半导体物理与器件基础知识
半导体物理与器件
发光器件
发光原理
半导体中的载流子复合时，以光子的形式释放能量。
发光器件类型
包括发光二极管（LED）、激光器等。
工作原理
发光器件利用半导体中的载流子复合发光原理，将电能转换为光能。在外加电压或电流作用下，半导体 中的载流子获得能量并发生复合，以光子的形式释放能量并发出可见光或其他波段的光。
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CATALOGUE
氧化物半导体材料
如氧化锌（ZnO）、氧化铟镓（InGaO3）等，具有透明 导电、压电等特性，可用于透明电子器件、传感器等领域 。
有机半导体材料
具有柔韧性好、可大面积制备、低成本等优点，可用于柔 性电子器件、有机发光二极管（OLED）等领域。
二维材料在半导体器件中的应用
石墨烯
具有优异的电学、热学和力学性能，可用于 高速电子器件、柔性电子器件等领域。
品中。
陶瓷封装
使用陶瓷材料作为封装外壳，具有 优异的耐高温、耐湿气和机械强度 等性能，适用于高端电子产品和特 殊应用场合。
金属封装
利用金属材料（如铝、铜等）进行 封装，具有良好的散热性能和机械 强度，适用于大功率半导体器件。
测试技术
直流参数测试
通过测量半导体器件的直 流电压、电流等参数，评 估其性能是否符合设计要 求。
荷区，即PN结。
二极管的结构
由P型半导体、N型半导体以 及PN结组成，具有单向导电
性。
二极管的伏安特性
描述二极管两端电压与电流之 间的关系，包括正向特性和反
向特性。
二极管的主要参数
包括最大整流电流、最高反向 工作电压、反向电流等。
双极型晶体管
晶体管的结构
由发射极、基极和集电极组成 ，分为NPN型和PNP型两种。
半导体物理及器件
半导体物理及器件随着现代科技的不断发展，半导体技术已经成为了当今世界最具有前沿性的技术之一。
半导体器件的广泛应用已经渗透到了我们日常生活的方方面面，比如智能手机、电脑、平板等等。
那么，什么是半导体物理及器件呢？本文将从物理层面解读半导体及其相关器件的工作原理。
一、半导体物理基础半导体是指在温度较高时表现为导体，在温度较低时表现为绝缘体的物质。
半导体的电子结构与导体和绝缘体不同，它们的导电方式是通过控制外部电场，来控制内部电子的行为。
半导体材料通常由四元素组成，如硅、锗等，这些元素的原子堆积方式形成了晶格结构，其中的电子行为也受到了晶格结构的影响。
半导体中的电子行为分为自由电子和价带电子。
自由电子是指受到外部电场作用后，可以自由移动的电子。
而价带电子则是不能自由移动的电子。
当半导体受到外部电场的作用时，价带电子会被激发到导带电子中，从而形成电流。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子器件。
半导体器件主要包括二极管、场效应晶体管、晶体管等等。
这些器件的工作原理都是基于半导体物理基础的。
1. 二极管二极管是一种最基本的半导体器件，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体与N型半导体之间形成了PN结，当施加电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，从而形成电流。
当电流方向为从P型半导体流向N型半导体时，二极管可以通过电流；当电流方向为从N型半导体流向P型半导体时，二极管则不导电。
2. 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种电子管，它是由金属栅极、P型半导体和N型半导体组成。
FET的工作原理是基于电场效应的，当外加电压作用于金属栅极时，会在P型半导体和N型半导体之间形成一个电场，从而控制电子的流动。
FET有很多种类型，其中最常见的是MOSFET。
3. 晶体管晶体管是一种三端半导体器件，它由P型半导体、N型半导体和控制极组成。
晶体管的工作原理是基于PN结的反向偏压和电场效应。
当控制极施加正电压时，会在PN结中形成反向偏压，从而使电流无法通过；当控制极施加负电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，形成电流。
半导体物理与器件基础知识
9金属半导体与半导体异质结一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
半导体物理与器件基础知识
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
半导体物理与器件的基本原理解析
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
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1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
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1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
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1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体物理学与电子器件
半导体物理学与电子器件半导体物理学和电子器件是现代电子科技的基础理论和应用技术。
本文将从半导体的基本原理、器件的工作原理以及未来发展的趋势等方面进行论述。
一、半导体物理学基本原理1. 半导体的概念与特性半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。
它的电导率比绝缘体要高，但又远远低于导体。
半导体具有独特的能带结构，包括价带和导带，其中导带带电子，价带带价电子。
其半导体材料的能带间隙决定了其导电性能的好坏。
2. PN结与二极管PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
通过N型半导体和P型半导体的结合形成。
PN结的存在使得半导体器件具有整流作用，即二极管。
正向偏置时，电流容易通过PN结，而反向偏置时，电流几乎不能通过。
二极管在电子电路中广泛应用，例如整流电路、信号检波等。
3. 流变效应与晶体管晶体管是一种半导体器件，用于放大和开关电路。
它由三个不同掺杂的半导体层形成，即发射区、基区和集电区。
当在基区施加一个控制电流时，可以调控晶体管的放大倍数。
晶体管是现代电子技术的重要组成部分，被广泛应用于计算机、通信等领域。
二、电子器件的工作原理1. MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是一种常用的放大器和开关。
它由源极、漏极、栅极和绝缘层组成。
栅极电压的改变可以调控通道中载流子的浓度，从而调节MOSFET的导电能力。
MOSFET具有高输入阻抗、低噪声和小功耗等特点，广泛应用于集成电路领域。
2. 功率器件功率器件是半导体器件中的一类，用于控制和驱动大电流和大功率的电路。
常见的功率器件包括IGBT和MOSFET。
IGBT是一种三极双控型晶体管，集结了MOSFET和双极型晶体管的优点，具有高耐压特性和低导通压降。
功率器件的应用范围广泛，例如电动汽车、电力电子等领域。
三、未来发展趋势1. 光电子器件光电子器件是利用半导体材料对光信号的电学效应进行转换的器件。
随着光通信和光传感技术的发展，光电子器件的需求将会越来越大。
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十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 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。
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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。
基础电子学中的半导体物理与器件
基础电子学中的半导体物理与器件电子学是现代科技中不可或缺的一部分。
而在电子学的基础中，半导体材料和器件的应用越来越广泛。
半导体器件广泛用于各种电子设备中，例如计算机、手机、电视等等，它的应用领域十分广泛。
本文将介绍半导体物理，以及根据物理实现的半导体器件。
1. 半导体物理半导体的特殊之处在于它的电阻率介于导体和绝缘体之间。
在物理上，半导体材料的电子结构与导体和绝缘体之间有很大的区别。
在半导体中，存在着“禁带”（也称带隙）概念，禁带是指半导体材料中不带有电子。
而在禁带的两侧，分别是导带和价带。
在半导体内部，导带和价带中存在空穴和电子，当外加电场时，空穴和电子在两个带间进行跃迁而发生导电。
当一个半导体被加热时，存在两种载流子，即电子和空穴。
在加热时，有足够的能量使得价带中的原子残留能量足以跃迁到导带中，因此导带中会出现电子而价带中则会产生空穴，这种情况下导电状况与导体相似。
当半导体材料没有被加热时，则只有少数的电子和空穴能够在两个带间跃迁，这种时候半导体只有微弱的导电性，相当于绝缘体。
由此可见，半导体材料的电导性质具有可控性，开展了半导体器件的研究和应用。
2. 半导体器件根据半导体原理，我们开展了众多新型电子器件的研究。
其中，最为经典也最为重要的半导体器件是二极管。
2.1 二极管二极管具有单向导电性，可以将电流限制在一个方向上流动。
二极管是由两块半导体材料拼接而成。
半导体界面处存在不同的载流子浓度，这种载流子的浓度差异成为pn结。
通常，p半导体有相对较多的正电荷载流子（即空穴），n半导体有较多的负电荷载流子（即自由电子）。
二者当合并在一起时，会形成电子转移和空穴转移。
由于电子转移受到正电荷的阻挡，空穴转移受到负电荷的抑制，因此只有一边的负载荷子能够通过pn结。
二极管约束的最大电流称为最大截止电流，也叫做饱和电流。
当电流流过二极管时，如果流过的电流太大，则会导致二极管损坏。
因此，二极管在电流保护和整流等领域有广泛的应用。
半导体物理与器件
半导体物理与器件半导体物理与器件是研究半导体材料和器件特性的学科领域，这是电子科学与工程的重要分支之一。
在现代科技的发展过程中，半导体物理与器件起到了至关重要的作用，推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展与创新。
一、半导体物理的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
这类材料的导电性能介于金属和非金属之间，可以通过控制掺杂来调节其电导率。
半导体物理主要研究半导体的物理性质及其在器件中的应用。
1.1 半导体的晶体结构半导体通常采用晶格结构，其中最常见的是硅(Si)和锗(Ge)。
晶格结构决定了半导体的物理特性和电学性能。
1.2 半导体的能带结构能带结构是描述半导体的重要概念，半导体中的能带分为价带和导带。
当半导体被采取适当的掺杂和加压等方法后，会出现禁带宽度，电子能够充满价带或从导带跃迁到价带，形成导电能力。
1.3 半导体的载流子半导体中的载流子是指带电粒子，有正负两种。
在掺杂过程中，掺杂原子注入到半导体晶格中，会引入自由电子或空穴，从而影响半导体的导电性能。
二、半导体器件的应用半导体物理的研究成果被广泛应用于各种半导体器件中，这些器件在现代社会中扮演着重要的角色。
2.1 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，具有单向导电特性。
它由正负两种半导体材料构成，在正向偏置时导通，在反向偏置时截止。
二极管广泛应用于电源、通信等领域。
2.2 三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件。
它由三个半导体区域组成，包括基极、发射极和集电极。
通过对基极电流的控制，可以实现对集电极电流的放大，被广泛应用于电子设备中。
2.3 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种控制电流的半导体器件，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。
它可作为电压控制器件，广泛应用于放大、开关、模拟和数字电路等领域。
2.4 光电二极管光电二极管是将光信号转换为电信号的设备。
通过光敏材料和PN结的结合，光电二极管可以检测和转换光信号，被广泛应用于通信、光学传感器、光通信等领域。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件在现代科技中扮演着举足轻重的角色。
它们是电子设备的核心，几乎无处不在。
无论是手机、电脑还是家用电器，半导体都在其中发挥着重要作用。
今天我们就来聊聊半导体器件的基本知识，看看它们是怎么工作的，为什么如此重要。
1. 半导体的基础知识1.1 半导体的定义半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性能可以通过掺杂等方式来调节。
常见的半导体材料有硅和锗。
硅是最常用的，因为它的物理性质稳定，成本也比较低。
1.2 半导体的特点半导体具有独特的电学特性。
它在一定条件下能够导电，而在其他条件下则不导电。
这种特性使得半导体非常适合用在开关和放大器等电子器件中。
此外，半导体的导电性能可以通过温度、光照等因素来改变，增加了它的应用范围。
2. 半导体器件的类型2.1 二极管二极管是最基本的半导体器件。
它只允许电流在一个方向流动，这个特性叫做单向导电性。
二极管有很多种类型，其中最常见的是整流二极管和齐纳二极管。
整流二极管广泛用于电源电路，帮助将交流电转换为直流电。
而齐纳二极管则常用于稳压电源，它能在一定电压下保持稳定的输出。
2.2 三极管三极管是另一种重要的半导体器件。
它有三个电极，能够放大信号。
简单来说，三极管的工作原理是用小电流控制大电流。
三极管可以分为NPN和PNP两种类型，NPN三极管在电路中更为常见。
三极管的应用范围非常广泛，从音频放大器到开关电源，几乎无所不在。
2.3 集成电路集成电路是将多个半导体器件集成在一个小芯片上。
这种设计大大缩小了电子设备的体积，提高了效率。
集成电路可以实现复杂的功能，比如微处理器、存储器等。
如今，几乎所有的现代电子设备中都包含集成电路。
3. 半导体的应用3.1 通信领域在通信领域，半导体器件是必不可少的。
手机、路由器等设备都依赖半导体来实现数据传输和处理。
比如，手机中的射频前端模块，利用半导体技术来增强信号强度，确保通话质量。
3.2 计算机技术计算机是现代社会的重要工具，而半导体器件是其核心组成部分。
半导体物理知识点
半导体物理知识点半导体是现代电子技术的核心材料，从我们日常使用的手机、电脑到各种高科技设备，都离不开半导体器件的应用。
了解半导体物理的基本知识点对于理解和掌握现代电子技术至关重要。
一、半导体的基本概念半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
在纯净的半导体中，导电能力较弱，但通过掺入杂质可以显著改变其导电性能。
半导体中的载流子包括电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电。
在半导体中，电子和空穴都能参与导电。
二、晶体结构半导体材料通常具有晶体结构。
以硅为例，其晶体结构是金刚石结构。
在晶体中，原子按照一定的规律排列，形成晶格。
晶格常数是描述晶体结构的重要参数。
对于硅，晶格常数约为 0543 纳米。
三、能带结构在量子力学的框架下，半导体的电子能量状态形成能带。
包括导带和价带。
导带中的电子能够自由移动，从而导电；价带中的电子被束缚，不能自由导电。
导带和价带之间存在禁带宽度，也称为能隙。
能隙的大小决定了半导体的导电性能。
能隙较小的半导体，如锗，在常温下就有一定的导电能力；而能隙较大的半导体，如硅，在常温下导电性能较差。
四、施主杂质和受主杂质为了改变半导体的导电性能，常常掺入杂质。
施主杂质能够提供电子，使半导体成为n 型半导体。
例如，在硅中掺入磷（P）等五价元素，就形成了 n 型半导体。
受主杂质能够接受电子，形成空穴，使半导体成为 p 型半导体。
例如，在硅中掺入硼（B）等三价元素，就形成了 p 型半导体。
五、pn 结pn 结是半导体器件的基本结构之一。
当 p 型半导体和 n 型半导体接触时，会形成一个特殊的区域，即 pn 结。
在 pn 结处，存在内建电场，阻止多数载流子的扩散，但促进少数载流子的漂移。
pn 结具有单向导电性，这是二极管的工作基础。
六、半导体的导电性半导体的电导率与温度、杂质浓度等因素密切相关。
随着温度的升高，本征半导体的电导率会增加，因为更多的电子会从价带跃迁至导带。
《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 + + + + + + + + + + + +
物理学中的半导体物理知识点
物理学中的半导体物理知识点半导体物理学是物理学领域中的一个重要分支，研究半导体材料及其性质与行为。
本文将介绍几个半导体物理学中的知识点，包括半导体的基本概念、载流子行为、PN结及其应用。
一、半导体的基本概念半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电能力介于导体和绝缘体之间，可以通过控制外加电场或温度来改变其电导率。
根据能带理论，半导体材料中存在一个禁带，将价带和导带分开，如果半导体材料的价带被填满，而导带是空的，那么半导体就没有导电能力；当半导体材料的温度升高或者施加电场时，一些电子会跃迁到导带中，形成可以导电的载流子。
二、载流子行为在半导体中，载流子是指能够输送电流的带电粒子，可以分为自由电子和空穴两种类型。
1. 自由电子：自由电子是指在半导体晶格中脱离原子束缚的电子，它具有负电荷。
在纯净的半导体中，自由电子的数量较少。
2. 空穴：空穴是指由于半导体中某个原子缺少一个电子而形成的一个正电荷，可以看作是受激发的价带上的空位。
载流子的行为受到材料的类型和掺杂等因素的影响。
三、PN结及其应用PN结是半导体中最基本的器件之一，由P型半导体和N型半导体的结合构成。
P型半导体中的空穴浓度较高，N型半导体中的自由电子浓度较高，当这两种类型的半导体材料接触时，自由电子和空穴会发生复合，形成一个耗尽区域。
PN结的特性使得它在半导体器件中有着广泛的应用，例如：1. 整流器：利用PN结的单向导电性质，将交流电信号转换为直流电信号。
2. 发光二极管（LED）：在PN结中注入电流可以激发电子跃迁，从而产生光线，实现发光效果。
3. 晶体管：晶体管是一种基于PN结的三端口器件，通过调控PN结的导电状态，实现信号放大和开关控制。
PN结的应用广泛且多样化，是现代电子技术中不可或缺的一个元件。
总结：半导体物理学作为物理学中的重要分支，研究的是半导体材料及其性质与行为。
本文介绍了半导体的基本概念，包括能带理论和禁带，以及载流子行为，其中自由电子和空穴是半导体中的两种重要载流子。
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9金属半导体与半导体异质结
一、肖特基势垒二极管
欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图
三、异质结：两种不同的半导体形成一个结
小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管
双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理
附npn型和pnp型的结构图
发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
附常规npn截面图
造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。
通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。
称为正向有源。
附图：
由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。
BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。
附基区中电子浓度示意图：
电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区，
那里的电场会将电子扫到集电区。
我们希望更多的电子能够进入集电区而不是在基区和多子空穴复合。
因此和少子扩散长度相比，基区宽度必须很小。
工作模式：附共发射极电路中npn型双极型晶体管示意图
1.如果B——E电压为零或者小于零（反偏），那么发射区中的多子电子就不会注入到基区。
由于B——C也是反偏的，这种情况下，发射机电流和集电极电流是零。
称为截至状态。
2.随着B——E结电压增大，集电极电流会增大，从而集电极上电阻分压Vr增大，意味着在晶体管CB上分压绝对值减小；在某一点出，集电极电流会增大到组后大使得电阻分压后再BC结零偏。
过了这一点后，集电极电流微笑增加会导致Vr 微小增加，从而使B——C结变为正偏（Vcb<0）。
称为饱和。
饱和时，B——E结和B——C结都是正偏的，集电极电流不受B——E结电压。
附双极型晶体管共发射极的电流电压特性，添加了负载线：
Ic=0时晶体管处于截至区。
当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于饱和区。
当Ic=βIb成立时，晶体管处于正向有源区。
小结：
1.基区宽度调制效应（厄尔利效应）：中性基区宽度随B——C结电压变化而发生变化，于是集电极电流随B——C结或C——E结电压变化而变化。
2.大注入效应使得集电极电流随C——E结电压增加而低速率增加。
11金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
MOSFET的核心是MOS电容。
在半导体中，由于施加了一个穿过MOS电容的电压，氧化物-半导体界面的能带将发生弯曲。
其费米能级是该电压的函数，因此通过适当的电压可以使得半导体表面的特性从p型转换为N型，或n型转换为p 型。
附基本mos电容结构
平带电压：使半导体内部没有能带弯曲所加的栅压。
阈值电压：达到阈值反型点所需要的栅压。
阈值反型点：表面势Øs为两倍的Øf（费米能级与本征费米能级之差）的状态.当小于阈值电压时，未强反型，沟道未形成，截至；大于等于阈值电压时，强反型，沟道形成，导通。
阈值电压大于零，为增强型，零栅压时未反型。
阈值电压小于零，为耗尽型，零栅压时已反型。
对于p型衬底的Mos,能使反型层电荷密度改变的来源有：1.来自空间电荷区P型衬底的少子电子的扩散；2.热运动产生的电子空穴对。
界面态：半导体在界面处的周期突然停止，使得电子能级存在于禁带中，这些允许的能太称为界面态。
三、MOSFET的基本工作原理
附N沟增强型MOSFET和耗尽型的剖面图：（注意电路符号）
附I(D)-V(GS)曲线的原理图
附n沟增强型MOSFET的特性曲线
当V(DS)大于阈值电压时，沟道中反型电荷为零的点移向愿端。
此时电子从源端进入沟道，通过沟道流向漏端。
在电荷为零的点处，电子被注入空间电荷区，并被电场扫向漏端。
附n沟耗尽型MOSFET的特性曲线
亚阈值电导是指在MOSFET中当栅源电压小于阈值电压时漏电流不为零。
这种情况下，晶体管被偏置在弱反型模式下，漏电流是由扩散机制而非漂移机制控制。
该电导会在集成电路中产生一个明显的静态偏置电流。
13结型场效应晶体管
PnJEFT的基本工作原理
以N沟为例，多数载流子电子自源极流向漏极，器件的栅极是控制端。
附改变栅源电压的电流电压特性曲线
现在分析栅电压为零，漏电压变化的情况。
随着漏源电压的增大，栅与沟道形成的Pn结反偏，空间电荷区向沟道扩展。
随着空间电荷区的扩展，有效沟道电阻增大，曲线斜率变小。
附改变漏源电压时的特性曲线。