半导体器件物理
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；
半导体器件物理-张莉
⎨ ⎪
d
2ψ
⎪⎩ dx2
= q NA εs
= −q ND εs
(−xp < x < 0) (0 < x < xn )
23
1.1 平衡PN结（电场和电势分布）
边界条件： • x=0 处电场连续：
dψ1 = dψ 2 dx x=0 dx x=0
( ) • 空间电荷区外电场为0： ε −xp = ε ( xn ) = 0
对非平衡载流子，np 乘积显然不再等于 ni2 np ≠ ni2
15
1.1 平衡PN结
1.1 平衡PN结 参考教材： 《半导体物理学》§6.1；
《微电子技术基础》1.1，1.2 PN结的形成方法：
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、 外延或离子注入等方法掺入P型（或N型）杂质
本节将分析理想突变结的电场、电势分布及能带图
ψ −ψ p
=1 L2De
ψ −ψ p
(1-18)
LDe称为非本征德拜长度： LDe ≡
( ) 因此， ψ −ψ p ∝ exp ( x ) LDe
ε s kT q2NA
(1-19)
电势ψ 在空间电荷区边界附近随 x 指数变化，其特 征长度等于非本征德拜长度LDe
载流子浓度与电势呈指数变化关系，仅在几个德拜 长度下，载流子浓度就能从掺杂浓度快速下降至零
第一章
PN 结
第一章 PN结
本章内容： 复习《半导体物理学》第六章（同质PN结）
平衡态特性，小注入直流特性，电容，击穿 补充内容：
大注入直流特性，瞬变特性，二极管模型， 集成电路中的二极管
2
半导体物理基本知识
能带 电子和空穴 禁带 导带和价带
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件物理学是电子学领域中一个重要的学科，它将物理学理论应用于半导体器件中，以提高半导体器件的性能、可靠性和可用性。
在这个新兴的领域中，有一些重要的概念和理论，它们对于半导体器件的设计、开发、制造和实现都具有重要意义。
首先要探讨的是半导体材料。
半导体材料是半导体器件的基础，有硅、砷化镓、氮化镓和III-V族材料等类型。
它们是半导体物理学中的核心理论，在器件的性能、可靠性和可用性方面发挥着重要作用。
例如，硅材料具有高集成度、易于集成、高可靠性和低成本等特点，以及高散热系数和低功耗等优点，在微电子领域得到广泛使用；砷化镓可用于制造大功率器件，具有良好的形状特性；氮化镓具有低漏电流的特点，可用于制作稳压器件；III-V族材料可以进行光电转换，用于制作集成激光器、光探测器等器件。
其次是半导体器件的基本工作原理。
半导体器件的性能主要取决于半导体材料的性质和工作原理，它们是半导体物理学的基本模型。
主要有二极管特性、多极管特性、器件动态特性和输出特性等几大类。
半导体器件的两种基本极性是正向和反向，在正向极性下，封装材料和金属电极之间的电压会导致电路中的电流流动，而反向极性则对电路中的电流进行抑制，从而提高电路的稳定性。
此外，半导体器件还可以控制信号的传输特性，例如动态响应和输出特性等，这些特性对于电路的可靠性和可用性有着重要的影响。
在半导体物理学中，量子物理学也起着重要作用。
在半导体器件中，量子物理学能够有效地描述电子密度分布、器件物理性质以及器件的工作原理，它与器件的可靠性和可用性有着密切的联系。
此外，由于量子效应的存在，半导体器件的工作特性会有不同的变化，从而提高设备的性能。
最后，有几种重要的半导体器件制造工艺。
主要的工艺有晶圆制造、芯片制造、集成电路制造、晶体管封装等，每种制造工艺都有其独特的特点，可满足不同的需求。
此外，在半导体器件引入市场前，还需要由相关团队进行全面的测试，以确保器件的可靠性。
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
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
半导体器件物理
随着科学技术的发展，半导体器件的发展也变得越来越重要，它是电子设备中的关键元件。
因此，了解半导体器件物理是很有必要的。
首先，要了解半导体器件的概念，就需要了解半导体材料和元件的定义。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，它介于电子态和离子态之间，既具有导体的特性，又具有绝缘体的特性，拥有一定数量的空间电荷。
半导体元件是由半导体材料制成的，它有电阻、二极管、三极管等特性。
其次，要深入了解半导体器件物理，就需要学习相关的物理知识。
第一个是半导体元件结构，半导体元件的结构往往由内核（晶格结构）和接触（接触结构）组成，这些结构决定了元件的特性。
其次，要学习电荷空间模型，它是半导体物理和元件器件物理的基础，也是理解半导体元件工作机理的重要依据。
此外，还要学习输入特性、输出特性等相关理论，以获得更好的结果。
最后，要进行实验，以了解半导体器件物理的应用。
例如，如何测量器件的电阻、电容、电压降、漏电流等特性；如何对器件进行可靠性测试；如何进行器件的优化，以获得良好的性能；如何进行器件的可靠性预测等。
通过实验，能够更好地理解半导体器件物理的各种规律，从而更好地运用它们。
总之，半导体器件物理是非常重要的，要深入了解半导体器件物理，就需要学习和掌握半导体结构、电荷空间模型以及输入、输出特性等相关知识，同时还要进行各种实验，以此来更好地获得半导体器
件物理的知识。
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件是现代电子技术中最重要的部分。
它们的运行和性能取决于物理属性的特定行为，并决定了电子系统的能力和效能。
因此，了解关于半导体器件物理的内容对于研究和理解这些设备及其在系统中的行为至关重要。
半导体器件的物理属性可以通过研究组成晶体的物质来了解。
半导体器件的基本组成部分是由电子控制的物质，它们会受到温度和外部电压变化等因素的影响。
物理属性可以划分为偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等。
每一种物理属性都是在器件的大小和组成物质的不同以及电子系统的环境中有所不同的物理行为。
任何设备的性能受其物理属性的影响，半导体器件也不例外。
偏振特性决定了信号在器件内传播的行为，热性能决定了电子系统的稳定性和环境温度，机械负载决定了安装器件的尺寸和容量，功耗决定了电子系统能耗。
电性能也是半导体器件物理属性中的一个重要方面，它决定了电子系统中的器件是否能够有效地传输或处理信号。
典型的电性能衡量包括电阻、电容、电感和电容的电容量及其他参数。
接触电阻是衡量器件连接的重要参数。
器件的电容量也很重要，其决定了电子系统中信号传输的特性。
半导体器件物理同样涉及机械负载。
机械负载是指电子系统中器件的尺寸和安装对信号存储和传输的影响。
这是因为它决定了器件之间的距离，当两个器件的距离太近时信号会重叠，当距离太远时信号会衰减。
此外，机械负载也反映了器件的抗振性能。
最后，半导体器件的功耗是另一个重要的物理属性。
器件功耗由其尺寸，组成物质和外部环境温度等决定，该值反映了电子系统整体能耗。
我们需要在设计和维护时考虑到器件的功耗特性，以保证电子系统正常运行。
综上所述，半导体器件的物理特性包括偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等方面，这些要素都会影响器件的性能，电子系统的能耗以及系统整体行为。
因此，了解半导体器件物理定律，理解半导体器件的性能特性，并合理配置半导体器件，是半导体器件技术和电子系统技术发展过程中至关重要的一环。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
单击此处添加副标题
202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
半导体器件物理
上一次课：半导体物理基础 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、多子、少子、平衡载流子、非平衡载流子掺杂、施主杂质、受主杂质能带、导带、价带、禁带、费米能级、准费米能级载流子浓度n，p；迁移率载流子输运："扩散、漂移、产生、复合电流连续性方程12服从玻尔兹曼分布的载流子浓度φF :体费米势φF)ln()ln(iD t i D F n N n N q kT φφ==)ln()ln(Ai t A i F N n N n q kT φφ==3电流连续方程()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G q tp p −+∇−=j 1∂∂电子：空穴•载流子输运影响载流子浓度随时间变化：漂移、扩散：电流变化间接或直接热复合、间接或直接产生4电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中nqD n q n n n ∇+=E j μpqD p q p p p ∇−=E j μ方程形式1方程形式2半导体器件物理基础5半导体器件据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：•PN结•金属－半导体接触•MIS结构•异质结•超晶格和量子阱61907：发光二极管1947：第一个晶体管: 诺贝尔奖1949：PN结晶体管1952：JFET1954：太阳电池1957: HBT：2000年诺贝尔奖1958: 隧道二极管(稳压管)：诺贝尔奖1962: CMOS1967: 非挥发存储器196+: 微波器件(IMPATT, 渡越电子二极管)1970：CCD器件1971：Intel CPU1974: 共振隧穿二极管1980: MODFET198＋：异质结构和基于量子效应的器件：纳米电子学7PN结/PN结二极管PN结"双极晶体管"MOS场效应晶体管、JFET"光电器件"电力电子器件（如可控硅器件等）的基本组成部分本身作为二极管"开关、整流、稳压、变容等8PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述PN结二极管电流特性的定量描述(稳态响应)PN结二极管的击穿PN结二极管的小信号特性PN结二极管的瞬态响应基本电路应用910PN 结的结构突变结线性缓变结注入或扩散相反类型杂质＋退火冶金结11有代表性：•两种载流子•漂移、扩散、产生复合基本运动形式PN 结：二极管（diode ）PNiPN结的单向导电性（整流特性）：P区接正，N区接负"正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小"反向导电性差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大"反向击穿分析"平衡情况"非平衡情况¾正向¾反向1213自建电场P 型N 型准中性区准中性区空间电荷区x px n•假设P 区、N 区均匀掺杂•突变结自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反，直到两者相抵，达到动态平衡空间电荷区耗尽层:高阻区PN 结的形成14平衡的PN 结：没有外加扰动能带图平衡情况下，费米能级一致势垒、位垒P 区能带上移是自建场的影响，P 区静电势能高能带按电子能量定自建势qV biN 区和P 区的电势差：自建势、接触电势差V bi15静电势由本征费米能级Ei 的变化决定qE i−=ϕ能带向下弯，静电势增加16与掺杂浓度有关自建势Vbi正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加运动的是多子势垒须下降到一定程度：导通电压，电流指数增加171819PN 结的反向特性反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散20P 区N 区电子：扩散漂移反向偏置时，漂移大于扩散•N 区中空穴、P 区中的电子被反向抽取•少子运动：电流小•反向电流：产生电流(产生率大于复合率)•边界处少子变化量不超过平衡少子浓度：电流趋于饱和•边界少子注入很多•光照: 光电二极管（光电探测）+－空穴N 区P 区扩散漂移单向导电性•正向导通，多数载流子电流：大、陡边界少子浓度增加形成积累注入多子•反向截止，少数载流子电流：小边界少子浓度减少抽取少子21PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡PN结二极管电流特性的定量描述击穿小信号特性2223PN 结耗尽区中电场、电势分布出发点：泊松方程：半导体器件基本方程描述半导体中静电势的变化规律形式1()02x,εερϕs t −=∇形式2()∫=ss dx x x ρεεε01)(24平衡情况(不加外偏压)()np NNq AD−+−=−+ρ耗尽近似：在冶金结附近载流子浓度与净杂质浓度相比近似忽略不计为了获得解析解：耗尽近似25N区P区最大电场在x＝0处积分积分2627P 区积分n 区积分20)(2)(x x qN x p sA +=εεϕ20)(2)(x x qN V x n sD bi −−=εεϕ在x ＝0处电势连续突变结耗尽近似正负电荷28耗尽区宽度例：单边突变结：P＋/N结，NA>>N DP型N型x p 0x n掺杂浓度高，耗尽区宽度小29加外偏压后30•两边费米能级之差为外加电压qV•能带弯曲q(V bi－V)31加外偏压VP型xpx nP型x p x nN型N型加正压：w变小电荷减少场减弱加负压：w变大电荷增加场增强32PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性3334PN 结二极管的电流－电压特性：稳态响应 假设："无光照等"外偏压全部加在耗尽区上，耗尽区以外没有电场（仅考虑扩散电流）"小注入情况：注入的少子浓度远低于多子浓度"耗尽区中无产生复合"载流子分布服从玻尔兹曼分布P 型x px nN 型35xn n qD xn qD J p p np nN ∂−∂=∂∂=)(0xp p qD x p qD J n n pn p P ∂−∂−=∂∂−=)(0P 型x px nN 型假设耗尽区中无产生、复合：J ＝J N ＋J P ＝J N (－x p )＋J P (x n )扩散方程36()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G qt pp −+∇−=j 1∂∂从电流连续性方程出发求出少子分布无产生，G=0；稳态，上式左边＝0pn n pnp p p R ττ)(0−−=Δ−=np p npn n n R ττ)(0−−=Δ−=以求解空穴少子分布为例边界条件的推出：37平衡少子浓度P型x p x nN型ppp DLτ=边界条件Wn>>Lp情况下38394041反向饱和电流：与ni 有关，与浓度有关Is42与理想情况的偏差Log 坐标的斜率q/nkT ，斜率越陡越好 理想情况60mV/dec 低温下性能会好 高掺杂n ＝2•串联电阻压降•大注入电导调制P 型x px nN 型PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性43PN结的反向击穿：可恢复•反向击穿区反向击穿电压Vrb，PN结承受的反向偏压的上限击穿机制•雪崩击穿•齐纳击穿/隧穿击穿4445PN 结的击穿(1)雪崩击穿：电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，在耗尽区产生电子空穴对:碰撞电离产生的额外载流子被加速，又发生碰撞电离载流子倍增在平均自由程中可以获得足够大的能量，与电场相关。
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》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
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_孟庆巨课件
半导体器件物理_孟庆巨
24
3、 衬底偏置效应
• V列B的S≠影0，响衬。底加偏压后对MOSFET的特性将有一系 • 加 态衬 ，偏 由电 于压表后面，空即间使电V荷D区S＝的0宽，度沟随道着也衬处底于偏非置平电衡压状
的增大而展宽，会有更多的空穴被耗尽，使表面空 间电荷区的面密度也随之而增大。因而要在半导体 表面产生同样数量的导电电子，必须加比平衡态更 大的栅源电压，阈值电压也就随偏置电压的增大而 增大。 • 由于反型层电荷减少，沟道电导下降，衬底偏置将 使IDS下降。
29
半导体器件物理_孟庆巨
30
五、M的瞬态特性是由器件的电容效应，即器件 中的电荷存储效应引起的。MOSFET中的存储电荷 主要包括：
• 反型层或沟道的反型电荷Qi • 沟道下面的耗尽区体电荷QB • 栅极电荷QG （QG＝Qi＋QB）
• 由漏－衬底、源－衬底PN结引起的电荷
26
（2）MOSFET的输出特性曲线
半导体器件物理_孟庆巨
27
四、MOS场效应晶体管的种类
• 若栅电压为零时不存在导电沟道，必须在栅上施加 电压才能形成反型层沟道的器件称为增强（常闭） 型MOSFET；若在零偏压下即存在导电沟道，必 须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件 成为耗尽（常开）型MOSFET。
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
半导体器件物理_孟庆巨
16
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
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。
当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件物理学是研究半导体器件工作原理和其他物理特性的研究领域。
它致力于理解和设计由半导体组成的电子器件，以及它们如何构成电路中的特殊电子元件，像晶体管、放大器和发射器等。
通过研究器件物理学，可以更好地理解半导体器件的结构、功能和性能。
半导体器件的运作原理在于其内部的半导体材料，由有机物质、金属、半导体材料和金属氧化物组成。
此外，它们还包含其他电子学部件，如电阻器、继电器、电感器和多种传感器。
大多数器件都具有由电子供应器（或称发射器）和晶体管构成的电路，这些电路被设计用来控制电子信号的流动。
器件物理学专注于研究半导体器件的物理特性，其中包括电荷载流，电压-电流特性，电容和电子传导性等。
它还包括半导体的光物理性质，例如导热、导电及其他光学现象。
此外，它还涉及到半导体器件的制造工艺，这些工艺可以用来创造出令人难以相信的微小零件。
研究半导体器件物理学也有助于了解其他物理现象，如过电压保护，信号动态性和可靠性。
研究这些现象有助于改善其工作方式，以及其影响的范围。
此外，研究还可以用来确定半导体器件的热性能特性，以及它们在特定电路条件下的运行特性。
研究可以帮助开发出能够稳定运行的器件，从而提高它们的性能。
研究半导体器件物理学也有助于确定半导体器件的结构和功能。
研究可以帮助开发出更高效、更可靠的半导体器件，以及更大范围、更高性能的电路。
研究可以用来确定器件的布局，也可以用来优化其特性，使其能够更好地适应特定的电路环境。
半导体器件物理学不断发展，随着技术的不断进步，这种研究领域也变得越来越重要。
它们被广泛应用于电子行业，包括计算机、电信和航空航天领域。
研究半导体器件物理学可以帮助科学家们更好地了解已经存在的器件，以及更新的器件的运作原理。
它也可以帮助设计出更高性能、更节能的电子器件，从而改善社会的经济效益。
因此，半导体器件物理学发挥着至关重要的作用，它可以帮助开发出具有较高性能和可靠性的电子器件，为社会发展和经济发展贡献自己的力量。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
现代半导体 器件物理
Physics of Modern Semiconductor Devices
双极型晶体管及相关器件
现代半导体器件物理
2019,7,30
双极型晶体管及相关器件 1
本章内容
双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功率器件
路符号，图中亦显示各电流成分和电 压极性，箭头和“十”、“一”符号 分别表示晶体管在一般工作模式(即
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
VBC
IE E-
- VCE +
-I C
+C
VBE
VCB
+
+ - IB B
(c)理 想 一 维 n-p-n双 级 型 集 体 管
(d)n-p-n双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
小，且ICp与IEp非常接近， T与 I E 都趋近于1，因此0也接近于1。 集电极电流可用0表示，即
}I EP
I En
I BB
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
}
IC ICpICnTIEp＋ICn
T
IEp
＋ICn＝0IE＋ICn
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
电子电流 电子流
其中ICn是发射极断路时(即IE=0)集基极间的电流，记为ICBO，前两个下标 （CB）表示集、基极两端点，第三个下标（O）表示第三端点(发射极)断路， 所以ICBO代表当发射极断路时，集基极之间的漏电流。共基组态下的集电极 电流可表示为
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
电子电流 电子流
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 9
双极型晶体管的工作原理
晶体管各端点的电流可由上述各 个电流成分来表示
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
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 4
双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(pnp型)工作在放大模式 发 射 区 基 区 集 电 区
P
n
P
图(a)是一热平衡状态下的理想pn-p双极型晶体管，即其三端点接在 一起，或者三端点都接地，阴影区域 分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b) 显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
I C I C p I C n 2 .9 m A 9 0 .0m 0 A 2 1 .9m 9 A
所以 I C B I C O 0 I E 2 . 9 m 9 0 . 9 A 1 3 9 . 0 m 3 1 0 . 8 A A 4 7
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 13
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 2
双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(bipolar transistor)的结构
双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为 p-n-p或n-p-n的形式。
解 （a）发射效率为
＝IEpI＋ EpIEn＝3＋30.01＝0.9967
（b）基区输运系数为
T
ICp IEp
2.990.9967 3
（c）共基电流增益为 0 ＝ T 0 .99 0 .6 97 9 0 6 .97 93
（d）共基电流增益为 IEIEp＋ IEn＝ 3m A0.0m 1 A 3.01m
大部分的入射空穴将会到达集
电极而形成ICp。基极的电流有 I E 三 个 ， 即 IBB 、 IEn 、 ICn 。 其 中 IBB代表由基极所供应、与入射 空穴复合的电子电流(即
IBB=IEp-ICp) ； IEn 代 表 由 基 区 注 入发射区的电子电流，是不希
望有的电流成分；ICn代表集电 结附近因热所产生、由集电区
双极型晶体管的工作原理
图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的
区域，形成两个p-n结。浓度最高的p＋区域称为发射区(emitter，以E表示)；
中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的
宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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 7
双极型晶体管的工作原理
如果大部分入射的空穴都没有与 基区中的电子复合而到达集电极，则 集电极的空穴电流将非常地接近发射 极空穴电流：IEp≈ICp。
图 4.2
放大模式)下各电流的方向和电压的 极性，该模式下，射基结为正向偏压 (VEB＞0)，而集基结为反向偏压(VCB ＜0)。
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
VCB
-B-
(a)理 想 一 维 p-n-p双 级 型 集 体 管
IE E
+
+ VEC -
IC
-C
VEB
VBC
- + IB
IC 0IE＋ICBO
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 12
双极型晶体管的工作原理
例 1 ： 已 知 在 一 理 想 晶 体 管 中 ， 各 电 流 成 分 为 ： IEp=3mA 、 IEn=0.01mA 、 ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运 系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。
这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了 少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的 浓度梯度得出电流。
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 14
双极型晶体管的静态特性
一、基区区域：
图(c)显示结上的电场强度分布，在基区中性区域中的少数载流子分布
可由无电场的稳态连续方程式表示：
}
IE
IE IEpIEn, IC ICpICn,
IB IE IC IE n (IE p IC ) pICn
}I EP
I En I BB
IB
空穴电流 和空穴流
晶体管中有一项重要的参数，称 为共基电流增益，定义为
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
0
I Cp IE
因此，得到
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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 6
双极型晶体管的工作原理
在理想的二极管中，耗尽区 将不会有产生-复合电流，所以由 发射区到基区的空穴与由基区到 发射区的电子组成了发射极电流。 而集基结是处在反向偏压的状态， 因此将有一反向饱和电流流过此 结。当基区宽度足够小时，由发 射区注入基区的空穴便能够扩散 通过基区而到达集基结的耗尽区 边缘，并在集基偏压的作用下通 过集电区。此种输运机制便是注 射载流子的“发射极“以及收集 邻近结注射过来的载流子的“集 电极”名称的由来。
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
电子电流 电子流
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
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 11
双极型晶体管的工作原理
对合格的晶体管，IEn远比IEp
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
双极型晶体管工作在放大模式
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。
可见，由邻近的射基结注射过来 的空穴可在反向偏压的集基结造成大 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(基区 宽度足够窄)才会发生，因此此两结被 称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n 结距离太远(基区宽度太大) ，所有入 射的空穴将在基区中与电子复合而无 法到达集基区，并不会产生晶体管的 放大作用，此时p-n-p的结构就只是单 纯两个背对背连接的p-n二极管。