
涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理 学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设 计、测试与加工、图论、化学等多个学科。