半导体器件物理习题讲解93页PPT
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半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
半导体物理基础知识PPT课件
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6
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，
简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重 要的晶胞。
(a)简单立方 （Po）
(b)体心立方 （Na、W）
图1.2-3
(c)面心立方 （Al、Au）
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未被电子填满的能带称为导带，已被电子 填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电 性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。 (图1.3-3)
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13
1.3固体的能带理论
导 带 Ec
禁
E9
带
E9
Ev 绝缘体
价 带
半导体
导体
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14
1.4半导体的导电特性
1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的
规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单 晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。
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5
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅
原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种 共有电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强， 没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。 1.4.3杂质的显著影响
在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上 百万的增加。这是最特殊的独特性能。 1.4.4其他特性
温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。
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半导体器件物理施敏第三版ppt
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EF
EC
ED 2
kT ln 2
ND 2NC
0.027 0.022
0.005eV
(2) 常温情况（T=300K） EC -EF = kT ln(n/ni)= 0.0259ln(ND/ni) = 0.205 eV
(3) 高温情况（T=600K） 根据图2.22可看出ni =3X1015 cm-3，已接近施主浓度 EF -Ei = kT ln(n/ni) = 0.0518ln(ND/ni) = 0.0518ln3.3=0.06eV
D EF ED
kT
16
[(EC 0.0459)( EC 0.045)]1.61019 1.38102377
5.34105 cm3
n中性 n电离
(1 0.534) 1016 0.5341016
0.873
第三章 载流子输运现象
2. 假定在T = 300 K，硅晶中的电子迁移率为n = 1300 cm2/V·s，再假定迁移率主要受限于晶格散射， 求在(a) T = 200 K，及(b) T = 400 K时的电子迁移率。
n ni2 (9.65109)2 1.86104cm3
p
51015
1
qp p
1.6
10
19
1 5
1015
350
3.57cm
(c) 51015硼原子/cm3、1017砷原子/cm3及1017镓 原子/cm3
半导体器件物理PPT课件
解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
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。
27
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；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
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。
27
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；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
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》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
[物理]半导体器件物理ppt
![[物理]半导体器件物理ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/4aaa424c7375a417866f8ffb.png)
V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。 在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗 尽 时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反 型 时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型 当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0： 空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0： 平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB： 禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)．
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
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》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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=3/2kT
14. 一半导体的本征温度为当本征载流子浓度等 于杂质浓度时的温度。找出掺杂1015 磷原子/立方 厘米的硅样品的本征温度。
解：根据题意有 ni NcNvexp(g-/2EkTN )D,1015cm3
本征温度时，Ni=ND
将NV ≡2(2mpkT/h2)3/2和NC1(2 2mnkT /h2)32 代入上式并化简，得
(2) 常温情况（T=300K） EC -EF = kT ln(n/ni)= 0.0259ln(ND/ni) = 0.205 eV
(3) 高温情况（T=600K） 根据图2.22可看出ni =3X1015 cm-3，已接近施主浓度 EF -Ei = kT ln(n/ni) = 0.0518ln(ND/ni) = 0.0518ln3.3=0.06eV
第二章
热平衡时的能带和载流子浓度
1. (a)硅中两最邻近原子的距离是多少？
解答: (a) 硅的晶体结构是金刚石
晶格结构，这种结构也 属于面心立方晶体家族， 而且可被视为两个相互 套构的面心立方副晶格， 此两个副晶格偏移的距 离为立方体体对角线的 1/4（a /4的长3 度）
硅在300K时的晶格常数为5.43Å ，
n中性 (10.53)410160.873 n电离 0.5341016
第三章 载流子输运现象
2. 假定在T = 300 K，硅晶中的电子迁移率为n = 1300 cm2/V·s，再假定迁移率主要受限于晶格散射， 求在(a) T = 200 K，及(b) T = 400 K时的电子迁移率。
有同学根据T = 300 K， n = 1300 cm2/V·s，查表3-2，得
n 电 1 离 eN D x E F k E D T p ) 1 ( e[ x E ( C 0 .0 p 1 1 4 ) .3 1 ( E 1 5 C 0 8 6 2 0 0 .9 0 7 3)4 7 1 ] .6 5 1 1 0 9 5 .3 1 4 5 c 0 3 m
子的动能。
解：在能量为dE范围内单位体积的电子数 N(E)F(E)dE, 而导带中每个电子的动能为E-Ec 所以导带中单位体积电子总动能为
(EE)cN(E)F(E)dE Ec
而导带单位体积总的电子数为
N(E)F(E)dE Ec
导带中电子平均动能：
(EEc)N(E)F(E)dE Ec N(E)F(E)dE Ec
所以硅中最相邻原子距离= 35.432.35Å
4
(b)计算硅中（100），（110），（111）三平面 上每平方厘米的原子数。
(1) 从(100)面上看，每个单胞侧面上有 1 41 08)26.7 81104
(2) 从(110)面上看，每个面上有 212144个原子 24
20. 对一掺杂1016 cm-3磷施主原子，且施主能级ED= 0.045 eV的n型硅样品而言，找出在77K时中性施主 浓度对电离施主浓度的比例；此时费米能级低于导 带底部0.0459eV（电离施主的表示式可见问题19）。
题19公式： n=N D [1 -F(E D )]=1eN E FD -E D/kT
(1) 低温情况（77K） 由于低温时，热能不
足以电离施主杂质，大部 分电子仍留在施主能级， 从而使费米能级很接近施 主能级，并且在施主能级 之上。（此时，本征载流 子浓度远小于施主浓度）
E F E C 2 E D k 2lT 2 n N N D C 0 .0 2 0 .0 7 2 0 .0 2e 0V 5
找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
解：此正方形内部诸原子可视为是由一个顶点及其 所在 三个邻面的面心原子沿体对角线平移1/4 长度后，向底面投影所得。
因此，x的高度为3/4 y的高度为1/4 z的高度为3/4
6. (a)计算砷化镓的密度（砷化镓的晶格常数为 5.65 Å，且砷及镓的原子量分别为69.72及 74.92克/摩尔）。
ni2 4(m pm n)2 3(2hk2 )T 31 2ex 2k p EgT )(
为一超越方程，可以查图2.22得到近似解
对应 ni 1015cm3
的点在1.8左右，即
1000 1.8 T
T55K 6
将T=556K代入原式验证得， Ni=1.1X1015，基本符合
16. 画出在77K，300K，及600K时掺杂1016 砷原子/ 立方厘米的硅的简化能带图。标示出费米能级且使 用本征费米能级作为参考能量。
所以，每平方厘米中的原子数=
4 2a2
(5.42 312 08)2
9.61104
(3) 从(111)面上看，每个面上有 13132个原子 62
所以，每平方厘米的原子数=
2
4
7.8 3 110 4
4 3(2a)2 3(5.4 3 1 8 0 )2
2. 假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。
砷化镓为闪锌矿晶体结构
其中，每个单胞中有
18164 82
个As原子，和4个Ga原子
所以，每立方厘米体积中的As和Ga原子数均为
a 43(5.6 5 410 8)32.2120c 2 m 3
密度 = 每立方厘米中的原子数× 原子量/阿伏伽德罗常数
2.2120 2(66 ..7 0 9 2 2 1 72 .9 0 4 3)2 g/c3 m 2.214.644g/cm3 60.2
ND=1016cm-3，再进行查图2.2得n ----不好
其实可以利用L与T-3/2 的比例关系（书49页）。理论分析显
示晶格散射所造成的迁移率L 将随 T-3/2 的方式减少。由杂质 散射所造成的迁移率I 理论上可视为随着 T3/2/NT 而变化，其
5.29g/cm3
(b)一砷化镓样品掺杂锡。假如锡替代了晶格中镓 的位置，那么锡是施主还是受主? 为什么? 此 半导体是n型还是p型?
答：因为镓为III族元素，最外层有3个电子；锡为IV族元 素，最外层有4个电子，所以锡替换镓后作为施主提供电 子，此时电子为多子，所以该半导体为n型。
12. 求出在300K时一非简并n型半导体导带中电
14. 一半导体的本征温度为当本征载流子浓度等 于杂质浓度时的温度。找出掺杂1015 磷原子/立方 厘米的硅样品的本征温度。
解：根据题意有 ni NcNvexp(g-/2EkTN )D,1015cm3
本征温度时，Ni=ND
将NV ≡2(2mpkT/h2)3/2和NC1(2 2mnkT /h2)32 代入上式并化简，得
(2) 常温情况（T=300K） EC -EF = kT ln(n/ni)= 0.0259ln(ND/ni) = 0.205 eV
(3) 高温情况（T=600K） 根据图2.22可看出ni =3X1015 cm-3，已接近施主浓度 EF -Ei = kT ln(n/ni) = 0.0518ln(ND/ni) = 0.0518ln3.3=0.06eV
第二章
热平衡时的能带和载流子浓度
1. (a)硅中两最邻近原子的距离是多少？
解答: (a) 硅的晶体结构是金刚石
晶格结构，这种结构也 属于面心立方晶体家族， 而且可被视为两个相互 套构的面心立方副晶格， 此两个副晶格偏移的距 离为立方体体对角线的 1/4（a /4的长3 度）
硅在300K时的晶格常数为5.43Å ，
n中性 (10.53)410160.873 n电离 0.5341016
第三章 载流子输运现象
2. 假定在T = 300 K，硅晶中的电子迁移率为n = 1300 cm2/V·s，再假定迁移率主要受限于晶格散射， 求在(a) T = 200 K，及(b) T = 400 K时的电子迁移率。
有同学根据T = 300 K， n = 1300 cm2/V·s，查表3-2，得
n 电 1 离 eN D x E F k E D T p ) 1 ( e[ x E ( C 0 .0 p 1 1 4 ) .3 1 ( E 1 5 C 0 8 6 2 0 0 .9 0 7 3)4 7 1 ] .6 5 1 1 0 9 5 .3 1 4 5 c 0 3 m
子的动能。
解：在能量为dE范围内单位体积的电子数 N(E)F(E)dE, 而导带中每个电子的动能为E-Ec 所以导带中单位体积电子总动能为
(EE)cN(E)F(E)dE Ec
而导带单位体积总的电子数为
N(E)F(E)dE Ec
导带中电子平均动能：
(EEc)N(E)F(E)dE Ec N(E)F(E)dE Ec
所以硅中最相邻原子距离= 35.432.35Å
4
(b)计算硅中（100），（110），（111）三平面 上每平方厘米的原子数。
(1) 从(100)面上看，每个单胞侧面上有 1 41 08)26.7 81104
(2) 从(110)面上看，每个面上有 212144个原子 24
20. 对一掺杂1016 cm-3磷施主原子，且施主能级ED= 0.045 eV的n型硅样品而言，找出在77K时中性施主 浓度对电离施主浓度的比例；此时费米能级低于导 带底部0.0459eV（电离施主的表示式可见问题19）。
题19公式： n=N D [1 -F(E D )]=1eN E FD -E D/kT
(1) 低温情况（77K） 由于低温时，热能不
足以电离施主杂质，大部 分电子仍留在施主能级， 从而使费米能级很接近施 主能级，并且在施主能级 之上。（此时，本征载流 子浓度远小于施主浓度）
E F E C 2 E D k 2lT 2 n N N D C 0 .0 2 0 .0 7 2 0 .0 2e 0V 5
找出图中三原子（X, Y, Z）的高度。
解：此正方形内部诸原子可视为是由一个顶点及其 所在 三个邻面的面心原子沿体对角线平移1/4 长度后，向底面投影所得。
因此，x的高度为3/4 y的高度为1/4 z的高度为3/4
6. (a)计算砷化镓的密度（砷化镓的晶格常数为 5.65 Å，且砷及镓的原子量分别为69.72及 74.92克/摩尔）。
ni2 4(m pm n)2 3(2hk2 )T 31 2ex 2k p EgT )(
为一超越方程，可以查图2.22得到近似解
对应 ni 1015cm3
的点在1.8左右，即
1000 1.8 T
T55K 6
将T=556K代入原式验证得， Ni=1.1X1015，基本符合
16. 画出在77K，300K，及600K时掺杂1016 砷原子/ 立方厘米的硅的简化能带图。标示出费米能级且使 用本征费米能级作为参考能量。
所以，每平方厘米中的原子数=
4 2a2
(5.42 312 08)2
9.61104
(3) 从(111)面上看，每个面上有 13132个原子 62
所以，每平方厘米的原子数=
2
4
7.8 3 110 4
4 3(2a)2 3(5.4 3 1 8 0 )2
2. 假如我们将金刚石晶格中的原子投影到底部，原 子的高度并以晶格常数为单位表示，如下图所示。
砷化镓为闪锌矿晶体结构
其中，每个单胞中有
18164 82
个As原子，和4个Ga原子
所以，每立方厘米体积中的As和Ga原子数均为
a 43(5.6 5 410 8)32.2120c 2 m 3
密度 = 每立方厘米中的原子数× 原子量/阿伏伽德罗常数
2.2120 2(66 ..7 0 9 2 2 1 72 .9 0 4 3)2 g/c3 m 2.214.644g/cm3 60.2
ND=1016cm-3，再进行查图2.2得n ----不好
其实可以利用L与T-3/2 的比例关系（书49页）。理论分析显
示晶格散射所造成的迁移率L 将随 T-3/2 的方式减少。由杂质 散射所造成的迁移率I 理论上可视为随着 T3/2/NT 而变化，其
5.29g/cm3
(b)一砷化镓样品掺杂锡。假如锡替代了晶格中镓 的位置，那么锡是施主还是受主? 为什么? 此 半导体是n型还是p型?
答：因为镓为III族元素，最外层有3个电子；锡为IV族元 素，最外层有4个电子，所以锡替换镓后作为施主提供电 子，此时电子为多子，所以该半导体为n型。
12. 求出在300K时一非简并n型半导体导带中电