半导体器件物理
半导体器件物理课件——第八章
GaAs, n ，p 所30以它们是制造LE
8.3.2量子效率
2.辐射效率 • 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比：
r
Ur U r Unr
Ur
n
r
U nr
n
nr
r
1
1r
nr
r
（8-16） （8-17） （8-18） （8-19）
8.3.2量子效率
三种可能的复合过程
Ec
Et
R1
Ev
R3 浅施主能级Ed
8.1.1辐射复合
.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。
由于半导体材料能带结构的不同，带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
导带
价带
价带
图8-1 带间复合：（a）直接 能隙复合（b）间接能隙复合
8.1.1 辐射复合
8.3.2量子效率
• 1.注射效率
h
Eg
h ＞ Eg Eg
h ＜ Eg
（a）
（b）
图8-12 带尾对带带复合的影 响；（a）型，（b） 型
r
In
In I p Irec
8.3.2量子效率
注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比。
• 根据（8-15）式提高注射效率的途径是：
h
Eg
En exc
NEp
（8-8）
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子：
若激子对杂质的结合能为
E
，则其发射光谱的峰值为
国科大-半导体器件物理
国科⼤-半导体器件物理第⼀章半导体物理基础1.主要半导体材料的晶体结构。
简单⽴⽅(P/Mn)、体⼼⽴⽅(Na/W)、⾯⼼⽴⽅(Al/Au)⾦刚⽯结构：属⽴⽅晶系，由两个⾯⼼⽴⽅⼦晶格相互嵌套⽽成。
Si Ge闪锌矿结构（⽴⽅密堆积），两种元素，GaAs, GaP等主要是共价键纤锌矿结构（六⽅密堆积），CdS, ZnS闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原⼦均处于另⼀种原⼦构成的四⾯体中⼼，配种原⼦构成的四⾯体中⼼，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，⽽纤锌矿上下相对2.⾦属、半导体和绝缘体能带特点。
1）绝缘体价电⼦与近邻原⼦形成强键，很难打破，没有电⼦参与导电。
能带图上表现为⼤的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电⼦激发到导带。
2）半导体近邻原⼦形成的键结合强度适中，热振动使⼀些键破裂，产⽣电⼦和空⽳。
能带图上表现为禁带宽度较⼩，价带内的能级被填满，⼀部分电⼦能够从价带跃迁到导带，在价带留下空⽳。
外加电场，导带电⼦和价带空⽳都将获得动能，参与导电。
3）导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠。
很容易产⽣电流3.Ge, Si，GaAs能带结构⽰意图及主要特点。
1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在⼀条竖直线上2）导带底电⼦有效质量为正，带顶有效质量为负3）有效质量与能带的曲率成反⽐，导带的曲率⼤于价带，因此电⼦的有效质量⼤；轻空⽳带的曲率⼤，对应的有效质量⼩4.本征半导体的载流⼦浓度，本征费⽶能级。
5.⾮本征半导体载流⼦浓度和费⽶能级。
<100K 载流⼦主要由杂质电离提供杂质部分电离区(凝固区) 。
100~500K，杂质渐渐全部电离，在很⼤温度范围内本征激发的载流⼦数⽬⼩于杂质浓度，载流⼦主要由掺杂浓度决定。
饱和电离区。
>500K，本征激发的载流⼦浓度⼤于掺杂浓度，载流⼦主要由本征激发决定。
本征区。
6.Hall效应，Hall迁移率。
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件物理学是电子学领域中一个重要的学科，它将物理学理论应用于半导体器件中，以提高半导体器件的性能、可靠性和可用性。
在这个新兴的领域中，有一些重要的概念和理论，它们对于半导体器件的设计、开发、制造和实现都具有重要意义。
首先要探讨的是半导体材料。
半导体材料是半导体器件的基础，有硅、砷化镓、氮化镓和III-V族材料等类型。
它们是半导体物理学中的核心理论，在器件的性能、可靠性和可用性方面发挥着重要作用。
例如，硅材料具有高集成度、易于集成、高可靠性和低成本等特点，以及高散热系数和低功耗等优点，在微电子领域得到广泛使用；砷化镓可用于制造大功率器件，具有良好的形状特性；氮化镓具有低漏电流的特点，可用于制作稳压器件；III-V族材料可以进行光电转换，用于制作集成激光器、光探测器等器件。
其次是半导体器件的基本工作原理。
半导体器件的性能主要取决于半导体材料的性质和工作原理，它们是半导体物理学的基本模型。
主要有二极管特性、多极管特性、器件动态特性和输出特性等几大类。
半导体器件的两种基本极性是正向和反向，在正向极性下，封装材料和金属电极之间的电压会导致电路中的电流流动，而反向极性则对电路中的电流进行抑制，从而提高电路的稳定性。
此外，半导体器件还可以控制信号的传输特性，例如动态响应和输出特性等，这些特性对于电路的可靠性和可用性有着重要的影响。
在半导体物理学中，量子物理学也起着重要作用。
在半导体器件中，量子物理学能够有效地描述电子密度分布、器件物理性质以及器件的工作原理，它与器件的可靠性和可用性有着密切的联系。
此外，由于量子效应的存在，半导体器件的工作特性会有不同的变化，从而提高设备的性能。
最后，有几种重要的半导体器件制造工艺。
主要的工艺有晶圆制造、芯片制造、集成电路制造、晶体管封装等，每种制造工艺都有其独特的特点，可满足不同的需求。
此外，在半导体器件引入市场前，还需要由相关团队进行全面的测试，以确保器件的可靠性。
半导体器件物理PPT课件
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；
半导体器件的物理原理
半导体器件的物理原理半导体器件是当今科技进步的重要基石，广泛应用于电子设备、通信技术和能源转换等领域。
半导体器件的物理原理涉及到晶体结构、载流子运动以及电子能带等概念，下面将从这些方面展开论述。
晶体结构是半导体器件物理原理的基础。
半导体材料通常采用单晶或多晶的结构，其中单晶具有高度有序的原子排列，能够提供更好的电子传输通道。
晶体结构中的晶格常数以及晶格点的配位数决定了材料的载流子密度和能带结构。
例如，硅(Si)是一种常用的半导体材料，其晶格常数较大，晶格点配位数为4，因此具有较高的载流子密度，适用于大功率器件。
而锗(Ge)是另一种半导体材料，晶格常数较小，晶格点配位数为4，因此具有较低的载流子密度，更适用于低功率器件。
载流子运动是半导体器件工作的关键。
半导体材料中的载流子主要包括自由电子和空穴。
自由电子具有负电荷，在外电场的作用下形成电流；而空穴则相当于正电荷缺失的位置，同样能够参与电流的传输。
半导体材料内的载流子运动受到晶格振动、杂质掺杂以及温度等因素的影响。
在零温下，半导体处于绝缘态，载流子几乎没有运动能力；而在高温下，载流子的运动能力增强，半导体逐渐变为导体。
半导体器件的物理原理还涉及到电子能带结构。
在晶体中，电子的能量将按照一定规律排列成能带。
最低能量的能带称为价带，其中填满了电子；而最高能量的能带称为导带，其中没有或仅有极少数的电子。
半导体材料的价带和导带之间的能带隔离称为禁带宽度，它决定了半导体的导电性能。
当禁带宽度较小时，外界的微弱电场就能够激发半导体中的载流子，使其变为导体；而禁带宽度较大时，外界电场的激发能力较弱，使得半导体呈现绝缘性。
通过控制禁带宽度，我们可以调节半导体器件的电导率，从而实现对电流的精确控制。
为了实现特定的功能，半导体器件常常需要经过复杂的工艺制造。
例如，晶体管是一种重要的半导体器件，它通过控制电场和电流的作用，实现对电路的放大和开关功能。
晶体管的制造过程包括材料生长、掺杂、薄膜沉积、光刻、蚀刻等多个步骤，每个步骤都需要精确控制参数，以确保器件的性能和可靠性。
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
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件是现代电子技术中最重要的部分。
它们的运行和性能取决于物理属性的特定行为，并决定了电子系统的能力和效能。
因此，了解关于半导体器件物理的内容对于研究和理解这些设备及其在系统中的行为至关重要。
半导体器件的物理属性可以通过研究组成晶体的物质来了解。
半导体器件的基本组成部分是由电子控制的物质，它们会受到温度和外部电压变化等因素的影响。
物理属性可以划分为偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等。
每一种物理属性都是在器件的大小和组成物质的不同以及电子系统的环境中有所不同的物理行为。
任何设备的性能受其物理属性的影响，半导体器件也不例外。
偏振特性决定了信号在器件内传播的行为，热性能决定了电子系统的稳定性和环境温度，机械负载决定了安装器件的尺寸和容量，功耗决定了电子系统能耗。
电性能也是半导体器件物理属性中的一个重要方面，它决定了电子系统中的器件是否能够有效地传输或处理信号。
典型的电性能衡量包括电阻、电容、电感和电容的电容量及其他参数。
接触电阻是衡量器件连接的重要参数。
器件的电容量也很重要，其决定了电子系统中信号传输的特性。
半导体器件物理同样涉及机械负载。
机械负载是指电子系统中器件的尺寸和安装对信号存储和传输的影响。
这是因为它决定了器件之间的距离，当两个器件的距离太近时信号会重叠，当距离太远时信号会衰减。
此外，机械负载也反映了器件的抗振性能。
最后，半导体器件的功耗是另一个重要的物理属性。
器件功耗由其尺寸，组成物质和外部环境温度等决定，该值反映了电子系统整体能耗。
我们需要在设计和维护时考虑到器件的功耗特性，以保证电子系统正常运行。
综上所述，半导体器件的物理特性包括偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等方面，这些要素都会影响器件的性能，电子系统的能耗以及系统整体行为。
因此，了解半导体器件物理定律，理解半导体器件的性能特性，并合理配置半导体器件，是半导体器件技术和电子系统技术发展过程中至关重要的一环。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
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
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理
半导体材料与器件物理是研究半导体材料（如硅、锗等）的电学、光学、磁学、热学等性质及其在半导体器件中的应用的学科。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其具有特殊的电子能带结构和载流子特性，使其在电子器件中具有广泛的应用。
半导体材料的物理研究主要包括以下几个方面：
1. 能带理论：半导体材料的导电特性与其电子能带结构紧密相关，能带理论研究了材料中电子的能量分布与输运特性。
2. 载流子特性：半导体材料中的导电是由自由电子和空穴贡献的，研究载流子的产生、寿命、迁移特性等有助于理解半导体材料的导电机制。
3. 杂质和缺陷：半导体材料中引入杂质原子或缺陷点可以改变其电学特性，研究杂质掺杂和缺陷制备对器件性能的影响是半导体材料的重要研究内容。
4. 光学性质：半导体材料对光的响应是其在光电子器件中应用的基础，研究半导体的光学吸收、发射、散射等性质对器件的设计和优化起到关键作用。
在半导体材料的基础上，半导体器件物理研究了各种半导体器件的原理、结构、制备工艺以及性能优化等方面的问题。
常见的半导体器件包括二极管、场效应晶体管（MOSFET）、太阳能电池、光电二极管等。
研究半导体器件物理可以深入了解器件的工作原理，优化器件结构和参数，提高器件的性能和可靠性。
半导体材料与器件物理在电子、光电子、纳米技术等领域的应用非常广泛，对于现代电子和信息科技的发展具有重要的意义。
《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
《半导体物理基础》课件
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件物理学是研究半导体器件工作原理和其他物理特性的研究领域。
它致力于理解和设计由半导体组成的电子器件，以及它们如何构成电路中的特殊电子元件，像晶体管、放大器和发射器等。
通过研究器件物理学，可以更好地理解半导体器件的结构、功能和性能。
半导体器件的运作原理在于其内部的半导体材料，由有机物质、金属、半导体材料和金属氧化物组成。
此外，它们还包含其他电子学部件，如电阻器、继电器、电感器和多种传感器。
大多数器件都具有由电子供应器（或称发射器）和晶体管构成的电路，这些电路被设计用来控制电子信号的流动。
器件物理学专注于研究半导体器件的物理特性，其中包括电荷载流，电压-电流特性，电容和电子传导性等。
它还包括半导体的光物理性质，例如导热、导电及其他光学现象。
此外，它还涉及到半导体器件的制造工艺，这些工艺可以用来创造出令人难以相信的微小零件。
研究半导体器件物理学也有助于了解其他物理现象，如过电压保护，信号动态性和可靠性。
研究这些现象有助于改善其工作方式，以及其影响的范围。
此外，研究还可以用来确定半导体器件的热性能特性，以及它们在特定电路条件下的运行特性。
研究可以帮助开发出能够稳定运行的器件，从而提高它们的性能。
研究半导体器件物理学也有助于确定半导体器件的结构和功能。
研究可以帮助开发出更高效、更可靠的半导体器件，以及更大范围、更高性能的电路。
研究可以用来确定器件的布局，也可以用来优化其特性，使其能够更好地适应特定的电路环境。
半导体器件物理学不断发展，随着技术的不断进步，这种研究领域也变得越来越重要。
它们被广泛应用于电子行业，包括计算机、电信和航空航天领域。
研究半导体器件物理学可以帮助科学家们更好地了解已经存在的器件，以及更新的器件的运作原理。
它也可以帮助设计出更高性能、更节能的电子器件，从而改善社会的经济效益。
因此，半导体器件物理学发挥着至关重要的作用，它可以帮助开发出具有较高性能和可靠性的电子器件，为社会发展和经济发展贡献自己的力量。
半导体物理和器件物理基础
I I S (e
1)
VT —热电压 VT=KT/q IS—PN结反向饱和电流
在室温（T=300K)时，
讨论：
I I S (e
V VT
1)
（1）当V=0时，I=0
（2）当V>0，且V>>VT 时，
（3） 当V<0，且|V|>>UT时，I-IS
2 PN结——伏安特性
VD I I
PN结单向导电特性
由前面的a、b合起来可以表述为：
PN结加正向电压时，电阻小，形成较
大正向电流ID，导通；
PN结加反向电压时，电阻大，形成反
向电流极小，不导通(截止)； 这一特性称为单向导电性。
PN结的电压与电流关系
I
P
_ _ _ _ _
+ + + + +
N
V
PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：
+ + + + + +
+ + + + + +
P
E内 E PN结正向偏置
N
R
PN结变窄
+ + + + + + E + + + + + + + + + + + + + + + + + + R + + + + + + + + + + + +
《现代半导体器件物理》课程介绍
《现代半导体器件物理》课程介绍现代半导体器件物理是电子信息类专业中的一门重要课程，它深入解析了半导体器件的物理原理、结构及工作原理等方面的知识。
本文将从课程内容、学习方法与应用前景三个方面介绍现代半导体器件物理。
一、课程内容现代半导体器件物理主要包括以下几个方面的内容：1.半导体基础知识：介绍半导体材料的基本特性以及晶体结构、能带理论、载流子的产生与输运等相关知识，为后续学习奠定基础。
2. pn结与二极管：讲解pn结的形成原理、二极管的工作原理以及常见二极管的特性参数和应用。
3. 势垒结与MOSFET：介绍势垒结的形成原理、MOSFET的结构和工作原理，详细分析MOSFET的静态和动态特性。
4. 双极型晶体管：讲解双极型晶体管的结构、工作原理和特性，深入分析放大器和开关电路的设计与应用。
5. 光电器件：介绍光电二极管、光电导、光电晶体管等光电器件的结构、特性及应用。
二、学习方法学习现代半导体器件物理需要掌握一定的学习方法，以下几点可以帮助学生更好地掌握该课程：1.理论与实践结合：理论知识与实际案例相结合，通过实验操作加深对理论的理解和记忆。
2.多角度思考：通过分析不同角度的问题，培养学生的思维能力，拓宽学生的视野。
3.积极参与讨论：与同学一起探讨问题，互相交流，共同解决难题。
4.多做习题：通过大量的习题练习，加深对知识点的理解和记忆，提高解决问题的能力。
5.查阅相关文献：利用图书馆和互联网资源，查阅相关文献，了解最新的研究成果和应用案例。
三、应用前景现代半导体器件物理是电子信息领域的基础课程，其应用前景广阔。
随着信息技术的飞速发展，半导体器件在通信、计算机、消费电子等领域的应用越来越广泛。
1.通信领域：半导体器件在通信领域扮演着重要角色，如光纤通信、无线通信、卫星通信等，都离不开半导体器件的支持。
2.计算机领域：半导体器件是计算机的核心组成部分，如集成电路、处理器、存储器等，它们的性能和功能都与半导体器件的发展密切相关。
半导体器件物理PPT课件
3)加反偏压时 耗尽层宽度为 W W
W
P
N
VR +
能量 （E ）
IR
（c ）
qy 0 VR
qVR
✓N区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，EFn 及诸能级相对P区 EFp下移 qVR 。
✓在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 EFn 和 EFp不变。
✓势垒高度增加至 q(y 0 VR ) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
1)热平衡时
耗尽层宽度为 W
P
2)加正向偏压时
能量 （E ）
N
W
（a ）
耗尽层宽度为 W W
PN结
W
P
NV+来自能量（E ）E Fn
E Fp
（b ）
qy 0 EC EF
qy0 V
qV EFn
2.2加偏压的PN结
加正向偏压时
W
P
N
能量
（E ）
E Fn
E Fp
qy0 V
qV EFn
V
+
（b ）
3)正确画出热平衡PN 结的能带图（图2-3a、b）。
4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
y0
y n
y
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
5)解Poisson方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗
尽层宽度。
PN结
PN结
2.2加偏压的PN结
1.加偏压的PN结的能带图
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
PN结
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程
半导体器件物理原理及应用
半导体器件物理原理及应用半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，由于其特殊的电子结构，具有许多独特的物理特性和应用价值。
半导体器件是利用半导体材料制成的电子器件，如二极管、晶体管、集成电路等。
这些器件在现代电子技术中起着至关重要的作用，广泛应用于通信、计算机、光电子、医疗、能源等领域。
半导体器件的物理原理主要涉及半导体材料的电子结构、载流子输运、PN结的形成以及器件的工作原理等方面。
首先，半导体材料的电子结构是理解半导体器件物理原理的基础。
半导体材料的价带和导带之间有一定的能隙，当光子或热能量激发时，电子可以跃迁到导带，形成自由载流子。
同时，产生了与电子相反的正电荷，即空穴。
这种电子-空穴对以及它们在半导体中的输运行为是半导体器件性能的关键因素。
其次，PN结是半导体器件中重要的结构。
PN结是由N型半导体和P型半导体直接接触而形成的结构。
在PN结中，N型半导体富含自由电子，而P型半导体富含空穴。
当PN结处于正向偏置时，N区的自由电子向P区移动，P区的空穴向N区移动，产生少数载流子的扩散运动。
而当PN结处于反向偏置时，由于内建电场的作用，少数载流子的漂移运动成为主导。
PN结的特性决定了很多半导体器件的性能，如二极管、晶体管等。
半导体器件的工作原理主要基于PN结的特性和半导体材料的特性。
以二极管为例，当二极管正向偏置时，PN结处于导通状态，电流可以通过二极管；而当二极管反向偏置时，PN结处于截止状态，电流几乎无法通过二极管。
而晶体管是一种基于PN结的器件，能够放大信号和控制电流。
在实际应用中，半导体器件有着广泛的用途。
首先，作为电子元件的基本构成单元，半导体器件广泛应用于电子设备和电路中。
例如，集成电路是由大量的半导体器件组成，是计算机、手机、通信设备等现代电子产品的核心。
其次，半导体器件在光电子领域也有着重要应用。
例如，半导体激光器件能够产生单色光，广泛应用于光通信、激光打印机、激光医疗设备等领域。
《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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6
半导体的应用
半导体 电子元器件 分离元件 集成电路 光电导器件 温差电制冷器 发光二极管 光电池 温差发电器 热敏电阻 光电器件 热敏器件
半导体的应用
【例】单片机MCU与日常生活：
微元件 处理器 数字信号 单片机 微处理器
存储器
逻辑元件
场效应管三极管ຫໍສະໝຸດ 二极管半导体的应用
【例】发光二极管LED与日常生活：
1958 1958年 年 W.C.Dash W.C.Dash 无位错硅单 无位错硅单 晶 晶
1963 年砷化镓 1963 年砷化镓 微波振荡效应 微波振荡效应
分子束外延MBE
金属有机化学汽相沉积MOCVD
几种主要半导体的发展现状与趋势
● 硅 增大直拉硅（CZ-Si）单晶的直径仍是 今后CZ-Si发展的总趋势。
★过渡金属氧化物半导体：有 ZnO 、 SnO2 、 V2O5 、 Cr2O3 、 Mn2O3 、 FeO 、 CoO 、 NiO 等。 ★尖晶石型化合物（磁性半导体）：主要有 CdCr2S4、CdCr2Se4、HgCr2S4等。 ★ 稀 土 氧 、 硫 、 硒 、 碲 化 合 物 ： 有 EuO 、 EuS、EuSe、EuTe 等。
称这个带正电的粒子为空穴。
又因 J [qV(ke )] 0
V (k p ) V (ke )
2. 空穴的能量
Ec
空穴从价带顶Ev→ke，也就是电子从 ke态到价带顶，将获得能量：
电子能量
设价带顶的能量 Ev=0
△E
● ○
E (k P ) E
Ev E(ke)
E ( k P ) E ( ke )
8
电子少 导带
●
EC EV
J 表示该价带内实际存在 的电子引起的电流密度。
●
Ec Ev E(ke)
○
○
电子多
价带
设想有一个电子填充到空的ke态，这个电 子引起的电流密度为（-q）V（ke）。 在填入这个电子后，该价带又成了满 带，总电流密度应为零，即
设价带内失去一个ke态的电子，而价带中 其它能级均有电子占据:
半导体的发展
成长期
衰 退 期
成熟期
1874年 F.Braun 金属－半导体接触 1879年Hall效应 K.Beadeker半导 体中有两种不同 类型的电荷
1870 1930
1948年 Shockley ，Bardeen, Brattain 锗晶体管 (transistor) 点接触式的
第一个点接触式的晶体管 (transistor)
1963 年 1963 年 用液相外延法生长 用液相外延法生长 砷化镓外延层， 砷化镓外延层， 半导体激光器 半导体激光器
1950
1960
1960
1970 1965年 J.B.Mullin发明 氧化硼液封直拉 法砷化镓单晶
1952年G.K.Teel 1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 直拉法 制得高纯硅 第一根硅单晶
成为现代电子 工业的基础
萌 芽 期
1940
1950 Ge 晶体管
氧化铜、硒 整流器、曝光计
硅 检波器
硅 晶体 管
获1956年诺贝尔物理奖
4
1950年G.K.Teel 直拉法 较大的锗单晶 1952年H.Welker
发现Ⅲ-Ⅴ族化 合物 进 入 成 长 期
1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生
硅外延 技术
半导体器件物理
深圳大学光电工程学院 sbpengds@
主要参考书目
1. 孟庆巨 刘海波 孟庆辉 编著.半导体器件物理(第 二版)，科学出版社 2. 施敏.现代半导体器件物理，科学出版社 3. 刘恩科《半导体物理学》（第七版），电子工 业出版社 4. 王庆有《光电技术》（第二版）北京：电子工 业出版社 5. 安毓英，刘继芳，李庆辉 光电子技术（第二 版）北京：电子工业出版社
●宽带隙半导体材料
金刚石 碳化硅 III族氮化物、立方氮化硼 II-VI族硫、锡、碲化物、氧化物及固溶体等
特别
SiC、GaN 和金刚石薄膜等材料的特点 高热导率 高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压 ● 高频大功率、耐高温、抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料 ● 通信、汽车、航空、航天、石油开采及国防
R 绝 缘 体
●电子激发能隙
导体：Eg ~ 0 例如： Eg (Cu) ~ 0 eV 例如： Eg (SiO2)=8.0 eV
绝缘体： Eg 3 eV
半导体
金属
半导体： 0 Eg 3 eV 例如： Eg (Si) =1.12 eV
T
例外
●半导体金刚石 ( Eg ~ 6 eV ) ●氮化镓GaN ( Eg ~ 3.4 eV ) ●硫化锌 ZnS ( Eg ~ 3.5 eV )
半导体的应用
【例】发光二极管LED与日常生活：
上世纪60年代：红光； 70年代：绿光； 90年代：蓝光。
§1 半导体的基本知识
1.1 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
什么是半导体？
从导电性（电阻）：
固体材料可分成：超导体、导体、 半导体、绝缘体 电阻率ρ介于导体和绝缘体之间，并且具 有负的电阻温度系数→半导体
●电阻率
导体： ρ＜10-3Ωcm 例如：ρCu~10-6Ωcm
半导体：10-2Ωcm＜ρ＜109Ωcm ρGe=0.2Ωcm 绝缘体：ρ＞109Ωcm
1
●电阻温度系数
硅基应变异质结构材料 目前硅基材料研究的主流： GeSi/Si应变层超晶格材料 新一 代移动通信。 Si/GeSi MOSFET 的最高截止频率已达 200GHz，噪音在10GHz下为0.9dB，其 性能可与GaAs器件相媲美。
●量子线、量子点
量子尺寸效应 基于 量子干涉效应 量子隧穿效应 非线性光学效应 ● 低维新型半导体材料 ● 人工构造（通过能带工程实施） ● 新一代量子器件的基础
J (q)V (k e ) 0
J qV (ke )
价带内ke态空出时，价带的电子产生的总电 流，就如同一个带正电荷q的粒子以ke状态 的电子速度V（ke）运动时所产生的电流。
空穴的速度 设价带所有电子形成的总电流为 J，那么：
J ' qV (k ) qV (k p )
价带电子
空的量子态（ 空穴）
半导体中的空穴
因此，在半导体中存在两种载流子： （1）电子； （2）空穴； 而在本征半导体中，n=p。 1.空穴的波矢 kp 和速度 假设价带内失去一个ke态的电子，而价带中 其它能级均有电子占据，它们的波矢总和为 ∑k 满带时： ∑k+ ke=0 ∑k=－ke，而∑k ＝kp ∴空穴的波矢 kP=-ke 空穴与导电电子
课程简介
半导体器件物理课程结合一些主要的、常见的 半导体器件介绍了半导体器件的基本结构、基 本工作原理、基本性能和基本制造工艺。 半导体器件物理课程是微电子、光电子、电子 科学与技术等专业的主干专业基础课。
半导体技术发展的里程碑
1833年发现硫化银的电阻率温度系数为负 1839年，法国贝克莱尔，发现光生伏特效应 1873年，英国史密斯，发现光电导效应 1874年，德国布劳恩，发现整流效应 1879年，美国霍尔，发现霍尔效应 1947年晶体管的出现 1959年集成电路问世 1960年发明了增强型MOSFET 1962年砷化镓激光器问世 1969年提出超晶格理论 1991年GaN 蓝光LED的出现
半导体材料的分类
微电子半导体 光电半导体 热电半导体 按功能和应用分 微波半导体 气敏半导体 ∶ ∶
无机半导体：元素、化合物 按组成分： 有机半导体
无机半导体晶体材料
元素半导体 无机半导体晶体材料 化合物半导体 固溶体半导体
晶体：单晶体、多晶体 按结构分: 非晶、无定形
2
元素半导体晶体
熔点太 高、不易 制成单晶
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶 体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相 临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
本征激发 本征激发 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导 当温度一定时，价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 带电子的过程 。 。
激 发 前： 激 发 后：
导带电子
空穴
将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准 粒子的导电作用。
空穴的主要特征：
A、荷正电：+q； B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；
Si C B Te 元素 半导体
Ge Se
稀少 Sn
低温某种 固相
As P I S Sb 不稳定、 易挥发
(1)元素半导体晶体
化合物半导体及固溶体半导体
SiC AsSe3、 AsTe3、 AsS3、SbS3 Ⅴ-Ⅵ族 Ⅳ-Ⅳ族 Ⅲ-Ⅴ族 CdS、 CdTe、 CdSe、 ZnS Ⅱ-Ⅵ族 InP、GaP、 GaAs、InSb、 InAs
空穴能量
电子从价带顶Ev→ke，将释放出能量：
E (k e ) E
9
1.2 本征半导体
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。