复旦大学半导体器件物理教学讲义 (2)
半导体器件物理 课件 第二章
(e) 曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
10
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
P Si
N+
SiO2
N Si
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
金属
金属
P Si N+
SiO2
N Si
P Si
金 属
（2-2-11） （2-2-12）
在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于 是稳态载流子输运满足扩散方程
。
28
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
29
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义
硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
5
•
扩散工艺：
•由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 •常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固 -固扩散、 双温区锑扩散。
•液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩 散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。 在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压， 杂质原子通过硅片表面向内部扩散。 6
102
101
1.0
10
VR ,V
(a)
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 （a） x j
1m 和（b） x j 10 m 10 20 / cm 3
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子
E EF kBT
dE
2
2 me*kT
h3
3/ 2
exp
EC EF kBT
Nc 2
2 me*kBT
h3
3/ 2
n0
Nc
exp
Ec EF kBT
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
p0
NV
• 载流子浓度随温度变化的三个主要特征区域的表达式； • 从载流子随温度变化的曲线可以求得杂质电离能、杂
质浓度和禁带宽度；
• 高载流子浓度效应。
习题
• 从原理上说明：为什么在能带中载流子浓度低的情况 下波兹曼分布和费米分布在形式上相同？所谓浓度低 的含义是什么？
• 写出计算载流子浓度和费米能级位置需要的公式。这 些公式在什么情况下适用？
N型半导体中热平衡电子浓度随温度变化
• 右边是单一浅施主低掺杂半导 体中热平衡电子浓度随温度变 化的示意图。弱电离区、饱和 电离区和本征激发区的导带电 子主要来源分别是施主逐步电 离、施主接近全电离和本征激 发。
• 虚线是本征载流子浓度，只在 本征激发区才显示出和电子浓 度可比拟的量。
• 饱和电离区是晶体管和集成电 路正常工作的温度范围。
1
EF E kBT
1
费米分布函数和玻尔兹曼分布函数
• 处于费米能级相同位置的能量状态 上，电子占有的几率是1/2,费米能级
表示电子的平均填充水平。
E
EF：fe
fh
1 2
• 玻尔兹曼分布函数（一个量子态可 以同时被多个电子占有）
fe Aexp E kT
《半导体物理》讲义
晶体结构晶格§1晶格相关的基本概念1.晶体：原子周期排列，有周期性的物质。
2.晶体结构：原子排列的具体形式。
3.晶格：典型单元重复排列构成晶格。
4.晶胞：重复性的周期单元。
5.晶体学晶胞：反映晶格对称性质的最小单元。
6.晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度。
7.简单晶格&复式晶格：原胞中包含一个原子的为简单晶格，两个或者两个以上的称为复式晶格。
8.布拉伐格子：体现晶体周期性的格子称为布拉伐格子。
（布拉伐格子的每个格点对应一个原胞，简单晶格的晶格本身和布拉伐格子完全相同；复式晶格每种等价原子都构成和布拉伐格子相同的格子。
）9.基失：以原胞共顶点三个边做成三个矢量，α1，α2，α3，并以其中一个格点为原点，则布拉伐格子的格点可以表示为αL=L1α1 +L2α2 +L3α3 。
把α1，α2，α3 称为基矢。
10.平移对称性：整个晶体按9中定义的矢量αL 平移，晶格与自身重合，这种特性称为平移对称性。
（在晶体中，一般的物理量都具有平移对称性）11.晶向&晶向指数：参考教材。
（要理解）12.晶面&晶面指数：参考教材。
（要理解）立方晶系中，若晶向指数和晶面指数相同则互相垂直。
§2金刚石结构，类金刚石结构（闪锌矿结构）金刚石结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格，它是由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成。
常见的半导体中Ge，Si，α-Sn（灰锡）都属于这种晶格。
金刚石结构的特点：每个原子都有四个最邻近原子，它们总是处在一个正四面体的顶点上。
（每个原子所具有的最邻近原子的数目称为配位数）每两个邻近原子都沿一个<1,1,1,>方向，处于四面体顶点的两个原子连线沿一个<1,1,0>方向，四面体不共顶点两个棱中点连线沿一个<1,0,0,>方向。
金刚石结构的密排面：{1，1，1} 晶面的原子都按六方形的方式排列。
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。
复旦大学半导体材料课程复习课件
2. 电子迁移率高，约为Si的5~6倍，适合于制作超高频、超高速器件和电路。 3. 易于制成非掺杂半绝缘单晶，其电阻率可达109Ω⋅cm，是理想的微波传输
介质，在IC加工中不必制作绝缘隔离层，这不仅简化了IC工艺过程，还可 提高集成度。对于本身就具有高速、高频性能的GaAs来说，GaAs IC寄 生电容也由于不必另外制作绝缘隔离层而减小，有利于提高工作速度。 4. 由于带隙较大，所制器件可在较高温度（400~450ºC）下工作 5. GaAs热阻性能优于硅，这对于大规模IC十分有利，如对数字IC，其驱动 电压低、功耗及所产生的热量较小。 6. 利用GaAs的转移电子效应已制备出了根氏器件等新型 半导体材料器件。
晶体结构 晶格常数 (nm)
六角(H) a=0.2504 c=0.6661
闪锌矿(Z) 0.3166 纤锌矿(W) a=0.3110
c=0.4980 闪锌矿(Z) 0.438 纤锌矿(W) a=0.3189
c=0.5182 闪锌矿(Z) 0.452 纤锌矿(W) a=0.3540
c=0.5704 闪锌矿(Z) 0.498
半导体材料的结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构 NaCl结构
砷化镓等大多数III-V族化合物半导体 具有闪锌矿结构。闪锌矿结构晶格 中除每个原子最近邻是不同原子 外，与金刚石结构是相同的。每个 原子和周围四个原子发生键合。
复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子-PPT课件
载流子按能量分布
• 载流子按能量分布 =分布几率和状态密度的乘 积 • 右图中体积为V的半导体 能量为E的电子的状态密度 是 g( E ) V N E
c c
4 2 m c e NE c 3 h
3 / 2
E E c
1 / 2
注意：能带图向上电子的能量高，向下空穴的能量高。
* e
3 /2
3 h
2 mk T N 2
* e B c
C
kT B
F
3/2
3 h E c E F n x p 0 N ce k T B
电子－空穴浓度积
• 按相同的方法可以得到空穴浓度：
E F E V p x p 0 N Ve k T B
• 导带的电子浓度=导带中某能量状态密度(单位体积的状态数）和 该状态电子的分布几率的乘积在整个导带的总和。 3 / 2 4 2 m 1 / 2 c e • 导带中某能量E的电子的状态密度为 NE E E c c 3 h • 费米分布函数：在热平衡情况下，考虑到一个量子态最多只能被 一个电子占有，能量为E的单量子态被电子占有的几率为： 1 fe E E EF k 是 玻 尔 兹 曼 常 数 B exp 1
E g ( e VG ) ： e ( 0 . 6 6 ) 、 S i ( 1 . 1 2 ) 、 G a A s ( 1 . 4 2 )
3 1 3 1 0 6 n c m ： G e ( 2 1 0 ) 、 S i ( 1 . 5 1 0 ) 、 G a A s ( 2 1 0 ) i
虽然计算时是导带 所有能量电子的总和，但是结果在形式上可以看作所有 电子集中在导带底部，前面一项是有效状态密度，后 面一项是玻尔兹曼分布函数。 • 空穴也是如此 E F E V p x p 0 N Ve k T B
半导体器件物理 教案 课件
半导体器件物理一、引言1. 了解半导体的基本概念和性质2. 了解半导体器件在电子技术中的应用3. 掌握半导体器件的工作原理和性能二、半导体物理基础1. 半导体的晶体结构和能带结构2. 载流子（电子、空穴）的产生和复合3. 载流子的迁移率和浓度三、二极管1. 二极管的结构和工作原理2. 二极管的伏安特性曲线3. 二极管的主要参数（正向压降、反向击穿电压、最大整流电流等）4. 二极管的应用（整流、滤波、稳压等）四、晶体管1. 晶体管的结构和工作原理2. 晶体管的放大特性3. 晶体管的驱动和饱和特性4. 晶体管的主要参数（电流放大倍数、截止电流、饱和电流等）5. 晶体管的应用（放大、开关、稳压等）五、场效应晶体管1. 场效应晶体管的结构和工作原理2. 场效应晶体管的特性曲线3. 场效应晶体管的主要参数（漏极电流、栅极电压等）4. 场效应晶体管的应用（放大、开关、稳压等）六、晶闸管1. 晶闸管的结构和工作原理2. 晶闸管的伏安特性曲线3. 晶闸管的主要参数（正向阻断电压、反向阻断电压、正向电流等）4. 晶闸管的应用（可控整流、交流调压、开关等）七、GTO和GRT1. GTO（晶闸管可控硅）的结构和工作原理2. GRT（晶闸管可控栅极晶体管）的结构和工作原理3. GTO和GRT的主要参数和特性4. GTO和GRT的应用（大功率开关、电力系统控制等）八、IGBT1. IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的结构和工作原理2. IGBT的伏安特性曲线和开关特性3. IGBT的主要参数（集电极电流、阻断电压等）4. IGBT的应用（电力电子设备、变频调速等）九、功率集成电路1. 功率集成电路的概念和发展历程2. 功率集成电路的分类和结构3. 功率集成电路的主要参数和性能4. 功率集成电路的应用（电源管理、无线通信等）十、半导体器件的发展趋势1. 新型半导体材料的研究和应用2. 纳米尺度半导体器件的研究和开发3. 半导体器件的集成度和性能提升4. 半导体器件在新能源、物联网等领域的应用前景重点和难点解析一、半导体物理基础难点解析：能带结构的直观理解，载流子产生和复合的机制，迁移率的计算和应用。
半导体物理讲义-2
半导体物理讲义-2第二部分半导体中的电子和空穴前面我们讨论了半导体能带结构的一些共同的基本特点。
不同的半导体材料．其能带结构不同，而且往往是各向异件的，即沿不同的被矢k方向，E ~ K关系不同。
由于问题复杂，虽然理论上发展了多种计算的力法．但还不能完全确定出电子的全部能态，尚需借助于实验帮助，采用理论和实验相结合的方法来确定半导体中电子的能态。
本节介绍最初测出载流子有效质量并据此推出半导体能带结构的回旋共振实验及硅和锗的能带结构。
因对大多数半导体，起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴，所以只给出导带底和价带顶附近的能带结构一、k空间等能面已知，一维情况下设能带极值在k=0处，则导带底附近和价带顶附近的E ~ K关系：图极值附近E ~K 关系示意图所以，如果知道m*n和m*p ，则极值附近的能带结构便可了解。
对实标的三维晶体，以kx , ky , kz为坐标轴构成k空间，k空间任―矢量代表波矢k(kx , ky , kz) 。
其中简单情况（半导体或晶体具有各向同性时）：导带低附近E ~ K关系当E(k)为某一定值时，对应于许多组不同的(kx，ky，kz)，将这些组不同的(kx，ky，kz)连接起来构成一个封闭面，在这个面上的能量值均相等，这个面称为等能量面，简称等能面。
容易看出，上式表示的等能面是一系列半径为的球面。
图 k空间球形等能面平面示意图一般情况（半导体或晶体具有各向异性的性质）：导带低附近E ~ K关系晶体有各向异性时，E(k)与k的关系沿不同的k方向不一定相同，反映出沿不同的k 方向，电子的有效质量不一定相同，而且能带极值不一定位于k＝o处。
设导带底位于k0 ,能量为E(k0)，在晶体中选择适当的坐标轴kx , ky , kz，并令m*x , m*y , m*z分别表示沿kx , ky , kz 三个方向的导带底电子的有效质量，用泰勒级数在极值k0附近展开，略去高次项，得:注意：要具体了解这些球面或椭球面的方程，最终得出能带结构，还必须知道有效质量的值。
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复旦大学半导体器件物理教学讲义
1. 引言
本讲义旨在介绍复旦大学半导体器件物理课程的基本内容和教学目标。
半导体器件物理是电子信息类专业中重要的一门基础课程，通过学习本课程，学生将会了解半导体器件的基本工作原理、结构和特性。
同时，本课程也将为学生打下坚实的物理基础，为日后进一步研究和应用半导体器件打下基础。
2. 课程概述
本课程主要包括以下内容：
•半导体物理基础知识：介绍半导体物理学领域的基本概念和理论基础，包括晶体结构、载流子的能带理论和半导体的电子运动等内容。
•半导体材料和器件的制备技术：介绍半导体材料和器件的制备方法和工艺技术，涵盖了光刻、薄膜沉积、离子注入等常用技术。
•半导体器件的基本结构和工作原理：详细介绍半导体器件的基本结构，包括二极管、晶体管、场效应管等，以及它们的工作原理和特性。
•器件参数的测量和测试方法：介绍半导体器件参数的测量方法和测试仪器，学习如何准确测量器件的电流、电压等参数。
•半导体器件的应用：对一些常见的半导体器件应用进行介绍，如功放器件、放大器器件、接收机等。
3. 教学目标
经过本课程的学习，学生应该能够达到以下目标：
1.理解半导体物理学的基本概念和理论，包括晶体结构和半导体能带理论。
2.掌握半导体器件的基本工作原理和特性，包括二极管、晶体管、场效应管等。
3.了解常用的半导体器件制备技术和工艺流程。
4.能够使用测试仪器测量和测试半导体器件的相关参数。
5.熟悉一些半导体器件的常见应用。
4. 教学内容安排
本课程的教学内容安排如下：
教学模块内容学时安排（小时）模块一半导体物理基础知识6
模块二半导体材料和器件制备6
模块三半导体器件的结构和工作原理10
模块四器件参数的测量和测试4
模块五半导体器件的应用4
5. 评价方式
本课程的评价方式包括平时成绩和期末考试成绩两部分。
平时成绩包括：实验报告、作业、课堂练习、出勤情况等，占总成绩的30%。
期末考试成绩占总成绩的70%。
6. 参考教材
•S.M. Sze，《半导体器件物理学》，电子工业出版社，2018年。
•王小明，《半导体器件的制作与特性》，清华大学
出版社，2017年。
7. 总结
通过本讲义的学习，希望学生能够掌握半导体器件物理学
的基本概念和理论，同时了解半导体器件的制备技术和工作原理。
期望学生能够将所学知识应用于实际工程和科研中，并为日后进一步学习和研究提供基础。
祝愿学生在本课程中取得好成绩！。