半导体物理基础知识
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。
半导体物理的基础知识
半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。
半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。
一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。
单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。
多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。
非晶的特点是结构无序，导电性能较差。
半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。
共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。
离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。
这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。
二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。
根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。
能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。
价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。
在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。
半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。
杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。
掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。
三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。
根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。
n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。
这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。
n型半导体表现为电子富余。
p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。
空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。
p型半导体表现为电子贫缺。
四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。
半导体物理复习试题及答案复习资料
半导体物理复习试题及答案复习资料一、引言半导体物理是现代电子学中至关重要的一门学科，其涉及电子行为、半导体器件工作原理等内容。
为了帮助大家更好地复习半导体物理，本文整理了一些常见的复习试题及答案，以供大家参考和学习。
二、基础知识题1. 请简述半导体材料相对于导体和绝缘体的特点。
答案：半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的导电特性。
与导体相比，半导体的电导率较低，并且在无外界作用下几乎不带电荷。
与绝缘体相比，半导体的电导率较高，但不会随温度显著增加。
2. 什么是本征半导体？请举例说明。
答案：本征半导体是指不掺杂任何杂质的半导体材料。
例如，纯净的硅（Si）和锗（Ge）就是本征半导体。
3. 简述P型半导体和N型半导体的形成原理。
答案：P型半导体形成的原理是在纯净的半导体材料中掺入少量三价元素，如硼（B），使其成为施主原子。
施主原子进入晶格后，会失去一个电子，并在晶格中留下一个空位。
这样就使得电子在晶格中存在的空位，形成了称为“空穴”的正电荷载流子，因此形成了P型半导体。
N型半导体形成的原理是在纯净的半导体材料中掺入少量五价元素，如磷（P）或砷（As），使其成为受主原子。
受主原子进入晶格后，会多出一个电子，并在晶格中留下一个可移动的带负电荷的离子。
这样就使得半导体中存在了大量的自由电子，形成了N型半导体。
4. 简述PN结的形成原理及特性。
答案：PN结是由P型半导体和N型半导体的结合所形成。
P型半导体和N型半导体在接触处发生扩散，形成电子从N区流向P区的过程。
PN结具有单向导电性，即在正向偏置时，电流可以顺利通过；而在反向偏置时，电流几乎无法通过。
三、摩尔斯电子学题1. 使用摩尔斯电子学符号，画出“半导体”的符号。
答案：半导体的摩尔斯电子学符号为“--..-.-.-...-.”2. 根据摩尔斯电子学符号“--.-.--.-.-.-.--.--”，翻译为英文是什么？答案：根据翻译表，该符号翻译为“TRANSISTOR”。
823半导体物理与集成电路基础
823半导体物理与集成电路基础摘要：一、半导体物理与集成电路基础简介1.半导体物理概念2.集成电路基础概念二、半导体物理基本原理1.能带理论2.载流子浓度与迁移率3.PN 结三、集成电路基本结构与工作原理1.基本结构2.工作原理四、半导体材料及其特性1.元素半导体2.化合物半导体3.半导体材料特性五、半导体器件及其应用1.二极管2.晶体管3.场效应晶体管4.光电器件六、集成电路制造工艺1.硅片制备2.掺杂3.薄膜沉积4.光刻技术5.金属化七、集成电路应用领域1.计算机2.通信3.消费电子4.医疗设备5.工业控制八、半导体物理与集成电路发展趋势1.新材料研究2.新型器件开发3.集成度提高4.3D 集成技术5.人工智能与物联网应用正文：半导体物理与集成电路基础在我国科技领域占据举足轻重的地位。
半导体物理是研究半导体材料性质和现象的学科，而集成电路则是半导体物理在实际应用中的重要体现。
本文将介绍半导体物理与集成电路基础的相关知识。
半导体物理基本原理包括能带理论、载流子浓度与迁移率以及PN 结。
能带理论是描述半导体中电子能级分布的理论，它将半导体分为价带和导带，分别对应电子的束缚状态和自由状态。
载流子浓度与迁移率是描述半导体导电性能的两个重要参数，它们与半导体的掺杂、温度等因素密切相关。
PN 结是半导体中一种特殊的结构，由p 型半导体和n 型半导体组成，具有整流、开关等特性。
集成电路基本结构包括输入、输出、电源和信号处理等部分，其工作原理是通过将信号处理电路与输入输出接口电路集成在一起，实现对信号的放大、滤波、模数转换等功能。
半导体材料及其特性对集成电路性能至关重要。
半导体材料主要包括元素半导体如硅、锗等，以及化合物半导体如砷化镓、氮化镓等。
这些材料具有不同的导电性能、光电特性等，为不同应用场景提供了丰富的选择。
半导体器件是集成电路中实现特定功能的基本单元，包括二极管、晶体管、场效应晶体管等。
这些器件具有不同的电流控制方式、输入阻抗等特性，为实现高性能集成电路提供了基础。
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
半导体物理基础(准费米能级)
第二章半导体物理基础一般而言，制作太阳能电池的最基本材料是半导体材料，因而本章将介绍一些半导体物理的基本知识，包括半导体中的电子状态和能带、本征与掺杂半导体、pn结以及半导体的光学性质等内容。
一、半导体中的电子状态和能带1、原子的能级和晶体的能带(m)一般的晶体结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。
晶体的结合形式半导体材料主要靠的是共价键结合。
饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；共价键的特点：电子的共有化运动当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。
电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；当两个原子相距很远时，如同两个孤立的原子，每个能级是二度简并的。
当两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场的作用，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级，两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N 个能级组成一个能带，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。
分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。
所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。
量子力学与固体能带论的发展，使人们认识到固体导电性可根据电子填充能带的情况来说明。
2、金属、绝缘体与半导体固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。
由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。
也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。
半导体物理知识点总结(最新最全)
一、半导体物理知识大纲➢核心知识单元A：半导体电子状态与能级（课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）→半导体中的电子状态（第1章）→半导体中的杂质和缺陷能级（第2章）➢核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）→半导体中载流子的统计分布（第3章）→半导体的导电性（第4章）→非平衡载流子（第5章）➢核心知识单元C：半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）→半导体光学性质（第10章）→半导体热电性质（第11章）→半导体磁和压阻效应（第12章）二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要：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。
（重点掌握）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。
（重点掌握）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。
（重点掌握）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。
（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。
（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。
（掌握能带结构特征）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。
（掌握能带结构特征）本章重难点：重点：1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。
半导体物理入门
半导体物理入门
1. 学习基础知识：在学习半导体物理之前，需要掌握一些基础知识，如物理学、数学和电子工程等方面的基本概念和原理。
2. 了解晶体结构：半导体材料的晶体结构是半导体物理的基础，因此需要学习晶体结构的基本概念，如晶格、晶向、晶面等。
3. 学习能带理论：能带理论是半导体物理的核心内容之一，它描述了半导体材料中电子的能量状态和运动行为。
需要学习能带结构、能带宽度、能带隙等基本概念。
4. 了解载流子输运：载流子（电子和空穴）在半导体中的输运是半导体器件工作的基础，因此需要学习载流子的漂移、扩散、复合等基本概念和过程。
5. 学习 p-n 结：p-n 结是半导体器件中最基本的结构之一，需要学习 p-n 结的形成、特性和工作原理。
6. 阅读相关书籍和文献：可以阅读一些半导体物理方面的经典教材和相关文献，深入了解半导体物理的各个方面。
7. 进行实验：通过实验可以更加深入地了解半导体材料的物理性质和电子特性，建议在学习过程中尝试进行一些简单的实验。
8. 参加课程和培训：如果有条件，可以参加一些半导体物理相关的课程和培训，以系统地学习半导体物理知识。
总之，学习半导体物理需要系统地学习相关知识，并进行实践和实验，不断加深对半导体材料和器件的理解。
同时，需要保持学习的热情和耐心，不断提高自己的知识水平。
半导体物理基础知识
半导体物理基础知识嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体物理基础知识。
这玩意儿啊，就像是一个神秘又有趣的魔法世界。
你想想看，半导体就像是一群小精灵，它们有着独特的脾气和本领。
这些小精灵能导电，但又不是那么随心所欲地导电，有点小个性呢！半导体里有一些关键的角色，比如说电子和空穴。
电子呢，就像是个调皮的小孩子，到处乱跑。
而空穴呢，就像是电子跑开后留下的小空位，也有着它的作用。
它们俩在半导体里跑来跑去，就演绎出了各种奇妙的现象。
比如说，半导体的导电性会随着温度啊、光照啊这些因素而变化。
这就好像天气一变，我们的心情和行为也可能跟着变一样。
有时候温度高一点，半导体就变得更活跃了，导电性也增强了。
这多有意思啊！还有啊，半导体可以用来做各种器件，像二极管、晶体管啥的。
这些器件就像是半导体世界里的小工具，能帮我们完成很多神奇的任务。
二极管就像是个单方向的小通道，只让电流往一个方向走，多奇妙啊！晶体管呢，更是厉害，它可以放大信号，就像把一个小小的声音变得大大的，让大家都能听到。
咱再说说半导体的能带结构吧。
这就像是给小精灵们划分了不同的活动区域。
有导带，那里是电子们撒欢的地方；还有价带，是电子们比较老实待着的地方。
中间还有个禁带，就像是一道小篱笆，把它们隔开。
那半导体物理知识有啥用呢？哎呀，用处可大啦！没有半导体物理，我们哪来的手机、电脑这些高科技玩意儿啊？它们可都是靠着半导体器件才能工作的呢！你能想象没有手机的日子吗？那得多无聊啊！所以啊，半导体物理基础知识可真是个宝。
它就像是打开科技大门的一把钥匙，让我们能进入一个充满神奇和创造的世界。
我们可得好好了解它，探索它的奥秘。
总之，半导体物理基础知识可不是什么枯燥无味的东西，它是充满趣味和惊喜的。
只要我们用心去感受，去学习，就能发现它的魅力所在。
让我们一起在这个半导体的魔法世界里尽情遨游吧！。
半导体物理(微电子器件基础)知识点总结
第一章●能带论：单电子近似法争论晶体中电子状态的理论●金刚石构造：两个面心立方按体对角线平移四分之一闪锌矿●纤锌矿：两类原子各自组成的六方排列的双原子层积存而成〔001〕面ABAB 挨次积存●禁带宽度：导带底与价带顶之间的距离脱离共价键所需最低能量●本征激发：价带电子激发成倒带电子的过程●有效质量〔意义〕：概括了半导体内的势场作用，使解决半导体内电子在外力作用下运动规律时，可以不涉及半导体内部势场作用●空穴：价带中空着的状态看成是带正电的粒子●准连续能级：由于N 很大，每个能带的能级根本上可以看成是连续的●重空穴带：有效质量较大的空穴组成的价带●窄禁带半导体：原子序数较高的化合物●导带：电子局部占满的能带，电子可以吸取能量跃迁到未被占据的能级●价带：被价电子占满的满带●满带：电子占满能级●半导体合金：IV 族元素任意比例熔合●能谷：导带微小值●本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯洁半导体●应变半导体：经过赝晶生长生成的半导体●赝晶生长：晶格失配通过合金层的应变得到补偿或调整，获得无界面失配位错的合金层的生长模式●直接带隙半导体材料就是导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中同一位置●间接带隙半导体材料导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中不同位置●允带：允许电子能量存在的能量范围.●同质多象体：一种物质能以两种或两种以上不同的晶体构造存在的现象其次章●替位杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。
●间隙杂质：杂质原子位于晶格的间隙位置。
●杂质浓度：单位体积中的杂质原子数。
●施主〔N 型〕杂质：释放束缚电子，并成为不行动正电荷中心的杂质。
●受主〔P 型〕杂质：释放束缚空穴，并成为不行动负电荷中心的杂质。
● 杂质电离：束缚电子被释放的过程〔N 〕、束缚空穴被释放的过程〔P 〕。
● 杂质束缚态：杂质未电离时的中性状态。
● 杂质电离能：杂质电离所需的最小能量：● 浅能级杂质：施〔受〕主能级很接近导〔价〕带底〔顶〕。
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
半导体物理基础知识
• 半导体中的基本控制方程组
一些重要的半导体物理概念
• 单电子近似与能带
①什么是单电子近似?
晶体的多体问题→ (绝热近似) →→ 多电子问题 → (单电子近似) →→ 有可能求解的单电子问题. 单电子近似的实质: 把一个电子所受到的作用归结为由3个部分 (离子实, 其余电子, 交换势) 组成的周期性势场 ~晶格周期性势场. →单电子方程: 完美晶体的单电子方程 (Hartree方程) 是:
④ 光电子器件 ~ LED, LD, PD, APD, 红外探测器件, 光电池等. ⑤ 声波器件 ~ 超声波放大器件, 表面声波器件, 光偏转器件等.
⑥ 其他器件 ~ 超导器件, 磁电子器件, 各种传感器件等.
学习要求
① 基本结构
② 工作原理 ③ 性能参数
重点掌握
④ 设计制造
一般了解
—— 课程内容 ——
22
④ 平衡载流子浓度（决定于Fermi能级EF ）： n = Nc exp { - [ (Ec - EF）/ kT ] } = ni exp [ (EF - Ei）/ kT ] ,
p = Nv exp { - [ (EF - Ev）/ kT ] }
= ni ex Nv exp { - Eg / kT }
11 (周期性方势阱模型 )
自由电子近似与有效质量
①能带电子的特性? —— 属于整个晶体所有 (是扩展态, 不是束缚态); 但
并不是自由电子.
—— 规则排列的晶格原子并不散射电子 → 能带电
子的自由程比原子间距要大得多 (只有杂质或缺陷等 造成的附加势场才散射电子).
—— 存在有电子能量的禁区 ~ 禁带宽度Eg . (Eg与温
→ Bloch电子的运动不发生散射
半导体物理基础知识
微电子学器件教师：黄如ruhuang@蔡一茂caiyimao@助教：毛俊maojun@时间：单周周日地点：中芯国际（5113）参考书：1. 《半导体器件基础》[美]安德森著，邓宁，田立林，任敏译，清华大学出版社2.罗伯特. 皮尔瑞特，《半导体器件基础》，电子工业出版社，2004年11月3. 黄如、张国艳、李映雪、张兴，《SOI CMOS技术及其应用》，科学出版社，2005年9月4. S.M.Sze, 《Modern Semiconductor Device Physics》（《现代半导体器件》），John Wiley &Sons, INC, 19985.《纳米CMOS器件》，科学出版社，2004年1月成绩评定：作业+开卷考试(作业可以直接发给助教)①平时成绩30%②期末笔试70%1一、半导体物理物理预备知识 半导体材料和晶格能带理论载流子分布载流子输运23从导电性对固体材料的划分：划分的界限不是绝对的！一、半导体物理预备知识高温、功率器件！高迁移率器件！石墨烯元素半导体：Ge Si无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。
二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。
②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。
它们都具有闪锌矿结构,它们在应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前途。
③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。
ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。
4固体晶格结构非晶多晶单晶OxideGate poly MetalChannel MaterialCMOS 工艺中采用的材料5Crystal = periodic array of atoms Crystal structure = lattice + basisThe choice of lattice as well as its axes a,b,c is not unique.But it isusually convenient to choose with the consideration of symmetry.晶格和原胞（Lattice & Unit Cell ）6Cubic LatticesQ : How many atoms are there in each of the unit cells?临近原子数最接近原子距离每个原胞所含原子数SC 6a1/8 x 8= 1BCC 81/8 x 8 +1= 2FCC121/8 x 8+1/2 x6 = 4a 23a22Complex LatticesInterpenetrating fcc lattices 金刚石结构（Diamond）: Si, Ge闪锌矿结构（Zinc blende）: GaAs, ZnS78密勒指数（Miller Indices）密勒指数（Miller Indices）表示的晶面-立方体晶格1.注意旋转对称性：比如（100）表示6个晶面。
半导体高中物理
半导体高中物理
半导体物理是研究半导体材料的性质、结构及其在电子器件中的应用的一门学科。
它是物理学、化学和材料科学的交叉领域，对于现代电子技术的发展具有重要意义。
半导体物理的主要内容包括：
1. 半导体的基本概念：半导体是一种介于导体（如金属）和绝缘体（如玻璃、橡胶）之间的材料，其电导率介于两者之间。
半导体的导电性能受温度、杂质等因素的影响较大。
2. 半导体的能带结构：半导体中的电子能量分布在不同的能带中，主要有价带、导带和禁带。
价带中的电子受到束缚，不能自由移动；导带中的电子可以自由移动，参与导电过程。
禁带是价带和导带之间的能量间隔，决定了半导体的导电类型（n型或p型）。
3. 载流子：半导体中的电子和空穴都可以作为载流子参与导电过程。
n型半导体中的多数载流子是电子，p型半导体中的多数载流子是空穴。
4. 掺杂：通过向半导体中添加杂质元素，可以改变其导电类型和导电性能。
n型半导体中加入五价元素（如磷），p型半导体中加入三价元素（如硼）。
5. p-n结：将n型半导体和p型半导体结合形成的结构称为p-n结。
p-n结具有单向导电性，即在正向偏置下电阻很小，电流可以顺利通过；在反向偏置下电阻很大，电流几乎不流动。
p-n结是许多半导体器件的基础。
6. 二极管：利用p-n结的特性制成的电子器件。
二极管具有整流、稳压等功能，广泛应用于电路中。
7. 晶体管：利用p-n结和多层半导体结构制成的电子器件。
晶体管具有放大和开关功能，是现代电子设备的核心元件。
半导体物理基础知识
不同偏压情况
下，金属与n 型与p型半导
体接触的能带 图。(a) 热平 衡，(b) 正向 偏压，(c) 反 向偏压。
(a) 热平衡，
(b) 正向偏压，
(c) 反向偏压
热电子发射过程的电流输运
(a) 隔离n型半导体的能带图。 (b) 热电子发射过程。
比接触电阻的计算与 测量值比较。
上方的插图示意隧穿 过程。
图7 （a）高频MOS C-V图显示其近似部份（虚线），
插图为串联的电容器， （b）C-V图的频率效应
图9 （a）独立金属与独立半导体间夹一氧化物的能带图， （b）热平衡下的MOS二极管的能带图。
图10 热二氧化硅中的相关电荷
图12 MOS二极管中固定氧化层电荷与界面陷阱对C-V 特性的影响
EmWd 2
Wd xp xn
2
s N
qN
A A
N ND
D
Vm
PN结的耗尽近似下的电场和电势分布
面积＝电势
-xp
xn
Ex
Em 1
x xp
－Em
Ex
Em 1
x xn
x xp
Vm
x
(x) E(x)dx xp
(a) 热平衡情况下。 (b) 正向偏压情况下。 (c) 反向偏压情况下
热平衡时的线性缓变结
(a) 杂质浓度分布。 (b) 电场分布。 (c) 电势分布。 (d) 能带图。
超突变结、单边突变结和单边线性缓变结的杂 质分布
耗尽区、 能带图、 载流子分 布
(a) 正向偏压
(b) 反向偏压
注入的少数载流 子分布和电子空 穴电流
- 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)。
应用系统
组件
单晶电池片
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡 量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。下 表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致 范围。
物体 电阻率
Ω· CM
导体 ≤10-4
半导体 10-4~1010
绝缘体 ≥1010
1.2半导体材料硅的晶体结构
导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能 带图的不同来加以说明。
1.3固体的能带理论
Ec Eg
Ev
绝缘体
导 带
禁
带
Eg
价 带
半导体
图1.3-3
导体
1.4半导体的导电特性
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着 一些导体和绝缘体所没有的独特性能。
1、导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化都很小。而半导体 则不一样，温度每升高或降低1℃，其电阻就变化百分 之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻率变化 几千，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则 成为绝缘体。
1.2半导体材料硅的晶体结构
硅晶体的金刚石结构 晶体这种周期性的，有规则的，可无限重复排列 的结构叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫 晶胞。下图表示一些重要的晶胞。(共有14种晶格 结构)
(a) 简单立方 （Po）
(b) 体心立方 （Na、W）
(c) 面心立方 （Al、Au）
1.2半导体材料硅的晶体结构
半导体硅的物理性质
原子量
28.86
晶格常数
5.42A
密度(固态)
2.33g/cm3
禁带宽度 1.115±0.008eV
熔点
介电常数 电子迁移率
本征载流子 浓度
原子密度
1416±4℃
沸点
3145℃
11.7±0.2
折射率
3.42
1350±100cm2/V·s 空穴迁移率 480±15cm2/V·s
1.5×1010个/cm-3 熔解热
1.6半导体的导电原理
3、杂质和掺杂半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，
那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的 杂质原子。这种掺有一定杂质的半导体叫做掺杂半 导体。
对硅的导电性能有决定影响的主要是三族(如硼 B、铝Al、镓Ga)和五族(如磷P、砷As、锑Sb)元素 原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁，氧，碳 等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生 缺陷，有着许多有害的作用。
(100晶面)
(110晶面)
(111晶面)
1.2半导体材料硅的晶体结构
原子密排面和解理面： 在晶体的不同面上，原子排列的疏密程度是不同的。若 将原子看成是一个个硬的球体，它们在一个平面上最密 集的排列方式将如下所示，按照这样方式排列的晶面就 称为原子密排面。
1.2半导体材料硅的晶体结构
比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立 方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一 起，相互之间，沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构 成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照 硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶 面上原 子排列的情况，如下页图所示。
1.6半导体的导电原理
1、N型半导体 磷（P）、锑（Sb）等五族元素原子的最外层有五个电子，
它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应该是硅原子所
处的晶格位置，如下页图。磷原子最外层五个电子中只有四个参 加共价键，另一个不在共价价键上，成为自由电子。失去电子的 磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子又 处于晶格位置上，不能自由运动，它不能成为载流子。因此，掺 入磷的半导体起导电作用的主要是磷所提供的自由电子，这种依 靠电子导电为主的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 而为半导体材料提供一个自由电子的V族杂质原子，通常称为施 主杂质。 下页的图表示N型半导体材料的能带图。
2、溶解和生长速率的各向异性：由于(111)密排面原子结合牢 固,化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比 (111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适 的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多， 因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使 硅片表面产生许多密布表面为(111)面的金字塔型四面方锥体， 形成绒面状的硅表面。 生长速率最慢的的晶向是垂直于密排面的〈111〉晶向。而 〈100〉晶向是生长速率最快的。
1.5半导体的纯度
半导体有如此多的独特性能，是建立在半导体材 料本身纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个 “9”来表示。比如硅材料的纯度达到6个“9”，就是 说硅的纯度达到99.9999%，其余0.0001%(即10-6 ) 为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量通常还以 “PPb” 与“PPm”来表示。一个PPb就是十亿分之一 （10-9 ），一个“PPm”就是百万分之一（10-6 ）。 几种纯度表示法的相互关系如下表所列。
半导体物理基础知识
前言
• 太阳能的利用
1、太阳能热的利用，如太阳能热水器、太阳能热水 发电。 2、太阳能直接发电即光伏技术。 光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、 应用系统五个环节。上游为硅料、硅片环节；中游 为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。
前言
光伏产业链
硅料
单晶硅棒
切方
单晶硅片
穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空 位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就会 回到共价键上的空位上去，而同时消失了一对电子和 空穴，这就是“复合”。
在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产 生和复合的载流子数是相等的，半导体将在电子-空穴 对的产生与复合中达到热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。
1.6半导体的导电原理
空键
空穴
接受电子
图1.6-4
1.6半导体的导电原理
P型半导体材料的能带图
受主能级
导带
电离能 价带
1.6半导体的导电原理
• 小结 • 本征半导体是依靠电子和空穴两种载流子来导电的，
对电流的贡献是相等的。 • N型半导体以电子载流子导电为主，空穴载流子的
贡献远小于电子载流子。在N型半导体中电子被称 为多子，空穴被称为少子。 • P型半导体以空穴载流子导电为主，电子载流子的贡 献远小于空穴载流子。在P型半导体中空穴被称为多 子，电子被称为少子。
1=106ppm=109ppb 1ppm=103ppb
1.6半导体的导电原理
1、半导体中的“电子”和“空穴” 本征半导体即纯净的半导体，在不受外界作用时，导
电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的 价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由 电子，同时形成一个空位，称为“空穴”。从能带图上看， 就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空 穴，产生了一对电子和空穴。如下页图所示。
• 组成物质的最基本的单元是原子，原子又由原子核 和电子组成。
• 原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称 它为几族元素。
• 若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原 子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。
• 原子构
几种常见半导体元素的原子结构 硅太阳电池生产中常用的硅(Si)，磷(P)，硼(B) 元素的原子结构模型如下图所示
单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之 为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在 一起的固体称为多晶。
1.2半导体材料硅的晶体结构
硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一 起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成 4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价 键”。如下图所示。
1.2半导体材料硅的晶体结构
(100)
(110)
(111)
1.3固体的能带理论
从下页图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高 的许多组，分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量 的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带 子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。未被电 子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。
第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子
最外层5个电子
最外层3个电子
Si
P
B
+14
+15
+5
Si
P
B
1.2半导体材料硅的晶体结构
晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列 所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排 列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没 有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。
金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111) 晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密 集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱。这 种晶体结构上的各向异性产生以下性质：
1.2半导体材料硅的晶体结构
1、机械性能的各向异性：由于(111)密排面本身结合牢固而面 与面相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111) 晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。
通常将这种只含有“电子-空穴”对的半导体称为本 征半导体。其中的电子和空穴浓度是相同的。“本征”指 只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的 移动来导电的，因此,电子和空穴被统称为载流子。
1.6半导体的导电原理
图1.6-1
导带 Eg (禁带宽度)
价带
1.6半导体的导电原理
2、电子-空穴对的产生和复合 本征半导体由于受热激发而会成对地产生电子-空
1.6半导体的导电原理
多余电子
图1.6-2
1.6半导体的导电原理