半导体器件物理I复习笔记备课讲稿
半导体物理_01基础知识概论
3、晶体中电子的状态——布洛赫定理与波函数的形式
波函数的形式——布洛赫定理证明：
定义平移算符Tˆ
r am
:
Tˆ
r am
f
xr
f
xr
mar
特点：Tˆ arm Tˆ arn Tˆ arn Tˆ arm 互易性
可以证明：Tˆ
r am
Hˆ
xr
HˆTˆ
r am
xr
Hˆ
xr
mar
因此，若 xr 是 Hˆ 的本征函数，则经过平移后的 xr mar
− N个Si原子组成晶体，形成的两个能带不与s、p能级相对
应，它们都包含2N个状态，各可容纳4N个电子：下面一个 能带填满4N个价电子，通常称为满带(价带)；上面一个能带 是空的，称为空带(导带)；二者之间是不允许电子状态存在 的禁区——禁带。
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)1
1、数学物理模型和近似
0
a
k
a
布里渊区按照E(k)的不连续点进行划分，对于一维晶体：
第一布里渊区 第二布里渊区
k
a
a
2 k ,
a
a
k 2
a
a
禁带在布里渊区边界，允带 在布里渊区之内
以此类推，有第三、第四布里渊区
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)11
3、晶体中电子的状态——布里渊区与能带 − E~ k关系的不连续点对应禁带，在布里渊区边界；
uk x na uk x
以上就是布洛赫定理
自由电子波函数
1.2.2 半导体中电子的状态和能带(数学分析)7
3、晶体中电子的状态——晶体中的电子与自由电子的比较 ➢ 波函数形式相似
半导体物理总结-讲义(1)
半导体物理总结-讲义(1)《半导体物理总结-讲义》是一本关于半导体物理基础知识的讲解材料，其中包括半导体的基本特性、载流子运动、PN结、场效应管等内容。
以下为该书的重点内容概述：一、半导体材料特性1. 能带结构：半导体的能带结构高于导体、低于绝缘体，因此具有介于导体和绝缘体之间的导电和绝缘特性。
2. 晶格结构：半导体具有有序、周期性的晶体结构，能够有效控制电子在晶体内的运动。
3. 掺杂：通过掺杂材料改变半导体的电子浓度，从而使其具有p型或n型半导体的特性。
二、载流子运动1. 热激发：半导体中的电子可以受到能量的激励而被激发到导带中。
热能、光能、电场或磁场都可以起到激发的作用。
2. 离子化：在电场的作用下，半导体中的电子可能与晶格原子碰撞，失去能量而被离子化。
形成的正负离子对在电场作用下会向相反方向漂移。
3. 扩散：电子或空穴在半导体中由高浓度区域向低浓度区域扩散，使浓度逐渐平均，实现电流的流动。
扩散是在没有外电场的情况下发生的。
三、PN结1. 构成：PN结由p型半导体和n型半导体组成。
2. 特性：PN结具有一定的整流特性，能够阻止电流从n型半导体流向p型半导体，但允许反向电流。
3. 工作原理：在PN结中，载流子在电场的作用下发生扩散和漂移，形成电流。
四、场效应管1. 构成：场效应管由栅、漏极和源极三部分构成。
栅极位于n型半导体上，由于n型半导体中的电子易受到电场的影响，因此在栅极上加入电信号可以控制通道的导电性。
2. 工作原理：在没有控制电压的作用下，场效应管的通道是关闭的。
当加入一定电压时，栅极上的电场可以将通道打开，使得电流得以流动。
以上为《半导体物理总结-讲义》的重点内容概述，读者可根据需要深入学习相关内容。
半导体器件物理I复习笔记
精心整理半一复习笔记By潇然2 1.1平衡PN结的定性分析1.pn结定义：在一块完整的半导体晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结2.缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结3.4.1.21.2.1.41.(1)(2)(3)(4)2.1.51.2.1.61.2.扩散电容1.7势垒电容在考虑正偏时耗尽层近似不适用的情况下，大致认为正偏时势垒电容为零偏时的四倍，即1.8扩散电容定义：正偏PN结内由于少子存储效应而形成的电容1.9PN结的瞬态1.10PN结击穿1.雪崩击穿(1)定义：在反向偏压下，流过pn结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。
当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴受到强电场的漂移作角，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。
(2)击穿电压，与NB成反比，意味着掺杂越重，越容易击穿；(3)(4)(5)2.(1)(2)(3)2.1BJT2.2BJT1.①In（X1②IE=Inγ0③In（X2的复合电流之和；此处可推导αT02.发射结的发射效率γ0对于NPN型晶体管，γ0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有（定义）代入Ip（X1）（B区空穴注入E区扩散电流）以及In（X2）（E区电子注入B区电子电流），得下式3.基区输运系数αT0对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注入基区的电子电流In(X2)之比，即有（定义）代入复合电流与E→B电子的扩散电流，再利用扩散系数与扩散长度的关系消去寿命τ2.3非均匀基区晶体管的直流电放大系数1.形成过程：以NPN晶体管为例，在B区内，人为令靠近E区的部分掺杂浓度高，靠近C区的部分掺杂浓度低→产生浓度差，多子空穴从左扩散至右→左边空穴浓度低于杂质浓度，带负电荷；右边空穴浓度高于杂质浓度，带正电荷→产生向左的电场→电场强度一直增强，直到空穴的扩散运动强度等于漂移运动强度2.目的：少子在基区中不但有扩散运动，还有漂移运动，甚至以漂移运动为主→缩短少子的基区渡越时间，3.E→已知4.0时（即5.2.41.3.Webster效应（BaseConductanceModulation/基区电导调制效应）——基区大注入定义、影响：当VBE较大、注入电子时→基区中也有大量的空穴积累(并维持与电子相同的浓度梯度),这相当于增加了基区的掺杂浓度,使基区电阻率下降~基区电导调制效应→IEp增大→注射效率γ降低，β0下降注：是引起大电流β0下降的主要原因4.Kirk效应（BasePushOut/基区展宽效应）——发射区大注入效应①定义：在大电流时，基区发生展宽的现象②过程①是小注入，③是注入的电子正好中和集电区一边的正空间电荷③影响：a.基区存储少子电荷增加b.β0下降c.频率特性变差（严重影响高频特性）④措施：提高NC、设定最大Ic等5.发射极电流集边效应——使大注入加剧①定义：发射极电流集中在发射极的边缘②原因：基极电阻引起横向电压→E极输入电流密度由边缘至中央指数下降→IE将集中在发射结边缘附近③影响：a.使发射结边缘处电流密度↑，易产生边缘Webster效应及Kirk效应，β0下降b.局部过热c.影响功率特性④措施：a.采用插指结构b.NB不能太低（降低基极电阻）6.发射区禁带变窄①原因：E区重掺→禁带宽度变窄②影响：发射结注入效率γ下降总结：2.5BJT1.α2.β3.4.2.61.iCTeiCDe，为集电结势垒区输运系数，为集电区衰减因子综上，交流小信号相比于直流，其多了E结势垒电容CTe的充放电电流、E结扩散电容CDe的充放电电流、集电结渡越时间中电流衰减、C结势垒电容CTc的充放电电流影响：使电流增益下降、使信号延迟产生相位差2.晶体管共基极高频等效电路3.共基极交流电流放大系数α及截止频率fα的定量分析①发射区注入效率γ和发射结电容充电时间τe=re*CTe，其中re=Vt/IE，CTe为正偏势垒电容，故需要乘上常数②基区输运系数αT和基区渡越时间τb③集电极势垒区输运系数αdc和集电极耗尽区渡越时间τd，其中Xmc为C区空间电荷区宽度，usl为载流子极限速度④集电区衰减因子αc和集电结电容充电时间τc，代表通过集电区串联电阻rcs对势垒电容的充放电时间常数⑤共基极电流放大系数及其截止频率2.71.2.③与3.τd）2.81.2.2.91.2.线电流密度：发射极单位周长电流容量3.提高线电流密度措施①外延层电阻率选得低一些②直流放大系数β0或fT尽量做得大些③在允许的范围内适当提高集电结偏压及降低基区方块电阻2.10BJT的击穿电压与外延参数确定1.穿通①机理：随着收集结上反偏电压的不断增加，收集结空间电荷区扩展至整个基区②穿通时的BC结电压其意为：基极开路时击穿电压比真实的雪崩击穿电压小，缩小的比例为n次开方β3.提高Vpt的方法①提高WB、NB，与提高增益矛盾②减小NC，与提高fT矛盾实际设计中令Vpt>BVCBO，即防止C结雪崩击穿前先发生穿通4.外延结构晶体管特点同时满足击穿特性与频率特性（N+衬底降低rC），较好解决矛盾2.11BJT的安全工作区1.二次击穿2.1.UBC>02.1.内部：外部：①加大IB④在UCC2.BCIB1.EM-12.EM-23.EM-3①考虑Early效应新增两个②考虑小电流下势垒复合与基区表面复合新增四个③考虑大注入效应新增两个④考虑Kirk效应（基区展宽效应）4.三种模型参数。
半导体器件物理复习指导纲要.doc
4•导出NPN缓变基区晶体管：
1）基区的缓变杂质分布引入的自建电场:
2）基区内电子分布（3-55）：
3）电流（3-56）：
4）基区输运因子（3-59）：
解:1•教材P112-113推导
2•学习指导
5.利用和Z间的关系证明：o
证明：
比较，有：
06.根据基区电荷控制方程导出：（3-98）。
解：详见学习指导
%1.《半导体器件物理学习指导》孟庆巨编 吉林大学国家精品课程 网站一半导体器件物理
四•学生作业
五…历年期末试题
六.历年吉林大学微电了学与固体电了学专业攻读硕士学位研究生入 学试题及复试试题
第二章PN结
一.基本概念与问题解释(37个)
PN结同质结异质结O同型结O异型结O高低结金属-半导体结 突变结线性缓变结单边突变结空间电荷区中性区耗尽区耗尽 近似势垒区少子扩散区扩散近似正向注入反向抽取正偏复合 电流反偏产牛电流隧道电流产纶隧道电流的条件隧道二极管的 主要特点过渡电容(耗尽层电容)扩散电容等效电路反向瞬变 电荷贮存贮存电荷隧道击穿雪崩击穿 临界电场雪崩倍增因子 雪崩击穿判据
※乞导出基区穿通电压
解：见学习指导
三重要图、表（8个）
1.画出图3.6并根据图3-6说明BJT的放大作用。
解:教材P98-99
2.画出BJT电流分量示意图3.7,写出各极电流及极电流之间关系公 式。（3T）~ （3-4）。
解：教材P100
3.解释图3.13中的电流增益随集电极电流的变化。
解答：1•学习指导
2.学生作业
2-19（补）解答:学生作业。
五更高能力考察问题（3个）
1.利用少子分布示意图2-22定性解释PN结反向瞬变现象。
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第一章1试画出金属及半导体相对真空能级的能带图，并标出有关电势符号加以说明？2当金属－半导体紧密接触以后，如何建立统一的费米能级E f？说明Фb＝Φm－Χs的物理意义是什么？3说明公式qΦs＝qΧs＋q（E c－E f）的物理意义？4什么是“肖特基势垒”？写出其表达式？它是对什么区域电子而言？5金属－半导体结的正偏如何？6金属－半导体结的反偏特性如何？7肖特基势垒qΦb是金半结什么偏置下建立的？8金半的1/c2～(V R+Φ0)曲线是什么原理制作？9金半1/c2～V曲线有何应用？10什么是界面态？11表面态对E0<E f及E0>E f时对金半自建场有何影响？12试简述金半I－V的电流输运理论？13从热电子发射出发说明dn=N(c)·f(E)·dE的物理意义？14试简述热电子发射理论求得的电流方程式I0=ART2exp(-ｑΦm/KT)是如何建立的？15有金属－真空系统推倒的电流公式可用于M－S结吗？16写出金半的正偏、反偏及总的电流表达式？17如何从S－M结上的I－V特性曲线求I0及Φb?18什么是镜像力？它对电势有何影响？19在M－S结中镜像力对金属的势垒有何影响？20在M－S结的反偏时，其实际值与理论值差异是如何形成的？写出修正式？21试画出MIS结的能带图，并说明MIS对半导体势垒的影响？22MIS二极管的传导电流何种特性？写出其电流表达式？23MIS的氧化层对载流子有何影响？24什么是SBD二极管？有何特点？举例IC及高频方面的应用？25什么是欧姆接触（非整流的MS结）？26画出N型半导体或P型半导体形成欧姆接触能带图，并作说明。
27为什么说实际欧姆接触仅是一种近似？电流机制是什么？28获得良好的欧姆接触的工艺措施是什么？29SBD二极管“周边效应”有何影响？30SBD二极管的改进结构如何？31什么是异质结？第二章1什么是PN结？什么是平衡PN结？2画出平衡PN结的能带图，并说明PN结平衡的标志是什么？3平衡结的空间电荷区是如何建立的，作图说明。
《半导体复习提纲》PPT课件
② 漂移：在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散：载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿：两个隔离的半导体样品彼此接近时，势垒高qV0 等于电子亲和力qχ，当距离足够小，即使电子的能量远小于 势垒高，在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运，并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
➢MOSFET的阈值电压与哪些因素有关？ 固定氧化层电荷，功函数差，栅极材料，氧化层厚度，衬底偏 压，沉底掺杂。 ➢半导体存储器的详细分类是怎样的？日常使用的U盘属于哪种 类型的存储器，画出其基本单元的结构示意图，并简要说明其 工作原理。 详细分类：挥发性—动态随机存储器和静态随机存储器。
非挥发性—电源关闭时保留信息。U盘属于非挥发性 的画快出闪不存同储偏器压。下，金属与n型半导体接触的能带图。
➢MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型？强反型的判 据是什么？ MOS的沟道是强反型，判断依据是表面耗尽区的宽度将达到最大 值。 ➢实际MOS二极管中哪些因素导致其偏离理想情况？ 固定氧化层电荷，扩散电流，界面陷阱，功函数差，反向漏电流， 杂质分布，迁移率等。 ➢当VG大于VT且保持不变时，画出增强型MOSFET的I-V曲线，并 画出在线性区、非线性区和饱和区时的沟道形状。
② 漂移：在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散：载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿：两个隔离的半导体样品彼此接近时，势垒高qV0 等于电子亲和力qχ，当距离足够小，即使电子的能量远小于 势垒高，在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运，并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
半导体物理总结-讲义
击穿
当外加电压过高时，会发生雪崩 击穿，导致电流急剧增加。
双极晶体管
发射极
01
空穴和电子从这里注入到基极。
基极
02
控制空穴和电子的流动，起到放大作用。
集电极
03
收集从基极流过的空穴和电子，形成输出电流。
场效应晶体管
源极
提供电子通道。
漏极
收集电子通道中的电子。
栅极
控制电子通道的开启和关闭。
集成电路
掺杂
通过向半导体中添加杂质元素，可 以改变半导体的载流子浓度，从而 改变其导电性能。
热学性质
01
02
03
热容
热容是描述物质吸收或释 放热量时温度变化的物理 量。
热膨胀
当温度升高时，半导体材 料的体积会膨胀。
热传导
热传导是热量在物质内部 传递的过程。
电学性质
电导率
电导率是描述物质导电能 力的物理量。
半导体物理与其他领域的交叉研究
生物学
将半导体物理与生物学结合，研究生物分子在半导体表面上的吸附、反应和传输过程，为生物传感器 和生物芯片提供技术支持。
医学
利用半导体物理原理和技术，研究医学影像、诊断和治疗技术，提高医学诊断和治疗的准确性和安全 性。
半导体物理在新能源领域的应用
太阳能电池
研究高效、低成本、长寿命的太阳能电 池，利用半导体物理原理提高光电转换 效率。
费米能级
费米能级是描述半导体中电子占据状态的参数，它决定了半导体的导电性能。
能带填充
在半导体中，价带被填满，导带是空的，这决定了半导体的导电性。
载流子类型与浓度
自由电子与空穴
在半导体中，价带中的电子获得 足够的能量后跃迁到导带，形成 自由电子；而在价带中留下一个
半导体物理复习提纲Word版
基础知识1.导体，绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流子参与导电）与金属有何不同？导体能带中一定有不满带；绝缘体能带中只有满带和空带，禁带宽度较宽一般大于2eV；半导体T=0 K时，能带中只有满带和空带，T>0 K时，能带中有不满带，禁带宽度较小，一般小于2eV。
（能带状况会发生变化）半导体的导带没有电子，但其价带中电子吸收能量，会跃迁至导带，价带中也会剩余空穴。
在外电场的情况下，跃迁到导带中的电子和价带中的空穴都会参与导电。
而金属中价带电子是非满带，在外场的作用下直接产生电流。
2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。
当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v（k’）的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴。
3.半导体材料的一般特性。
（1）电阻率介于导体与绝缘体之间（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（3）性质与掺杂密切相关4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数？为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以用玻耳兹曼分布来描述？麦克斯韦-玻尔兹曼统计的粒子是可分辨的；费米-狄拉克统计的粒子不可分辨，而且每个状态只可能占据一个粒子。
低掺杂半导体中载流子遵循玻尔兹曼分布，称为非简并性系统；高掺杂半导体中载流子遵循费米分布，称为简并性系统。
费米分布：f(E)=11+exp(E−E Fk0T )玻尔兹曼分布：f(E)=e−E−E Fk0T空穴分布函数：f V(E)=1−f(E)=1exp(−E−E Fk0T )+1（能态E不被电子占据的几率）当E-E F≫k0T时有exp(E−E Fk0T )≫1，所以1+exp(E−E Fk0T)≈exp(E−E Fk0T)，则费米分布函数转化为f(E)=e−E−E Fk0T，即玻尔兹曼分布。
半导体器件物理复习资料1
半导体器件物理复习资料第1 页共11 页半导体器件物理复习资料半导体器件：导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件。
（器件的基础结构：金属—半导体接触，p-n 结，异质结，MOS 结构）Physics of Semiconductor半导体材料半导体的电导率则介于绝缘体及导体之间。
元素（Element）半导体：在周期表第Ⅳ族中的元素如硅（Si）及锗（Ge）都是由单一原子所组成的元素（element）半导体。
化合物（Compound）半导体：二元化合物半导体是由周期表中的两种元素组成。
几种常见的晶体结构晶体：组成固体的原子（或离子）在微观上的排列具有长程周期性结构非晶体：组成固体的粒子只有短程序，但无长程周期性准晶：有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性能带的形成原子靠近→电子云发生重叠→电子之间存在相互作用→分立的能级发生分裂。
从另外一方面来说，这也是泡利不相容原理所要求的。
一个能带只能有N 个允许的状态；考虑电子有两种自旋状态，故一个能带能容纳2N 个电子；对于复式格子，每个能带允许的电子数还要乘上原胞内的原子个数；对于简并能带，状态总数要乘以简并度。
金属、半导体、绝缘体金属导体：最高填充带部分填充；绝缘体和半导体：T=0K，最高填充带为填满电子的带。
T>0K，一定数量电子激发到上面的空带。
绝缘体的Eg 大，导带电子极少；半导体的Eg 小，导带电子较多。
根据能带填充情况和Eg 大小来区分金属、半导体和绝缘体。
（全满带中的电子不导电；部分填充带：对称填充，未加外场宏观电流为零。
加外场，电子逆电场方向在k 空间移动。
散射最终造成稳定的不对称分布，产生宏观电流（电场方向）。
）有效质量电子共有化运动的加速度与力的关系和经典力学相同，即：m*具有质量量纲，称为晶体中电子的有效质量。
（能带越宽，有效质量越小；能带越窄，有效质量越大。
）m* 的意义：晶体中的电子除受到外力，还受到周期场力。
半导体物理学讲义
半导体物理学讲义第⼀章半导体中的电⼦状态本章介绍：本章主要讨论半导体中电⼦的运动状态。
主要介绍了半导体的⼏种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电⼦的状态和能带特点，在讲解半导体中电⼦的运动时，引⼊了有效质量的概念。
阐述本征半导体的导电机构，引⼊了空⽳散射的概念。
最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。
在1.1节，半导体的⼏种常见晶体结构及结合性质。
在1.2节，为了深⼊理解能带的形成，介绍了电⼦的共有化运动。
介绍半导体中电⼦的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进⾏⽐较，在此基础上引⼊本征激发的概念。
在1.3节，引⼊有效质量的概念。
讨论半导体中电⼦的平均速度和加速度。
在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引⼊了空⽳散射的概念，得到空⽳的特点。
在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和⽅法。
⾃学内容。
在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构第⼀节半导体的晶格结构和结合性质本节要点1.常见半导体的3种晶体结构；2.常见半导体的2种化合键。
1. ⾦刚⽯型结构和共价键重要的半导体材料Si、Ge都属于⾦刚⽯型结构。
这种结构的特点是：每个原⼦周围都有四个最近邻的原⼦，与它形成四个共价键，组成⼀个如图1（a）所⽰的正四⾯体结构，其配位数为4。
⾦刚⽯型结构的结晶学原胞，是⽴⽅对称的晶胞如图1（b）图所⽰。
它是由两个相同原⼦的⾯⼼⽴⽅晶胞沿⽴⽅体的空间对⾓线滑移了1/4空间对⾓线长度套构成的。
⽴⽅体顶⾓和⾯⼼上的原⼦与这四个原⼦周围情况不同，所以它是由相同原⼦构成的复式晶格。
其固体物理学原胞和⾯⼼⽴⽅晶格的取法相同，但前者含两个原⼦，后者只含⼀个原⼦。
原⼦间通过共价键结合。
共价键的特点：饱和性、⽅向性。
2. 闪锌矿结构和混合键III-V族化合物半导体绝⼤多数具有闪锌矿型结构。
闪锌矿结构由两类原⼦各⾃组成的⾯⼼⽴⽅晶胞沿⽴⽅体的空间对⾓线滑移了1/4空间对⾓线长度套构成的。
半导体器件物理I复习笔记
半导体器件物理I复习笔记This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020半一复习笔记By 潇然平衡PN结的定性分析1. pn结定义：在一块完整的半导体晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结2. 缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结3. 内建电场：空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场4. 耗尽层：在无外电场或外激发因素时，pn结处于动态平衡，没有电流通过，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层平衡PN结的定量分析1. 平衡PN结载流子浓度分布2. 耗尽区近似：一般室温条件，对于绝大多部分势垒区，载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小的多，好像已经耗尽了，此时可忽略势垒区的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，即为耗尽区近似。
所以空间电荷区也称为耗尽区。
在耗尽区两侧，载流子浓度维持原来浓度不变。
理想PN结的伏安特性（直流）1. 理想PN结：符合以下假设条件的pn结称为理想pn结(1) 小注入条件—注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；Δn<n0, Δp<p0,(2) 突变耗尽层条件—外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。
(3) 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用；(4)玻耳兹曼边界条件—在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
2. 理想pn结模型的电流电压方程式（肖特来方程式）：产生-复合电流1. 反偏PN结的产生电流2. 正偏PN结的复合电流理想PN结交流小信号特性1. 扩散电阻2. 扩散电容势垒电容在考虑正偏时耗尽层近似不适用的情况下，大致认为正偏时势垒电容为零偏时的四倍，即扩散电容定义：正偏PN结内由于少子存储效应而形成的电容PN结的瞬态PN结击穿1. 雪崩击穿(1) 定义：在反向偏压下，流过pn结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。
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半一复习笔记By 潇然2018.1.12 1.1平衡PN结的定性分析1. pn结定义：在一块完整的半导体晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结2. 缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结3. 内建电场：空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场4. 耗尽层：在无外电场或外激发因素时，pn结处于动态平衡，没有电流通过，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层1.2 平衡PN结的定量分析1. 平衡PN结载流子浓度分布2. 耗尽区近似：一般室温条件，对于绝大多部分势垒区，载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小的多，好像已经耗尽了，此时可忽略势垒区的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，即为耗尽区近似。
所以空间电荷区也称为耗尽区。
在耗尽区两侧，载流子浓度维持原来浓度不变。
1.4 理想PN结的伏安特性（直流）1. 理想PN结：符合以下假设条件的pn结称为理想pn结(1) 小注入条件—注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；Δn<n0, Δp<p0,(2) 突变耗尽层条件—外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。
(3) 通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用；(4)玻耳兹曼边界条件—在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。
2. 理想pn结模型的电流电压方程式（肖特来方程式）：1.5 产生-复合电流1. 反偏PN结的产生电流2. 正偏PN结的复合电流1.6 理想PN结交流小信号特性1. 扩散电阻2. 扩散电容1.7 势垒电容在考虑正偏时耗尽层近似不适用的情况下，大致认为正偏时势垒电容为零偏时的四倍，即1.8 扩散电容定义：正偏PN结内由于少子存储效应而形成的电容1.9 PN结的瞬态1.10 PN结击穿1. 雪崩击穿(1) 定义：在反向偏压下，流过pn结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。
当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴受到强电场的漂移作角，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。
(2) 击穿电压，与NB成反比，意味着掺杂越重，越容易击穿；(3) 临界电场(4) 特点(5) 提高雪崩击穿电压的方法2. 齐纳击穿(1) 定义：隧道击穿是在强电场作用下，由隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带而进入到导带所引起的一种击穿现象。
(2) 特点(3) 注意事项（帮助理解）隧道击穿时要求一定的NVA 值，它既可以是N小VA大；也可以是N大VA 小。
前者即杂质浓度较低时，必须加大的反向偏压才能发生隧道击穿。
但是在杂质浓度较低，反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，但是却有利于雪崩倍增效应，所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构是主要的。
而后者即杂质浓度高时，反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿，由于势垒区宽度小，不利于雪崩倍增效应，所以在重掺杂的情况下，隧道击穿机构变为主要的。
附：二极管模型与模型参数2.1 BJT直流特性-定性分析2.2 BJT直流特性-定量分析1. 基础关系① In（X1）=In（X2），In（X3）=In（X4），耗尽区不考虑复合；② IE=In（X2）+Ip（X1），即发射极电流等于E→B电子的扩散电流与B→E空穴的扩散电流之和；此处可推导γ0③ In（X2）=In（X3）+IvB，即E→B电子的扩散电流，等于进入C的电子的漂移电流与在B区因电子复合产生的复合电流之和；此处可推导αT02. 发射结的发射效率γ0对于NPN型晶体管，γ0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有（定义）代入Ip（X1）（B区空穴注入E区扩散电流）以及In（X2）（E区电子注入B区电子电流），得下式3. 基区输运系数αT0对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注入基区的电子电流In(X2)之比，即有（定义）代入复合电流与E→B电子的扩散电流，再利用扩散系数与扩散长度的关系消去寿命τ2.3 非均匀基区晶体管的直流电放大系数1. 形成过程：以NPN晶体管为例，在B区内，人为令靠近E区的部分掺杂浓度高，靠近C区的部分掺杂浓度低→产生浓度差，多子空穴从左扩散至右→左边空穴浓度低于杂质浓度，带负电荷；右边空穴浓度高于杂质浓度，带正电荷→产生向左的电场→电场强度一直增强，直到空穴的扩散运动强度等于漂移运动强度2. 目的：少子在基区中不但有扩散运动，还有漂移运动，甚至以漂移运动为主→缩短少子的基区渡越时间，有利于提高基区输运系数与电流放大系数3. 方法：已知基区多子掺杂浓度→利用基区空穴扩散电流与漂移电流大小相等，算出基区电场强度E→已知基区电子电流IEn，算出B区少子电子浓度随距离x、基区漂移系数η的关系式，如下图4. 结论①同样的InB，漂移晶体管的基区少子总数下降（少子浓度曲线下方面积即代表总数）；杂质分布越陡峭，少子总数下降越厉害②发射极注射效率γ0无变化，基区输运系数αT0 = 1 -W^2/ [λ(Lnb)^2]，当基区漂移系数η为0时（即均匀正常掺杂）λ=2，η>>1时η=λ，故提高η可以提高电流增益5. 提高电流放大系数的措施①适当增大E区Gummel数GE②适当减小NB③减小基区宽度④加强工艺控制2.4 非理想特性 (nonideal effects)1. 厄利效应（基区宽度调制效应）（Early Effect）①定义：当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，空间荷区宽度 Xmc 也将发生变化，因而会引起有效基区宽度的相应变化，如图所示。
这种由于外加电压引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽度调制效应②影响：有效基区宽度变窄，Ic增加（根据B区少子浓度曲线斜率），同时β0增加③厄利电压VA理想情况下VA趋近于负无穷④影响因素：基区掺杂NB、基区宽度XB。
降低两者均会使β0增大，而厄利效应严重2. Sah效应（E-B结空间电荷区复合）①定义：发射结势垒区的复合电流IER使得IE增大，（根据定义）注射效率γ0降低②影响：对IE、IB均有贡献，但对IC无贡献，故β0降低3. Webster效应（Base Conductance Modulation/基区电导调制效应）——基区大注入定义、影响：当VBE 较大、注入电子时→基区中也有大量的空穴积累 (并维持与电子相同的浓度梯度), 这相当于增加了基区的掺杂浓度, 使基区电阻率下降 ~ 基区电导调制效应→ IEp增大→注射效率γ降低，β0下降注：是引起大电流β0下降的主要原因4. Kirk效应（Base Push Out/基区展宽效应）——发射区大注入效应①定义：在大电流时，基区发生展宽的现象②过程①是小注入，③是注入的电子正好中和集电区一边的正空间电荷③影响：a.基区存储少子电荷增加 b.β0下降 c.频率特性变差（严重影响高频特性）④措施：提高NC、设定最大Ic等5. 发射极电流集边效应——使大注入加剧①定义：发射极电流集中在发射极的边缘②原因：基极电阻引起横向电压→E极输入电流密度由边缘至中央指数下降→IE将集中在发射结边缘附近③影响：a.使发射结边缘处电流密度↑，易产生边缘Webster效应及Kirk效应，β0下降 b.局部过热 c.影响功率特性④措施：a.采用插指结构 b.NB不能太低（降低基极电阻）6. 发射区禁带变窄①原因：E区重掺→禁带宽度变窄②影响：发射结注入效率γ下降总结：2.5 BJT频率参数1. α截止频率fα定义：共基极短路电流放大系数下降到低频的3dB所对应的频率2. β截止频率fβ定义：共发射极电流放大系数β下降到低频β0的3dB时所对应的频率3. 特征频率 fT定义：共发射极电流放大系数∣β∣=1 时所对应的频率4. 最高振荡频率fM定义：共发射极运用时，功率增益等于 1时所对应的频率，此时晶体管的输出功率等于输入功率2.6 共基极交流小信号α频率特性分析1. 交流小信号电流传输过程①通过发射结iCTe为发射结势垒结电容分流电流②基区输运阶段iCDe表示发射结扩散电容分流电流③集电结势垒区渡越阶段，为集电结势垒区输运系数④通过集电区阶段，为集电区衰减因子综上，交流小信号相比于直流，其多了E结势垒电容CTe的充放电电流、E结扩散电容CDe的充放电电流、集电结渡越时间中电流衰减、C结势垒电容CTc的充放电电流影响：使电流增益下降、使信号延迟产生相位差2. 晶体管共基极高频等效电路3. 共基极交流电流放大系数α及截止频率fα的定量分析①发射区注入效率γ和发射结电容充电时间τe=re*CTe，其中re=Vt/IE，CTe为正偏势垒电容，故需要乘上常数②基区输运系数αT和基区渡越时间τb③集电极势垒区输运系数αdc和集电极耗尽区渡越时间τd，其中Xmc为C区空间电荷区宽度，usl为载流子极限速度④集电区衰减因子αc和集电结电容充电时间τc，代表通过集电区串联电阻rcs对势垒电容的充放电时间常数⑤共基极电流放大系数及其截止频率2.7 共射极交流小信号β频率特性分析1. 共发射极交流电流放大系数β和截止频率fβ2. 特征频率fT①定义：共射组态下电流失去放大能力的频率②表达式③与fα、fβ的关系3. 提高特征频率的有效途径①减小基区宽度（τb）②减小结面积（τe、τc的电容）③适当降低集电区电阻率及其厚度（降低rc提高τc，又不至于影响击穿电压，使功率特性差；降低τd）④兼顾功率特性和频率特性的外延晶体管结构（npnn +）2.8 基区串联电阻RB1. 定义：基极电流IB经基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的压降，当做一个电阻产生，则其为基区串联电阻2. 影响①基区自偏压效应导致的电流集边效应②使输入阻抗增大③在线路应用中形成反馈（影响晶体管的功率特性和频率特性）2.9 发射极电流集边效应与晶体管图形设计1. 基区自偏压效应定义：大电流→ 较大IB流过基极电阻，产生较大横向压降→ 发射结正向偏置电压由边缘至中心逐渐减少，电流密度则由中心至边缘逐渐增大2. 线电流密度：发射极单位周长电流容量3. 提高线电流密度措施①外延层电阻率选得低一些②直流放大系数β0或fT尽量做得大些③在允许的范围内适当提高集电结偏压及降低基区方块电阻2.10 BJT的击穿电压与外延参数确定1. 穿通①机理：随着收集结上反偏电压的不断增加，收集结空间电荷区扩展至整个基区②穿通时的BC结电压2. 雪崩击穿其意为：基极开路时击穿电压比真实的雪崩击穿电压小，缩小的比例为n次开方β3. 提高Vpt的方法①提高WB、NB，与提高增益矛盾②减小NC，与提高fT矛盾实际设计中令 Vpt >BV CBO，即防止C结雪崩击穿前先发生穿通4. 外延结构晶体管特点同时满足击穿特性与频率特性（N+衬底降低rC），较好解决矛盾2.11 BJT的安全工作区1. 二次击穿2. 措施：加入肖特基钳位二极管2.12 BJT的开关作用1. 饱和状态：饱和状态又分为临界饱和与深.饱和。