69第6章3_半导体器件物理EM3模型
尼曼-半导体物理与器件第六章解析
浓度成比例。
• 外力撤除的情况下，电子浓度变化的比率为
dnt
dt Gn0 R
r ni2 nt p t
复合系数
第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
4
热平衡态：
Gn0 Rn0 r n0 p0 r ni2
非热平衡态，电子的复合率：
R rnt p t r n0 nt p0 p t
除去热激发，可借助其它方法产生载流子，使电 子和空穴浓度偏离热平衡载流子浓度n0、p0，此时 的载流子称为非平衡载流子（n、p），偏离平衡 值的那部分载流子称为过剩载流子（δn、δp）。
n n0 n
p p0 p
产生非平衡载流子的方法：电注入（如 pn 结）、光注入（如光探测器）等。
np n0 p0
根据前面的推导，双极扩散系数D'可表示为：
D DnDp
n p
nn0 n, p p0 n
D
Dn Dp
n0 n
p0 n
Dnn Dp p
Dn n0 n Dp p0 n
其中，n0和p0分别是热平衡时电子和空穴浓度，δn是过剩载流子浓度。
以p型半导体为例（p0>>n0），假设小注入条件（δn<<p0），且
x2
p
E
p
x
E
p
x
gp
p
pt
p
t
Dn
2 n
x2
n
E
n
x
n
E x
g
n
n
nt
n
t
简化为：
Dp
2 n
x2
p
E
n
x
p
E x
半导体物理学建模-概述说明以及解释
半导体物理学建模-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述半导体物理学建模是一门研究半导体材料和器件特性及行为的学科，通过数学模型和计算技术，将现实世界中复杂的半导体现象转化为可计算的形式，以便更好地理解和预测半导体器件的性能和行为。
随着半导体技术的快速发展，半导体物理学建模在科学研究、工程设计和产业应用中都具有重要的地位。
通过建模，我们可以深入研究电子在半导体材料中的运动规律、能带结构的形成和能级分布等基础物理过程，进而理解半导体器件的电学、光学和热学性质。
本篇文章将重点介绍半导体物理学建模的基础知识、建模方法与技术，以及一些应用案例与实践经验。
通过深入解析这些内容，读者可以全面了解并掌握半导体物理学建模的理论与实践，为相关领域的研究和开发提供参考和指导。
文章结构本文将按照以下结构进行叙述：第一部分是引言部分，主要包括概述、文章结构和目的三个方面。
在概述中，我们将简要介绍半导体物理学建模的背景和意义；在文章结构部分，我们将列出本文的组织结构和各部分的主要内容；在目的部分，我们将说明本文的写作目标和意义。
第二部分是正文部分，主要包括半导体物理学基础、建模方法与技术以及应用案例与实践三个方面。
在半导体物理学基础部分，我们将介绍半导体的基本概念、性质和特性；在建模方法与技术部分，我们将介绍常用的半导体建模方法和相关技术；在应用案例与实践部分，我们将通过一些具体的案例和实际应用，展示半导体物理学建模在科学研究和工程设计中的应用价值。
第三部分是结论部分，主要包括总结与回顾、建议与展望以及结论三个方面。
在总结与回顾部分，我们将对本文进行总结和回顾，重点概括半导体物理学建模的主要内容和意义；在建议与展望部分，我们将提出关于建模方法和技术的一些建议和展望，探讨未来的发展方向；在结论部分，我们将对本文的主要观点和结论进行总结和归纳。
通过这样的结构安排，本文将全面而系统地介绍半导体物理学建模的相关理论和应用，为读者提供一个全面了解和学习该领域知识的框架。
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；
半导体与器件物理全套课件
微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
2006 0.10 1.5—2
2009 0.07 <1.5
2012 0.05 <1.0
栅介质的限制
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
随着 tgate 的缩小，栅泄 漏电流呈指数性增长
栅介质的限制
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974; Dennard; 基本指导思想是：保持MOS器件内部电 场不变：恒定电场规律，简称CE律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减 少负载电容，提高集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数
在45nm以下？极限在哪里？22 nm? Intel, IBM…
10nm ? Atomic level?
第二个关键技术： 互连技术
铜互连已在 0.25/0.18um技术代 中使用；但在 0.13um后，铜互连 与低介电常数绝缘 材料共同使用；在 更小的特征尺寸阶 段，可靠性问题还 有待继续研究开发
67第6章1_半导体器件物理EM1模型
半导体器件物理(1)第6章BJT模型和BJT版图第2章到第5章分析了BJT的放大特性、频率响应、功率特性以及瞬态响应。
本章作为对BJT各种特性的总结和综合应用，涉及两方面内容:(1)结合得到广泛应用的电路模拟仿真软件Spice，介绍该软件以及其不同版本（包括Hspice、Pspice等）中采用的BJT器件模型和主要模型参数;(2)结合pn结隔离双极集成电路工艺，介绍集成电路中采用的基本BJT版图结构和特点。
半导体器件物理(I )半导体器件物理(I)1.E-M 模型和G-P 模型两种模型的结果和包含的模型参数基本一样，只是建立模型的过程不同。
其中E-M 模型建立过程与BJT 工作物理过程有直接联系，更易于理解。
本节针对通用电路模拟软件Spice 中采用的模型为对象，介绍E-M 模型。
6-1 E-M 模型一、概述第6章BJT模型和BJT版图通用的BJT 模型主要有两种：(1)由J.J.Ebers 和J.L.Moll 提出的E-M 模型；(2)由Gummel 和Poon 提出的G-P 模型。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型一、概述2.关于E-M模型按照考虑物理效应内容的不同，E-M模型分为三个级别：(1)EM-1模型为描述BJT基本工作原理的直流特性模型;(2)在EM-1模型基础上考虑串联电阻以及势垒电容和扩散电容就成为EM-2模型;(3)在EM-2模型基础上再考虑二阶效应就成为EM-3模型。
半导体器件物理(I )半导体器件物理(I )1. 基本关系式(针对npn晶体管)说明：符号V b’e’、V b’c’分别表示相应势垒区两端（不是引出端）电压。
电流定义方向为流进电极电流为正。
若偏置为：V b’e’≠0, V b’c’=0 流过BE 结的电流为：I F =I ES [exp(eV b’e’/kT)-1]第6章BJT模型和BJT版图则I E = -I F , I C =αF I F6-1 E-M 模型二、E-M1模型半导体器件物理(I )6-1 E-M 模型二、E-M1模型1. 基本关系式(针对npn晶体管)说明：符号V b’e’、V b’c’分别表示相应势垒区两端（不是引出端）电压。
半导体物理与器件 第六章3 (2)-PPT课件
半导体物理与器件
半导体物理与器件
当有过剩载流子存在时，半导体材料就不再处于热平衡状态， 此时费米能级就失去意义，但是在这种情况下，我们可以分别 为电子和空穴定义一个适用于非平衡条件下的准费米能级，即：
其中EFn和EFp就是电子和空穴的准费米能级，在非平衡条件 下，电子的总浓度和空穴的总浓度分别是其准费米能级的函数。
t=0时刻 输入脉冲
V1
t=t0
t
xpEt 0 0 d p E 0t0
δ p脉冲按少子迁移率 沿着外加电场方向漂 移
t=t1 t
半导体物理与器件
§6.4 准费米能级
在热平衡条件下，电子和空穴的浓度是费米能级位置的函数， 即：
其中EF和EFi分别是费米能级和本征费米能级，ni是本征载流子 浓度。对于N型和P型半导体材料，其EF和EFi的位置分别如下 页图所示。
介质驰豫时间常数
半导体物理与器件
例6.5 n型Si掺杂浓度为10e16，计算该半导体的介电驰豫常数。 答案：
1 4 1 1 . 7 8 . 8 5 1 0 1 3 5 . 3 9 1 0 s d 1 . 9 2
在4τd时间后，即可达到电荷平衡，与过剩载流 子寿命（~0.1µ s）相比，该过程非常迅速。这证 明了电中性条件。
半导体物理与器件
过剩载流子浓度随着时间的指数衰减过程示意图
光照停止后的载流子复合过程
半导体物理与器件
例8.2
半导体物理与器件
开始光照时，过剩载流子的产 生过程
半导体物理与器件
求解如下： 对于均匀掺杂的P型半导体材料，少数载流子电子的 双极输运方程为：
半导体物理与器件
半导体物理与器件
根据题设条件，一维均匀半导体材料，无外加电场，除x=0点 之外，各处产生率为零，要求稳态时过剩载流子分布结果，故双 极输运方程可简化为：
《半导体器件与模型》PPT课件
4）最高工作频率fM
前三项是二极管的直流参数，主要利 用二极管的单向导电性，应用于整流、 限幅、保护等等
1.3 二极管的等效模型及分析方法
1、指数模型
iD Is (ev/VT 1)
2、理想二极管开关模型 适应于电源电压远大于二极管的管 压降时
iD 0
vD 0
管压降为0 vD 0
vD iD DIdeal
+
+3
4
N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体（电子型半导体）。
在N型半导体中自由电子是 多子,它主要由杂质原子提供； 空穴是少子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原 子因自由电子脱离而带正电荷成 为正离子，五价杂质原子被称为 施主杂质
+5
+4
+4
+4
说明：
PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止
单向导电性
3、PN结的正向伏安特性
PN结所加端电压vD与流过它的电流I的
关系为： iD Is (evD /VT 1)
正偏
反偏
Is : 反向饱和电流 vD :外加端电压
VT kT / q :T 300K时，为26mV
一般而言，要产生正向电流时，外加电压远大 于VT，正向电流远大于Is，则可得
0
VQ
vD
交流信号的图解
vi Vim sin t
R iD
VDD
vD
回 路 输 入 电 压 的 总 瞬 时值 为 VD' D VDD d 线性电路方程
iD
iD
vD VD' D iD R
VDD Vim sint iDR
半导体物理课件-PPT精品文档
接触现象
10.半导体的光学性质和光电
与发光现象
11.半导体的热电性质
12.半导体磁和压阻效应
特殊效应
13.非晶态半导体
半导体概要1
一、什么是半导体(semiconductor)？
➢ 电阻率
➢ 带隙
半导体概要2
半导体概要3
二、半导体的主要特征：
➢ 杂质对半导体电阻率的影响
➢ 温度对半导体的影响
pm
vE
0
p
2m
2
0
(
r
,
t
)
Ae
i
(
k
r
t
)
pk
Ehv
v
E
k
m0
2k 2
2m0
可以看出，对于波矢
k的运动状态，
自由电子的
E, p, v均有确定值，因
此波矢
k可以描述自由电子运动
状
态。
自由电子的E-k关系
1.2 半导体中的电子状态和能带5
➢ 初级晶胞(原胞)：晶体中最小重复单元
一个初基晶胞是一个体积最小的晶胞
初基晶胞中的原子数目（密度）都是一样的
初基晶胞中只含有一个阵点（平行六面体的8个角隅，1/8共享）
➢ 原胞往往不能反映晶体的对称性, 晶胞一般不是最小的重复单元。其体
积（面积）可以是原胞的数倍
晶胞：a, b, c轴围成的六面体
原胞：a1,a2,a3围成的六面体
大值附近能量Ev(k)分别为：
2
半导体器件物理 课件 第六章
p沟道耗尽型MOSFET 零栅压时已存在反型沟道，VTP>0
37
耗尽型：栅压为0时已经导通 N沟（很负才关闭） P沟（很正才关闭）
增强型：栅压为0时不导通
N沟（正电压开启 “1”导通）
P沟（负电压开启 “0”导通）
38
6.3.2 N 沟道增强型 MOS 场效应管工作原理
1. VGS对半导体表面空间电荷区状态的影响
EFS Ev
费米能级
价带顶能级
6
6.1 MOS电容
小的正栅压情形
表面能带图:p型衬底(2)
(耗尽层)
大的正栅压情形
X dT
(反型层+耗尽层)
EFS Ev
EFS EFi
EFS Ev
EFS EFi
7
6.1 MOS电容
表面能带图:n型衬底(1)
正栅压情形
EFS Ec
EFS EC
8
6.1 MOS电容
小的负栅压情形
n型
(耗尽Hale Waihona Puke )大的负栅压情形n型
(反型层+耗尽层)
表面能带图:n型衬底(2)
EFS Ec
EFS EFi
EFS Ec
EFS EFi
9
6.1 MOS电容 空间电荷区厚度:表面耗尽情形
表面势 s / s 半导体表面电势与 体内电势之差
Al SiO2 Si : fp 0.228V
(T 300K, Na 1014 cm3)
ms 0.83V
15
6.1 MOS电容 功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)
简并：degenerate 退化，衰退
《半导体器件物理》教学大纲（精）
《半导体器件物理》教学大纲（精）《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,W?）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100?=inL OC P I FFV η 第五节光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、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》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
物理半导体器件物理PPT课件
部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．
半导体物理与器件Neamen
16
1.3空间晶格
金刚石结构
1.3.4 金刚石结构
Байду номын сангаас
17
1.3空间晶格
四面体结构
金刚石结构
18
1.3空间晶格
金刚石晶格
金刚石结构
19
1.3空间晶格
闪锌矿结构（GaAs）
不同原子构成的四面体
金刚石结构
20
1.3空间晶格
金刚石结构
21
1.4原子价键
离子键 （NaCl 库仑力）
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章
1
绪论
什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围
材料 电阻率ρ(Ωcm)
导体 ＜ 10-3
半导体 10-3～109
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的电 阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
3
1.1半导体材料
元素半导体（Si、 Ge） 化合物半导体（双元素，三元素等）
4
1.2固体类型 半导体的晶体结构
一、晶体的基本知识 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。
共价键 (H2 共用电子对) 金属键 (Na 电子海洋)
范德华键 （弱 HF 电偶极子 分子内非健结合的力）
存在分子或
22
1.4原子价键
硅原子和硅晶体
23
1.5固体中的缺陷和杂质
晶格振动 点缺陷 （空位和填隙） 线缺陷
68第6章2_半导体器件物理EM2模型
半导体器件物理(1)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型三、E-M2模型在描述直流特性的EM-1模型基础上，再考虑串联电阻、势垒电容和扩散电容的影响，就得到考虑寄生电阻和交流特性和瞬态响应的EM-2模型。
1.串联电阻考虑基区、发射区和集电区3个区域的串联电阻，新增3个模型参数：RB、RE和RC。
半导体器件物理(I )半导体器件物理(I)反偏情况下势垒电容的一般表达式为：C J ＝C T0(1-V/V J )-mj包含3个模型参数：C T0:零偏势垒电容；V J :势垒内建电势；mj :电容指数。
对eb 结势垒电容，新增3个模型参数：CTE0、VJE 和MJE 。
对bc 结势垒电容，新增3个模型参数：CTC0、VJC 和MJC 对IC 考虑衬底结势垒电容，新增3个模型参数：CTS0、VJS 和MJS第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型2. 势垒电容半导体器件物理(I)在正偏条件下，势垒电容的表达式为：C J =C T0(1-F C )-(1+mj)(1-F C (1+mj)+mjV/V J )又新增一个模型参数FC (势垒电容正偏系数)。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型2. 势垒电容半导体器件物理(I)3.扩散电容发射结扩散电容为：C de ＝τF (eI CC /kT)新增一个模型参数：TF (正向渡越时间)集电结扩散电容为：C dc ＝τR (eI EC /kT)新增一个模型参数：TR (反向渡越时间)。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型半导体器件物理(I)4.等效电路在EM-1模型等效电路中新增三个电阻、三个势垒电容、两个扩散电容，成为EM-2模型等效电路。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型半导体器件物理(I)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型三、E-M2模型EM-2模型新增15个模型参数。
第3章 半导体器件模型
中使用得最为普遍的是EM和GP模型。
EM模型：本身是一种大信号非线性直流模型，不考虑电荷 存储效应和二阶效应。原始EM模型经过不断改进，目前已 成为包括各种效应的较为完善的模型。 GP模型：包括主要的二阶效应，是一种数学推导上更加严
[3]晶体管端电流可以表示为：
计算机辅助电路设计与分析
RED APPLE STUDIO
24
3.2 双极型晶体管模型
[4] SPICE 程序中双极型晶体管的混合模型
NPN型管的四个特性区间
正向工作区：发射结正偏，集电结反偏；
反向区：发射结反偏，集电结正偏； 饱和区：发射结正偏，集电结正偏；
40
3.2 双极型晶体管模型
（3）第三类：衬底电容CSUB
计算机辅助电路设计与分析 RED APPLE STUDIO
18
2. 传输型模型
[1] 传输型模型的公式：
与注入型模型的差别仅仅在所选用的参考电流不同。 传输型模型的参考电流：IFC和IRC。可写成如下形式：
计算机辅助电路设计与分析
RED APPLE STUDIO
19
[2] 传输型EM1模型：
6
二极管电荷存储效应的等效电容及其组成
Cd：PN结耗尽层电荷存储产生的耗尽电容
Cs：少数载流子注入的电荷存储产生的扩散电容
计算机辅助电路设计与分析
RED APPLE STUDIO
7
3.1 二极管模型
PN结耗尽层电荷存储产生的耗尽电容Cd随电压UD的变化特性
Cd
UD
计算机辅助电路设计与分析 RED APPLE STUDIO
半导体器件的模型
B.4 用ispPAC10 实现增益 为100倍的三种接法（b）
返回
B.4 用ispPAC10 实现增益 为100倍的三种接法（c）
返回
B.5 用ispPAC10 实现二阶有源滤波器
返回
B.6 ispPAC20 引脚图及其内部结构图（ a ）
返回
B.6 ispPAC20 引脚图及其内部结构图（ b）
返回
C.5 阻容耦合单管共射放大电路
返回
C.6 仪器列表
返回
C.7 单管共射放大电路 及其所用测试仪器
返回
C.8 数字式万用表、函数发生器 和双踪示波器
返回
返回
A.4 N沟道MOS管的模型
返回
A.5 集成运放的直流特性宏模型
返回
A.6 集成运放的交流小信号宏模型
返回
B.1 ispPAC10 引脚图及其内部结构图
返回B.2 ispPFra bibliotekC10 的内部电路示意图
返回
B.3 ispPAC10 可编程模拟宏单元示意图
返回
B.4 用ispPAC10 实现增益 为100倍的三种接法（a）
A 半导体器件的模型
• A.1 二极管的模型 • A.2 晶体管的EM2模型 • A.3 N沟道结型场效应管的模型 • A.4 N沟道MOS管的模型 • A.5 集成运放的直流特性宏模型 • A.6 集成运放的交流小信号宏模型
返回
B 在系统可编程模拟器件
• B.1 ispPAC10 引脚图及其内部结构图 • B.2 ispPAC10 的内部电路示意图 • B.3 ispPAC10 可编程模拟宏单元示意图 • B.4 用 ispPAC10 实 现 增 益 为 100 倍 的 三 种 接 法
半导体器件和模型(2008)
P-N结反向击穿
PN结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场 Emax决定.
Emax = 3 ×105V / cm BV = 58.2V
两种击穿机理: 齐纳击穿:隧道击穿.当 PN结两边都是重掺杂时 发生. 雪崩击穿:雪崩碰撞倍增.
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 半导体器件和模型
半导体器件和模型
举例
16 3 已知:N A = 1019 cm 3,N D = 10 cm
( )VR = 0 1 1 2ε 0ε si Φ B 2 2 × 8.85 ×10 14 × 11.8 × 0.9 xn = = qN D 1.6 × 10 19 ×1016
= 34 ×10 6 cm = 0.34 μm
简化电路分析的复杂度 手工分析模型 SPICE仿真模型 二级效应
掌握MOSFET基本物理特性.包括I/V特性,二阶效应, 寄生电容和小信号模型等 了解短沟道器件引入的一系列高阶效应 建立直观的器件特性分析方法
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 半导体器件和模型
ε 0ε si qN D 2 8.85 × 10 14 × 11.8 × 1.6 × 10 19 × 1016 Cj = = 2 × 0.9 2Φ B = 30 ×10 9 F/cm 2 = 0.3fF / μm 2
1PF = 10 12 F , 1 fF = 10 15 F
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 半导体器件和模型
强反型条件:栅极下硅表面反型层的 载流子浓度 = 衬底掺杂浓度
Design of Analog CMOS Integrated Circuits3nd 半导体器件和模型
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
半导体器件物理(1)
半导体器件物理(I
)
在E-M2模型基础上进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、大注入效应等，就成为E-M3模型.
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I
)
1.基区宽度调制效应(Early 效应)
按照器件物理描述的方法，正向放大应用情况下，采用正向Early 电压V A （记为VA ）描述c’-b’势垒区两端电压Vc’b’对有效基区宽度X b 的影响，进而导致I S 、βF 等器件特性参数的变化。
同样引入反向Early 电压（记为VB ）描述反向放大状态下Ve’b’的作用。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I
)
考虑基区宽变效应引入两个模型参数：
正向Early 电压VA
反向Early 电压VB
这两个模型参数的默认值均为无穷大。
若采用其内定值，实际上就是不考虑基区宽度调制效应。
考虑基区宽变效应等效电路并不发生变化。
第6章BJT模型和BJT版图1.基区宽度调制效应(Early 效应)
6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I
)
小电流下正偏势垒区存在的复合和基区表面复合效应使基极电流增大。
引入下述基区复合电流项描述正向放大情况下be 结势垒区的影响：
I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]
反向放大情况下引入下述基区复合电流描述bc 结势垒区的影响：
I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]
相当于等效电路中I B 增加两个电流分量。
2.小电流下势垒复合效应的表征
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型
四、E-M3模型
2.小电流下势垒复合效应的表征
半导体器件物理(I)
半导体器件物理(I
)
I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]
I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]
新增4个模型参数：
ISE (发射结漏饱和电流)
ISC (集电结漏饱和电流)
NE (发射结漏电流发射系数)
NC (集电结漏电流发射系数)
第6章BJT模型和BJT版图2.小电流下势垒复合效应的表征
6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I )
正向放大情况下，大注入效应使I CC 随be 结电压的增加趋势变慢，为此只需将I CC 表达式作下述修正，等效电路无需变化：
I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)
反向放大情况下，考虑大注入效应，I EC 随与bc 结电压关系作如下修正：
I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)
3.大注入效应的表征
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I
)
I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)
考虑大注入效应，新增两个模型参数：
IKF ：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流IKR ：表征大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流
3.大注入效应的表征
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型
四、E-M3模型
半导体器件物理(I
)
第6章BJT模型和BJT版图
6-1 E-M模型
五、讨论
1.默认值为0或者无穷大
的模型参数
E-M2模型中有14个模型参数以及E-M3模型中
的ISE和ISC两个参数的
默认值均为0。
半导体器件物理(I
)
第6章BJT模型和BJT版图
6-1 E-M模型
五、讨论
1.默认值为0或者无穷大
的模型参数
E-M3中的VA、VB、
IKF和IKR四个模型参数
的默认值均为无穷大。
如果在模拟过程中这些
模型参数采用其默认值，
则模拟仿真过程中将不考虑所代表的物理效应。
第6章BJT模型和BJT版图
6-1 E-M模型
五、讨论
2.其他效应的考虑
在PSpice模拟软件采用的双极晶体管模型中，还考虑许多其他效应。
例如：型参数随温度的变化( 包括晶体管饱和电流、漏电流、电流放大系数、串联电阻、势垒内建电势、结电容等参数) ；
噪声模型；
禁带宽度参数等等。
使双极晶体管模型参数总数达到60个。
半导体器件物理(I )
第6章BJT模型和BJT版图
6-1 E-M模型
上面介绍了BJT的E-M3模型，包括等效电路及相应的8个模型参数。
下一个知识点将结合pn结隔离双极集成电路工艺，介绍集成电路中BJT 器件的版图设计。
半导体器件物理(I)。