电子材料与器件原理Ch1
电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1ElementaryCrystals,3Ed
55.85 × 10 −3 kg mol −1 2 −1 23 6.022 × 10 mol 3 (0.2866 × 10 −9 m)
ρ = 7.88 × 103 kg m-3 or 7.88 g cm-3
Atomic concentration is 2 atoms in a cube of volume a3, i.e.
Elementary Crystals ( S. O. Kasap, 1990 - 2001: v.1.0) An e-Booklet
1
Elementary Crystals
Safa Kasap Department of Electrical Engineering University of Saskatchewan Canada
Elementary Crystals ( S. O. Kasap, 1990 - 2001: v.1.0) An e-Booklet
2
Solution Consider a face diagonal as shown in Figure 1. Two corner atoms and the central atom are in contact and the length of the face-diagonal is 4R, a2 + a2 = (4R)2 and therefore a= 4 R = 2 2R 2
3. The Diamond and the Zinc Blende Structures
The diamond and the zinc blende crystal structures have similarities. Both are cubic crystals and both have 8 atoms in the unit cell. In the zinc blende unit cell, four are Zn atoms and four are S atoms. Problem: Density of Si and GaAs and atomic concentration The crystal structures for Si and GaAs are shown Figure 3. Given the lattice parameters of Si and GaAs, a = 0.543 nm and a = 0.565 nm respectively, and the atomic masses of each element in the Periodic Table, calculate the density of Si and GaAs. What is the atomic concentration, atoms per unit volume, in each crystal?
大学物理中的电子器件电子元件的工作原理与应用
大学物理中的电子器件电子元件的工作原理与应用电子器件是电子技术中非常重要的组成部分，它们广泛应用于各个领域，推动了现代科技的发展。
本文将介绍一些常见的电子器件，包括二极管、晶体管和集成电路，并探讨它们的工作原理和具体应用。
一、二极管二极管是最基本的电子器件之一，具有正向导通和反向截止的特性。
二极管通常由半导体材料制成，主要包括硅和锗。
其工作原理是基于PN结，当P型和N型半导体材料接触时，形成PN结。
在正向偏置情况下，电流能够流过二极管，而在反向偏置情况下，电流被阻塞。
这一特性使得二极管在电路中可以用作整流器、开关和波形修整器等。
二、晶体管晶体管是一种用于放大和开关电信号的器件，是现代电子技术中最重要的元件之一。
常见的晶体管包括三极管和场效应晶体管（FET）。
三极管由三个控制电极组成，通过控制基极电压来控制集电极-发射极之间的电流。
场效应晶体管则通过调控栅极电压来控制漏极-源极之间的电流。
三极管的工作原理是基于PNP或NPN结的控制，根据电流的放大特性，可以将微弱的输入信号放大到较大的输出信号。
场效应晶体管则是基于电场控制电流的原理，通过控制栅极电压来调节漏极-源极之间的电流。
晶体管广泛应用于放大器、开关、振荡器和计时器等电路中。
三、集成电路集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是将数百到数十亿个电子元件集成在一个微小的芯片上。
它是现代电子技术中最重要的发展之一。
集成电路由多个晶体管、二极管和电阻等元件组成。
根据不同的功能，集成电路分为模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路用于处理和传输连续变化的信号，常见的应用包括音频放大器、电源管理和调节电路。
数字集成电路用于处理和传输离散的信号，常见的应用包括计算机、通信设备和数字媒体等。
随着集成电路技术的不断进步，现代电子设备更小、更高效、更功能强大。
总结：电子器件如二极管、晶体管和集成电路在现代物理学中起着重要作用。
二极管的正向导通和反向截止特性使得它在整流、开关和波形调整中具有广泛应用。
模拟电子技术ch1
15
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被
杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，
其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，
必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，
很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
25
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
300K 硅的 ni=1.5X1010CM-3 硅原子的浓度为 4.96X1022CM-3
14
1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子材料与器件原理
电子材料与器件原理
电子材料与器件原理是现代电子科学与技术的基础。
电子材料是指能够在电子器件中用作载流子传递的材料。
常见的电子材料包括金属、半导体和绝缘体等。
其中，金属具有良好的导电性能，可以用来制造电子器件中的导线和接触等部件。
半导体是一种介于金属和绝缘体之间的材料，具有较高的电阻率，但在一定条件下能够导电。
半导体材料广泛应用于各种电子器件中，如晶体管、集成电路等。
绝缘体是电子材料中电阻率最高的一类材料，用于隔离和保护电子器件中的不同功能单元。
在电子器件中，材料的选择和应用极为重要。
不同的电子器件需要不同性质的材料来实现其功能。
例如，金属材料的良好导电性能使其成为电子器件中传输信号和电流的理想选择。
而半导体材料则因其在一定条件下可调节导电性能而广泛应用于电子器件的控制和放大等功能。
绝缘体材料则起到隔离和保护的作用。
电子器件的工作原理可以大致分为两类：基于电流的原理和基于电场的原理。
基于电流的原理包括电阻、电容和电感等器件，它们根据电流通过器件的方式实现对电信号的处理和控制。
基于电场的原理则是利用电场对电荷的作用，实现能量转换、信号调制和存储等功能。
常见的基于电场的器件有二极管、晶体管和集成电路等。
电子材料与器件原理是电子工程师和科学家研究和开发先进电子器件的基础。
通过深入了解材料和器件之间的相互作用和特性，可以优化器件的性能，并推动电子科技的不断发展和应用。
CH1-6习题解
第一章1.1 计算施主浓度分别为1610、1810、31910-cm 的硅在K 300时的费米能级（以本征费米能级作为参考能级），对掺杂浓度相同的受主杂质进行同样的计算。
解：对施主浓度分别为1610、1810、31910-cm 的硅在K 300时的费米能级为()()()()⎪⎩⎪⎨⎧====⨯==----3193183161010528.010468.010349.0105.1ln 026.0lncm N cm N eV cm N eV N n N kT E E D D D Di D i F 对掺杂浓度相同的受主费米能级为()()()()⎪⎩⎪⎨⎧====⨯==----3193183161010528.010468.010349.0105.1ln 026.0lncm N cm N eV cm N eV N n N kT E E D D D Ai A F i1.2 计算施主掺杂浓度315109-⨯=cm N D 及受主掺杂浓度316101.1-⨯=cm N A 的硅在室温下的电子浓度和空穴浓度以及费米能级的位置。
解：由已知条件⎩⎨⎧⨯=⨯=--316315101.1109cmN cm N A D ，可以判断A D N N <，该半导体为P 型半导体。
其空穴浓度，即多子浓度为3150102-⨯=-=cm N N p D A其电子浓度，即少子浓度为()()3515210020101.1102105.1-⨯=⨯⨯==cm p n n i 其费米能级的位置为()eV n p kT E E i F i 307.0105.1102ln 026.0ln 10150=⨯⨯==-1.4 设电子和空穴的迁移率分别为S V cm ⋅21350和S V cm ⋅2500，试计算本征硅在K 300下的电导率。
当掺入百万分之一的砷后，设杂质全部电离，计算其电导率，并将其与本征硅的电导率进行比较。
解：本征硅的电导率为()()()1619101044.45001350106.1105.1--⋅Ω⨯=+⨯⨯⨯⨯=+=cm q n p n i i μμσ已知硅的原子密度是322105-⨯cm ，掺入百万分之一的砷后，该半导体为N 型半导体，施主杂质浓度为()31662210510105--⨯=⨯⨯=cm N D电子浓度为()3160105-⨯==cm N n D ，忽略少子浓度0p ，电导率为()1161900510 1.610135010.8n n q cm σμ--==⨯⨯⨯⨯=Ω1.5 某Si P -样品的电阻率为cm ⋅Ω20试计算室温下的多数载流子浓度和少数载流子浓度。
半导体器件物理CH1
K空间和态密度
晶体中的电子由于受到有限体积的限制，k值只能取分立值
n kx , L l ky , L m kz , L
n, l, m为任意整数 L3为晶体体积 kz
常用几何方法标志晶体中电子的共有化运动状态：
每一组(n, l, m)对应“k空间”中的一个点，代表 一个确定的电子共有化运动状态。 k空间中的点的密度，代表电子的状态密度。 根据k空间中的状态密度，和能量的表 达式，可以求能态密度。
第四章 新型半导体器件
–超晶格器件，共振隧道器件，其他新型半导体
第一章 半导体物理基础
§1.1 半导体材料 §1.2 晶体结构 §1.3 能带 §1.4 热平衡时的载流子浓度 §1.5 载流子输运 §1.6 半导体的声子谱以及光学、热学和高场性质 §1.7 半导体器件工作的基本方程
Ch1
§1.1 半导体材料
基失: 基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点的矢量）不过任何
阵点 。取一原点O，选 a , b , c 三个基本平移矢量。任何一平移矢 量 R ，都可用 a , b , c 表示: R ua b wc
1。特定的方向用方括号表示：[ u w ] 2。晶向指数 u，，w 是一组最小的指数，[1/2 1/2 1]→[112] 3。负指数[ū w ] 4。由对称性决定的等效晶向<u >
近自由电子近似
自由电子气模型
E(k ) h2 k 2 / 2m 色散关系采取最简单的形式
E E
k -3/a
-2/a /a
0
/a 2/a
3/a
/a
0
/a
k
扩展区方案
简约区方案
电子材料与器件原理(清华第三版)Chapter 1IonicCrystals
4
4 3
πR+3
+4 a3
4 3
πR±3
=
1
4 3
π
0.1673
+1
4 3
π
0.1813
0.5413
= 0.70
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Packing of coins on a table top to build a two dimensional crystal.
Figure 1
Problem: CsCl The CsCl unit cell is shown in Figure 2. The ionic radii of Cs+ and Cl– are 0.170 nm and 0.181 nm respectively. Confirm that the coordination number (CN) is 8 as in the figure and calculate the lattice parameter a and the APF.
Ionic Crystals (© S. O. Kasap, 1990 - 2000)
1
ch01-半导体中电子和空穴
E E c E vE
第二十二页，共33页。
1.7 热平衡与费米分布函数
费米分布函数描述的是在热平衡条件下，能量为E的量
子态被电子占据的几率，其数学公式为
E
EF 2kT EF 2kT EF kT
EF EF kT EF 2kT EF 3kT
f(E)eEEFkT
1 f(E)1e(EEF) kT
f(E)eEEFkT EEFkT f(E)1eEFEkT EEFkT
平衡载流子浓度
3
nNCe(EfEC)kT NC2m 2n * k2T 2
3
pNVe(EvEf)kT NV2m 2* P k2T 2
ECEf 3kT 非 简 Ef EV 3kT 并
对于本征半导体，设 npni Ei Ef
由上式可得： n i2 N C N V e (E c E V )/k TN C N V e E g /kT
p型半导体： NaNd ni pNANDn pi2 n
ifNAND pNA nni2NA
在温度高到使 ni ND时NA，所有的半导体都变成本征半 导体。
第二十九页，共33页。
费米能级Ef 的确定
本征费米能级Ei的精确位置
E i E C 2E V4 3klTn m m * n * p ()E C 2E V
第十六页，共33页。
1.4 半导体、 绝缘体和导体
Ec
E g=1.1 eV
Ev
Ec
E g= 9 eV
Ev
Top of
conduction band
empty
filled
Ec
Si (Semiconductor)
SiO (Insulator)
2
材料科学基础CH1复习
至于在多电子的原子中，核外电子的排布规律则遵循以 下三个原则： (1)能量最低原理：电子的排布总是先占据能量最低的内 层，再由里向外进入能量较高的壳层，以尽可能使体系 的能量最低； (2)Pauli不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态 完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳 2n2个电子； (3)Hund规则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排 布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电 子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整 个原子的能量最低；
晶面可以归结为同一晶面族，用 hkl 表示。
立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相互垂直的。如：[110] 垂直于 (110)
六方晶系中的指数：
确定步骤和立方晶系一样，但一般在标定六方结构的晶向指数 时选择四个坐标轴：a1、a2、a3、c其中a1、a2、a3处于同一底面上， 且它们之间夹角为120°、C轴垂直于底面。则有： 晶面指数（h k i l）其中i=-（h+k） 晶向指数 [u v t w] 其中t=-（u+v）
(4)按基体类型分类： 一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。 二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。
离子晶体结构：
离子晶体的结构规则—鲍林规则
（1）负离子配位多面体规则（Pauling第一规则） 在正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半 径之和，而配位数则取决于正负离子的半径之比。 这一规则符合最小内能原理。根据这一规则，描述和理解离子晶体结构时，将 其视为由负离子配位多面体按一定方式连接而成，正离子处于配位多面体的中 央。 （2）电价规则(pauling第二规则) 在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子电价要等于或接近等于与之相邻 的各正离子静电键强度的总和。 （3）负离子多面体共顶、棱、面规则(pauling第三规则) 在一个配位结构中，当配位多面体共用点、棱，特别是共用面时，其稳定性会 降低，而且正离子的电价越高、配位数越低，则上述效应越显著。 (4)不同种类正离子多面体间连接规则(鲍林第四规则) 在含有二种以上正离子的晶体中，电价大，配位数小的那些正离子之间，有尽 量互不结合的趋势（特别倾向于共顶相连） (5)节约规则 同一晶体中，同种正离子和同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。或 者说：晶体中配位多面体类型倾向于最少。
电路理论课件华科汪建版ch1讲稿
1-1 电路的基本概念
1-1-1 电路
+
–
1、电路的3个基本组成部分
电源 负载 中间环节
电路（电网络）是互相连接起来的电源与负载的总体 ，电流能在其中流通. 电路中存在三种基本电磁效应.
2、集中参数电路和分布参数电路
集中参数电路 u(t) i(t) 常微分方程 dmax0.01min 分布参数电路 u(x,t) i(x,t) 偏微分方程 dmax0.01min
3、单位脉冲函数p(t) unit pulse
1
0 t<0
p(t)=
1
0<t<
0 t>
0
t
特点 波形界定的面积A=1 用单位阶跃函数的线性组合表示 p(t)= 1[1(t)-1(t-)]
p(t)
1
p(t)
1
0
0
t
0
t
0
t
1-1 一些典型的波形（或函数） 1-4-1 定义与波形 4、单位冲激函数(t) unit impulse 1）物理背景
三、关于教学内容的安排 上册
Ch1 电路的基本定律和电路元件 课内学时 8 Ch2 电路的分析方法之一—等效变换法 课内学时 6
序言
Ch3 电路的分析方法之二—电路方程法 课内学时 8
Ch4 电路的分析方法之三—运用电路定理法 课内学时 6
Ch5 正弦稳态电路分析
课内学时 12
Ch6 谐振电路与互感耦合电路
电功率的定义及其计算: p=dW/dt
p=ui
i +u
- p=ui
i +u
- p= -ui
两式都表示元件（或该段电路）吸收的功率
例 已知u=-20V,吸收的功率为40w,求电流的大小并标 出其真实方向。
电子材料与器件原理影印版第三版教学设计
电子材料与器件原理影印版第三版教学设计一、课程背景《电子材料与器件原理》是电子信息类专业的一门核心课程。
通过本门课程的学习，学生能够掌握电子器件的基本原理和工作原理，了解基本的半导体物理学知识以及材料应用特性。
同时，本门课程还将培养学生的实际动手能力、创新精神和团队协作能力。
二、教学目标通过本门课程的学习，学生应该达到以下几个目标：1.掌握半导体物理学基础知识，了解半导体器件应用特性；2.掌握常用电子器件的结构、特性及工作原理，能够分析和设计各种基本电路；3.培养学生的动手能力，加强学生的实践操作技能和创新精神；4.培养学生的团队协作能力，提高学生的沟通、协商和合作能力。
三、教学内容及教学方法1. 教学内容本门课程的教学内容主要包括以下几个方面：1.半导体物理简介；2.PN结和二极管；3.晶体管；4.三极管和场效应管；5.集成电路；6.传感器；7.光电子器件。
2. 教学方法针对本门课程特点，本次教学采用以下教学方法：1.理论授课：通过课堂讲授，让学生掌握基本理论知识；2.实验教学：通过实验操作，让学生掌握电子器件的应用特性和实际操作；3.讨论式教学：通过小组讨论等方式，加强学生团队协作和交流能力；4.课程设计：通过课程设计，让学生运用所学知识，实现电子器件的基本设计和仿真。
四、评估方式本门课程的评估分为以下几个部分：1.平时表现（20%）：包括课堂出勤、作业完成情况、参与课堂讨论等；2.实验报告（30%）：学生需要完成一定数量的实验，并提交相应的实验报告；3.考试（50%）：学期末进行闭卷考试，检测学生对所学知识的掌握情况。
五、教学资料学生需要购买的教材为《电子材料与器件原理》影印版第三版，其他资料可参考以下资料：1.《半导体物理和器件概论》夏军著2.《微电子电路设计分析》章辉著3.《电子技术基础》方化敏、张旭著六、教学总结本门课程以理论授课、实验教学、讨论式教学和课程设计为主要教学方式，旨在帮助学生全面掌握电子器件的基础知识和应用技能，培养学生实际动手能力、创新精神和团队协作能力。
半导体光电子器件
*
#异质结基本应用 A1. 限制BJT频率特性因素
IVB 存在极限 ？？
*
A2.解决途径—HBT(异质结双极晶体管)
qVp
qVn
Emitter
Base
Collector
Si BJT
qVn=qVp
qVp
qVn
Emitter
Base
Collector
SiGe HBT
qVn < qVp
*
L小于德布罗意波长(~ 50nm）
L
Eg1
Eg2
EC
EV
p
n
n
异质结超晶格
掺杂超晶格
*
量子线与量子点 量子线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长
01
量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长
02
量子阱—载流子能量量子化
V0 x x z
量子阱
单量子阱中电子状态--遵循薛定谔方程
折射率与吸收系数
1.5 半导体光吸收与光辐射
折射率：光在半导体中传播服从Maxwell方程
ε0 、μ0 真空
介电常数与磁导率；
εr媒质相对介电常数
*
设:沿z方向传播的平面波电场在y方向偏振 则：波动方程(5)变为
01
速度
02
2、吸收系数
常用半导体材料吸收系数与光子能量关系
吸收系数与光波长、材料禁带宽度、杂质有关
n区
pp0
pn0
nn0
np0
pn0exp(qVF/kT)
np0exp(qVF/kT)
P区
n区
pp0
pn0
nn0
np0
pn0exp(qVR/kT)
电子材料与器件
电子材料与器件电子材料与器件是现代电子科技领域中的重要组成部分，它们的发展和应用对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
电子材料是指用于电子器件制造的材料，而电子器件则是利用电子材料制造的各种电子元件和设备。
本文将从电子材料与器件的基本概念、分类和应用等方面进行介绍。
首先，电子材料是指在电子器件中起着导电、绝缘、光学、磁学等特殊作用的材料。
根据其性能和用途的不同，电子材料可以分为导体材料、绝缘体材料、半导体材料、磁性材料、光电材料等多种类型。
导体材料具有良好的导电性能，常见的有铜、铝、金等金属材料；绝缘体材料具有良好的绝缘性能，如玻璃、陶瓷等；半导体材料介于导体和绝缘体之间，常见的有硅、锗等；磁性材料具有良好的磁性能，如铁、镍、钴等；光电材料具有光学和电学特性，如硒化镉、硒化锌等。
其次，电子器件是利用电子材料制造的各种电子元件和设备，包括二极管、晶体管、集成电路、光电器件等。
二极管是一种具有单向导电性的电子器件，常用于整流、开关、放大等电路中；晶体管是一种用来放大和控制电信号的电子器件，是现代电子设备中不可或缺的元件；集成电路是将多种电子器件集成在一块半导体晶片上，实现多种功能的电路器件；光电器件是利用光电效应实现光信号的检测、转换和控制的器件，包括光电二极管、光电晶体管、光电开关等。
最后，电子材料与器件在现代科技和工业生产中具有广泛的应用。
在通信领域，各种电子器件的应用使得信息传输更加快捷和便利；在医疗领域，各种电子材料的应用使得医疗设备更加精准和高效；在能源领域，光电器件的应用推动了太阳能、风能等清洁能源的发展；在生活领域，各种电子器件的应用使得生活更加便捷和舒适。
总之，电子材料与器件作为现代电子科技领域中的重要组成部分，其发展和应用对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
随着科技的不断进步和发展，电子材料与器件的应用领域将会更加广泛，其在各个领域中的作用也将会更加重要。
我们期待着电子材料与器件在未来的发展中能够为人类社会带来更多的惊喜和便利。
电子材料与电子器件
第一章1、激活能：形成一个产物时要克服的势垒。
换句话说，它是反映原子或分子形成一个产物必须达到激活状态的最小能量。
2、键能(结合能)：指在分子或固体中两个原子从它们的平衡态被分离到无限远所需要做的功。
3、电子亲和能：代表一个中性原子获得一个电子形成负离子所需要的能量。
4、电离能：代表一个中性原子移走一个电子需要的能量。
通常外层电子对于原子核具有最低的结合能，外层电子被移走导致原子的离子化。
5、电偶极矩：一个正电荷+Q 同等量的负电荷-Q 分开后所形成的。
虽然净电荷为零，但是由于两个电荷+Q 和-Q 被分开一定的距离，所以形成电偶极矩。
两个电荷相互之间产生产生库仑力，两偶极子间也根据偶极子的分离和取向相互产生静电力。
6、强键：是原子间的强结合键，一般大于1eV/原子。
包括离子键、共价键或金属键。
7、弱键：弱结合键，一般小于0.1eV/原子，它是原子或分子间的偶极—偶极相互作用。
8、迁移率：是在单位电场下的漂移速度。
如果μd 为迁移率，则定义公式为vd=μdE，其中vd 为漂移速率而E 为场强。
9、漂移速度：为导体内所有导带电子在外加电场力的方向上的平均电子速度，其对于电子的电场作用力为F=-eE。
在没有外加电场的情况下，所有电子做随机运动，其所有电子在任意方向的平均速度为零。
在外加电场Ex 的作用下，每个电子在与电场方向相反的方向上有一净速度v dx，其中v dx 根据v dx=μdE x 与E x 相关，μd 为漂移速度。
10、霍尔效应：为当一导体放置在垂直于电流方向的磁场中，在通电导体内所发生的一个现象。
导体内的带电载流子在磁场的作用下发生偏转，在垂直于电流与磁场的方向上引起一电场，即霍尔电场。
如果电流密度Jx 沿x 方向，磁场强度Bz 沿z 方向，则霍尔电场取决于材料中带点载流子的极性为+y 或-y 方向。
11、平均自由时间：为导带电子散射的平均时间。
如果t i 为电子i 碰撞之间的平均时间，则为对所有电子的平均时间。