微电子学概论第二章半导体物理与半导体器件原理与物理基础
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
半导体物理第二章概述
半导体的导带和价带中，有很多能级存在，间隔 很小，约10-22eV，可以认为是准连续的。
• 状态密度:能带中能量E--E+dE之间有dZ个量子态。
dZ g (E) = dE
即状态密度是能带中能量E附近单位 能量间隔内的量子态数目
怎样理解状态密度？
1、理想晶体的k空间的状态密度
（1）：一维晶体（一维单原子链） 设它由N个原子组成，晶格常数为a，晶体的长为L=aN， 起点在x处
一定到达某点，只给出到达各点的统计分布。粒子在
某点出现的几率与波函数的强度
*成正比
2
5、 自由电子波函数 解自由电子薛定谔方程可得自由电子波函数与能量：
( x) Ae 式中k
i ( kx t ) 2
，
E
k
2
2m0
2
，m0 为电子惯性质量，ห้องสมุดไป่ตู้角频率
自由电子速度
·
· 2
L
·
0
· 2
L
·
k
（2）.三维立方晶体
设晶体的边长为L，L=N× a，体积为V=L3
K空间中的状态分布
kz
kx
• • • • • • 2 • • L • • • • •• •• • • • • • • • • • • • • • • •
3
• • • • • • • • • • • • • •
* 0 。 2、对于能带底，E(k)>E(0),顾 mn
半导体中的电子
k2 E (k ) E (0) * 2mn
1 d 2E 1 * 2 2 dk k 0 mn
2
自由电子能量：
k2 E 2m
微电子学概论 3
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容 制作
a wq
Pn结的制作
B
1200℃
p n型
（1）扩散
a wq
Pn结的制作
B
p
n型
高真空 高能量 直接打进去
（2）离子注入
I（mA） 画出PN结的理论伏安特 D 2 T=25℃ 性曲线。
1.5 1 0.5
U（mV） 曲线OD段表示PN
0
0.25 50 75 100 -I S
（V）
B
结正向偏置时的伏 安特性，称为正向 特性；
(uA)
图 PN结的理论伏安特性
曲线OB段表示PN 结反向偏置时的伏 安特性，称为反向 特性。
微电子学概论 第二章
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
2.3.1 平衡pn结：无偏压下的pn结
空间电荷区也称作 扩散的结果形成自建电场。
“耗尽区” “势垒 区” 空间电荷区为高阻区，因为 缺少载流子
a wq
齐纳击穿
P型
强电场破坏共价健引起的。 齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高 的PN结中。
n型
第二章 半导体物理和器件物理基础
2.3 pn结 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 平衡pn结 正向特性 反向特性 击穿 电容
除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。 势垒电容CB 多子的充放电引起的。是指外加电压的 变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而 显示出电容效应。几皮法~几百皮法。 PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而 考虑。
微电子学概论复习(知识点总结)
第一章 绪论1.画出集成电路设计与制造的主要流程框架。
2.集成电路分类情况如何？答：3.微电子学的特点是什么？答：微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。
微电子学中的空间尺度通常是以微米(μm, 1μm ＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。
微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、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⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按应用领域分类数字模拟混合电路非线性电路线性电路模拟电路时序逻辑电路组合逻辑电路数字电路按功能分类GSI ULSI VLSI LSI MSI SSI 按规模分类薄膜混合集成电路厚膜混合集成电路混合集成电路BiCMOS BiMOS 型BiMOS CMOS NMOS PMOS 型MOS 双极型单片集成电路按结构分类集成电路机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等第二章半导体物理和器件物理基础1.什么是半导体？特点、常用半导体材料答：什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP （磷化铟）硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
微电子器件与电路第二章_载流子浓度
掺杂原子的电离能
施主原子的离化能： ΔEd = Ec – Ed 受主原子的离化能： ΔEa = Ea – Ev
Si、Ge等半导体材料中常见的几种施主杂质和受 主杂质的电离能一般在几十个毫电子伏特左右。
因此在室温下，这些这些杂质在半导体 材料中基本上都处于完全电离状态。
41
非本征半导体
¾施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
半导体中载流子运动
¾参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。
对于本征半导体产生载流子主要通过本征激发， 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空 穴，电子和空穴同时参与导电。
¾ 在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反
的过程，这一与载流子产生过程相反的过程称为 载流子的复合。
¾提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷
而成为正离子，因此五价杂质原子也称为 施主杂质;
¾施主杂质在给半导体材料中增加导带电子
的同时，却没有增加其价带中空穴的数 量，称之为 N型半导体材料；
¾在N型半导体中自由电子是多数载流子,它
主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
非本征半导体: P型半导体
34
非本征半导体: N型半导体
在正常温度下，将这个施主电子激发到导带上所需的 能量显然要远远低于将共价键中的某个电子激发到导 带所需的能量。Ed 就是施主电子在半导体中引入的能 级，它位于禁带中靠近导带底的位置。
35
非本征半导体: N型半导体
¾只需给这个施主电子提供很少的热运动能
量，就足以将其激发到导带中，施主电子 进入导带之后就可以参与导电;
半导体中的载流子
¾半导体中的载流子：
《微电子学概论》半导体物理学半导体及其基本特性
自由电子的运动
▪ 微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
半导体中电子的运动
▪ 薛定谔方程及其解的形式
V (x) V (x sa)
2
2m0
d 2(x) dx2
V (x)(x)
E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
金刚石结构
金刚石晶体结构
半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
闪锌矿晶体结构
金刚石型
闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
▪ 电子壳层
原子的能级
▪ 不同支壳层电子
➢ 1s；2s，2p；3s，2p，3d；…
▪ 共有化运动
Si原子的能级
▪ 电子的能级是量子化的
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体、绝缘体和导体
半导体的能带
▪ 本征激发
半导体中E（K）与K的关系
E(k)
E(0)
1 2
(d2E dk 2
)k 0
k2
令
1
2
(
d2E dk 2
)k
0
1 mn*
代入上式得
E(k) E(0) 2k 2 2mn*
自由电子的能量
▪ 微观粒子具有波粒二象性
▪
10、判断对错并不重要，重要的在于正确时获取了多大利润，错误时亏损了多少。00:48:3500:48:3500:489/14/2021 12:48:35 AM
▪
第二章--微电子概论
耗尽层(depletion layer) 耗尽层 多子扩散电流 少子漂移电流
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄， 补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽， 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型半导体 － － － － － － － － － － －
耗尽层
N型半导体 + + + + + + + + +
j = σE =
E
ρ
半导体的电导率（电阻率） 半导体的电导率（电阻率）与载流子浓度 (concentration )（掺杂浓度）和迁移率 有关。 （掺杂浓度）和迁移率(mobility )有关。 有关
半导体的迁移率（ 半导体的迁移率（mobility） ）
迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场 是指载流子（电子和空穴）
半导体的特性
热敏性：当环境温度升高时，导电能力明显 热敏性：当环境温度升高时， 増强。 増强。 光敏性：当受到光照时， 光敏性：当受到光照时，其导电能力明显 变化。 可制成各种光敏元件，如光敏电阻、 变化。(可制成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管、光电池等) 光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质， 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质， 使其导电能力明显改变。 使其导电能力明显改变。
PN结及其单向导电性 结及其单向导电性
1 . PN结的形成 结的形成
PN结合 PN结合 →因多子浓度差 →多子的扩散 →空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。 →形成内电场 →阻止多子扩散，促使少子漂移。 内电场E
P型半导体 空间电荷区 N型半导体 － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + +
湖北省考研微电子科学与工程复习资料半导体器件原理概述
湖北省考研微电子科学与工程复习资料半导体器件原理概述湖北省考研微电子科学与工程复习资料——半导体器件原理概述作为现代半导体电子技术的重要基础，半导体器件在微电子科学与工程领域中扮演着至关重要的角色。
本文将对半导体器件的原理进行概述，帮助考生更好地理解和应对湖北省考研微电子科学与工程的学习及复习。
一、半导体物理基础半导体物理基础是理解半导体器件原理的关键。
在半导体中，原子的价电子与价带之间的能隙是半导体材料具有导电特性的重要基础。
通过掺杂技术，可以改变半导体材料的导电性质，并使其在制作半导体器件时具有良好的性能。
二、PN结和二极管PN结是半导体器件的基础，由P型半导体和N型半导体组成。
PN 结上的电荷分布使得PN结具有整流特性，使其成为典型的二极管。
二极管是最简单的半导体器件之一，具有正向导通和反向截止的特性，被广泛应用于各种电子电路中。
三、场效应晶体管场效应晶体管（MOSFET）是一种控制电流的三极制动器，其原理基于半导体中的场效应。
MOSFET具有高输入电阻和低输出电阻的优点，可用于放大电路和开关电路。
根据不同的工作方式，MOSFET可以分为增强型和耗尽型两种类型。
四、双极型晶体管双极型晶体管（BJT）是另一种常用的半导体器件，由NPN或PNP型三层结构组成。
BJT具有两个PN结，分为基极、发射极和集电极。
通过控制基极电流可以达到对输出电流的放大或控制。
BJT常用于放大电路、开关电路和振荡电路等。
五、集成电路集成电路（IC）是半导体器件的重要应用形式。
它将多个电子元件集成在一个芯片上，可以实现复杂的功能。
集成电路根据集成度的不同，可分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）等。
六、光电子器件光电子器件是半导体器件在光电转换中的应用。
其中，光电二极管（PD）可将光信号转换为电信号，而光电发光二极管（LED）和激光二极管（LD）则可将电信号转换为光信号。
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载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 JDe ifq t nd vqnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
迁移率 电阻率
单位电场作用下载流子获得平均速度
反映了载流子在电场作用下输运能力
q
m
影响迁移率的因素： 有效质量
1
qnn qpp
平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
ni与禁带宽度和温度有关
***半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动
非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
电中性条件: 正负电荷之和为0
中 掺入少量的
五价元 素,如磷,
+4
则形成N型半导
体。
+4
+4
+4
正磷原离子子
++54
+4
多余价电子Leabharlann 自由电子+4
+4
N 型半导体结构示意图 少数载流子
正离子
多数载流子
在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
P型半导体
+4
在硅或锗的晶体中
掺入少量的三价元
素,如硼,则形成P 型
半导体。
+4
2.2 PN 结
▪ 大量半导体器件都是由PN结构成; ▪ PN结的性能集中的反应了半导体导电性能特点：
存在两种载流子； 载流子产生与复合； 载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动； 载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流
把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。
它是共价键结构。
在热力学温度零度
和没有外界激发时,
本征半导体不导电。
+4
+4
+4
硅原子
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
+4
本征半导体的共价键结构
在常温下自由电子和空穴的形成
+4
成对消失
复合
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空
自由电子
穴
成对出现
+4
+4
本征激发
▪ 共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强， 如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发等)， 一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子（同时
•电导率是电阻率的倒数 ; •电导率越大则导电性能越强，反之越小 ;
▪ 彼此之间的界线不是绝对的 .导体和半导体区别 是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度 及温度特性。
▪ 半导体有以下主要特点： a) 在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升
而指数增加； b) 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电
产生出一个空穴），这就是本征激发。
在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。
空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
价电子填补空穴 空穴移动方向
电子移动方向
+4
+4
+4
外电场方向
N 型半导体 +4
在硅或锗的晶体
微电子学概论 第二章半导体物理和半导 体器件的原理和物理基础
上一章课程内容回顾
➢第一块晶体管、IC诞生的时间 ➢IC的概念 ➢集成电路的作用 ➢集成电路的分类 ➢微电子学的特点
▪ 第一章 绪论 ▪ 第二章 半导体物理和半导体器件物理基础 ▪ 第三章 大规模集成电路基础 ▪ 第四章 集成电路制造工艺 ▪ 第五章 半导体材料 ▪ 第六章 集成电路设计 ▪ 第七章 集成电路设计的CAD系统 ▪ 第八章 几类重要的特种微电子器件 ▪ 第九章 微机电系统 ▪ 第十章 微电子技术发展的规律和趋势
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础
▪ 2.1 半导体及其导电特性 ▪ 2.2 PN结 ▪ 2.3 双极晶体管 ▪ 2.4 MOS场效应晶体管 ▪ 2.5 小结
2.1 半导体的导电特性
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
重点
▪ 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、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
▪ 能带、导带、价带、禁带
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
导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影 响较弱； c) 在半导体中可以实现非均匀掺杂； d) 光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体 的电导率。
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
硅晶体平面结构
硅晶体立体结构
半导体分类：
半导体有元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
半导体的掺杂
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
正是因为电中性条件的要求，所以不管半导体中两种 载流子的浓度相差如何的大，都不会出现多于的电荷
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷
本征半导体特点：
➢电子浓度＝空穴浓度； ➢载流子少； ➢导电性差； ➢温度特性差。
载流子
电子：Electron，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：Hole，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
+4
+4
+4
负硼离原子子
+43
+4
填补空位
空穴
+4
+4
P 型半导体结构示意图
空穴是多数载流子
负离子
电子是少数载流子
在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As