微电子技术应用基础 第三章 半导体器件物理基础
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。
《器件物理基础》课件
对器件进行充分的测试和筛 选，确保其性能和可靠性符 合要求。
加强器件的封装和保护息反馈机制，及时发现和 解决可靠性问题。
06
器件物理研究的前沿与展 望
新材料、新结构、新效应的应用研究
新材料
《器件物理基础》 PPT课件
xx年xx月xx日
• 器件物理概述 • 器件的基本结构与工作原理 • 器件的物理性能参数 • 器件的制造工艺与封装技术 • 器件的可靠性分析 • 器件物理研究的前沿与展望
目录
01
器件物理概述
定义与重要性
定义
器件物理是研究各种电子器件的结构 、工作原理、性能特点以及应用的一 门学科。
通过磁性材料的磁性性质来实现信号存储、转换等功 能。
常见的磁性器件
磁带、硬盘、磁头等。
光电子器件
光电子器件的基本结构
由光电子材料制成的器件，通常包括发光材料和光检测材料等部 分。
光电子器件的工作原理
通过光电子材料的发光和光检测性质来实现信号传输、转换等功能 。
常见的光电子器件
LED、激光器、光电探测器等。
阐述制造工艺中关键参数对器件 性能的影响，如温度、压力、时 间等。
封装技术简介
封装技术的作用
介绍封装在器件中的作用，如保护、支撑、连接等。
封装技术的分类
根据封装材料和结构，介绍不同的封装类型，如金属封装、陶瓷 封装、塑料封装等。
封装技术的发展趋势
阐述封装技术的发展方向和未来趋势，如小型化、集成化、多功 能化等。
重要性
器件物理是电子科学与技术领域的基 础学科，对于理解电子器件的工作原 理、优化器件性能、推动电子科技发 展具有重要意义。
半导体器件物理课程教学大纲
《半导体器件原理》课程教学大纲课程名称：半导体器件物理课程代码：MICR2021英文名称：Semiconductor Device Physics课程性质：专业必修课学分/学时：3.5 / 63开课学期：6适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术先修课程：量子力学、统计物理后续课程：器件模拟与工艺模拟、大规模集成电路制造工艺开课单位：电子信息学院课程负责人：王明湘大纲执笔人：张冬利大纲审核人：X一、课程性质和教学目标课程性质：《半导体器件物理》课程是微电子科学与工程专业的的一门专业必修课，也是本专业的必修主干课程，是器件模拟与工艺模拟、大规模集成电路制造工艺等课程的前导课程，本课程旨在使学生掌握典型的半导体器件的工作机制，为设计和分析半导体器件奠定基础。
教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料常见特性的物理机制以及典型半导体器件的作用原理。
通过本课程的学习，要求学生能掌握半导体的导电机制、掺杂原理、载流子统计分布、非平衡载流子的概念等，能运用这些理论来分析p-n结、BJT、MOSFET等半导体器件的工作原理。
本课程的具体教学目标如下：1、掌握牢固的半导体基础知识，理解半导体器件工作的物理机制。
【1.3】2、能够从半导体器件的典型电流电压特性提取半导体器件的关键参数。
【2.1】3、能够根据给定的器件特性要求，设计器件结构。
【3.1】4、学习测量半导体器件的特性，对测量结果进行研究，并得到合理有效的结论。
【4.1】【5.2】二、课程目标与毕业要求的对应关系三、课程教学内容及学时分配（重点内容：★；难点内容： ）第一章器件分类、基本原理和器件课程介绍课时：1周，共3课时教学内容第一节器件基本原理与分类一、器件基本原理与工程应用（支持教学目标1、2、4）物理模型与工程模型：微观描述与宏观测量二、器件分类从材料、工艺、应用形态进行分类三、学科特点与课程特点（支持教学目标3）器件发展、器件研究/工程方法、器件课程的要求思考题：1、怎样把微观描述与宏观测量结合2、电流器件与电压器件的特点3、平面工艺的特点第二章半导体材料的结构与能带理论（支持教学目标1）课时：2周，共6课时第一节晶体结构与硅工艺一、晶体的结构二、硅工艺简介思考题：1、平面工艺哪些结构能做哪些结构不能做第二节基本能带理论一、能带假设二、统计分布的特点三、本征与掺杂半导体★思考题：1、尺寸缩小时能带理论哪些假设不成立第三章载流子输运（支持教学目标1）课时：3周，共6课时第一节传统输运机制★一、漂移二、扩散三、热平衡思考题：掺杂浓度N1N2，内部压降多少第二节强电场效应和量子输运一、量子输运二、强电场效应思考题：量子输运的尺度效应第三节产生复合机制与连续性方程一、几种产生复合假设二、连续性方程及其基本应用思考题：产生复合电流的大小第四章PN结二极管课时：3周，共9课时第一节热平衡下的PN结（支持教学目标1）一、PN结的形成与能带特点、质量作用定律★二、突变PN结耗尽近似的基本方程与参数分布★三、缓变结思考题：耗尽近似的局限第二节直流偏压下的PN结、存储（支持教学目标1）一、载流子与能带分析★二、电流电压方程★三、电容第三节击穿、暂态、异质结（支持教学目标1）一、击穿★二、暂态响应∆三、异质结思考题：1、异质结的优点2、如何构成恒流源第五章双极晶体管课时：3周，共9课时第一节晶体管的工作原理（支持教学目标1）一、原理结构与工艺结构特点★∆二、静态分布三、开关应用思考题：击穿第二节放大运用的基本原理（支持教学目标2、3）一、电流特性二、应用组态三、基本效应★思考题：1、如何提高放大倍数2、几种组态的电导特性第三节频率响应、HBT、功率器件（支持教学目标3）一、频率响应★∆二、HBT三、SCR思考题：1、击穿特性第六章MOS与MOSFET（支持教学目标1）课时：3周，共9课时第一节MOS的基本结构与能带分析一、能带分析★二、杂质电荷三、高、低频电容★∆四、CCD思考题：非理想情况的电容测量第二节MOSFET的基本原理一、电流电压方程★（支持教学目标1）二、电导特性与亚阈特性★（支持教学目标2、3）三、尺寸效应∆（支持教学目标3）思考题：1、迁移率2、量子效应思考题：1、Bipolar与MOSFET的比较第七章MESFET课时：1周，共6课时第一节金半接触、MESFET、MODFET（支持教学目标1）一、金半接触二、MESFET ★三、SOI、Bicmos、存储器∆第八章光电器件课时：2周，共6课时第一节太阳能电池（支持教学目标1、2、3）一、光吸收二、太阳能电池★第二节发光二极管★第三节激光第九章实验★（支持教学目标3、4）课时：3周，共9课时实验测试系统第二节器件基本电流电压特性测量第三节器件特性参数测量四、教学方法1、在课堂教学中，阐述半导体器件工作原理，并你们最新半导体器件研究热点，培养学生的理解能力、和创新能力；2、采用传统教学方式与多媒体课件相结合进行教学；3、结合课程相关内容针对半导体器件设计与制造技术，用由浅入深，结合课程中的相应知识点进行分析，培养学生解决复杂工程问题的能力。
半导体器件基础最新课件
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2、三极管的开关特性 截止工作状态
c b
e
调节偏流电阻RP的阻 值，使基极的电流为零 或很小时，三极管的两 个PN结都处于反向偏置， 集电极中没有电流通过， 三极管处于截止状态， 集电极与发射极之间电 阻很大，相当开关断开。
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饱和工作状态
调节偏流电阻RP的阻值， 使基极电流充分大时，集电 极电流也随之变得非常大， 三极管的两个PN结则都处于 正向偏置。集电极与发射极 之间的电压很小，小到一定 程度会削弱集电极收集电子 的能力，这时Ｉb再增大， Ｉc也不能相应地增大了， 三极管处于饱和状态，集电 极和发射极之间电阻很小， 相当开关接通。
放大、截止和饱和三种工作状态。
1、三极管的放大作用
三极管的放大作用是在一定的外部条件控 制下，通过内部载流子的传输体现出来。
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。
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三极管内部载流子的传输过程
▪发射区：发射载流子 ▪集电区：收集载流子 ▪基区：传送和控制载流子
发射区的多数载流子自 由电子不断通过发射结扩 散到基区，形成发射极电
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2、反向截止特性：
给二极管加反向电压，则处于截止状态，二极管 两引脚之间的电阻很大，反向电流很小，相当于开关 断开。
当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小 基本保持不变，所以通常把反向电流又称为反向饱和 电流，但反向电流会随温度的升高而增长很快。
硅二极管的反向电流只有锗二极管的几十分之一 或几百分之一，所以硅管的温度稳定性比锗管好。
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3、二极管反向击穿：
当所加的反向电压增大到一定数值时， 反向电流迅速增大，这种现象称为反向击穿， 二极管失去单向导电性，发生击穿时的反向电 压叫反向击穿电压。此时如果没有适当的限流 措施，因电流过大会使二极管过热而被烧毁。
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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
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
《半导体器件基础》课件
这个PPT课件将带你深入了解半导体器件基础知识，从定义和分类开始，逐步 介绍固体物理基础、材料特性及应用等内容。
第一章 概述
半导体器件的定义和分类
从理解半导体器件的概念和分类开始，打下良好的基础。
固体物理基础
了解固体物理基础和半导体的结构特性，为后续内容打下坚实的基础。
介绍在半导体器件制造过程中使用的工艺辅助设备和材料。
第八章 半导体器件测试与可靠性
半导体器件生产过程中的测试
讨论半导体器件生产过程中的测试方法和步骤，确保 产品质量。
半导体器件的可靠性分析方法
介绍半导体器件的可靠性分析方法，以提高产品可靠 性和寿命。
结语
1 半导体器件的未来发展趋势
2 学习资源和参考文献
CMOS电路的设计原理 和技巧
讲解CMOS电路设计的原理和技巧， 探索其优势和应用范围。
第五章 光电子器件
光电二极管和光电晶体管
了解光电二极管和光电晶体管的原理和结构，以及其在光电子学中的应用。
光电耦合器件和光电器件应用
探索光电耦合器件和其他光电器件的特性和应用领域。
第六章 集成电路和MEMS器件
展望半导体器件领域的未来，包括新技术和应用。
提供学习资源和参考文献，以便进一步学习和探 索。
2
稳压二极管
介绍稳压二极管及其在电路中的应用，以及其工作原理。
3
功率晶体管
理解功率晶体管的工作原理和应用，探讨其在电路中的功能。
第四章 MOS场效应管
基础概念和原理
深入了解MOS场效应管的基本概 念、工作原理和操作特性。
MOSFET的模型和特性
介绍MOSFET的模型和特性，包括 负载线和阈值电压等。各种应用中的表现。
半导体器件物理应用
半导体器件物理应用
半导体器件是现代电子技术中最重要的组成部分之一，被广泛应用于计算机、通信、医疗、军事、航空航天等领域。
半导体器件物理应用是指在半导体器件的物理原理基础上，为实现特定功能而进行的应用研究。
以下是半导体器件物理应用的几个方面。
1. 光电子技术
半导体器件具有独特的光电效应，可用于制造光电器件。
光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、光耦合器等都是半导体器件的光电子应用。
2. 微电子技术
半导体器件是微电子技术的基础，微电子技术制造的芯片、器件等被广泛应用于计算机、通信、娱乐等领域。
3. 太阳能电池
半导体材料具有光电转换效应，可制成太阳能电池。
太阳能电池是一种新型的清洁能源，具有广阔的应用前景。
4. 传感器技术
半导体器件具有灵敏的电学特性，可用于制造各种传感器。
气体传感器、温度传感器、压力传感器、光敏传感器等都是半导体器件的传感器应用。
5. 激光技术
半导体激光器是一种重要的光电子器件，具有小型化、高效率、低成本等优点，被广泛应用于通信、医疗、军事等领域。
总之，半导体器件物理应用是一项非常重要的应用领域。
随着科技的不断进步，半导体器件的应用领域也将不断拓展，为人类创造更加美好的未来。
半导体器件物理(第三章 半导体的表面特性)
信息电荷
电子-空穴对
P-Si
光照
CCD 结构单元是由一系列紧密排列的 MOS 电容所构成的， 如图所示。景物的影像光照产生电子 -空穴对，对应地在VG端施 加一正脉冲，从而产生一势阱。此时，空穴因带正电荷而被排斥 走，电子带负电荷而被吸引进势阱中，这些电子被称为信息电 荷，它反映了光照的强弱，并暂时被储存在所谓的电子势阱中。
VG
栅电极 栅介质(SiO2)
理想MOS结构的条件： ① Si-SiO2系统中不存在前述的 三种性质的电荷及界面态； ②金属栅与衬底半导体材料之 间的功函数相等。
p Si
对于不同的栅压VG，表面空间电荷区存在四种状态： a.VG=0V 平带状态； b.VG<0V 多子积累状态； c.VG>0V 耗尽状态； d.VG>>0V 反型或强反型状态。
定义式为： W E0 EF
金属或半导体材料 真空 电子 真空能级E0
W
EF
电子
Si 材料在不同掺杂浓度下的功函数WS
N型
ND/cm-3 WS/eV
（单位：eV）
P型 1015
4.31
1014
4.37
1016
4.25
NA/cm-3 WS/eV
1014
4.87
1015
4.93
1016
4.99
3.3 MOS结构的阈值电压
P Si
QSC
定义：当P型Si半导体表面达到强反 型，且反型层电子浓度等于衬底空 穴（多子）浓度时，这时所施加的 栅极电压VG称作MOS结构的阈值电 压，也称开启电压，用VT表示。
VT表达式为（P-Si衬底）：
(4 ε S qN A φ FP )1/ 2 VT 2 φ FP COX
《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
半导体物理(微电子器件基础)知识点总结
第一章●能带论：单电子近似法争论晶体中电子状态的理论●金刚石构造：两个面心立方按体对角线平移四分之一闪锌矿●纤锌矿：两类原子各自组成的六方排列的双原子层积存而成〔001〕面ABAB 挨次积存●禁带宽度：导带底与价带顶之间的距离脱离共价键所需最低能量●本征激发：价带电子激发成倒带电子的过程●有效质量〔意义〕：概括了半导体内的势场作用，使解决半导体内电子在外力作用下运动规律时，可以不涉及半导体内部势场作用●空穴：价带中空着的状态看成是带正电的粒子●准连续能级：由于N 很大，每个能带的能级根本上可以看成是连续的●重空穴带：有效质量较大的空穴组成的价带●窄禁带半导体：原子序数较高的化合物●导带：电子局部占满的能带，电子可以吸取能量跃迁到未被占据的能级●价带：被价电子占满的满带●满带：电子占满能级●半导体合金：IV 族元素任意比例熔合●能谷：导带微小值●本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯洁半导体●应变半导体：经过赝晶生长生成的半导体●赝晶生长：晶格失配通过合金层的应变得到补偿或调整，获得无界面失配位错的合金层的生长模式●直接带隙半导体材料就是导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中同一位置●间接带隙半导体材料导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中不同位置●允带：允许电子能量存在的能量范围.●同质多象体：一种物质能以两种或两种以上不同的晶体构造存在的现象其次章●替位杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。
●间隙杂质：杂质原子位于晶格的间隙位置。
●杂质浓度：单位体积中的杂质原子数。
●施主〔N 型〕杂质：释放束缚电子，并成为不行动正电荷中心的杂质。
●受主〔P 型〕杂质：释放束缚空穴，并成为不行动负电荷中心的杂质。
● 杂质电离：束缚电子被释放的过程〔N 〕、束缚空穴被释放的过程〔P 〕。
● 杂质束缚态：杂质未电离时的中性状态。
● 杂质电离能：杂质电离所需的最小能量：● 浅能级杂质：施〔受〕主能级很接近导〔价〕带底〔顶〕。
《半导体器件基础》课件
计算机的CPU、内存等核心硬件都离不开半导体器件，如晶体管、电容
、电阻等。
03
消费电子中的半导体器件
手机、电视、音响等消费电子产品中，半导体器件广泛应用于信号处理
、显示控制等方面。
光电器件在通信与显示领域的应用
光纤通信中的光电器件
光纤通信系统中的光电器件，如激光器、光电探测器等，用 于实现高速、大容量的信息传输。
成。
工作原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
02
通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流。
特性
03
具有低噪声、高速、低功耗等优点，常用于高频率信号处理。
04
半导体器件的工作原理
半导体的能带模型
原子能级与能带
描述原子中的电子能级如何形成连续的能带结构。
价带与导带
解释半导体的主要能带特征，包括价带和导带的定义与特性。
禁带宽度
讨论禁带宽度对半导体性质的影响，以及如何利用禁带宽度进行电 子跃迁。
半导体器件的交流参数
阐述半导体器件的交流参数，如频率响应、噪 声系数等。
半导体器件的可靠性参数
介绍半导体器件的可靠性参数，如寿命、稳定性等。
05
半导体器件的应用
电子设备中的半导体器件
01
集成电路中的半导体器件
集成电路是现代电子设备的基础，其中的晶体管、二极管等半导体器件
起着关键作用。
02
计算机硬件中的半导体器件
ABCD
通过掺入不同元素，可以 调控半导体的导电类型（ N型或P型）和导电性能 。
在实际应用中，通常将硅 或锗基体材料进行掺杂， 以实现所需的导电性能。
宽禁带半导体材料
宽禁带半导体的特点是其具有高热导率、高击 穿场强和高电子饱和速度等优异性能。
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第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
半导体的模型 半导体中载流子的浓度与运动 PN结 结型晶体管 场效应晶体管
第一节 半导体的模型
1 半导体的共价键结合图1
硅晶体中Si离子的示意图 GaAs结构示意图
2 电子与空穴、本征激发
电子空穴 3 杂质的作用 图 掺有V族元素的硅、锗等半导体中的载流子即以电子为主，电子称为 多数载流子，简称多子；空穴称为少数载流子，简称少子。以电子 为多子的半导体，称为 N 型半导体，给出电子的杂质，称为“施 主” .
2 半导体中载流子的运动
(1) 漂移电流和迁移率 带电粒子的定向运动形成电流。在外电场的作用下，带电粒子获得的 定向运动，称为漂移运动，所形成的电流称作漂移电流，导体中电子 的漂移电流密度为
J nv q
迁移率可以定义为： 在单位电场强度下，载流子的平均漂移速度。 (2) 影响迁移率的因素
用空间电荷区的充、放电说明势垒电容的物理意义
(5) 扩散电容的概念 PN结的另一种电容效应是扩散电容，由于正向偏置下的PN结有少子注 入效应，则在空间电荷区两侧，少子扩散区内，存在着电荷的积累， 这一部分电荷数量也与外加电压有关，所以，也存在着 这样一种电 容效应，称为扩散电容。 N型区中注入的少子空穴的空间分布
具体的计算方法是： 把导带从导带底到导带顶划分成各个不同 的能量范围，先求出各个不同的能量范围内，能够容纳电子的状 态数有多少，然后明确电子占据各状态的概率，二者的乘积即是 在各能量范围内的电子数，最后，对各能量范围内的电子数求和， 便得到导带内电子的总数。
(2) 函数S(E)和f(E) 图
T> 0 K 时的费米分布函数
第三节 PN结
在同一块半导体中，一部分呈P型，其余部分是N型，P型区与N 型区的边界及其附近的很薄的过渡区即称为PN结。 1 PN结的电流电压关系及其定性解释 硅二极管的断面图 PN结的电流电压关系示意图
(1) 不加外电压的情形
图
(2)加上外电压的情形①外加正向电压②外加反向电压 (3)接触电势差 图
2 PN结的能带图及内建电势差
PN结的内建电势差(接触电势差)的形成
3 PN结的电流电压关系的定量分析
(1) 基本假设 (2) 注入少子浓度与外加电压的关系 图
4 少子的复合与扩散
(1) 非平衡少数载流子的复合 图 (2) 非平衡少数载流子在半导体内的扩散 图
5PN结的扩散电流
PN结空间电荷区外两侧注入少子的分布 图
(2) 大注入情形 硅PN结的电流电压关系曲线 图
a段，即相当于小电压下，复合电流占优势，n=2 b段，扩散作用加强，掩盖了复合作用，n=1。 c段，相当于大注入情形，n又趋于2。 d 段，前面未讨论，对应极大电流，不能不考虑半导体本身电阻上的 电压降的情形。各段之间的过渡阶段，n在1与2之间。
6 对理想情况的几点修正
(1) 空间电荷区的复合电流与产生电流图 正向情形 每复合掉一对电子和空穴，就相当于一个电子电量流经PN结。显然， 这一部分电流没有包括在前面讨论的扩散电流之内，把这一部分正向 电流称为复合电流。 反向情形 价带中电子经复合中心进入导带，产生了电子 [CD2] 空穴对，结果 使反向电流加大，这部分电流称为“产生电流”。
7 PN结的电容效应
(1) 突变结与缓变结 突变结的杂质分布示意图 缓变结的杂质分布示意图
(2) 空间电荷区中的电荷密度
空间电荷区中正负电量总值相等 缓变结杂质分布的线性近似 图 图
(3) 空间电荷区中电场强度与电势V的分布 突变结空间电荷密度分布图 突变结空间电荷区的电荷、电场及电势的分布 (4) 突变结的势垒电容 突变结的势垒电容Ct与外加电压U的关系 图 图 图
“复合中心”的作用示意图
8 多子、少子浓度间的重要关系
单位时间、单位体积内复合的电子空穴对的数目为复合率。 再定义产生率为： 单位时间、单位体积内产生的电子空穴对数，用G
代表。
9 金属、半导体、绝缘体的区别
图
ห้องสมุดไป่ตู้
第二节 半导体中载流子的浓度与运动
1 半导体中平衡载流子浓度计算
(1) 计算载流子浓度的基本方法
T=0K时金属能带被电子填充的情况
(3) 电子浓度和空穴浓度的计算
(4) 费米能级的位置 ① 本征激发的情况 ② 杂质电离的情形 载流子浓度与温度的关系 (5) 关于费米能级的几点说明 ① 费米能级到底标志着什么 图 图 图
② 费米能级与掺杂浓度和温度的关系
③ 平衡状态下，整个体系的Ef应当处处相等。 ④ “简并”半导体
载流子在半导体内运动，将受到晶体原子、杂质、缺陷等的影响，使 其运动状态发生改变，把这种作用称作“散射”。 ① 电离杂质散射 图1 图2 ② 晶格散射 图 半导体晶体中原子规则排列成晶格，这些原子在其平衡位置不停地做 热振动，称作晶格振动。由晶体振动引起的载流子运动状态的改变称 作晶格散射。
(3) 迁移率与电场强度的关系 硅中载流子漂移速度与电场强度的关系 (4) 载流子的扩散与扩散电流 扩散流定义为： 在单位时间内，通过某一垂直扩散方向的截面的粒子 数 . (5) 爱因斯坦关系 (6) 漂移与扩散同时存在的情形
5 能带模型中的电子与空穴
硅能带的示意图
电子自价带跃迁到导带，留下空穴
能带中的电子 带电子运动所形成的电流密度，可以表示为
J q vi
电子与空穴相遇而同时消失的过程，这个过程就叫做载流子的“复合”。 图 能量图中，能级越高表示能量越大是针对电子来定的 . 图
6 杂质能级 图
7 复合中心
4 能带的形成
图
核外每个电子的能量都不是任意的，而是只能取一系列分立的确定 值，不同的轨道，对应不同的能量。电子的能量只能取一系列分立值 的这种特征，叫做电子能量“量子化”。量子化的能量值也称为“能 级” 能带示意图
① 一种晶体的各个能带，其宽度 ( 即所占的能量范围 ) 是一定的，与 晶体内所包含的原子总数无关。 ② 能量高的能带较宽，能量低的则较窄。 ③ 每一个能带里所包含的能级数目，决定于晶体内所包含的原子数。