半导体物理学ppt课件
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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。
半导体物理学第二章-PPT
大家好
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
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
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
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 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
9
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子， 并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
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
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
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 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
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。
半导体物理基楚信息功能材料ppt课件
在一块纯净的半导体晶 片上，采用特殊的掺杂工艺， 在两侧分别掺入三价元素和 五价元素。一侧形成P型半 导体，另一侧形成N型半导 体，在结合面的两侧分别留 下了不能移动的正负离子， 呈现出一个空间电荷区。这 个空间电荷区就称为p-n结。
图1-5基本结构示意图
图1-6 p-n结的形成
12
❖ 单纯的p型或n型半导体，仅仅是导电能力增强而 已，还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时，由于p型半导体的空穴浓的高，自 由电子的浓度低；而n型半导体的自由电子浓度高， 空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。
9
3、 杂质的补偿作用
❖ 实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿 作用：
❖ 若nd na——为n型（施主） ❖ 若nd na——为p型（受主） ❖ 利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
10
综上所述
Ⅲ族元素 Ⅴ族元素
掺入半导体， 分别成为
受主杂质 施主杂质
7
❖ 1、N型半导体
❖ 四价的本征半导体 Si 、Ge等，掺入少量五价的杂质元素 （如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。
❖ 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, 杂质电离能∆ED～10-2eV，极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。
在n型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子
在禁带中引入了 新的能级，分别为
常温下，杂质都 处于离化态
受主能级：比价带顶高ΔEA 施主能级：比导带底低ΔED
受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心
图1-5基本结构示意图
图1-6 p-n结的形成
12
❖ 单纯的p型或n型半导体，仅仅是导电能力增强而 已，还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时，由于p型半导体的空穴浓的高，自 由电子的浓度低；而n型半导体的自由电子浓度高， 空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。
9
3、 杂质的补偿作用
❖ 实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿 作用：
❖ 若nd na——为n型（施主） ❖ 若nd na——为p型（受主） ❖ 利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
10
综上所述
Ⅲ族元素 Ⅴ族元素
掺入半导体， 分别成为
受主杂质 施主杂质
7
❖ 1、N型半导体
❖ 四价的本征半导体 Si 、Ge等，掺入少量五价的杂质元素 （如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。
❖ 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, 杂质电离能∆ED～10-2eV，极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。
在n型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子
在禁带中引入了 新的能级，分别为
常温下，杂质都 处于离化态
受主能级：比价带顶高ΔEA 施主能级：比导带底低ΔED
受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心
半导体物理课件：第一章 半导体中的电子状态
14
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
4. 闪锌矿结构和混合键
与金刚石结构的区别
▪ 共价键具有一定的极性 （两类原子的电负性不 同），因此晶体不同晶面 的性质不同。
▪ 不同双原子复式晶格。
常见闪锌矿结构半导体材料 ▪ Ⅲ-Ⅴ族化合物 ▪ 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。
2024/1/4
量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波 函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出 现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数 表示。 （主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数）
▪ 能级存在简并
2024/1/4
19
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 电子共有化运动
原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用 下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层 不同支壳层的电子分别用 1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s…等符号表示，每一壳层对 应于确定的能量。
29
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。
2024/1/4
30
1.2 半导体中的电子状态和能带
3. 导体、半导体、绝缘体的能带
能带产生的原因：
▪ 定性理论（物理概念）：晶体中原子之间的相 互作用，使能级分裂形成能带。
▪ 定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中 运动，其能量不连续形成能带。
•结果每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。
2024/1/4
22
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略 ▪ 外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分
《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 。
半导体物理课件
结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而 产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂 质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增 强了半导体的导电能力。
主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。
*从Si的电子能量图看:
电离能的计算:
氢原子
En
mq4
(4 0 )2 22
1 n
（2）受主杂质 (Acceptor) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看:
两边取对数并整理,得:
EF
1 2
EC ED
1 2
k0T
ln(
ND 2NC
)
ED起了本征EV 的作用
载流子浓度:
EC EF
EC
EF
n0 NCe k0T NCe k0T e k0T
ND NC
1
2
EC ED
e 2k0T
ND NC
1 2
ED
e 2k0T
2
2
(2)中温强电离区
N
D
n0 ND
（2）EF ~T
（3）EF ~掺杂（T一定，则NC也一定）
T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温： ND > NC 时 , ND
(ln ND -ln2 NC)
ND < NC 时, ND
|ln ND -ln2 NC| 中温：由于T的升高， NC增加，使ND < NC ， ND
B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四
个Si原子形成共价键时，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子,共价 键中缺少一个价电子，产生空穴。 硼原子接受一个电子后，成为带负 电的硼离子。 B- —负电中心.
半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性
《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 ppt课件
度的一个标志
• 半导体的EF一般位于位于禁带中。 VS 金属中， EF是一个允许的能级。
玻尔兹曼分布函数
• 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数 描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中 的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写 （绝大多数空穴分布在价带顶）
• 服从费米统计律的电子系统称为简并性系统； 服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性 系统
半导体物理学
10/27/2015
课程大纲
1. 半导体中的电子状态 2. 半导体中杂质和缺陷能级 3. 半导体中载流子的统计分布 4. 半导体的导电性 5. 非平衡载流子
6. p-n结 7. 金属和半导体的接触 8. 半导体表面与MIS结构 9. 半导体异质结构
10.半导体的光学性质和光电 与发光现象
，得到能带中的电子总数，除以半导体体
积，就得到了导带中的电子浓度 n 0
dNfB(E)gc(E)dE
fB ( E ) e x p ( E k 0 T E F ) e g x c p (( E k E 0 )T F ) e d d x E z p ( 2 k V E 0 T 2 ) ( 2 m A h n e 3 * x )3 p /( 2 (E k E 0 T ) E C )1 /2
为
1
f (E)
EEF
1 e k0T
• f ( E ) 称为电子的费米分布函数，在热平衡状态下，电 子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数
• 1 f (E) 空穴的费米分布函数
费米分布函数
• E F 称为费米能级或费米能量
– 温度 – 导电类型 – 杂质含量 – 能量零点的选取
f (E)
1
EEF
• 半导体的EF一般位于位于禁带中。 VS 金属中， EF是一个允许的能级。
玻尔兹曼分布函数
• 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数 描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中 的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写 （绝大多数空穴分布在价带顶）
• 服从费米统计律的电子系统称为简并性系统； 服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性 系统
半导体物理学
10/27/2015
课程大纲
1. 半导体中的电子状态 2. 半导体中杂质和缺陷能级 3. 半导体中载流子的统计分布 4. 半导体的导电性 5. 非平衡载流子
6. p-n结 7. 金属和半导体的接触 8. 半导体表面与MIS结构 9. 半导体异质结构
10.半导体的光学性质和光电 与发光现象
，得到能带中的电子总数，除以半导体体
积，就得到了导带中的电子浓度 n 0
dNfB(E)gc(E)dE
fB ( E ) e x p ( E k 0 T E F ) e g x c p (( E k E 0 )T F ) e d d x E z p ( 2 k V E 0 T 2 ) ( 2 m A h n e 3 * x )3 p /( 2 (E k E 0 T ) E C )1 /2
为
1
f (E)
EEF
1 e k0T
• f ( E ) 称为电子的费米分布函数，在热平衡状态下，电 子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数
• 1 f (E) 空穴的费米分布函数
费米分布函数
• E F 称为费米能级或费米能量
– 温度 – 导电类型 – 杂质含量 – 能量零点的选取
f (E)
1
EEF
《半导体物理学》课件
《半导体物理学》PPT课 件
探索半导体物理学的奥秘，了解半导体的基础概念、晶体结构与晶格常数， 以及能带结构与载流子的相关知识。
晶体的奇妙世界
晶体结构
了解晶体的结构和晶格常数， 揭示晶体的秘密。
能带结构
探索半导体中电子在能带中的 行为和载流子的形成机制。
掺杂与输运理论
深入了解掺杂技术和半导体中 的电荷传输现象。
了解半导体材料的制备技术和制备过程中 的关键因素。
揭示浅表面态和接触势在半导体材料中的 作用和应用。
3 色散与激发态
4 NV中心及其应用
探索半导体材料中的色散效应和激发态， 了解它们对器件性能的影响。
深入了解NV中心的特性和应用，揭示量子 信息技术的前沿进展。
小结
深入探索
半导体物理学是一个广阔而 深奥的领域，不断追求知识 的深度。
半导体激光器和光电子器件
半导体激光器
激光二极管
探索半导体激光器的基础理论 和应用，揭示激光技术的魅力。
了解激光二极管的工作原理和 应用，探索光电子学中的新概 念。
集成光电子器件
深入了解集成光电子器件的设 计和制造，揭示光电子学的未 来发展方向。
半导体材料与制备技术
1 材料制备技术
2 浅表面态与接触势
1
量子点与纳米结构
探索量子点和纳米结构在半导体领域的研究和应用质结的特性和优势，探讨它们在电子元件中的重要性。
3
集成光电子元件
探索集成光电子元件的设计和制造技术，展望未来的光电子学发展方向。
4
芯片设计与制造技术
深入了解芯片设计和制造技术，揭示电子器件的前沿研究和应用动向。
半导体器件的魅力
二极管
探索PN结和二极管的原理，了解它们在电子 学领域的应用。
探索半导体物理学的奥秘，了解半导体的基础概念、晶体结构与晶格常数， 以及能带结构与载流子的相关知识。
晶体的奇妙世界
晶体结构
了解晶体的结构和晶格常数， 揭示晶体的秘密。
能带结构
探索半导体中电子在能带中的 行为和载流子的形成机制。
掺杂与输运理论
深入了解掺杂技术和半导体中 的电荷传输现象。
了解半导体材料的制备技术和制备过程中 的关键因素。
揭示浅表面态和接触势在半导体材料中的 作用和应用。
3 色散与激发态
4 NV中心及其应用
探索半导体材料中的色散效应和激发态， 了解它们对器件性能的影响。
深入了解NV中心的特性和应用，揭示量子 信息技术的前沿进展。
小结
深入探索
半导体物理学是一个广阔而 深奥的领域，不断追求知识 的深度。
半导体激光器和光电子器件
半导体激光器
激光二极管
探索半导体激光器的基础理论 和应用，揭示激光技术的魅力。
了解激光二极管的工作原理和 应用，探索光电子学中的新概 念。
集成光电子器件
深入了解集成光电子器件的设 计和制造，揭示光电子学的未 来发展方向。
半导体材料与制备技术
1 材料制备技术
2 浅表面态与接触势
1
量子点与纳米结构
探索量子点和纳米结构在半导体领域的研究和应用质结的特性和优势，探讨它们在电子元件中的重要性。
3
集成光电子元件
探索集成光电子元件的设计和制造技术，展望未来的光电子学发展方向。
4
芯片设计与制造技术
深入了解芯片设计和制造技术，揭示电子器件的前沿研究和应用动向。
半导体器件的魅力
二极管
探索PN结和二极管的原理，了解它们在电子 学领域的应用。
半导体物理ppt课件
结晶学晶胞：
面心立方：简立方的六 个面的中心各有一个原 子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
结晶学晶胞：
金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线 相对位移体对角线的套构而成。
每个晶胞含原子数：
1×（8 顶角）＋1 （6 面心）＋4（体心）＝8个
8
2
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原 子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运 动称为电子的共有化运动
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1, l一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA数 ，l1a1 l2a2 l3a3 a1, a2, a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
在结晶学中（用的较多），选某一格点为原点 O，任一格点A的格矢为 RA l1a l2b l3c
(b)金刚石型结构
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(c)金刚石型结构的晶胞
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(d)（111）面的堆积
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
l1, l2 , l3 为对应晶轴上的投影，取有理数
a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
面心立方：简立方的六 个面的中心各有一个原 子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
结晶学晶胞：
金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线 相对位移体对角线的套构而成。
每个晶胞含原子数：
1×（8 顶角）＋1 （6 面心）＋4（体心）＝8个
8
2
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原 子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运 动称为电子的共有化运动
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1, l一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA数 ，l1a1 l2a2 l3a3 a1, a2, a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
在结晶学中（用的较多），选某一格点为原点 O，任一格点A的格矢为 RA l1a l2b l3c
(b)金刚石型结构
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(c)金刚石型结构的晶胞
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(d)（111）面的堆积
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
l1, l2 , l3 为对应晶轴上的投影，取有理数
a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
物理半导体器件物理PPT课件
部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．
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建电场的方向: n→p . 在内建电场作用下, 载流子要作漂移运动.
10
PN结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩
散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷 区称为PN结。
11
1．PN结的形成
12
动态平衡下的PN结
① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于 交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区 的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于 浓度差而引起的运动称为扩散运动。
杂质分布的简化: ♦突变结 ♦线性缓变结
7
合金法
图6-2
图6-3
8
扩散法
图6-4
离子注入法
9
★ p-n结的基本概念
①空间电荷区: ♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯
度,导致载流子的扩散. ♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-
-空间电荷(电离施主,电离受主). ♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内
② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电 荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内 部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空 穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。
13
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
19
热平衡条件
P
Ec
Ef
Ei
Ev
Silicon
(p-type)
N
Hole
Ec Ei
Silicon (n-ty件
21
22
内建电势
23
内建电势
PN结的内建电
势决定于掺杂
浓度ND、NA、 材料禁带宽度
P型区
空间 N型区
电荷
区 15
③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散 运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是 空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。
（见下一页的示意图）
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
28
图6-9
29
平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点: ♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关 系服从玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
30
Step Junction
31
§ 6.2 p-n结的电流电压特性
(1) dEF/dx与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的p-n结 (3) 反向偏压下的p-n结 (4) 理想p-n结 (5) 伏安特性
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚
度固定不变。
14
电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x)EF
qV ( x)
n(x) NCe
kT
np0e kT
EF EV qV ( x)
qV ( x)
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
1
第六章 p-n结
§1 p-n结及其能带图 §2 p-n结的电流电压特性 §3 p-n结电容 §4 p-n结击穿 §5 p-n结隧道效应
2
3
§ 6.1 p-n结及其其能带图 (1) p-n结的形成 (2) p-n结的基本概念
4
6.1 pn结及其能带图
p(x) NV e
kT
pp0e kT
27
即有: x xp
n np0
p pp0
xn x
n nn0
p pn0
xp x xn
eV ( x)
n(x) np0e kT
eVD
np0 nn0e kT
eV ( x)
p(x) pp0e kT
eVD
pn0 pp0e kT
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
6.1.1 pn结的形成和杂质分析
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
5
★ p-n结的形成 p-n结的形成
♦ 控 制 同 一 块 半 导 体 的 掺 杂 , 形 成 pn 结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) ♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结 ♦由两种不同的半导体单晶材料组成的 结—异质结
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
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②平衡p-n结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到
动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结)
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工艺简介: ♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结 ♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂 ♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是 在 1011-1016 离 子 数 /cm2 范 围 ） ， 用 于 形 成 浅结
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PN结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩
散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷 区称为PN结。
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1．PN结的形成
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动态平衡下的PN结
① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于 交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区 的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于 浓度差而引起的运动称为扩散运动。
杂质分布的简化: ♦突变结 ♦线性缓变结
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合金法
图6-2
图6-3
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扩散法
图6-4
离子注入法
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★ p-n结的基本概念
①空间电荷区: ♦ 在结面附近, 由于存在载流子浓度梯
度,导致载流子的扩散. ♦ 扩散的结果: 在结面附近,出现静电荷-
-空间电荷(电离施主,电离受主). ♦ 空间电荷区中存在电场--内建电场,内
② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电 荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内 部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空 穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。
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漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
♦ 结面附近,存在内建电场,造成能带弯 曲,形成势垒区(即空间电荷区).
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热平衡条件
P
Ec
Ef
Ei
Ev
Silicon
(p-type)
N
Hole
Ec Ei
Silicon (n-ty件
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22
内建电势
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内建电势
PN结的内建电
势决定于掺杂
浓度ND、NA、 材料禁带宽度
P型区
空间 N型区
电荷
区 15
③ 空间电荷区 —— 在PN结的交界面附近，由于扩散 运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N 区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是 空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。
（见下一页的示意图）
④ 内部电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧 的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电 场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子 的漂移。
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图6-9
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平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点: ♦ 同一种载流子在势垒区两边的浓度关 系服从玻尔兹曼关系 ♦ 处处都有n•p=ni2 ♦ 势垒区是高阻区(常称作耗尽层)
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Step Junction
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§ 6.2 p-n结的电流电压特性
(1) dEF/dx与电流密度的关系 (2) 正向偏压下的p-n结 (3) 反向偏压下的p-n结 (4) 理想p-n结 (5) 伏安特性
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电扩散荷运运动动，空间电荷区的厚
度固定不变。
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电位V
V0
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
EV (x) EV qV ( x)
x x p , EC ( x) EC x xn , EC (x) EC qVD
♦势垒区的载流子浓度为:
EC qV ( x)EF
qV ( x)
n(x) NCe
kT
np0e kT
EF EV qV ( x)
qV ( x)
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
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第六章 p-n结
§1 p-n结及其能带图 §2 p-n结的电流电压特性 §3 p-n结电容 §4 p-n结击穿 §5 p-n结隧道效应
2
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§ 6.1 p-n结及其其能带图 (1) p-n结的形成 (2) p-n结的基本概念
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6.1 pn结及其能带图
p(x) NV e
kT
pp0e kT
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即有: x xp
n np0
p pp0
xn x
n nn0
p pn0
xp x xn
eV ( x)
n(x) np0e kT
eVD
np0 nn0e kT
eV ( x)
p(x) pp0e kT
eVD
pn0 pp0e kT
以及工作温度
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③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
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电势
图6-8
电子势能(能带)
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④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
6.1.1 pn结的形成和杂质分析
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
PN结是构造半导体器件的基本单元。其 中，最简单的晶体二极管就是由PN结构 成的。
PN
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★ p-n结的形成 p-n结的形成
♦ 控 制 同 一 块 半 导 体 的 掺 杂 , 形 成 pn 结 (合金法; 扩散法; 离子注入法等) ♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结 ♦由两种不同的半导体单晶材料组成的 结—异质结
⑤ 耗尽层——在无外电场或外激发因素时，PN结处于 动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷 区内没有载流子，故称为耗尽层。
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②平衡p-n结及其能带图: ♦当无外加电压, 载流子的流动终将达到
动态平衡(漂移运动与扩散运动的效果相 抵消, 电荷没有净流动), p-n结有统一的EF (平衡pn结)
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工艺简介: ♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结 ♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂 ♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是 在 1011-1016 离 子 数 /cm2 范 围 ） ， 用 于 形 成 浅结