半导体器件物理课件
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半导体物理与器件ppt课件
2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章
1
绪论
什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et
2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用
无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）
20
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2
半导体器件物理(详尽版)ppt
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
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？
●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 。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
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；
Semiconductor- Physics课件.ppt
PN结根据杂质分布的特点可分为: ♦ 突变结 适用于离子注入浅结扩散和外延生长，Xj<1um ♦ 线性缓变结 适用于深结扩散， Xj>3um
中国科学技术大学物理系微电子专业
合金法
图6-2
图6-3
中国科学技术大学物理系微电子专业
扩散法
离子注入法
中国科学技术大学物理系微电子专业
★ PN结的基本概念
eV
p(xn ) pn0e kT
中国科学技术大学物理系微电子专业
中国科学技术大学物理系微电子专业
③电流: 仍有 J=J++J-= J+(xn)+ J- (-xp)
♦ 正向偏压时，在少子扩散区, 少子复合 率>产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率>复合率(少数载流子被抽取)
♦ 反向时, 少子浓度梯度很小反向电流 很小
②热平衡pn结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到
动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), pn结有统一的EF (平衡pn结)
♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
中国科学技术大学物理系微电子专业
热平衡条件
P
Ec
Ef
Ei
Ev
中国科学技术大学物理系微电子专业
中国科学技术大学物理系微电子专业
★ 理想PN结伏安特性
♦①小注入条件 ♦②突变结,耗尽近似—可认为外加电 压全降落于耗尽层
①+②在扩散区,少子电流只需考虑扩散
♦③忽略耗尽层中的产生,复合
通过耗尽层时,可认为电子电流
和空穴电流均保持不变 ♦④玻耳兹曼边界条件
中国科学技术大学物理系微电子专业
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合金法
图6-2
图6-3
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扩散法
离子注入法
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★ PN结的基本概念
eV
p(xn ) pn0e kT
中国科学技术大学物理系微电子专业
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③电流: 仍有 J=J++J-= J+(xn)+ J- (-xp)
♦ 正向偏压时，在少子扩散区, 少子复合 率>产生率(非平衡载流子注入); 反向时, 产生率>复合率(少数载流子被抽取)
♦ 反向时, 少子浓度梯度很小反向电流 很小
②热平衡pn结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到
动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), pn结有统一的EF (平衡pn结)
♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
中国科学技术大学物理系微电子专业
热平衡条件
P
Ec
Ef
Ei
Ev
中国科学技术大学物理系微电子专业
中国科学技术大学物理系微电子专业
★ 理想PN结伏安特性
♦①小注入条件 ♦②突变结,耗尽近似—可认为外加电 压全降落于耗尽层
①+②在扩散区,少子电流只需考虑扩散
♦③忽略耗尽层中的产生,复合
通过耗尽层时,可认为电子电流
和空穴电流均保持不变 ♦④玻耳兹曼边界条件
中国科学技术大学物理系微电子专业
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
天津工业大学
现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗 尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很 少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负 空间电荷区加宽。 • 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表 面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反 型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层 中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
16
PPT课件
三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （Qfc），金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
4 PPT课件
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
16
PPT课件
三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 ， 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 （Qfc），金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差），因此，当VG＝0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
4 PPT课件
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
半导体器件物理 课件
2
16
4、本征载流子浓度
E EC E Ei n ni N C exp i p pi NV exp V kT kT Eg EC EV ni pi N C NV exp N C NV exp kT kT Eg 2 2 AT exp n p i i kT
Si
Si
Si Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si p
Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si Si
B Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
B Si Si
+
Si
Si
Si
p
Si
施主杂质 EC
受主杂质
+
-
EC
+
+
+
+
EC
0.016~0.065eV
0.04~0.05eV
EV
dN(x)/dx|x=xj = C
突变结近似--dN(x)/dx|x=xj =|C| ○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。 即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。 ★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。
线性缓变结
突变结变结近似
27
三、pn结基本物理特性
简并半导体
23
Part Ⅱ Bipolar Devices
半导体器件物理课件一.ppt
第一章 半导体物理基础
能量为E的电子状态密度
EC 导带底 h 普朗克常数 mn* 电子的有效质量
广东工业大学
第一章 半导体物理基础
能量为E的空穴状态密度
mp* 空穴的有效质量 EV 价带顶
广东工业大学
第一章 半导体物理基础
费米-狄拉克分布函数
能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率
E 电子能量 k0 玻耳兹曼常数 T 热力学温度 EF 费米能级 常数，大多数情况下，它的数值在半导体能 带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的 含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一 定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。
广东工业大学
第一章 半导体物理基础
1.3 半导体中的平衡与非平衡载流子
载流子 参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。
载流子的产生 本征激发 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴 杂质电离 当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；
当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴
广东工业大学
第一章 半导体物理基础
广东工业大学
第一章 半导体物理基础
深能级杂质
非Ⅲ、Ⅴ族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。 非Ⅲ、Ⅴ族元素产生的能级有以下两个特点：
（1）施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶也较 远。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；
（2）这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应地 有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干 个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能 级。
若E> EF，则f（E）<1/2
当系统的温度高于绝对零度时，如 果量子态的能量比费米能级低，则 该量子态被电子占据的几率大于百 分之五十；若量子态的能量比费米 能级高，则该量子态被电子占据的 几率小于百分之五十。 因此，费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空穴的一个标 志。
半导体器件物理(平衡半导体)教学课件
*
3/ 2
其中Nv为价带的有效状态密度
2 m p kT Nv 2 2 h
*
3/ 2
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
有效状态密度和有效质量有关
在一定温度下，特定半导体的有效状态密度为常量 平衡半导体的载流子浓度和费米能级EF的位置密切相 关 Ec EF 指数项里的分子总为
Ev Ev
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
将上节得到的状态密度和分布函数代入公式得到
n0
Ec '
4 2mn h
3
* 3/ 2
Ec
状态密度函数
费米分布函数
1 E Ec E EF 1 exp kT
波尔兹曼近 似
dE
p0
Ev
4 2m p h3
在状态密度的推导过程中我们使用的E-k关系（抛 物线近似）实际上只在能带极值附近成立 将积分范围从导带顶Ec’（价带底Ev’）推广到了正 无穷大∞（负无穷大-∞），这样做是否合适？
这样做的合理性在于：导带（价带）中的电子（空穴）基本集中 在导带底（价带顶）附近
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
no和po与掺杂有关，决定于 掺杂的类型和数量。
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
当温度一定时，n0 、p0之积与EF无关;这表明：导带电 子浓度与价带空穴浓度是相互制约的，这是动态热平 衡的一个反映。
Ec EF EF Ev n0 p0 N c N v exp exp kT kT Ec Ev Eg / kT N c N v exp Nc Nve kT
3/ 2
其中Nv为价带的有效状态密度
2 m p kT Nv 2 2 h
*
3/ 2
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
有效状态密度和有效质量有关
在一定温度下，特定半导体的有效状态密度为常量 平衡半导体的载流子浓度和费米能级EF的位置密切相 关 Ec EF 指数项里的分子总为
Ev Ev
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
将上节得到的状态密度和分布函数代入公式得到
n0
Ec '
4 2mn h
3
* 3/ 2
Ec
状态密度函数
费米分布函数
1 E Ec E EF 1 exp kT
波尔兹曼近 似
dE
p0
Ev
4 2m p h3
在状态密度的推导过程中我们使用的E-k关系（抛 物线近似）实际上只在能带极值附近成立 将积分范围从导带顶Ec’（价带底Ev’）推广到了正 无穷大∞（负无穷大-∞），这样做是否合适？
这样做的合理性在于：导带（价带）中的电子（空穴）基本集中 在导带底（价带顶）附近
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
no和po与掺杂有关，决定于 掺杂的类型和数量。
半导体器件物理
第一章 半导体物理基础
当温度一定时，n0 、p0之积与EF无关;这表明：导带电 子浓度与价带空穴浓度是相互制约的，这是动态热平 衡的一个反映。
Ec EF EF Ev n0 p0 N c N v exp exp kT kT Ec Ev Eg / kT N c N v exp Nc Nve kT
半导体器件物理PPT课件
3)加反偏压时 耗尽层宽度为 W W
W
P
N
VR +
能量 （E ）
IR
（c ）
qy 0 VR
qVR
✓N区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，EFn 及诸能级相对P区 EFp下移 qVR 。
✓在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 EFn 和 EFp不变。
✓势垒高度增加至 q(y 0 VR ) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
1)热平衡时
耗尽层宽度为 W
P
2)加正向偏压时
能量 （E ）
N
W
（a ）
耗尽层宽度为 W W
PN结
W
P
NV+来自能量（E ）E Fn
E Fp
（b ）
qy 0 EC EF
qy0 V
qV EFn
2.2加偏压的PN结
加正向偏压时
W
P
N
能量
（E ）
E Fn
E Fp
qy0 V
qV EFn
V
+
（b ）
3)正确画出热平衡PN 结的能带图（图2-3a、b）。
4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
y0
y n
y
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
5)解Poisson方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗
尽层宽度。
PN结
PN结
2.2加偏压的PN结
1.加偏压的PN结的能带图
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
PN结
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
《半导体器件物理》课件
MOSFET的构造和工作原理
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
通过施加电压控制栅极和通道之间的电荷分布，实现放大和开关功能。
三个区域
源极、栅极和漏极，通过电流控制源极和漏极之间的导电通道。
应用
MOSFET被广泛用于各种电子设备中，包括计算机芯片和功率放大器。
JFET的构造和工作原理
1 结构
由P型或N型半导体形成的通道，两个掺杂相对的端部形成控制电流的栅极。
PN结的形成和性质
1 结构
由P型半导体和N型半导体通过扩散形成 的结合层。
3 击穿电压
当施加足够的反向电压时，PN结会被击 穿，允许电流通过。
2 整流作用
PN结具有整流（仅允许电流单向通过） 的特性，可用于二极管。
4 应用
PN结广泛应用于二极管、太阳能电池和 光敏电阻等器件中。
PN结的应用：二极管
2 广泛应用
从计算机和手机到电视和汽车电子，硅晶体管和二极管的应用无处不在。
3 可靠性和效率
硅晶体管和二极管的可靠性和效率使它们成为现代电子技术的基石。
《半导体器件物理》PPT 课件
探索半导体器件物理的精彩世界！本课程将介绍半导体材料及其性质，PN结 的应用，MOSFET和JFET的工作原理，光电子学等内容。
介绍
半导体器件物理是研究半导体材料中电子行为的科学。它包括半导体材料的物理性质、PN结的形成与 应用、MOSFET和JFET的工作原理等内容。
2 电荷调控
通过控制栅极电压来控制通道中电荷的密度，进而改变电流。
3 应用
JFET用于低噪声放大器和开关等应用。
功能区和结构
结构
包括负责控制电流的基极、负 责放大电流的发射极和负责收 集电流的集电极。
半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗 尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很 少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负 空间电荷区加宽。 • 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表 面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反 型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层 中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
3 PPT课件
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET
(Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET
( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前 绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
8 PPT课件
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟 道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低 的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方 向由漏端流向源端。
I DS
1 2
nCOX
W L
(VGS
VT )2
22 PPT课件
当然，随着VDS的增大，夹断 点逐步向源端移动，有效沟道 长度将会变小，其结果将使IDS 略有增加，这是沟道长度调制 效应。
（3）击穿区
饱和区后，VDS继续增大到一定程度时，晶体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将进 入击穿区，在该区，随VDS的增加IDS迅速增大，直至 引起漏－衬底PN结击穿。
3 PPT课件
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET
(Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET
( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前 绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
8 PPT课件
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟 道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低 的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方 向由漏端流向源端。
I DS
1 2
nCOX
W L
(VGS
VT )2
22 PPT课件
当然，随着VDS的增大，夹断 点逐步向源端移动，有效沟道 长度将会变小，其结果将使IDS 略有增加，这是沟道长度调制 效应。
（3）击穿区
饱和区后，VDS继续增大到一定程度时，晶体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将进 入击穿区，在该区，随VDS的增加IDS迅速增大，直至 引起漏－衬底PN结击穿。
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Question Continue
Question continue
Si晶格常数aSi：5.431Å Ge晶格常数aGe：5.658Å>Si晶格常数 Si1-xGex晶格常数aSiGe计算公式： aSiGe=aSi+(aGe-aSi)x=aSi+0.0227x x称为百分含量
1.1.2 Energy Band
Energy Band的计算： 1.半导体中的粒子是满足波粒二象性的， 所以晶格中电子的性质可以用波函数来 描述它 2.认为电子间是相互独立的，满足薛定 谔方程，称为单电子近似：
Energy Band的计算
2 d 2 ( x) V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx
RoadMap of Technology
Semiconductor technology Parameter extraction
Device fab. Semiconductor physics
Device modelling Integrated circuit
Device physics
Derivation of Density-of-State
x k 2
→
2 V Vk 2
3
E - E0 2m k k0 (k空间)
2 2
→
4 2m Vk 2 3
3
2
E E0 2 一个量子态的 k空间体积
4.71018
7.01018
1.43
Carrier Concentration
Q5：对于自由电子浓度分别为n1,n2的两 块同样半导体，其费米能级位置之间有 何关系？（EC，T一样）
Carrier Concentration
EF1 - E F2 n1 kT ln n 2
3
Derivation of Density-of-State
3 1 2 4 2m 2 2 E - E 0 2 3 V 2 3 3
单位真实体积的量子态
数
↓
1 2m 2 2 2
3 2
E - E0
1
2
单位真实体积单 dE g（ C E）dE 位能量间隔的量子态数
Carrier Concentration
将np,得 np (NC NV )eE kT ni2 Intrinsic carrier density is
g
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ni N C NV e
Eg 2 kT
ni~T
Carrier Concentration
—intrinsic Si n=p=ni —n-Si electrons are “donated” to the conduction band(“donor”) —p-Si: “hole”s are created in the valence band
n-Si: 掺杂浓度越高，EF便越高 p-Si:掺杂浓度越高，EF便越低
Carrier Concentration
Q6：已知：Si，ni，ND，全电离，Eg，T 请计算EF与Ei，EC，EV的能量差。
Q6
ND EF - Ei kT ln ni
ND EC - E F kT ln 2 ni
1.1.3 Carrier Concentration
Density-of-State function gc(E) Distribution function f(E) Electron Concentration（单位体积的电子 数）:
n f E g C E dE
1 f E 1 expE - EF kT
ND EF - E V kT ln 2 ni Eg
Eg
Q3
注意界面和表面的区别！
能带图
能带跃迁
“摩尔定律”：处理器 (CPU)的功能和复杂性 每年(其后期减慢为18个 月)会增加一倍，而成本 却成比例地递减。
在技术上，摩尔定律依然勇往 直前
1985年到2003年英特尔近20年股 票走势，如今与摩尔定律开始背离
Homework 1
Q4：一旦Ge含量在纵向不均匀，线性分 布0%~40%, 请再考虑能带图。
Quantum computer device
Contents
p-n junction Bipolar Junction Transistor JFET&MESFET (includes M-S junction) Metal-Oxide-Semiconductor Transistor Other Semiconductor Device
1.1.1Crystal Structure介绍
Unit Cell（元胞） Three Dimensional： Diamond: Ge, Si Zincblende: GaAs Lattice Constant：原子平衡间距 Miller Indices和晶向，晶面：比如（100） 晶面，与之垂直的称为[100]晶向
Principle of Semiconductor Device
教材：北京大学出版社,曾树荣，《半导 体器件物理基础》 教材分为两部分：第一部分半导体基本 知识和pn结理论；第二部分阐述主要半 导体器件的基本原理和特性
Principle of Semiconductor Device
回去预习:半导体物理 该课程可被应用于:集成电路制造和后端 设计
First Generation硅单晶片
Second Generation GaAs晶圆片
Third Generation：SiC，GaN
question
Question 1: Si的原子序数?Ge的原子序 数？ 核外价电子均为4个，称为IV族半导体 Q2:Now在硅单晶衬底上Deposit 2微米厚 硅锗化合物单晶材料，情况会怎样？假 定横纵方向晶体性能一致，请计算大约 有多少层硅锗化合物材料原子？
1.1 半导体材料和载流子模型
Crystalline,Polycrystalline,Amorphous
Solids
Metal,Semiconductor,Insulator
Semiconductor Material — three generations
First generation单晶硅棒
3.量子力学分析表明：在周期性势场中， 波函数具有如下形式：
k ( x) uk ( x)ei 2kx
uk ( x) uk ( x na)
能带图
Q3：请画出Q2中结构的能带图。假定 Ge百分含量为15%。各方向材料一致。
测量结果
Strained: Eg(x)=1.12-0.74x(x为Ge百分 含量) Eg=0.74x
Ch1 Semiconductor Introduction
Semiconductor material & Carrier model Lattice Vibration Carrier Transport Phenomena Optical Properties of Semiconductor
Si、Ge、GaAs的有效质量、有 效状态密度及禁带宽度（300K)
mn*/m0 mp*/m0 NC(cm-3) 2.81019 NV(cm-3) 1.01019 Eg(eV) Si 0.23 0.12 1.12
Ge
0.03
0.08
1.01018
6.01018
0.67
GaAs
0.07
0.09
Device simulation
Physical model
Electrical model
器件分类
以晶体管为基础的微电子学器件 以激光器和光探测器为主体的光电子学 器件
CMOS device
CMOS Technology for 25 nm Channel Length
新器件
HBT（异质结双极晶体管） HEMT（高电子迁移率晶体管） 量子电子学器件等