半导体物理与器件第一章1..
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理与器件课后练习题含答案
半导体物理与器件课后练习题含答案1. 简答题1.1 什么是p型半导体？答案： p型半导体是指通过加入掺杂物（如硼、铝等）使得原本的n型半导体中含有空穴，从而形成的半导体材料。
具有p型性质的半导体材料被称为p型半导体。
1.2 什么是n型半导体？答案： n型半导体是指通过加入掺杂物（如磷、锑等）使得原本的p型半导体中含有更多的自由电子，从而形成的半导体材料。
具有n型性质的半导体材料被称为n型半导体。
1.3 什么是pn结？答案： pn结是指将p型半导体和n型半导体直接接触形成的结构。
在pn结的界面处，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子会相互扩散，形成空间电荷区，从而形成一定的电场。
当外加正向电压时，电子和空穴在空间电荷区中相遇，从而发生复合并产生少量电流；而当外加反向电压时，电场反向，空间电荷区扩大，从而形成一个高电阻的结，电流几乎无法通过。
2. 计算题2.1 若硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，电子迁移率为1350 cm²/Vs，电离能为1.12 eV，则硅片的载流子浓度为多少？解题过程：根据硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，可以判断硅片的类型为n型半导体。
因此易知载流子为自由电子。
根据电离能为1.12 eV，可以推算出自由电子的有效密度为：n = N * exp(-Eg / (2kT)) = 6.23e9/cm³其中，N为硅的密度，k为玻尔兹曼常数（1.38e-23 J/K），T为温度（假定为室温300K），Eg为硅的带隙（1.12 eV）。
因此，载流子浓度为1e16 + 6.23e9 ≈ 1e16 /cm³。
2.2 假设有一n+/p结的二极管，其中n+区的掺杂浓度为1e19/cm³，p区的掺杂浓度为1e16/cm³，假设该二极管在正向电压下的漏电流为1nA，求该二极管的有效面积。
解题过程：由于该二极管的正向电压下漏电流为1nA，因此可以利用肖特基方程计算出它的开启电压：I = I0 * (exp(qV / (nkT)) - 1)其中，I0为饱和漏电流（假定为0），q为电子电荷量，V为电压，n为调制系数（一般为1），k为玻尔兹曼常数，T为温度。
半导体物理课后习题
半导体物理学课后习题第一章 半导体的电子状态1. [能带结构计算]设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量)(k E c 和价带极大值附近能量)(k E v 分别为()()02120223m k k m k k E c -+= ()022021236m k m k k E v -= 式中，0m 为电子惯性质量，a k /1π=，nm a 314.0=。
试求： ① 禁带宽度；② 导带底电子有效质量； ③ 价带顶电子有效质量；④ 价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。
解：①先找极值点位置()023201202=-+=m k k m k dk dE c 得出，当143k k =时，0212(min)4m k E c =同理由0=dk dE v 得当0=k 时，0212(max)6m k E v = 所以禁带宽度0212(max)(min)12m k E E E v c g =-==0.636eV ②830222*m dk E d m c nc== ③60222*m dk E d m v nv-==④由①可知，准动量的变化为)(109.7834301291--⋅⋅⨯-=-=⨯-⨯=∆=-=∆s m kg ahk k P P P c v2. [能带动力学相关]晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107V/m 的电场时，试分别计算电子能带底运动到能带顶所需要的时间。
解：设晶格常数为a ，则电子从能带底到能带顶过程中准动量的变化为ak π=∆，因为dt dk qE f==，所以qEdt dk =所以所需要的时间为：E =∙∆=∆=∆qa qE k dtdk k t π，当m V /102=E 时，s t 81028.8-⨯=∆ 当m V /107=E 时，s t 131028.8-⨯=∆第二章 半导体中杂质和缺陷能级1. [半导体、杂质概念]实际半导体与理想半导体的主要区别是什么？ 解：杂质和缺陷的存在是实际半导体和理想半导体的主要区别。
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
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。
价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。
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。
半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件
电 子的浓度是一定的，反向电流在一定
的电压范围内不随外界电压的变化而
子 变化，这时的电流称为反向饱和电流，第
技 以IR(sat) 表示。
一
术 章
基
础
电
少数载流子的浓度很小，由
子 此而引起的反向饱和电流也很小， 技 但温度的影响很大。表1.2.1是硅 第
管的反向电流随温度的变化情况 一
术 章
基
础
三、PN结的伏安特性
一
术 温度每升高8℃，硅的载流子浓度增加一倍。
章
基
+4
+4
+4
+4
+4
+4 自
由
础
+4
+4
+4
+4
+4
+4 电
子
空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1.3 杂质半导体的导电特性
电
掺杂后的半导体称为杂质半导体，
子 杂质半导体按掺杂的种类不同，可分为N 第
技 型（电子型）半导体和P型（空穴型）半
一
术 导体两种。
1.2.1 PN结的形成
电
当P型半导体和N型半
子 导体相互“接触”后，在
它们的交界面附近便出现
第
技 了电子和空穴的扩散运动。
一
术 N区界面附近的多子电子将 基 向P区扩散，并与P区的空
同样，P区界面形章 成一个带负电的薄电
础穴复合，N区界面附近剩下 荷层。于是在两种半 了不能移动的施主正离子， 导体交界面附近便形
成了一个空间电荷区，
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案之第一部分-半导体属性
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案之第一部分-半导体属性
1. 导电性：
半导体材料是指在电声信号强度及温度变化范围内，具有显著能量带隙、静电屏蔽能力和较强导电性的半导体物质。
其导电性取决于半导体物质的原子结构和物理性质。
值得注意的是，半导体材料具有非常高的电阻率，其电阻率取决于半导体材料中存在的空穴和电子的数量及相应的电子移动速率。
在常温下，半导体物质的电阻率可以达到106到1012欧姆之间的数字，而在低温和高温下，电阻率几乎可以忽略不计。
2. 光电效应：
半导体物质具有光电效应，即半导体物质可以在受到光照时发生微小变化。
由于半导体物质具有光电效应，因此，当光照在半导体物质上时，可以产生电压，从而使半导体物质的电阻率发生变化，产生静电效应。
这种光电效应可以被用于光电器件的研制中，例如太阳能电池，光敏电阻等等，具有十分广阔的应用范围。
3. 热敏性：
半导体物质具有高的热敏性，当温度发生变化时，半导体物质的性质也会发生变化。
当温度提高时，半导体物质开始呈现出热电效应，其电阻率会随着温度提高而减小，而当温度降低时，会出现负热效应，其电阻会随着温度降低而增加。
因此，半导体物质的热敏性可以被利用于研制热敏电阻、热敏电容等等的器件中。
半导体物理学简答题及答案知识讲解
第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。
答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。
当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。
组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。
2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。
答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。
惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。
4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。
5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。
6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同；答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。
半导体物理与器件第四版第一章课后答案
o
3
a
8 3
r
o a 3 5.43 3 1.176 A 8 8 Center of one silicon atom to center of
Then r
nearest neighbor 2r 2.35 A
a (b) d 2 0.7071a 2 0.70715.65 d 3.995 A _______________________________________
1.6
o
3.38 10 23 cm 3 _______________________________________
(a) a 3 22.2 21.8 8 A Then a 4.62 A Density of A: 1 1.01 10 22 cm 3 8 3 4.62 10 Density of B: 1 1.01 10 22 cm 3 8 3 4.62 10 (b) Same as (a) (c) Same material _______________________________________
o
1.13
(a)
1 a2 4.619 10 8
3 For 1.12(a), A-atoms Surface density 1
a
22.2 21.8
4.619 A
o
2
4.687 1014 cm 2
For 1.12(b), B-atoms: Surface density
Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, 4th edition Chapter 1 By D. A. Neamen Problem Solutions ______________________________________________________________________________________
尼曼半导体物理与器件第一章课件
广义原胞
尼曼半导体物理与器件第一章
12
1.3.2 基本的晶体结构
立方晶系基本的晶体结构：
常见的三个基本的立方结构 （1）简单立方结构（sc） （2）体心立方结构（bcc） （3）面心立方结构（fcc）
尼曼半导体物理与器件第一章
13
➢简立方结构 Simple Cubic
每个顶角有一个原子
z
➢ 体心立方结构 Body Centered Cubic
• 原胞：可以复制得到整个晶格的最小单元。
单晶晶格二维表示
•晶格、原胞的选取都不是唯一的。
尼曼半导体物理与器件第一章
11
•晶胞和晶格的关系用矢量 a 、b 、c 表示，三个矢 量可不必互相垂直，长度可以不相等，基矢长度称 为晶格常数 。
•每个等效格点可用下述矢量表示
rpaqbsc
•其中，p、q、s为整数。
1. 离子晶体：离子键，例如NaCl晶体等； 2. 共价晶体：共价键，例如Si、Ge以及GaAs晶体等； 3. 金属晶体：金属键，例如Li、Na、K、Be、Mg以及Fe、 Cu、Au、Ag等； 4. 分子晶体：范德华键，例如惰性元素氖、氩、氪、氙等 在低温下则形成分子晶体，HF分子之间在低温下也通过范 德华键形成分子晶体。
• 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
半 • 第七章 pn结
导 • 第八章 pn结二极管
体 器
• 第九章 金属半导体和半导体异质结
件 • 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
基 • 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管：概念深入
础 • 第十二章 双极晶体管
• 第十三章 结型场效应晶体管 • 第十四章 光器件
1.11（a）-（c） 1.16 1.24（Si晶格常数5.43Å）
半导体器件物理课件1
5.半导体中的基本控制方程 1）连续性方程 粒子数守恒：
利用电流密度表达式：
（1-212）
在一维情况下，取电流沿x方向：
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
5.半导体中的基本控制方程 2）泊松方程
在饱合电离的情况下：
（1-220）
设空间电荷所形成的电势分布为 ，则 与 之间满 足泊松方程：
为自由空间电容率，其数值为
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
3.修正的欧姆定律
其中： 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即
）是电流为零的条件。处于热平衡的 半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的 费米能级。
Ø光学波 特点：对于光学波，相邻两种不同原子 的振动方向是相反的。原胞的质心保持 不动，由此也可以定性的看出，波长很 长的光学波（长光学波）代表原胞中两 个原子的相对振动。
晶格振动能量的量子化 ---声子
半导体物理基础
2.载流子的散射
1）平均自由时间与驰豫时间 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之
第一章 半导体物理基础
●半导体中的电子状态 ●载流子的统计分布 ●简并半导体 ●载流子的散射 ●载流子的输运 ●非平衡载流子
概述
1、本课程的主要内容 2、本课程的考核方式、答疑时间
半导体物理基础
1.1半导体中的电子状态
●半导体中电子的波函数和能量谱值 ●能带 ●有效质量 ●导带电子和价带空穴 ●Si/Ge/GaAs的能带结构 ●杂质和缺陷能级
这些就是本课程的主要内容。
半导体物理基础
半导体物理基础
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
半导体物理与器件第一章1
等效晶向
所有立方边方向等效
所有面对角线方向等效
所有体对角线方向等效
用< h k l >表示时，代表所有的等效晶向
例题
某一体心立方结构的晶格常数是5Å 。计算 (1 1 0)平面的原子面密度。
面密度
2个等效原子 5.66x1014 个原子 / cm2 a a 2
(1 1 0)平面
a
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格 常数为a，具有立方对称性
例题
例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为 a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供 八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个 等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
半导体物理与器件
电子设计自动化技术研究所 集成电路设计与集成系统专业 陈延湖
chenyanhu@
课程学习意义重大
半导体集成电路 产业应用市场巨 电子计算机 大，产值超3000 互联网 亿美元，是信息 产业的基石，属 国家战略新兴产 业。已设立千亿 产业投资基金， 个人通信手机 助力产业发展。
单晶材料（完美几何外观）
多晶硅与非晶硅 （片状，块状）
1.3晶体结构-空间晶格
一个典型的单元或原子团在三维的每一 个方向上按某种间隔规则重复排列就形 成了单晶体。 为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒 子（单元或原子团）（基元）抽象为一 个点，这个抽象出的点称为格点。 构成晶体的格点集合称为空间点阵。 由空间点阵构成的网络就是晶格。晶格 就是为了方便描述以及研究晶体结构而 抽象出来的一种几何结构模型。
半导体物理学(第一章)
n=1 2个电子
15
Si 半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
原子的能级的分裂 4个原子能级的分裂 个原子能级的分裂
孤立原子的能级
16
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
大量原子的能级分裂为能带
17
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
Si的能带（价带、导带和带隙） 的能带（价带、导带和带隙）
37
k = kx + k y + kz
2 2 2
2
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
具有确定能量E的全部 点 具有确定能量 的全部k点 的全部
r r r r k = kx + k y + kz
构成一个封闭的曲面， 构成一个封闭的曲面，称为等能面 理想的等能面为k空间的一个球面 理想的等能面为 空间的一个球面
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 、无论是自由电子还是晶体材料中的电子， 在某处出现的几率是恒定不变的。 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ） 5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 、 的差别。 的差别。
30
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
与波矢k的关系 三、半导体中能量E与波矢 的关系 半导体中能量 与波矢
gap gap
3
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
硼 铝 锌 镓 镉 铟
碳 硅 锗 锡
氮 氧 磷 硫 砷 硒 锑 碲
4
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
运动的描述
Minkowski空间：
x，y，z，ict px，py，pz，iE/c
半导体物理与器件(吕淑媛)课件章 (1)
第 1 章 晶体中的电子运动状态
若某平面通过某轴，则在该轴的截距数目不唯一，此时， 可以通过另一平行平面来确定米勒指数。同样，当某平面通过 原点时，也可选择另一平行平面来确定其米勒指数。
原子的面密度是晶体的一个重要特征参数。原子面密度是 单位面积内原子的个数，可以用晶胞中一个晶面内所含原子数 除以晶胞中晶面的面积来计算。在计算过程中，原子的个数是 以原子切面的百分比来计算的。
第 1 章 晶体中的电子运动状态 第 1 章 晶体中的电子运动状态
1. 1 1. 2 1. 3 习题
固体的晶格结构 量子力学初步 晶体中电子的运动状态
第 1 章 晶体中的电子运动状态
从物质形态上分，半导体属于固体。固体的结构决定了其 性质，所以首先考虑固体中原子排列规律，即固体的晶格结构。 其次，半导体中的电子运动状态难以用经典力学来描述，而量 子力学波理论却能很好地描述半导体中电子的运动状态，所以 需要对量子力学有初步了解，并学习它的分析方法。最后，用 量子力学方法对晶体中的电子运动状态进行分析，得到晶体的 E－k 关系图，利用 E－k 关系图讨论电子的有效质量，并引 入空穴的概念，同时也为计算晶体中电子的量子态密度打下基 础。
第 1 章 晶体中的电子运动状态
化合物半导体是由两种及两种以上的元素组成的。化合物 包括二元(即两种元素)、三元(即三种元素)和多元化合物。二 元化合物半导体可以是由三族元素与五族元素组成化合物， 如 GaAs 或 GaP 。二族元素与六族元素也可以组成二元化合 物半导体。三元化合物半导体由三种元素组成，如 Alx Ga 1- x As ，其中下标 x 是原子序数低的元素的组分。当然还可以制 造更复杂的半导体材料。
第 1 章 晶体中的电子运动状态
4. 基本晶格结构
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Chenminghu (胡正明) 著 王燕等译 《现代集成电路半导体器件》 S.M.SZE (施敏）等著，耿丽等译 《半导体器件物理》（第三版） 田敬民《半导体物理问题与习题》
考核：平时（考勤，作业,小测验）30%，考试 （闭卷）70%
课程学习内容
半导体物理部分（共约32课时） 第一章 固体的晶体结构（2学时） 第三章 固体量子理论初步 （7学时） 第四章 平衡状态下的半导体（8学时） 第五章载流子输运（6学时） 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子（9学时）
课程性质
半导体物理与器件物理是集成电路设计专业的专 业基础课，偏重材料物理特性、电子运动规律、 器件物理模型、器件工作原理的学习。
可编程系统、通信系统、嵌入式系统等系统级课程
半导体物理与器件物理必 备先学课程为 高等数学：微积分、 微分方程求解 大学普通物理：量子 力学，固体物理，统 计力学等 电子学：元器件在电 路中的功能、 元器件 外特性 电磁场与电磁波：电 磁波的传输特性
Beyond Moore’S Law 2030？？？
晶圆焊接和布图转移
低K介质绝缘层
FD SOI CMOS
纳米级化学 纳米器件的连接与互连 机械抛光
2005
硅纳米技术
微电子
微纳电子
总结
一、半导体领域是一个充满活力而有广泛用 途领域，在学术界和工业界均大有可为。 二、集成电路技术和工具将不断革新，而半 导体物理与器件的基本理论将长期有效，它 是技术创新的源泉和学术研究的热点，在专 业学习中居于先导和基础位置。 三、各大研究生院微电子、集成电路设计、 固体电子专业、光电子专业的主要考研科目 之一
固体半导体分类：
按组分
无机半导体
有机半导体
元素半导体
化合物半导体
半导体定义与分类
无机半导体种类与应用：
半导体材料革新代系：
第一代：元素半导体 硅Si、锗Ge、
第二代：化合物半导体
砷化镓GaAs,磷化铟InP 氮化镓GaN、碳化硅SiC 纳米材料，低维材料等，如石墨烯 graphene 、碳纳米管CNT。
a
三个方向基矢大小相等为a，互相正交，晶格 常数为a，具有立方对称性
例题
例1.1， 考虑一种体心立方晶体材料，晶格常数为 a=5x10-8cm。求晶体中的原子体密度
解：对体心立方晶胞，每个顶角原子为每个晶胞提供 八分之一个原子，则八个顶角原子共为每个晶胞提供一个 等效原子再加上体心原子，每个晶胞共有两个等效原子。
2010年诺贝尔物理奖授予英国曼彻斯特大学科 学家安德烈· 盖姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫，他们 发现了一种新型半导体材料：石墨烯
具预测可用 来发展出更薄、 导电速度更快的 新一代电子元件 或晶体管，具有 替代硅材料的可 能。
集成电路的革新有赖于半导体新材料、新器件、 新工艺的创新。 Moore’S Law
晶体总是按某一个方向生长，而且晶体在不同的 方向上具有不同的生长和被腐蚀速度。 晶列：任意两个格点的连线称为晶列。 晶向指数：在坐标系中晶列的方向用晶向指数表 示，它们是该晶列对应的矢量的分量。用[hkl]表 述
晶向[100][110][111]垂直于晶面(100)(110)(111)
[1 1 1]
2个原子 22 3 体密度 1 . 6 x 10 个原子 / cm 3 （ 5x108）
例题
简立方的原子体密度是3x1022cm-3.假定原子是刚 球并与最近相邻原子相切。确定晶格常数和原子半 径。
a r
1个等效原子 3x10 a 3.22 A 3 a a 3.22 r 1.61 A 2 2 22
用于制造集成电路的晶圆模型
晶面和密勒指数
半导体器件总是做在半导体的某个表面上，我们可以用 晶格参数描述这些面。 晶面：通过格点做的平面。 密勒指数：某一晶面在晶格坐标轴上的截距的倒数可以 化为互质的整数hkl来表示晶面的取向，称为密勒指数。 用符号（hkl）来表述晶面。
2c 3b
1 1 1 ( , , ) (3,4,6) 4 3 2
半导体物理与器件
电子设计自动化技术研究所 集成电路设计与集成系统专业 陈延湖
chenyanhu@
课程学习意义重大
半导体集成电路 产业应用市场巨 电子计算机 大，产值超3000 互联网 亿美元，是信息 产业的基石，属 国家战略新兴产 业。已设立千亿 产业投资基金， 个人通信手机 助力产业发展。
基矢
基矢：三个相互独立的边矢量，用于确定原胞 （晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周 期排列构成晶格，因此，基矢的大小又称为晶格 常数。
对左图，a，b，c为晶胞基矢； a1，a2，a3为原胞基矢。
基矢的坐标轴即为晶轴
基本的晶格结构
根据原胞或晶胞的结构，所有晶体的结构可归结为 14种晶格结构。主要的半导体材料晶格结构可归结 为三种基本结构：简单立方，体心立方，面心立方
尖端武器
微电子 半导体
现代网络通信设备 ，大型云计算服务 器，超级数据中心
移动互联网
各类集成电路
电话，电视，MP3，可穿戴 等电子消费品
物联网，工业控制，节能环保， 汽车电子
智能IC卡， 金融支付
硅等半导体材料是制造集成电路等新型产品的载体，晶体管等半导体器件是设计 集成电路的核心元器件。
事实上半导体产业是一个巨大的产业，除了集成电路产业 外，还包括电力电子器件、光电子器件、M/NEMS传感 器等，半导体物理与器件无疑是从事相关产业工作的基础 必备知识
第一章 固体晶格结构
1.1半导体材料
半导体基本特性 半导体分类 固体半导体类型 固体晶格 固体晶胞：晶胞与原胞、密勒指数、晶向指数 金刚石结构和闪锌矿结构：硅、砷化镓晶胞结构
1.2 固体类型
1.3 空间晶格
1.4 原子价键
1.1 半导体材料
半导体基本特征：
导电性介于金属和绝缘体之间,根据掺杂不同，电阻率 可在很大范围内变化，具有两种导电类型。 纯净半导体为负温度系数 具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率 会变化，即产生所谓光电导 气体、压力、磁场等对半导体电阻率都产生较大的影 响
晶格
晶体=基元+晶格
晶体种类很多，但可以归纳为有限的晶格结构
晶胞与原胞
晶胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的一小部分晶体。 原胞：通过周期性重复排列可以构建出整个晶体 的最小晶胞。
b4 D a4 A a1 b3 a3 C
A,B,C,D中为 原胞的是？ A和B
b1
b2 a2
B
二维晶格中的几种不同的晶胞选取
集成电路 制造工艺
半导体集成电路设计…
半导体物理与器件
低频电子线路 高频电子线路 数字电子线路
电路理论基础 高等数学、大学物理、电磁场与电磁波
课程教材与考核
教科书： 教1：Donald A. Neamen 著，赵毅强等译《半导 体物理与器件》 教2:刘恩科等 《半导体物理学》
参考资料：
课程特点与学习目标
课程特点 理论性强，涉及基础物理、高等数学、化学等 知识内容广，涉及半导体材料、器件、工艺的相关知 识 概念、术语多。如：晶格结构、电子有效质量、空穴、 费米能级、载流子浓度、迁移率等 理论与工程相结合、定性与定量相结合。需要一定的 数学公式推导与计算
学习目标、要求、建议 目标：掌握基本物理概念，基本物理理论，模 型，器件基本工作原理， 领会其中的物理意义， 物理过程，学会基本的推导和计算。 要求：独立完成课后作业习题，认真进行课后 自修与总结 建议：注重物理概念，物理原理，物理意义的 思考和学习，提倡问答式学习，讨论式学习； 关注学科背景及发展现状，理论联系实际，培 养钻究能力，激发专业学习兴趣。
90nm 铜线 65nm 45nm 金属栅 高数值孔径的193nm光刻 193nm浸渍 氮氧化物栅氧化层 技术特征 (Add on’s) 3维晶体管 纳米管 三维异质整合 自组装 15nm 2 nm
BJT 1947
MOSFET 1960’s
体硅CMOS
高k介质栅 硅化物技术 高迁移率应变硅
空气桥
分子器件
学术研究的热点
自1956年以来半 导体物理相关的诺 贝尔奖多达8项
每年发表在IEEE顶 级期刊的半导体理 论与技术论文达数 千篇
1947年由肖克利和他 的两助手布拉顿、巴丁 在贝尔实验室工作时发 明的点接触式晶体管该 晶体管用半导体锗制作。 1956年为此获诺贝尔 物理学奖
基尔比于1958年发 明了世界上第一块 集成电路，并于 2000年获得诺贝尔 物理学奖
课程学习内容
半导体器件部分（共约32课时）
第七章 PN结 （4学时） 第八章 pn结二极管 （5学时） 第九章 金属半导体和半导体异质结 （4学时） 第十章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础（10学时） 第十一章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入（3学时） 第十二章双极晶体管（6学时）
导体： 10-6Ωcm< ρ＜10-4Ωcm ρCu:10-6Ωcm 半导体：10-4Ωcm＜ρ＜1010Ωcm ρGe=0.2Ωcm
电阻
绝缘体：ρ＞1010Ωcm
温度
二极管 晶体管等电子器件及 集成电路 图像传感器、激光器等光电子器件 气敏传感器 压力传感器 霍尔传感器 重力传感器
半导体分类