半导体器件物理2课件
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高中物理第二册半导体及其应用超导ppt.ppt
从导电性的角度，我们把材料分为导体、绝缘体， 还有半导体。那么，还有没有导电性更为奇特的 材料呢？ 金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升 高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低 的时候，情形会怎样呢？ 前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过， 促使电子定向移动的因素是什么？——☆学生： 电场力。制约电子定向移动的微观因素是什 么？——☆学生：电子的热运动。 那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低， 热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非 常非常小呢？ 下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角 度，还有应用的角度阅读一下教材P156~157的 内容，阅读完毕后，请同学们作相关的总结——
2、光敏性 解释可以源于化学键的性质。光敏电阻是一种薄膜 的电子元器件，材料一般为环氧树脂，阻值随着光 源强度而变化。应用—— 照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、光控 音乐I.C. 、工业控制、光控开头光控灯、电子玩具。 3、二极管的单向导电性 如果将P型半导体和N型半导体烧结，由于两种半导 体载流子的不同，将形成单向导电性：即——P接 高电势N接低电势时电流较强（非线性）、N接高电 势P接低电势时电流较弱（非线性）。 这种特性广泛应用于电子线路中的整流环节。即便 是在一些简单的仪器中，也有应用，如打点计时 器…
5、超导磁悬浮列车 在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。 1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是 利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ， 1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键 部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极 强的磁场，使列车的速度达到500km/h 。
三、半导体及其应用 四、超导及其应用
教学目标
1、知道什么是半导体、它的电阻率范围 2、了解半导体的应用 3、知道什么是超导现象，了解相关名词 4、了解超导的历史，知道一些重要的物理事 件 5、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技 的精神
《半导体物理》课件
半导体器件
半导体应用
探索各种半导体器件，如二极管、 晶体管和集成电路的工作原理。
了解半导体在电子通信、计算机 和能源技术等领域中的应用。
晶体物理基础
本节将介绍晶体物理学的基本原理及晶格结构。了解晶体的性质和结构对于理解半导体物理至关重要。
晶体结构
探索晶体的结晶结构和晶格参数。
布拉维格子
了解布拉维格子及其在晶体物理中的重要性。
PN结与二极管
深入了解PN结和二极管的工作原理和特性。探索PN结在电子器件中的重要性和应用。
PN结形成
了解PN结的形成过程和材料特性。
正向偏置
介绍正向偏置情况下PN结的导电性能和电流行为。
反向偏置
研究反向偏置情况下PN结的特性和电流行为。
场效应晶体管
本节将深入研究场效应晶体管的工作原理和应用。了解场效应晶体管作为重要的电子器件的优势和特性。
晶体缺陷
研究晶体中的缺陷和杂质对材料性能的影响。
晶体生长
了解晶体的生长原理和方法。
晶体缺陷与扩散
本节将深入研究晶体缺陷和扩散现象。了解这些关键概念对于半导体器件设计和制造至关重要。
1
缺陷类型
介绍晶体缺陷的种类，如点缺陷和线缺
扩散过程
2
陷。
详细了解扩散现象的原理和应用，包括
掺杂和控制扩散速率。
3
热扩散
1
原理介绍
详细了解场效应晶体管的基本物理原理和工作机制。
2
பைடு நூலகம்
MOSFET
研究金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和特性。
3
JFET
了解结型场效应晶体管的结构和特点。
集成电路基础
在本节中，我们将介绍集成电路的基本概念和设计原则。了解集成电路的演变和应用。
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体器件物理2精品PPT课件
线性缓变结：在线性区 N (x) ax
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接 触）所形成的结构叫做PN结。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结 （junction）,有时也叫做接触（contact）.
引言
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种 导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质 构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－ 锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型 同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导 体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们 叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
中国科大半导体器件物理课件2
dp q p p qD p dx
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
16
中国科学技术大学物理系微电子专业
2. 内建电势（接触电势差）
N型中性区
qFn n0 ni exp kT kT N D Fn ln q n i
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
8
中国科学技术大学物理系微电子专业
扩散与离子注入
用可控制数量的杂质掺入半导体
扩散：掺杂分布主要由扩散温度及扩散时间决 定，用于形成深结： 扩散流密度F(单位时间通过单位面积的杂质原 子数）： C
F D x
2 s ND xn Vbi q (N A ND )N A
2 s NA xn Vbi q (N A ND ) ND
2014-8-24
Principle of Semiconductor Devices
27
中国科学技术大学物理系微电子专业
单边突变结
实际问题中经常遇到p区和n区掺杂浓度相 差悬殊的情况,当突变结一边杂质浓度远 大于另一边时，称为单边突变结。 对于单边突变结，空间电荷区宽度简化为
晶体生长与外延
—从熔体中生长单晶：直拉法(Si)和布里奇曼法(GaAs) 原材料：石英砂 SiC(固体)+SiO2(固体)Si(固体)+SiO(气体)+CO(气体) 冶金级硅 电子级硅（ppb量级） 硅片成形:前处理切片双面研磨抛光 —外延：除常规外延工艺(如气相外延VPE)外，还有液相 生长法（广泛应用于化合物半导体）及绝缘体上硅分子 束外延等。
半导体器件物理_2孟庆巨 ppt课件
单晶
有周期性
非晶
无周期性
PPT课件
多晶
每个小区域有周期性
6
3、晶体的结构
1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使 得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结 构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空 间点阵成为晶格。
2）晶体结构与原子结合的形式有关
晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合
半导体的基本特性
温度效应-----负温度系数 掺杂效应-----杂质敏感性 光电效应-----光电导 电场、磁场效应
4 PPT课件
常见的半导体材料
5 PPT课件
2、固体的结构
固体从其结构来讲有规则和不规则，如玻璃的结 构则是不规则的，而硅单晶的结构是规则的：
– 按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：
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。
自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
• 绝缘体的带隙很大
24 PPT课件
三、半导体中的载流子
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
• 电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。
• 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束 缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。
25 PPT课件
(1)电子空穴对
硅原子有：
《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。
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 。
半导体物理第二章能带和载流子课件
自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0 （m0为自由电子质量）
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
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 施敏 第二版共48页PPT
和NA-。这样一来，产生了一个电场BJ阻止它们的
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
VbinpkqTlnND ni2NA
4.3 耗尽区
4.3.1 突变结电场电势分布
耗尽层近似
假定：ND ，NA 是常数
耗尽层近似
Possion方程
耗尽层近似
总耗尽层宽度为： xm xn xp
N区有： E(x)E mqsD N xqsD N (xxn)
P区： E(x)ddxqsN A(xxp)
电场随x线性变化，在x=0时达最大值：
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
4.5.1 理想情况
耗尽区边界的
np
n p0
e x p（
qV kT
）
少数载流子浓度
pn
pn0
e x p（
qV kT
）
稳态连续方程：
总电流是常数
D Jpdd J2 （P 2 xxp n）J （n p -xE p）d =d J S[p exx p（ qkpvT） 10]
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
VbinpkqTlnND ni2NA
4.3 耗尽区
4.3.1 突变结电场电势分布
耗尽层近似
假定：ND ，NA 是常数
耗尽层近似
Possion方程
耗尽层近似
总耗尽层宽度为： xm xn xp
N区有： E(x)E mqsD N xqsD N (xxn)
P区： E(x)ddxqsN A(xxp)
电场随x线性变化，在x=0时达最大值：
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
4.5.1 理想情况
耗尽区边界的
np
n p0
e x p（
qV kT
）
少数载流子浓度
pn
pn0
e x p（
qV kT
）
稳态连续方程：
总电流是常数
D Jpdd J2 （P 2 xxp n）J （n p -xE p）d =d J S[p exx p（ qkpvT） 10]
半导体物理学第二章ppt课件
B
P型半导体
EA
最新课件
受主能级
EC
EA EV
12
半导体的掺杂
• Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受
主和施主杂质，它们在禁带中引入了能
级；受主能级比价带顶高
E
，施主能级
A
比导带底低 E D ，均为浅能级，这两种
杂质称为浅能级杂质。
• 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
（a）Si原子半径
（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
解：（a） r1(1 3a) 3a
24
8
（b）
84r3
3 a3
3
16
0.34
最新课件
6
间隙式杂质、替位式杂质
• 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
– 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
• V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n 型杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记 为ED。施主能级离导带底Ec的距离为ED。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
最新课件
9
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
• 2.4 缺陷、位错能级
最新课件
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带 再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价 带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离 能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受 主离化态 Au＝ ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给 使之成为三重电受主离化态Au ，所需能量为 EA3-Ev 。
第二讲-半导体物理及器件基础总结PPT课件
If, in discussing a semiconductor problem, you cannot draw an Energy Band Diagram, this shows that you don't know what you are talking about.
If you can draw one, but don't, then your audience won't know what you are talking about.
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《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。
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图
6. 1
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 4
金属-半导体接触
➢ 能带情况
金属
绝缘体
金-半接触并处于热平衡时，两者 费米能级相同，真空能级必须连续
半导体
欧姆接触 (a ) 平 面 工 艺 所 制 作 的 金 半 接 触 的 透 视 图 金属
V
半导体
理想状况下， 金属与n型半导体的势垒高度
qBn qmq x
天津工业大学
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 7
金属-半导体接触
➢金-半接触的电荷与电场分布
假设金属为完美导体，由半导体迁 移过来的电荷将存在于其表面极狭 窄的区域内。
s
qN D
0
W
x
电 荷 分 布 与 单 边 突 变 的 p+-n 结 的 情
况相同。
在x<w处，ρs= qND 在x>w处，ρs= 0 电场大小随着距离增加而线性变小
VbiVEm 2Wq2ND W s 2
耗尽区宽度W可表示为
s
qN D
0
W
x
(a )
W 2s(Vbi V)
qND
E
W
x
Em
半导体内的空间电荷密度QSC
(b )
图 6.5 金 属 － 半 导 体 接 触 中 的
Q S C qD W N 2 qsN D ( V b iV ) (C /c2 ) m ( a ) 电 荷 分 布 、 ( b ) 电 场 分 布
MESFET
源极
栅极
漏极 Z
d
SiO 2
MESFET与MOSFET
n+
rj
L
n+
相似之处：
p z
具有相似的电流-电压特性。 y(Ey)
x(Ex )
衬底
不同之处：
栅 电 极 部分 ， MESFET 利 用 Z 金属-半导体的整流接触取代a 了MOSFET的MOS结构； 源极与漏极部分 ，MESFET 以 欧 姆 接 触 取 代 MOSFET 中 的p-n结。
其中对正向偏压，V为+VF；对反向偏压，V为-VR。
源极
L gs L
栅极
L gd 漏极
n型
半导体绝缘 衬底
L
(a ) M E S F E T 的 透 视 图
栅极
VG 0
源极
a
W
漏极
L
VD
天津工业大学
(b ) M E S F E T 栅 极 区 域 的 截 面 图
现代半导体器件物理
图 6. 10
MESFET及相关器件 3
金属-半导体接触
基本特性
➢功函数定义为费米能级和真空能级之差。 ➢电子亲和力qχ，它是半导体导带端与真空能级的能量差。
(b ) 热 平 衡 时 金 属 － 半 导 体 接 触 的 能 带 图
EV
图 6. 2
➢金-半接触可分为两种形式：整流性与非整流的欧姆性。
金属
绝缘体
天津工业大学
半导体
欧姆接触
(a ) 平 面 工 艺 所 制 作 的 金 半 接 触 的 透 视 图 金属
V
半导体
(b ) 金 半 接 触 的 一 维 结 构
图 6. 2
EV
EF
天津工业大学
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 6
金属-半导体接触
偏压为零
n型半导体
q Bn
qVbi
q(Vbi VF )
正向偏压
（+）
qVF
势垒降低了VF
EC EF EV
(a) 热 平 衡
(b) 正 向 偏 压
p型半导体 EC
EF EV qVbi q Bn
n型半导体
q Bn
独立金属能带图
独立n型半导体能带图
真空能级
金属的功函数 (a )
qm
q ( m )
q
金属
热平衡情形下，一独立金属靠近一独立
qs 半导体
EC EF
半E V 导体的功函数
n型 半 导 体 的 能 带 图
EF
qm
q
q B n q ( m )
q V b i q ( m s )
qs EC
EF
势垒提高了VR
(c) 反 向 偏 压
q(Vbi + VR )
（+）
(c) 反 向 偏 压
q(Vbi + VR ) （-）
图 6.4 不 同 偏 压 情 况 下 ， 金 属 与 n 型 及 p 型 半 导 体 接 触 的 能 带 图
图 6.4 不同偏压情况下，金属与 n 型及 p 型半导体接触的能带图
(b ) 金 半 接 触 的 一 维 结 构
图 真空能级
6. 1
qm 金属
q ( m )
q
qs
半导体
EC EF
EV
(a ) 热 平 衡 情 形 下 ， 一 独 立 金 属 靠 近 一 独 立 n 型 半 导 体 的 能 带 图
q
金属与p型半导体势垒高度
qm qBn
q ( m
)
EF
q V b i q ( m s )
qVbi EC
EF
EV (a) 热 平 衡
q(Vbi VF )
qVF
（-）（-）
qVF
q(Vbi VF )
(b) 正 向 偏 压
p型半导体 EC
EF EV qVbi q Bn
qVF
（+）
q(Vbi VF)
q(Vbi + VR )
q(Vbi + VR )
（-）
qVR
qVR （+）
qVR
qVR
反向偏压
(a )
E
W
x
Em
ExqND(W s x)EmqsD Nx
(b )
图 6.5 金 属 － 半 导 体 接 触 中 的 (a) 电 荷 分 布 、 (b) 电 场 分 布
最大电场Em发生在界面处
Em
qNDW
s
天津工业大学
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 8
金属-半导体接触
降落在空间电荷区的电压为图中 电场曲线下的面积
天津工业大学
现代半导体 器件物理
Physics of Modern Semiconductor Devices
MESFET及相关器件
现代半导体器件物理
2004,7,30
MESFET及相 金半场效应晶体管 调制掺杂场效应晶体管
天津工业大学
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 2
qs EC
EF
qBp Eg(qmq)x
(b ) 热 平 衡 时 金 属 － 半 导 体 接 触 的 能 带 图
EV
图 6. 2
则
q(Bn+Bp )Eg
在n型和p型衬底上的势垒高度和，恰等于半导体的禁带宽度
天津工业大学
现代半导体器件物理
MESFET及相关器件 5
金属-半导体接触
Vbi 为 电 子 由 半 导 体 导 带上欲进入金属时遇到 的内建电势
VbiBn Vn
真空能级
qm 金属
q ( m )
q
qs
半导体
EC EF
EV
qVn ( a ) 热 平 衡 情 形 下 ， 一 独 立 金 属 靠 近 一 独 立 n 型 半 导 体 的 能 带 图
EF
q qm
q B n q ( m )
q V b i q ( m s )
qs EC
(b ) 热 平 衡 时 金 属 － 半 导 体 接 触 的 能 带 图