半导体器件物理复习资料重要资料
半导体器件物理复习重点
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第一章PN结1.1 PN结是怎么形成的?耗尽区:正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷,所以该区也称为耗尽区。
空间电荷边缘存在多子浓度梯度,多数载流子便受到了一个扩散力。
在热平衡状态下,电场力与扩散力相互平衡。
p型半导体和n型半导体接触面形成pn结,p区中有大量空穴流向n区并留下负离子,n区中有大量电子流向p区并留下正离子(这部分叫做载流子的扩散),正负离子形成的电场叫做空间电荷区,正离子阻碍电子流走,负离子阻碍空穴流走(这部分叫做载流子的漂移),载流子的扩散与漂移达到动态平衡,所以pn结不加电压下呈电中性。
1.2 PN结的能带图(平衡和偏压)无外加偏压,处于热平衡状态下,费米能级处处相等且恒定不变。
1.3 内建电势差计算N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒,这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算n d p a x N x N =1.5 PN 结电容的计算第二章 PN 结二极管2.1理想PN 结电流模型是什么? 势垒维持了热平衡。
反偏:n 区相对于p 区电势为正,所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级,势垒变得更高,阻止了电子与空穴的流动,因此pn 结上基本没有电流流动。
正偏:p 区相对于n 区电势为正,所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级,势垒变得更低,电场变低了,所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区,所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p区到n 区的空穴。
电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。
过剩少子电子:正偏电压降低了势垒,这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内,注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。
2.2 少数载流子分布(边界条件和近似分布) 2.3 理想PN 结电流⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=002011p p d n n a inp n pn p s D N D N en L n eD L p eD J ττ2.4 PN 结二极管的等效电路(扩散电阻和扩散电容的概念)?扩散电阻:在二极管外加直流正偏电压,再在直流上加一个小的低频正弦电压,则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流,正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻,即扩散电阻。
精简版-半导体物理与器件复习资料
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精简版-半导体物理与器件复习资料(1).状态密度函数:有效量子态的密度。
它是能量的函数,表示为单位体积单位能量中的量子态数量。
(2).电子的有效质量:该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起来,该参数包含了晶体中的内力。
(3).费米-狄拉克概率函数:该函数描述了电子在有效能级中的分布,代表了一个允许能量状态被电子占据的概率。
(4).费米能级:用最简单的话说,该能量在T=0K时高于所有被电子填充的状态的能量,而低于所有空状态能量。
(5).空穴的有效质量:该参数同样将晶体价带中空穴的加速度与外加作用力联系起来,而且包含了晶体中的内力。
(6).k空间能带图:以k为坐标的晶体能连曲线,其中k为与运动常量有关的动量,该运动常量结合了晶体内部的相互作用。
(7).克龙尼克-潘纳模型:由一系列周期性阶跃函数组成,是代表一维单晶晶格周期性势函数的数学模型。
(8).杂质补偿半导体:同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体。
(9).完全电离:所有施主杂质原子因失去电子而带正电,所有受主杂质原子因获得电子而带负电的情况。
(10).简并半导体:电子或空穴的浓度大于有效状态密度,费米能级位于导带中(n型)或价带中(p型)的半导体。
(11).有效状态密度:即在导带能量范围内对量子态密度函数gc(E)与费米函数fF(E)的乘积进行积分得到的参数Nc;在价带能量范围内对量子态密度函数gv(E)与【1-fF(E)】的乘积进行积分得到的参数N。
(12).非本征半导体:进行了定量施主或受主掺杂,从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征载流子浓度产生多数载流子电子(n型)或多数载流子空穴(p型)的半导体。
(13).束缚态:低温下半导体内的施主与受主呈现中性的状态。
此时,半导体内的电子浓度与空穴浓度非常小。
n:本征半导体内导带电子的浓度和价带空穴的浓度(数值相等)。
(14).本征载流子浓度iE:本征半导体内的费米能级位置。
(15).本征费米能级Fi(16).本征半导体:没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料。
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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。
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第一章 半导体物理基础能带:1-1什么叫本征激发?温度越高,本征激发的载流子越多,为什么?1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格,导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为:2222100()()3C k k k E k m m -=+和22221003()6v k k E k m m =-;m 0为电子惯性质量,1k a π=;a =0.314nm ,341.05410J s -=⨯⋅,3109.110m Kg -=⨯,191.610q C -=⨯。
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。
题解:1-1、 解:在一定温度下,价带电子获得足够的能量(≥E g )被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解:电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带,即允带和禁带。
温度升高,则电子的共有化运动加剧,导致允带进一步分裂、变宽;允带变宽,则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之,温度降低,将导致禁带变宽。
因此,Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电:+q ; 、空穴浓度表示为p (电子浓度表示为n ); 、E P =-E n (能量方向相反)、m P *=-m n *。
空穴的意义:引入空穴后,可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述,使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(=2023k m +2102()k k m -=0;可求出对应导带能量极小值E min 的k 值: k min =143k , 由题中E C 式可得:E min =E C (K)|k=k min =2104k m ;由题中E V 式可看出,对应价带能量极大值Emax 的k 值为:k max =0;并且E min =E V (k)|k=k max =22106k m ;∴Eg =E min -E max =221012k m =222012m a π =23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=;∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-,∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂:2-1、什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?2-2、什么叫施主?什么叫施主电离?2-3、什么叫受主?什么叫受主电离?2-4、何谓杂质补偿?杂质补偿的意义何在?题解:2-1、解:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
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与理想情况的偏离的原因
理论分析认为,杂质和缺陷的存在使得 原本周期性排列的原子所产生的周期性 势场受到破坏,并在禁带中引入了能级, 允许电子在禁带中存在,从而使半导体 的性质发生改变。
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置, 该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小,如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂(0.068nm)。
电子占据或基本上是空的一
个标志
玻尔兹曼分布函数
当E EF
所以
k0T
时,由于
exp(
E EF k0T
)
1 exp( E EF ) exp( E EF )
k0T
k0T
费米分布函数转化为
1,
fB
(E)
exp(
E EF k0T
)
exp( EF k0T
)
exp(
E k0T
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
半导体的掺杂
受主:掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提供导电的空穴, 并成为带负电的离子。如Si中的B
B
P型半导体
EA
受主能级
EC
EA EV
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂 质,它们在禁带中引入了能级;受主能级比价带顶 高 E,A 施主能级比导带底低 ED ,均为浅能级,这两 种杂质称为浅能级杂质。
考虑电子的自旋情况,电子的允许量子态密度
为V (/ 4 3),每个量子态最多只能容纳一个电子。
kx
2
nx L
(nx
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半导体器件物理复习文档PPT复习内容2.突变结:P区和N区之间的杂质分布变化陡峭的PN结。
3.线性缓变结:P区和N区之间的杂质分布变化比较缓慢,可看成是线性变化的PN结。
4.单边突变结:PN结一侧的掺杂浓度比另一侧的高得多,表示为P+N或PN+。
5.2.空间耗尽区(也即空间电荷区),耗尽层近似;耗尽近似是对实际电荷分布的理想近似,包含两个含义:(1)在冶金结附近区域,-xp(2)耗尽区以外的电荷密度处处为0。
6.正向注入(扩散),反向抽取(漂移)正偏时:扩散流大于漂移流,n区电子扩散到p区(-xp)处积累成为p区的少子;p区的空穴扩散到n区的(xn)处积累成为n区的少子。
这一过程称为正向注入。
反偏时:p区的电子漂移到n区,n区的空穴漂移到p区,这一过程称为反向抽取7.4.变容二极管,肖特基二极管,隧道二极管,长二极管,短二极管(1)工作在反偏状态下的二极管,势垒电容随反偏电压的增加而减小,称为变容二极管(2)金属和半导体形成整流接触时具有正向导通,反向截止的作用,称作肖特基二极管(3)n区和p区都为简并掺杂的pn结称为隧道二极管(4)pn结的p区和n区准中性区域的宽度远大于扩散长度时,则称这个二极管为长二极管(5)pn结轻掺杂一侧的准中性区域的宽度与扩散长度同数量级或更小时,则称这个二极管为窄基区二极管或短二极管8. 势垒电容Cj:形成空间电荷区的电荷随外加电压变化(结电容或耗尽层电容)二极管的反向偏置结电容随反向电压的增加而减小扩散电容Cd:p-n结两边扩散区中,当加正向偏压时,有少子的注入,并积累电荷,它也随外电压而变化.扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应。
9.电荷存储和反向恢复时间:正偏时,电子从n区注入到p区,空穴从p区注入到n区,在耗尽层边界有少子的积累。
导致p-n结内有等量的过剩电子和空穴-电荷的存储。
突然反向时,这些存储电荷不能立即去除,消除存储的电荷有两种途径:复合和漂移。
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半导体物理学复习资料
第一章
一、基本概念
1. 能带,允带,禁带,K空间的能带图 能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级 允带:分裂的每一个能带都称为允带。 禁带:晶体中不可以容纳电子的一系列能级 K空间的能带图:晶体中的电子能量随电子波矢k
2。受主杂质,受主能级,受主杂质电离能
受主杂质:能够能够接受电子而在价带中产生空穴,并形 成负电中心的杂质,称为受主杂质,掺有受主杂质的半导 体叫P型半导体。
受主能级:被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能 级EA,受主能级位于离价带低很近的禁带中。 受主杂质电离能:价带顶EV与受主能级EA的能量之差 EA=EV-EA就是受主杂质的电离能。受主杂质未电离时是 中性的,电离后成为负电中心
Байду номын сангаас
3.电子的有效质量
(1) 晶体中的电子在外加电场作用下,电子除受外电场 的作用力,还受到内部原子核和其它电子的作用力,但 内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶 体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来,电子有 效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍 能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即:
4. 半导体的电阻率(或电导率)与那些因素有关
n型半导体 p型半导体 本征半导体
nqn ,
1
nq n
pq p ,
1
pq p
ni qn
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第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素?规定以阵胞的基矢群为坐标轴,即以阵胞的三个棱为坐标轴,并且以各自的棱长为单位,也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵(倒格矢)?为什么要引入倒易点阵的概念?它有哪些基本性质? 倒格子: 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯ 倒格子空间实际上是波矢空间,用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数,而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么?(1)原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
(2)原子吸收或发射光子的频率必须满足。
(3)电子与核之间的相互作用力主要是库仑力,万有引力相对很小,可忽略不计。
(4)电子轨道角动量满足:h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么? (1) 电子轨道方程:0224πεe r mv = (2) 电子第n 个无辐射轨道半径为:2022meh n r n πε= (3) 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为:222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同?(1)与孤立原子不同,由于电子壳层的交迭,晶体中的电子不再属于某个原子,使得电子在整个晶体中运动,这样的运动称为电子共有化运动,这种运动只能在相似壳间进行,也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
(2)孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定,用非连续的能级描述电子的能量状态,在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带,用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么?硅电子排布:2262233221p s p s s锗电子排布:22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个:2个s 电子,2个p 电子。
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爱因斯坦关系:
kT D q
电流密度方程
载流子的输运方程
在漂移-扩散模型中
jn qn n E qDnn
方程形式1
j p q p p E qDpp
漂移项
扩散项
爱因斯坦关系
k BT k BT p Dn n Dp q q
方程形式2
J n qnnn
J p qn p p
在杂质半导体中:
多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度 少子的浓度主要取决于温度
+ + + + + + -
N型半导体的 简化表示法
P型半导体的 简化表示法
载流子在半导体中的运动
当无外加电场作用时,半导体中的载 流子做不规则热运动,对外不呈现电 特性 在外加或内建电场作用下,载流子将 有定向的“漂移运动”并产生漂移电 流 当载流子浓度分布不均匀时,将从高 浓度区域向低浓度区域做定向运动, 即“扩散运动”,同时产生扩散电流 半导体中的电流为漂移电流与扩散电 流之和
半导体中的能带
在同一个原子能 级上产生的共有化 运动多样 可以有各种速度 从一个原子能级 可以演变出许多共 有化量子态 一组密集的能级:能带 禁带,带隙 原子能级 能带
半导体中的能带
(价带、导带和带隙)
Si,Ge等晶体中,内层到最 外层价电子填满相应的能带
导 带
Eg
价 带
价带:被电子填充的能量最高的能带,价电子填充 能量最高 价带以上能带基本为空 导带: 未被电子填充的能量最低的能带 禁带:导带底与价带顶之间能带 带隙:导带底与价带顶之间的能量差
物质的分类 按照导电 能力的差 别,可以 将物质分 为:
104 cm) 导体(电阻率小于
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第一章 半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分:Ⅰ导体内部存在部分充满的能带,在电场作用下形成电流;Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带,在电场作用下无电流产生; Ⅲ半导体的价带是完全充满的,但与之上面靠近的能带间的能隙很小,电子易被激发到上面的能带,使这两个能带都变成部分充满,使固体导电。
2.电子的有效质量是*n m ,空穴的有效质量是*p m ;**np m m -=,电量等值反号,波矢k 与电子相同 能带底电子的有效质量是正值,能带顶电子的有效质量是负值。
能带底空穴的有效质量是负值,能带顶空穴的有效质量是正值。
3.半导体中电子所受的外力dtdkh f ⋅=的计算。
4.引进有效质量的意义: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。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.施主能级:被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E D ;施主能级很接近于导带底;受主能级:被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级E A ;受主能级很接近于价带顶。
施主能级图 受主能级图2.浅能级杂质:杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质,电离后向相应的能带提供电子或空穴。
深能级杂质:能级位于禁带中央位置附近,距离相应允带差值较大。
深能级杂质起复合中心、陷阱作用;浅能级杂质起施主、受主作用。
3.杂质的补偿作用:半导体中同时含有施主和受主杂质,施主和受主先相互抵消,剩余的杂质发生电离。
在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As )掺入Ⅳ族杂质原子(Si ),Si 为两性杂质,既可作施主,亦可作受主。
设315100.1-⨯=cm N A ,316101.1-⨯=cm N D ;则316100.1-⨯=-=cm N N n A D 由p n n i ⋅=2,可得p 值;①p n ≈时,近似认为本征半导体,i F E E =;②p n μμ=时,本征电导p n σσ=; p n >>时,杂质能级靠近导带底;第三章 半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=Tk E E E f F 0exp 11)((本征);⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=T k E E E f F 0exp 2111)((杂质);玻尔兹曼分布函数(非简并半导体) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=T k E A E f B0exp )(;2.费米能级:TF N F E ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂==μ;系统处于热平衡状态,也不对外界做功的情况下,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化,等于系统的化学势,也就是等于系统的费米能级。
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第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素?规定以阵胞的基矢群为坐标轴,即以阵胞的三个棱为坐标轴,并且以各自的棱长为单位,也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵(倒格矢)?为什么要引入倒易点阵的概念?它有哪些基本性质? 倒格子: 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子空间实际上是波矢空间,用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数,而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么?(1)原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
(2)原子吸收或发射光子的频率必须满足。
(3)电子与核之间的相互作用力主要是库仑力,万有引力相对很小,可忽略不计。
(4)电子轨道角动量满足:h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么? (1) 电子轨道方程:0224πεe r mv = (2) 电子第n 个无辐射轨道半径为:2022meh n r n πε= (3) 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为:222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同?(1)与孤立原子不同,由于电子壳层的交迭,晶体中的电子不再属于某个原子,使得电子在整个晶体中运动,这样的运动称为电子共有化运动,这种运动只能在相似壳间进行,也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
(2)孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定,用非连续的能级描述电子的能量状态,在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带,用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么?硅电子排布:2262233221p s p s s锗电子排布:22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个:2个s 电子,2个p 电子。
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半导体物理器件在传感与检测领域中的应用
发展趋势
了解半导体物理器件的发展趋势,包括更高性能、更低功耗、更小体积等。
面临的挑战
分析半导体物理器件在发展中面临的挑战,包括工艺复杂度、成本、可靠性等。ຫໍສະໝຸດ 半导体物理器件的发展趋势与挑战
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半导体激光器
介绍半导体激光器的原理、结构、制造工艺和应用,包括分布反馈式激光器、布拉格光栅激光器等。
半导体物理器件在光电子中的应用
介绍半导体传感器的基本原理、分类、应用和制造工艺,重点了解气体传感器和生物传感器。
半导体传感器
介绍半导体检测器的基本原理、分类、应用和制造工艺,包括光电检测器、热电检测器等。
半导体二极管及其特性
半导体二极管伏安特性
半导体二极管的伏安特性曲线反映了二极管在不同电压下的电流密度和电阻率,从而表现出单向导电性。
半导体二极管温度特性
半导体二极管的温度系数表示温度对二极管电压的影响,温度升高会使二极管正向电压降低。
双极型晶体管结构
01
双极型晶体管由三个半导体材料区域组成,两个P型区域和一个N型区域,通过三个区域的组合和连接形成NPN或PNP结构。
双极型晶体管及其特性
双极型晶体管的电流放大效应
02
双极型晶体管的基极电流对集电极电流的控制作用称为电流放大效应,这种效应是双极型晶体管的核心特性。
双极型晶体管的击穿特性
03
双极型晶体管在特定电压和电流条件下会发生击穿,导致电流突然增加,失去单向导电性。
场效应晶体管结构
场效应晶体管的电压控制特性
场效应晶体管的频率特性
双极型晶体管的模型与仿真
场效应晶体管的模型与仿真
半导体物理导论复习资料
![半导体物理导论复习资料](https://img.taocdn.com/s3/m/d7160d60ae45b307e87101f69e3143323968f591.png)
半导体物理导论复习资料半导体物理导论复习资料半导体物理是现代电子学的基础,理解半导体物理的原理对于电子工程师和科学家来说至关重要。
本文将回顾半导体物理的一些重要概念和原理,帮助读者复习和加深对这一领域的理解。
1. 半导体的基本特性半导体是介于导体和绝缘体之间的材料,具有一些独特的物理特性。
首先,半导体的电导率介于导体和绝缘体之间,这意味着它既可以传导电流,又可以阻止电流的流动。
其次,半导体的电导率可以通过控制外界条件(如温度、施加电场等)来调节,这使得半导体具有可调控性和可变性。
2. 禁带和载流子半导体中的电子和空穴是半导体中的两种载流子。
禁带是指半导体中的能带结构,它将电子的能级分成导带和价带。
导带是电子能量较高的能级,而价带是电子能量较低的能级。
禁带宽度是导带和价带之间的能量差,决定了半导体的导电性能。
3. pn结和二极管pn结是由n型半导体和p型半导体结合而成的。
n型半导体中的电子浓度较高,p型半导体中的空穴浓度较高。
当两者结合时,电子和空穴会发生复合,形成一个耗尽层。
耗尽层中没有可自由移动的载流子,因此形成了一个电势垒。
这个电势垒可以阻止电流的流动,从而实现了二极管的整流功能。
4. 势垒高度和反向击穿势垒高度是指pn结中电势垒的高度,它决定了二极管的导电性能。
当外加电压使势垒高度增加时,二极管的导电性能会减弱。
反向击穿是指当外加电压超过一定值时,势垒高度会被突破,电流会快速增加。
这种现象可以用来制作稳压二极管和击穿二极管等电子元件。
5. MOSFET和CMOS技术MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的缩写,是现代集成电路中最常用的晶体管结构。
MOSFET的导电性能可以通过调节栅极电压来控制,因此具有高度可调控性和低功耗特性。
CMOS技术是一种基于MOSFET的集成电路制造技术,被广泛应用于数字电路和微处理器的制造。
6. 光电效应和光电器件光电效应是指当光照射到半导体材料上时,会激发出电子和空穴,产生电流。
半导体物理知识点及重点习题总结
![半导体物理知识点及重点习题总结](https://img.taocdn.com/s3/m/2993dae7ac51f01dc281e53a580216fc710a5362.png)
半导体物理知识点及重点习题总结半导体物理是现代电子学中的重要领域,涉及到半导体材料的电学、热学和光学等性质,以及半导体器件的工作原理和应用。
本文将对半导体物理的一些重要知识点进行总结,并附带相应的重点习题,以帮助读者更好地理解和掌握相关知识。
一、半导体材料的基本性质1. 半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构决定了其电学性质。
一般而言,半导体材料具有禁带宽度,可以分为导带(能量较高)和价带(能量较低)。
能量在禁带内的电子处于被限制的状态,称为束缚态,能量在导带中的电子可以自由移动,称为自由态。
2. 掺杂和杂质掺杂是将少量的杂质原子引入纯净的半导体材料中,以改变其导电性质。
掺入价带原子的称为施主杂质,掺入导带原子的称为受主杂质。
施主杂质会增加导电子数,受主杂质会增加载流子数。
3. P型和N型半导体掺入施主杂质的半导体为P型半导体,施主杂质的电子可轻易地跳出束缚态进入导带,形成载流子。
掺入受主杂质的半导体为N型半导体,受主杂质的空穴可轻易地跳出束缚态进入价带,形成载流子。
二、PN结和二极管1. PN结的形成和特性PN结是P型和N型半导体的结合部分,形成的原因是P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合。
PN结具有整流作用,使得电流在正向偏置时能够通过,而在反向偏置时被阻止。
2. 二极管的工作原理二极管是基于PN结的器件,正向偏置时,在PN结处形成正电压,使得电子流能够通过。
反向偏置时,PN结处形成反电压,使得电流无法通过。
3. 二极管的应用二极管广泛用于整流电路、电压稳压器、振荡器和开关等领域。
三、晶体管和放大器1. 晶体管的结构和工作原理晶体管是一种三端器件,由三个掺杂不同的半导体构成。
其中,NPN型晶体管由N型掺杂的基区夹在两个P型掺杂的发射极和集电极之间构成。
PNP型晶体管的结构与之类似。
晶体管的工作原理基于控制发射极和集电极之间电流的能力。
2. 放大器和放大倍数晶体管可以作为放大器来放大电信号。
半导体器件物理学习资料二
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03 半导体器件的应用
数字电路中的半导体器件
01
02
03
逻辑门电路
由半导体器件构成的逻辑 门电路是数字电路的基本 组成部分,如与门、或门、 非门等。
触发器
触发器是一种能够存储二 进制信息的半导体器件, 如RS触发器、D触发器等。
寄存器
寄存器是一种能够存储二 进制数据并具有移位功能 的半导体器件,如移位寄 存器、计数器等。
硅基半导体的局限性
随着集成电路的微型化,硅基半导体的性能逐渐 接近其物理极限,难以满足未来技术发展的需求。
新型半导体材料的研究
为了突破硅基半导体的限制,科研人员正在研究 新型半导体材料,如碳化硅(SiC)、氮化镓 (GaN)和氧化锌(ZnO)等。
新型半导体材料的优势
新型半导体材料具有更高的电子迁移率、更高的 击穿电场和更高的热导率等特点,有助于提高半 导体器件的性能和可靠性。
载流子的输运过程
载流子在半导体中受到散 射和扩散的作用,其输运 过程包括扩散和漂移。
漂移是指在外加电场的作用 下,载流子受到电场力的作 用而产生的定向流动。
ABCD
扩散是指载流子从高浓度区域 向低浓度区域流动,其流动方 向与浓度梯度方向相同。
在交变电场的作用下,载流子 的运动状态会发生变化,从而 引起电流和电压的变化。
模拟电路中的半导体器件
运算放大器
模拟开关
运算放大器是一种具有高放大倍数、低 输入阻抗和低输出阻抗的半导体器件, 用于信号的放大、滤波和比较等。
模拟开关是一种用于模拟信号传输的 半导体器件,如电子开关、继电器等。
电压比较器
电压比较器是一种用于比较两个电压 值大小的半导体器件,常用于模拟电 路中的信号处理。Biblioteka 02 半导体器件的种类与特性
半导体物理学复习提纲(重点)
![半导体物理学复习提纲(重点)](https://img.taocdn.com/s3/m/a5793b8a7fd5360cbb1adbd1.png)
第一章 半导体中的电子状态§1。
1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征§1.2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念绝缘体、半导体和导体的能带特征。
几种常用半导体的禁带宽度; 本征激发的概念§1.3 半导体中电子的运动 有效质量导带底和价带顶附近的E(k )~k 关系()()2*2nk E k E m 2h -0=; 半导体中电子的平均速度dEv hdk=; 有效质量的公式:222*11dk Ed h m n =.§1.4本征半导体的导电机构 空穴空穴的特征:带正电;p n m m **=-;n p E E =-;p n k k =-§1.5 回旋共振§1。
6 硅和锗的能带结构 导带底的位置、个数; 重空穴带、轻空穴第二章 半导体中杂质和缺陷能级§2。
1 硅、锗晶体中的杂质能级基本概念:施主杂质,受主杂质,杂质的电离能,杂质的补偿作用。
§2。
2 Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级 杂质的双性行为第三章 半导体中载流子的统计分布热平衡载流子概念§3.1状态密度定义式:()/g E dz dE =;导带底附近的状态密度:()()3/2*1/232()4ncc m g E VE E h π=-;价带顶附近的状态密度:()()3/2*1/232()4p v Vm g E V E E hπ=-§3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数:()01()1exp /F f E E E k T =+-⎡⎤⎣⎦;Fermi 能级的意义:它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。
1)将半导体中大量的电子看成一个热力学系统,费米能级F E 是系统的化学势;2)F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限。
3)F E 的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况,通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。
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](https://img.taocdn.com/s3/m/289dcd9f7e192279168884868762caaedd33ba9c.png)
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。
《半导体物理复习》课件
![《半导体物理复习》课件](https://img.taocdn.com/s3/m/1edf9b9d51e2524de518964bcf84b9d529ea2c59.png)
第3章复习题
判断题 答案:正确。 题目:论述半导体中载流子的传输机制。
题目:在半导体中,空穴的运动速度通常比电子慢。
论述题
答案:在半导体中,载流子的传输主要通过扩散和漂移 两种机制进行。扩散是由于浓度梯度引起的自然扩散, 而漂移则是由于电场引起的定向运动。
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半导体的定义是指那些在一定温度下,其导电性能介于金属与绝 缘体之间的材料。根据导电性能的不同,半导体可以分为n型和p 型两种类型。
半导体中的电子状态
总结词
了解半导体中的电子状态是理解半导体物理的关键,它决定了半导体的导电性 能。
详细描述
在半导体中,电子的状态可以通过能带模型来描述。在满带和空带之间有一个 禁带,电子需要吸收或释放能量才能从满带跃迁到空带,形成导电的电子和空 穴。
太阳能电池
总结词
太阳能电池是一种利用太阳能转换为电能的装置,是可再生能源利用的重要形式 之一。
详细描述
太阳能电池的基本原理是光伏效应,即当光照射在半导体材料上时,光子能量会 激发电子从价带跃迁到导带,形成光生电流。太阳能电池的转换效率取决于半导 体的材料、质量和纯度,以及光照条件和电池的结构设计。
02
半导体中的输运现象
半导体中的热平衡
热平衡状态
在绝对零度以上,半导体内部原子或分子的运动速 度不会完全相同,而是按照一定的分布规律随机运 动,达到热平衡状态。
热平衡下的载流子浓度
在热平衡状态下,半导体内部的载流子浓度是一定 的,与温度和材料有关。
热平衡下的费米能级
在热平衡状态下,费米能级是一个固定的值,它决 定了半导体内部载流子的分布情况。
光敏器件
总结词
光敏器件是一种能够将光信号转换为电信号 的传感器件,广泛应用于光电检测、自动控 制和通信等领域。
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第一章 PN结
1.1 PN结是怎么形成的?
耗尽区:正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷,所以该区也称为耗尽区。
空间电荷边缘存在多子浓度梯度,多数载流子便受到了一个扩散力。
在热平衡状态下,电场力与扩散力相互平衡。
p型半导体和n型半导体接触面形成pn结,p区中有大量空穴流向n区并留下负离子,n区中有大量电子流向p区并留下正离子(这部分叫做载流子的扩散),正负离子形成的电场叫做空间电荷区,正离子阻碍电子流走,负离子阻碍空穴流走(这部分叫做载流子的漂移),载流子的扩散与漂移达到动态平衡,所以pn 结不加电压下呈电中性。
1.2 PN结的能带图(平衡和偏压)
无外加偏压,处于热平衡状态下,费米能级处处相等且恒定不变。
1.3 内建电势差计算
N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒,这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算
n d p a x N x N =
1.5 PN 结电容的计算
第二章 PN 结二极管
2.1理想PN 结电流模型是什么? 势垒维持了热平衡。
反偏:n 区相对于p 区电势为正,所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级,势垒变得更高,阻止了电子与空穴的流动,因此pn 结上基本没有电流流动。
正偏:p 区相对于n 区电势为正,所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级,势垒变得更低,电场变低了,所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区,所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p
区到n 区的空穴。
电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。
过剩少子电子:正偏电压降低了势垒,这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内,注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。
2.2 少数载流子分布(边界条件和近似分布) 2.3 理想PN 结电流
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s
⎪⎪
⎭
⎫ ⎝
⎛+=+=
0020
11p p d n n a i
n
p n p
n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ
2.4 PN 结二极管的等效电路(扩散电阻和扩散电容的概念)?
扩散电阻:在二极管外加直流正偏电压,再在直流上加一个小的低频正弦电压,则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流,正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻,即扩散电阻。
扩散电容:在直流电压上加一个很小的交流电压,随着外加正偏电压的改变,穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。
P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程,n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容,即扩散电容。
2.5 产生-复合电流的计算
2.6 PN结的两种击穿机制有什么不同?
齐纳击穿:重掺杂的pn结由于隧穿机制而发生齐纳击穿。
在重掺杂pn结内,反偏条件下结两侧的导带与价带离得非常近,以至于电子可以由p区直接隧穿到n 区的导带。
即齐纳击穿。
雪崩击穿:当电子或空穴穿越空间电荷区时,由于电场的作用,他们的能量会增加,增加到一定的一定程度时,并与耗尽区的原子电子发生碰撞,便会产生新的电子空穴对,新的电子空穴又会撞击原子内的电子,于是就发生了雪崩击穿。
对于大多数pn结来说,雪崩击穿占主导地位。
在电场的作用下,新的电子与空穴会朝着相反的方向运动,于是便形成了新的电流。
第三章 双极晶体管
3.1 双极晶体管的工作原理是什么?
3.2 双极晶体管有几种工作模式,哪种是放大模式? 正向有源,反向有源,截止,饱和。
3.3 双极晶体管的少子分布(图示)
3.4 双极晶体管的电流成分(图示),它们是怎样形成的?
正向有源时同少子分布。
3.5 低频共基极电流增益的公式总结(分析如何提高晶体管的增益系数)
E
B E B E B E E B B E B B B E E x x D D N N
L x L x L D n L D p ⋅⋅+≈
⋅
+=
11
)
/tanh()/tanh(11
00γ
2
)/(2
111
)/cosh(1B B B B T L x L x +≈
≈α
⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+
≈
kT eV J J BE s r 2ex p 11
00δ
δ
γααT =
ααβ-=
1
3.6 等效电路模型(Ebers-Moll 模型和Hybrid-Pi 模
型)(画图和简述)
3.7 双极晶体管的截止频率受哪些因素影响?
基区渡越时间。
利用有内建电场的缓变掺杂基区。
3.8 双极晶体管的击穿有哪两种机制?
第四章 MOS 场效应晶体管基础
4.1 MOS 结构怎么使半导体产生从堆积、耗尽到反型的变化?
反型:当在棚极加上更大的负电压时,导带和价带的弯曲程度更加明显了,本证费米能级已经在费米能级的上方了,以至于价带比导带更接近费米能级,这个结果表明半导体表面是p 型的,通过施加足够大的负电压半导体表面已经从n 型转为p 型了。
这就是半导体表面的空穴反型层。
4.2 MOS 结构的平衡能带图(表面势、功函数和亲和能)及平衡能带关系
ms s OX V φφ-=+00
4.3 栅压的计算(非平衡能带关系)
ms s OX G V V φφ++=
4.4 平带电压的计算
4.5 阈值电压的计算
*
dT a SD x eN Q =(max)'
2
1
4⎪
⎪⎭⎫ ⎝
⎛=a p f s dT
eN x φε
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=i a th p
f n N V ln φ
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=p f g m ms
e E φχφφ2
ox
ox
ox t C ε=
dT d SD x eN Q =(max)'
2
1
4⎪
⎪⎭⎫
⎝
⎛=d n f s dT
eN x φε
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=i d
th n
f n
N V ln φ ⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=n f g m ms
e E φχφφ2
ox ox
ox t C ε=
4.6 MOS 电容的计算 总的电容公式
a
th
s D
eN V
L ε=
a
p f s dT
eN x φε4=
4.7 MOSFET 的工作原理是什么?
4.8 电流-电压关系(计算) N 沟道:
T GS
DS V V sat V -=)(
P 沟道:
T SG SD
V V sat V +=)(
4.9 MOSFET 的跨导计算
4.10 MOSFET 的等效电路(简化等效电路)
4.11 MOSFET的截止频率主要取决于什么因素?
第五章 光器件
5.1电子-空穴对的产生率:
ν
ανh x I x g )()('= 5.2 PN 结太阳能电池的电流
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp kT eV I I I s L 5.3光电导计算
p L p n p n G e p e τμμδμμσ)()(+=+=∆
5.4 光电导增益
5.5 光电二极管的光电流
)(n p L L L L W eG J ++=
5.6 PIN 二极管怎么提高光电探测效率?
5.7 发光二极管的内量子效率主要取决于哪些因素?
5.8 PN 结二极管激光器怎样实现粒子数反转(借助于能带图说明)
第六章 MOS场效应晶体管:概念的深入
6.1 MOSFET按比例缩小理论(恒定电场缩小),哪些参数缩小,哪些参数增大?
6.2 结型场效应晶体管的工作原理是什么?它有什么特点
6.3 设计一种半导体器件,说明其工作原理。
(1)结结构、能带结构(势垒)、电路结构(等效);(2)载流子分布、电流形成机制、伏-安特性;(3)增益系数、频率响应。