PN节学习总结心得体会半导体物理 ppt课件
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半导体PN结_图文
n=5×1016/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
21
1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。 而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有电荷的变
化, 说明ＰＮ结具有电容效应。 PN结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
40
1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 浓度是一定的，故少子形 成的漂移电流是恒定的， 基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流。
21
1.1.3 半导体载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在
电场的作用下产生的定向运动。
两种载流子运动产生的电流方向一致。
空穴
电流I
. 。 。 。
.
∙
电子
电场作用下的漂移运动
因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半 导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子 因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
按电容的定义:
即电压变化将引起电荷变化, 从而反映出电容效应。 而ＰＮ结两端加上电压, ＰＮ结内就有电荷的变
化, 说明ＰＮ结具有电容效应。 PN结具有的电容效应，由两方面的因素决定。 一是势垒电容CB 二是扩散电容CD
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1) 势垒电容CT
势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。 空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均 具有一定的电荷量, 所以在ＰＮ结储存了一定的电荷, 当外 加电压使阻挡层变宽时, 电荷量增加；反之, 外加电压使阻 挡层变窄时, 电荷量减少。 即阻挡层中的电荷量随外加电压变化而改变, 形成了电容效 应, 称为势垒电容,用 CT表示。
如果外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压， 简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压， 简称反偏。
30
在一定的温度条件下 ，由本征激发决定的少子 浓度是一定的，故少子形 成的漂移电流是恒定的， 基本上与所加反向电压的 大小无关，这个电流也称 为反向饱和电流。
《半导体物理第五章》课件
探究自扩散效应在PN结热平衡 态中的作用和特征。
第六节：PN结的非平衡态
PN结非平衡态简析
简单剖析非平衡态下PN结的电压 -电流特性。
简单PN结非平衡态的VE特性 光电导效应的非平衡态
研究非平衡态下PN结的电压-电 流特性。
探究非平衡态下光电导效应在PN 结中的特点与应用。
探讨PN结太阳能电池的构造和独特特点。
3 PN结太阳能电池的主要性能参数
深入了解PN结太阳能电池的重要性能参数及其影响因素。
第五节：PN结的热平衡态
PN结的热平衡态简析
简要分析PN结的热平衡态及其 相关特性。
热平衡态下PN结的IV特性
详细讨论热平衡态下PN结的电 流-电压特性。
自扩散效应的热平衡 态
详细讨论电子和空穴在PN结中的运动方式。
光谱响应及其特征
探究PN结对光谱的响应，以及其特征与应用。
第二节：P-N结的动态响应
PN结的快速响应
探索PN结在快速响应方面的特性 与应用。
PN结快速开关电路
介绍PN结在快速开关电路中的工 作原理与应用。
鼓型PN结
研究鼓型PN结的结构和相关特点。
第三节：PN结的光探测器
1
光电导效应及其应用
深入解析光电导效应在光探测器中的应用。
2
光电二极管的工作原理
详细讨论光电二极管的工作原理和特性。
3及其在光能转换中的应用。
第四节：单晶硅PN结太阳能电池
1 太阳能电池的基本原理
详细介绍太阳能电池的基本原理和工作方式。
2 PN结太阳能电池的构造及其特点
《半导体物理第五章》 PPT课件
这是《半导体物理第五章》的PPT课件，旨在介绍半导体物理的相关知识。通 过本次分享，我们将深入探讨半导体的基本性质、动态响应、光探测器、太 阳能电池、热平衡态以及非平衡态等内容。
第六节：PN结的非平衡态
PN结非平衡态简析
简单剖析非平衡态下PN结的电压 -电流特性。
简单PN结非平衡态的VE特性 光电导效应的非平衡态
研究非平衡态下PN结的电压-电 流特性。
探究非平衡态下光电导效应在PN 结中的特点与应用。
探讨PN结太阳能电池的构造和独特特点。
3 PN结太阳能电池的主要性能参数
深入了解PN结太阳能电池的重要性能参数及其影响因素。
第五节：PN结的热平衡态
PN结的热平衡态简析
简要分析PN结的热平衡态及其 相关特性。
热平衡态下PN结的IV特性
详细讨论热平衡态下PN结的电 流-电压特性。
自扩散效应的热平衡 态
详细讨论电子和空穴在PN结中的运动方式。
光谱响应及其特征
探究PN结对光谱的响应，以及其特征与应用。
第二节：P-N结的动态响应
PN结的快速响应
探索PN结在快速响应方面的特性 与应用。
PN结快速开关电路
介绍PN结在快速开关电路中的工 作原理与应用。
鼓型PN结
研究鼓型PN结的结构和相关特点。
第三节：PN结的光探测器
1
光电导效应及其应用
深入解析光电导效应在光探测器中的应用。
2
光电二极管的工作原理
详细讨论光电二极管的工作原理和特性。
3及其在光能转换中的应用。
第四节：单晶硅PN结太阳能电池
1 太阳能电池的基本原理
详细介绍太阳能电池的基本原理和工作方式。
2 PN结太阳能电池的构造及其特点
《半导体物理第五章》 PPT课件
这是《半导体物理第五章》的PPT课件，旨在介绍半导体物理的相关知识。通 过本次分享，我们将深入探讨半导体的基本性质、动态响应、光探测器、太 阳能电池、热平衡态以及非平衡态等内容。
《半导体PN结》PPT课件
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半
导体的导电能力越强，温度是影响半导体性
能的一个重要的外部因素，这是半导体的一
大特点。
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12
总结
西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能键中留
因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原精选子课件也ppt称为施主杂质。
15
西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
N 型半导体
而空穴的迁移相当于
+4
+4
正电荷的移动，因此
可以认为空穴是载流
子。
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11
西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定 向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴位来实现的
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
1
西安电子科技大学计算机学院吴自力 2012--2
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体 1）导体、半导体和绝缘体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
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。
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温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半
导体的导电能力越强，温度是影响半导体性
能的一个重要的外部因素，这是半导体的一
大特点。
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总结
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本征激发：在室温或光照下价电子获得足够能键中留
因无共价键束缚而很容易被激发而成为自由电子。
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质原精选子课件也ppt称为施主杂质。
15
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N 型半导体
而空穴的迁移相当于
+4
+4
正电荷的移动，因此
可以认为空穴是载流
子。
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11
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自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定 向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴位来实现的
本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。
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§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 本征半导体 1）导体、半导体和绝缘体
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
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。
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《半导体物理学》【ch06】pn 结 教学课件
如设势垒高度为0. 7eV ， 则该处的空穴浓度为
pn 结及其能带图
05 pn 结的载流子分布
6.1.5 pn 结的载流子分布
可见，在势垒区中势能比n区导带底高0.1eV 处，价带空穴浓度为p 区多数载流子浓度的10 -¹°倍， 而该处的导带电子浓度为n 区多数载流子浓度的1/50 。一般室温附近，对于绝大部分势垒区，其 中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起且区和p 区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了。 所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中的载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于 电离杂质浓度。
pn 结及其能带图
01 归结的形成和杂质分布
6.1.1 归结的形成和杂质分布
1. 合金法 用合金法制造pn 结的过程，把一小粒铝 放在一块a 型单晶硅片上，加热到一定的 温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度， 熔融体开始凝固，在口型硅片上形成一含 有高浓度铝的p 型硅薄层，它与n 型硅衬 底的交界面处即为pn 结（这时称为铝硅 合金结〉。
pn 结及其能带图
01 归结的形成和杂质分布
6.1.1 归结的形成和杂质分布 合金结的杂质分布如图6-3 所示，其特点是：n 型区中施主杂质浓度为ND ，而且均匀分布；p 型 区中受主杂质浓度为NA ，也均匀分布。在交界面处，杂质浓度由NA(p 型）突变为ND(n 型〉， 具有这种杂质分布的pn 结称为突变结。设pn 结的位置在x =xi ，则突变结的杂质分布可以表示为
根据式（3 56 ）、式（ 3 57 ），令阳、均分别表示n 区和p 区的平衡电子浓度，则对非简并半 导体可得
pn 结及其能带图
04 pn 结接触电势差
6. 1. 4 pn 结接触电势差
上式表明，Vo 和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定的温度下，突变结 两边的掺杂浓度越高，接触电势差Vo越大；禁带宽度越大,m越小,Vo也越大，所以硅pn结的Vo 比锗pn 结的Vo 大。若NA =10¹7cm-³， No = 10¹5cm-³，在室温下可以算得硅的Vo=0. 70V ， 锗的VD=0. 32V 。
pn 结及其能带图
05 pn 结的载流子分布
6.1.5 pn 结的载流子分布
可见，在势垒区中势能比n区导带底高0.1eV 处，价带空穴浓度为p 区多数载流子浓度的10 -¹°倍， 而该处的导带电子浓度为n 区多数载流子浓度的1/50 。一般室温附近，对于绝大部分势垒区，其 中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起且区和p 区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了。 所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中的载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于 电离杂质浓度。
pn 结及其能带图
01 归结的形成和杂质分布
6.1.1 归结的形成和杂质分布
1. 合金法 用合金法制造pn 结的过程，把一小粒铝 放在一块a 型单晶硅片上，加热到一定的 温度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度， 熔融体开始凝固，在口型硅片上形成一含 有高浓度铝的p 型硅薄层，它与n 型硅衬 底的交界面处即为pn 结（这时称为铝硅 合金结〉。
pn 结及其能带图
01 归结的形成和杂质分布
6.1.1 归结的形成和杂质分布 合金结的杂质分布如图6-3 所示，其特点是：n 型区中施主杂质浓度为ND ，而且均匀分布；p 型 区中受主杂质浓度为NA ，也均匀分布。在交界面处，杂质浓度由NA(p 型）突变为ND(n 型〉， 具有这种杂质分布的pn 结称为突变结。设pn 结的位置在x =xi ，则突变结的杂质分布可以表示为
根据式（3 56 ）、式（ 3 57 ），令阳、均分别表示n 区和p 区的平衡电子浓度，则对非简并半 导体可得
pn 结及其能带图
04 pn 结接触电势差
6. 1. 4 pn 结接触电势差
上式表明，Vo 和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定的温度下，突变结 两边的掺杂浓度越高，接触电势差Vo越大；禁带宽度越大,m越小,Vo也越大，所以硅pn结的Vo 比锗pn 结的Vo 大。若NA =10¹7cm-³， No = 10¹5cm-³，在室温下可以算得硅的Vo=0. 70V ， 锗的VD=0. 32V 。
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
PN节学习总结心得体会半导体物理
p-n结电流成分转 换; 正向I-V特性的讨 论; 大注入效应; p-n结击穿:电击穿 ,热击穿,雪崩击穿 ,隧道击穿; 击穿电压影响因素 及措施:球、柱、 平面结,磨角
势垒高度; 正向电流公式; 边界载流子浓度; 实际扩散结势垒电 容计算,查表; 交流小信号特性分 析方法,特性方程; 雪崩击穿条件
原理机理机制过程
分析计算方法
基本结构,工作原 理; 特性曲线; 特性影响因素; 短栅器件的速度饱 和效应; 串联电阻的影响; 温度效应
直流参数; 交流参数; 频率参数
第七章 MOSFET
概念和定义
阈值电压; 直流参数; 小信号低频参数; 高频功率增益; 开关时间; 短沟道效应,判据
原理机理机制过程
散粒噪声：起源于电子管阴极发射电子数的无规则起伏。在半导体中载流子产 生、复合过程的涨落引起参加导电的载流子数目在其平均值附近有起伏（1分）， 这种由于载流子数目的不规则变化而产生的噪声称之为散粒噪声（1分）。通常 指越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声（1分）。
二、 详述双极型晶体管的开关过程及改善开关特性的途径。（20分） 晶体管的开关过程包括开启过程，即晶体管由截止状态到饱和状态的过程和
关闭过程，即晶体管由饱和状态到截止状态的过程，又对应延迟过程、上升过 程、存储过程和下降过程四个阶段。
延迟过程：晶体管处于截止状态时，两个结均反偏（1分）。某一时刻基极 输入正脉冲信号，形成基极电流，但集电极不能立即输出电流（1分）。因为此 时基极电流先向反偏的发射结空间电荷区充电，使其宽度逐渐变窄，由起始的 负偏压逐渐变为零偏以致正偏，使发射结向基区有了明显的载流子注入（1分） ，同时也向集电结充电，并在基区建立一定的少子积累，集电极才开始出现集 电极电流（1分）。
半导体学习总结 ppt课件
封装
• 集成电路制造流程
制程
18
前段 后端
晶圆处理制程 晶圆针测制程
构装制程 测试制程
晶圆处理基本步骤：
离子植 入
晶圆清 洗
氧化及 沉积
蚀刻
微影
晶圆处理制程：主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件。
ppt课件
晶圆针测制程：使用针测仪器测试晶圆处理制程后晶圆上形 成的一格格的晶粒的电气特性，将不合格的的晶粒标上记号 的过程。
构装制程：利用塑料和陶瓷包装晶粒以成积体电路 目的：是为了制造出所生产的电路的保护层，避免电路受 到机械性刮伤或是高温破坏。
19
ppt课件
• 晶圆前处理流程
脱氧后的 沙子（包 含25%的 硅元素） 20
硅熔炼制 硅锭
单晶体硅
硅锭切割
未处理的 晶圆
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旋转浇注 光刻胶
21
UV曝光
50-200 纳米尺寸
半导体的学习总结
1
ppt课件
郑斌 2016.8
目录
1. 半导体材料 2. 半导体特性及应用 3. 半导体及其产业分类 4. 集成电路工艺流程 5. 半导体的发展趋势
2
ppt课件
1.半导体材料
• 定义
根据物体导电能力的不同，
来划分导体、绝缘体和半导
体。
导体：ρ<10-4 Ω .cm
3
绝缘体： ρ>109Ω .cm
ppt课件
28
ppt课件
谢谢！
制成P型或N型半导体
9
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• 温度特性
半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，不同于金属的正的电阻温度系数。
10
ppt课件
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
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
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
半导体物理课件：第六章 p-n结
当存在外间电压时，电压主要降落在这个势垒区，而扩散
区和中性区几乎没有。
16
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.2 p-n结电流电压特性
6.2.1 p-n结电场和电势 泊松方程
何为泊松方程? 其来历? 反映一定区域电势、电场、电荷之关系。
由麦克斯韦方程的微分形式：
D
D r0E
dV 2
6.2.3 理想p-n结的电流电压关系
计算电流密度方法 – 计算势垒区边界处注入的非平衡少子浓度， 以此为边界条件，计算扩散区中非平衡少子 的分布 – 将非平衡载流子的浓度代入扩散方程，算出 扩散密度，再算出少数载流子的电流密度 – 将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模型的电流电压方程式
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2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
引言
6.1 p-n结及其能带图 6.2 p-n结电流电压特性 6.3 p-n结电容 6.4 p-n结击穿 6.5 p-n结隧道效应
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2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.1 p-n结及其能带图
6.1.1 p-n结的形成及杂质分布
p型半导体和n型半导体结合，在 二者的交界面形成的接触结构， 就称为p–n结。
空穴漂移 电子扩散
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电子漂移 空穴扩散
2020/9/30
重庆邮电大学微电子教学部
6.2.2 非平衡p-n结的能带图
反向偏压V
(p负，n正，V<0)
外加电场n→p 内建场n→p →外加电场加强了内建 场的强度，势垒升高
→n区的EF低于p区的EF
p区电子被不断的抽走 ——少子的抽取
28
2020/9/30
《半导体与PN结》PPT课件
在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓 度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度 等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。 在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载 流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载 流子的浓度。
在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数， 由质量作用定律可得其数学表达式。
--半导体的结构
半导体的价键结构决定了半导体材料的性 能。一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子 在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子 都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿 出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8 个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着， 因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不 能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被 认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收 以及其它与太阳能电池相关的物理过程。
禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁
带的本征载流子浓度一般比较低。导但带 还可以通过提高温
度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流
子的浓度。
2021/3/12
价带
15
§ 2.2.3
基本原理
--本征载流子浓度
下图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓 度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴 的数目都是相等的。
下面的动画展示了三种不同能量层次的光子 在半导体内产生的效应。
2021/3/12
UNSW新南威尔士大学
25
§ 2.3.1 载流子的产生 --光的吸收
对光的吸收即产生了多子又产生少子。 在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于 掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此， 在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明 显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由 光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光 子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子 数目几乎等于光产生的少子数目。
在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数， 由质量作用定律可得其数学表达式。
--半导体的结构
半导体的价键结构决定了半导体材料的性 能。一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子 在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子 都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿 出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8 个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着， 因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不 能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被 认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收 以及其它与太阳能电池相关的物理过程。
禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁
带的本征载流子浓度一般比较低。导但带 还可以通过提高温
度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流
子的浓度。
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价带
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§ 2.2.3
基本原理
--本征载流子浓度
下图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓 度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴 的数目都是相等的。
下面的动画展示了三种不同能量层次的光子 在半导体内产生的效应。
2021/3/12
UNSW新南威尔士大学
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§ 2.3.1 载流子的产生 --光的吸收
对光的吸收即产生了多子又产生少子。 在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于 掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此， 在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明 显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由 光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光 子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子 数目几乎等于光产生的少子数目。
半导体物理 第六章 pn结ppt课件
E E cn x n n exp( ) x n 0 k T 0
qV ( x ) qV D n ) n 0exp( k T 0
当 X=Xn时，V(x)=VD,
n(x)=nn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, n(-xp)=nn0
qV D n ( x ) n n exp( ) p p 0 n 0 k T 0
产生漂移电流
6.1.3
电子从费米能级高的n区流 向费米能级低的p区， 空穴从p流到n区。
最后，Pn具有统一费米能级EF,
EFn不断下移，EFp不断上 Pn结处于平衡状态。 移,直到EFn=EFp，
能带发生整体相对移动与pn结空 间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，
使漂移电流〉扩散电流
少数载流子的抽取或吸出：n区边界nn’处的空穴被 势垒区强场驱向p区， p区边界pp’处的电子被驱向n 区。
qV D p p exp( ) n 0 p 0 k T 0
平衡时，pn结具有统一的费米 能级，无净电流流过pn结。 1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动 势垒区：载流子浓度很小，电阻很大； 势垒外：载流子浓度很大，电阻很小； 外加正向偏压主要降在势垒区；外加正向电场与 内建电场方向相反， 产生现象：势垒区电场减小，使势垒区空间电荷减小； 载流子扩散流〉漂移流， 净扩散流〉0 ； 宽度减小； 势垒高度降低(高度从qVD降到q（VD-V)
高温熔融的铝冷却后，n型硅片 上形成高浓度的p型薄层。
P型杂质浓度NA,
n型杂质浓度ND,
特点：交界面浓度发生突变。
在n型单晶硅片上扩散受主杂质，形成pn结。 杂质浓度从p到n 逐渐变化，称为缓变结。
半导体物理学PPT课件(共7章)第04章 p-n结
半导体物理学
Semiconductor Physics
2022年1月26日星期三
1
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2022年1月26日星期三
24
4.2.1 广义欧姆定律
对n= n0+n、p= p0+p的一般情况，也可得类似结果：
Jn
nn
dEF dx
Jp
p p
dEF dx
该式表明: 若费米能级随位置变化，则pn结中必有电流；当电流密度一定时，载流子 密度大的地方, EF随位置变化小，而载流子密度小的地方，EF随位置变化较大。
qV x
~ e k0T
2022年1月26日星期三
22
第四章 p-n结
4.1 pn结的形成及其平衡态 4.2 pn结的伏安特性 4.3 pn结电容 4.4 pn结击穿 4.5 pn结的光伏效应 4.6 pn结发光
2022年1月26日星期三
23
4.2 pn结的伏安特性
4.2.1 广义欧姆定律 4.2.2 理想状态下的pn结伏安特性方程 4.2.3 pn结伏安特性对理想方程的偏离
导带
E ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
C
EF
价带 EV
2022年1月26日星期三
10
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，以及空穴从p区流向n区 来实现的。在载流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至EFn＝EFp＝ EF时达到平衡。
Semiconductor Physics
2022年1月26日星期三
1
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2022年1月26日星期三
24
4.2.1 广义欧姆定律
对n= n0+n、p= p0+p的一般情况，也可得类似结果：
Jn
nn
dEF dx
Jp
p p
dEF dx
该式表明: 若费米能级随位置变化，则pn结中必有电流；当电流密度一定时，载流子 密度大的地方, EF随位置变化小，而载流子密度小的地方，EF随位置变化较大。
qV x
~ e k0T
2022年1月26日星期三
22
第四章 p-n结
4.1 pn结的形成及其平衡态 4.2 pn结的伏安特性 4.3 pn结电容 4.4 pn结击穿 4.5 pn结的光伏效应 4.6 pn结发光
2022年1月26日星期三
23
4.2 pn结的伏安特性
4.2.1 广义欧姆定律 4.2.2 理想状态下的pn结伏安特性方程 4.2.3 pn结伏安特性对理想方程的偏离
导带
E ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
C
EF
价带 EV
2022年1月26日星期三
10
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，以及空穴从p区流向n区 来实现的。在载流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至EFn＝EFp＝ EF时达到平衡。
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PN节学习总结心得体会半导体物 理
第二章 双极型晶体管的直流特性 2.1 晶体管的基本结构和杂质分布 2.2 放大机理 2.3 直流I-V特性及电流增益 2.4 反向电流及击穿电压 2.5 直流特性曲线介绍 2.6 基极电阻 2.7 埃伯尔斯—莫尔模型
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第二章1 BJT直流特性 概念和定义
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第六章 JFET&MESFET 概念和定义
分类,符号; 直流参数; 交流参数; 频率参数
原理机理机制过程
分析计算方法
基本结构,工作原 理; 特性曲线; 特性影响因素; 短栅器件的速度饱 和效应; 串联电阻的影响; 温度效应
直流参数; 交流参数; 频率参数
PN节学习总结心得体会半导体物 理
反向恢复时间; 贮存时间,下降时 间; 电荷控制法; 电荷控制方程; 开关时间
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第六章 结型场效应晶体管 6.1 基本工作原理 6.2 直流特性与低频小信号参数 6.3 交流特性 6.4 功率特性 6.5 结构举例
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第七章 MOS场效应晶体管 7.1 基本工作原理和分类 7.2 阈值电压 7.3 电流—电压特性和直流特性曲线 7.4 击穿特性 7.5 频率特性 7.6 功率特性和功率MOSFET的结构 7.7 开关特性 7.8 温度特性 7.9 短沟通和窄沟道效应
原理机理机制过程
分析计算方法
开关时间,反向恢 复时间,贮存时间, 下降时间; 晶体管开关时间定 义; 正向压降,饱和压 降; 临界饱和基极电流; 过驱动电流; 饱和,截止状态; 电荷控制参数
开关作用; 电荷存储效应; 反向恢复过程; 缩短二极管开关时 间措施; 晶体管开关作用, 特点及要求; 开关过程; 电荷存储效应; 提高开关速度的措 施
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第四章 双极型晶体管的功率特性 4.1 集电极最大允许工作电流 4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响 4.3 有效基区扩展效应 4.4 发射极电流集边效应 4.5 发射极单位周长电流容量 4.6 晶体管最大耗散功率PCM 4.7 二次击穿和安全工作区
PN节学习总结心得体会半导体物 理
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第三章 频率特性 概念和定义
原理机理机制过程
分析计算方法
交流电流放大系数 与频率参数; 高频参数及等效电 路; 高频下载流子输运 及中间参数; 高频功率增益; 最佳高频功率增益; 高频优值
基区宽变效应; 高频下载流子输运 及中间参数; 工作条件对频率参 数的影响
交流特性分析; 高频参数及等效电 路* 放大系数的频率关 系; 高频优值
第四章 功率特性 概念和定义
原理机理机制过程
分析计算方法
集电极最大允许工 作电流; 基区大注入自建电 场; 发射极有效长度、 宽度; 二次击穿; 安全工作区; 发射极镇流电阻
基区大注入对电流 放大系数的影响; 基区电导调制效应; 有效基区扩展效应: 均匀基区,缓变强 场,缓变弱场; 发射极电流集边效 应; 二次击穿:电流集 中,雪崩注入
第七章 MOSFET
概念和定义
阈值电压; 直流参数; 小信号低频参数; 高频功率增益; 开关时间; 短沟道效应,判据
原理机理机制过程
分析计算方法
基本结构,工作原 理; 阈值电压; 击穿机制; 雪崩注入及应用; 沟道长度调制效应; 漏区电场静电反馈 效应; 低频小信号模型; 密勒效应; 开关特性; 温度特性; 短沟道和窄沟道效 应
基区载流子(少子, 电子)密度分布; 电流密度分布; 电流增益; 缓变基区晶体管发 射效率,方块电阻; 基极电阻,等效功 率法; 分贝
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第三章 双极型晶体管的频率特性 3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数 3.2 晶体管的交流特性分析 3.3 晶体管的高频参数及等效电路 3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数 3.5 晶体管电流放大系数的频率关系 3.6 晶体管的高频功率增益 3.7 工作条件对晶体管fT、Kpm的影响
PN节学习总结心得体会半导体物理
第一章 p n结 1.1 p-n结的形成及平衡状态 1.2 直流特性 1.3 空间电荷区和势垒电容 1.4 交流小讯号特性 1.5 p-n结击穿
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第一章 p-n结 概念和定义
原理机理机制过程
分析计算方法
p-n结,形成,平衡 状态,杂质分布:突 变结,缓变结; 空间电荷区:电场, 电势,载流子浓度, 空间电荷区宽度; 正向、反向p-n结; 正向阈值电压; 耗尽层近似; 势垒电容;变容二 极管;扩散电容; p-n结击穿:定义, 分类,碰撞电离率, 倍增因子
阈值电压; 直流特性分析; 直流参数; 低频参数; 频率特性; 开关时间
PN节学习总结心得体会半导体物 理
第八章 晶体管的噪声特性 8.1 晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源 8.3 双极型晶体管的噪声 8.4 JFET和MESFET的噪声特性 8.5 MOSFET的噪声特性
p-n结电流成分转 换; 正向I-V特性的讨 论; 大注入效应; p-n结击穿:电击穿 ,热击穿,雪崩击穿 ,隧道击穿; 击穿电压影响因素 及措施:球、柱、 平面结,磨角
势垒高度; 正向电流公式; 边界载流子浓度; 实际扩散结势垒电 容计算,查表; 交流小信号特性分 析方法,特性方程; 雪崩击穿条件
原理机理机制过程
分析计算方法
基本结构,杂质分 布; 发射结注入,基区 输运,集电结收集; 电流放大系数,中 间参量; 缓变基区自建电场; 反向电流及击穿电 压 直流特性曲线; 基极电阻; E-M模型
放大原理; 载流子传输过程; 缓变基区自建电场 对载流子输运及分 布的影响; 放大系数影响因素 及改善措施; 击穿电压及相互关 功率; 转换效率
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第五章 二极管和双极型晶体管的开关特性 5.1 p-n结二极管的开关特性 5.2 晶体管的开关作用 5.3 晶体管的开关过程和开关时间 5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降
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第五章 开关特性 概念和定义