13半导体器件-负阻器件-转移电子器件2学时
半导体器件物理-负阻器件、功率器件、光电器件
11
1
f x 2 LSC j ( RC j )2
偏 置 在 Rmin处 ， 则 电 阻 截 止 频 率
fr0
1 2RminC j
Rmin 1 RS
fr
f
r
为
0
电
阻
为
零
的
最
高
频
率
换 言 之 ， 有 负 阻 时 频 率低 于fr0
偏 置 在Rmin处 ， 则 电 抗 截 止 频 率
11
1
f x0 2 LSC j ( RminC j )2 f x
1
exp
2ES E
dE
其 中 E 2qξ ； π mEg
经验公式
E
S为E1与E
中
2
较
小
者
。
Ip
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
IV
V
Vp VV
E1
13
It
Ip
V Vp
exp
1
V Vp
Vp ?
当偏压使电子态分布的峰值与空穴分布的峰值 对应同一能量时的偏压为峰值电流的电压
电子浓度分布
23
三、MIS隧道二极管（ MIS Tunnel Diode ）
1、基本结构
tox 7nm tox 5nm 1nm tox 3nm
2、基本原理
EFm
EFm
EFm
tox 7 nm : 隧 穿 可 略 ； tox 1nm : 作 用 可 略 ； 1nm tox 7 nm : 隧 穿 效 应 。
直接带隙 能量、动量守恒 E2
E1
声子与初始电子能量之 和等于隧穿后能量
半导体光电子材料与器件教学大纲
附件2：《半导体光电子材料与器件》教学大纲（理论课程及实验课程适用）一、课程信息课程名称（中文）：半导体光电子材料与器件课程名称（英文）：Semiconductor Optoelectronic materials and devices课程类别：选修课课程性质：专业方向课计划学时：32（其中课内学时：40 ，课外学时：0）计划学分：2先修课程：量子力学、物理光学、固体物理、激光原理与技术、半导体物理等选用教材：《半导体物理学简明教程》，孟庆巨胡云峰等编著，电子工业出版社，2014年6月，非自编；普通高等教育“十二五”规划教材，电子科学与技术专业规划教材开课院部：理学院适用专业：光电信息科学与工程、微电子学等专业课程负责人：梁春雷课程网站：无二、课程简介（中英文）《半导体光电子材料与器件》是光电信息科学与工程本科专业的专业课。
学习本课程之前，要求学生已经具有量子力学、热力学与统计物理、固体物理和半导体物理方面的知识。
本课程论述基于电子的微观运动规律为基础的各种半导体器件的工作原理。
其核心内容是硅光电子器件的工作原理和设计方法。
本课程的目的是让学生了解和掌握半导体器件相关的物理知识，熟练掌握各种常见半导体器件参数与器件的结构参数和材料参数之间的关系。
能够使用典型的光电子器件进行光电探测。
初步具备新型器件的跟踪研究能力和自主开发能力。
Semiconductor Optoelectronic Materials and Devices is the course designed for the undergraduate students of optoelectronic information science and engineering specialty. Before taking this class, the students are required to have the knowledge of quantum mechanics, thermodynamics and statistical physics, solid state physics and semiconductor physics.The class will discuss the principles of working of all kinds of Semiconductor devices based on the microscopic movement of electron. The main content will be the principle of working and the method of design of optoelectronic devices base on silicon. The purpose is to let the students understand and master physical knowledge related to the semiconductor devices, skillfully master all kinds of relations of semiconductor devices parameters with structural parameter and material parameter. The students are requires to be able to employ some typical devices for photoelectric detection, also they will be able to have the basic ability to follow and develop new devices.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识本课程注重培养学生理论联系实际的能力、科学研究的思想方法、创新能力以及工程实践能力等。
《电子材料与元器件》教学大纲
《电子材料与元器件》课程教学大纲课程编号：010192适用专业：应用电子技术专业学时数：60（讲课：40，上机：20）学分数：4执笔者：张恒审核人：编写日期：建议教材与教学参考书：[1]《电子材料与元器件》电子工业出版社陈颖主编一、课程的性质和目的：《电子材料与元器件》是高等职业学校工业应用电子技术、自动化和机电一体化等专业的一门重要的专业必修课，是与实际生产相结合的基本课程，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。
本大纲根据高等职业学校机电类专业教学计划制订。
本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。
可按照相关的课程内容，相应的组织实验、模拟实习、焊接练习，以提高学生的理解深度和动手能力，从而提高学生对电子材料与元器件的处理问题的能力。
本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。
本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须有时注意理论联系实际的原则，让学生有相应的动手练习机会。
由于受课时量的限制，可按照相关的课程内容，组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力二、教学目标和基本要求：教学目标：通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。
（一）理论方面：本课程的教学任务是：使学生掌握常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，为学习后续课程和今后的工作准备必要的基础知识，以及同时也培养学生在电子材料和电子元器件方面分析和解决问题的能力。
1、熟练掌握常用的电子材料的性质、特点和应用场合。
2、熟练练掌握半导体器件的基本工作原理和选用理论。
微纳电子器件-本科教学大纲
《微纳电子器件》本科课程教学大纲一、课程的教学目标与任务本课程所使用的教材，共15章，概括可分为三大部分。
第1～6章，半导体材料属性；第7～13章半导体器件基础；第14～15章，专用半导体器件。
（本书的第1～6章在前期课程中已经学习，留给学生自己复习；限于学时，第13-15章可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
二、本课程与其它课程的联系前导课程：高等数学、模拟电路、量子力学、固体物理学。
后续课程：无。
三、课程内容及基本要求(一) pn结 ( 4学时)（1）PN结的基本结构；（2）零偏；（3）反偏；（4）非均匀掺杂PN结。
1.基本要求（1）掌握PN结的基本结构，掌握内建电势差与空间电荷区宽度；（2）掌握势垒电容与单边突变结，了解线性缓变结与超突变结。
2.重点、难点重点：PN结的基本结构、内建电势差、电场强度、空间电荷去宽度、势垒电容。
难点：pn结零偏、正偏、反偏能带图。
3.说明：限于学时，本章的第4节的相关内容可简单介绍。
（二）PN结二极管（8学时）（1）PN结电流；（2）PN结的小信号模型；（3）产生与复合电流；（4）结击穿；（5）电荷存储与二极管瞬态；（6）隧道二极管；1.基本要求（1）掌握PN结内电荷流动的定性描述，掌握扩散电阻与等效电路；（2）掌握反偏产生电流正偏复合电流；（3）了解结击穿的物理图像，了解关瞬态与开瞬态，了解隧道二极管的基本特征。
2.重点、难点重点：理想pn结电流电压关系、温度效应、短二极管、结击穿。
难点：少数载流子分布、pn结小信号模型、产生-复合电流。
3.说明：限于学时，本章的第5、6节的相关内容可简单介绍。
（三）金属半导体和半导体异质结（6学时）（1）肖特基势垒二极管；（2）金属半导体的欧姆接触；（3）异质结。
1.基本要求（1）掌握肖特基势垒二极管的工作原理，金属半导体的欧姆接触相关概念；（2）了解异质结的相关概念。
2.重点、难点重点：肖特基势垒二极管的特性、肖特基势垒二极管的特性与pn结二极管的区别。
物理九年级电子器材知识点
物理九年级电子器材知识点电子器材是现代化科技发展中不可或缺的组成部分，它们在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
了解物理九年级的电子器材知识点，可以帮助我们更好地理解和应用这些器材，让我们一起来了解吧！1. 半导体器件半导体器件是电子器材中最基本的元件之一。
它由半导体材料制成，其中包括硅和锗等材料。
半导体器件的特点是，当电流通过时，它可以改变电流的方向和大小。
常见的半导体器件有二极管和晶体管。
- 二极管：二极管是一种只允许电流在一个方向上流动的器件。
它由P型半导体和N型半导体组成。
当正向电压施加在二极管上时，电流可以通过。
反向电压施加时，电流无法通过。
- 晶体管：晶体管是一种可以放大和控制电流的器件。
它由三个不同类型的半导体层组成，即发射极、基极和集电极。
控制基极电流的变化，可以改变晶体管的输出电流。
2. 电子集成电路电子集成电路（IC）是电子器材中的重要组成部分。
它将大量的电子元件集成在一起，形成一个小而强大的电路。
根据集成电路上的元件数量，可以分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。
- 小规模集成电路：小规模集成电路通常包含少量的电子元件，例如门电路和触发器等。
它们广泛应用于数字电路和逻辑控制电路中。
- 中规模集成电路：中规模集成电路比小规模集成电路集成了更多的元件，例如计数器和解码器等。
它们在微处理器和记忆电路中起着重要作用。
- 大规模集成电路：大规模集成电路集成了更多的元件，例如微处理器和存储器等。
它们广泛应用于计算机和通信设备等领域。
- 超大规模集成电路：超大规模集成电路是目前集成度最高的电子元件之一，可以集成上百万个元件。
它们主要用于计算机和高性能电子设备中。
3. 传感器传感器是一种能够感知和测量环境中物理量的器件。
它们可以将物理量转换为电信号，以便被其他电子器材处理和控制。
常见的传感器包括光敏传感器、温度传感器和压力传感器等。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
《半导体材料与器件》课程教学大纲(本科)
《半导体材料与器件》课程教学大纲课程编号：课程名称：半导体材料与器件英文名称： Semiconductor materials and devices课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：32/2 （讲课学时：32 ）适用专业：功能材料一、课程性质与任务半导体材料与器件是现代自动化、微电子学、计算机、通讯等设备仪器研制生产的基础材料及核心部件，具有专门的生产设备、工艺和方法，在现代各方面得到大量的研究和应用，半导体材料与器件是功能材料工程专业一门主要的专业方向课。
通过本课程的学习使学生掌握半导体材料与器件的基础理论、主要的生产技术、工艺原理和方法。
为今后从事相关工作奠定良好的基础。
二、课程与其他课程的联系本课程涉及功能材料的晶体结构和物理性能，应在《材料科学基础》《功能材料物理基础》和《材料物理化学》课程之后进行授课。
三、课程教学目标1.掌握半导体材料物理的基本理论，硅、信和化合物半导体材料结构和性能。
（支撑毕业能力要求1, 4, 5）2.了解和掌握常见半导体材料的结构与性能的关系，能够正确选择和使用半导体材料，能够提高和改善常见半导体材料的相关性能。
（支撑毕业能力要求1, 3, 4, 5, 7）3.掌握利用各种电子材料制备双极性晶体管、MOS场效应晶体管、结型场效应晶体管及金属-半导体场效应晶体管、功率MOS场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管IGBT、LED和厚、薄膜集成电路的技术及生产工艺，能够对设计和实验结果进行综合分析。
（支撑毕业能力要求3, 4, 5, 12）4.能够使学生充分利用所学的半导体材料知识，在半导体和微电子材料领域研究、开发、生产高质量器件，为信息行业发展提供基础硬件支持，为国民经济服务。
（支撑毕业能力要求3, 4, 5, 7）四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）无六、教学方法本课程以课堂理论教学为主，通过理论讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生理解授课的基本内容，结合完成作业等教学手段和形式完成课程教学任务。
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- 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)。
qn(1 (1 2 )) 1 2
qn1(1 )
当电场达到某个值时：n＝n1＋n2≈ n2
qn2
特性曲线
E I
J qn J E
U
高场畴及耿氏振荡效应
❖当在耿氏二极管的两端施加电压使器件内部的电 场强度最初处于负微分负阻电导区域时，就可以 产生微波振荡。
N型GaAs
❖振荡产生的条件（高场畴）： 1）内部电场处于器件的微分负阻区域； 2）内部电荷分布不均匀；
转移电子效应
n
NC
exp(
EC EF k0T
)
NC
2
(2m*k0T
h3
)3
/
2
NC2 NC1 GaAs : NC2 94NC1
不加电场及低电场：n＝n1＋n2 ≈ n1
qn11 qn22 qn1
电场升高到使低能谷中的电子向高能谷中
跃迁：n＝n1＋n2 ， n2=n
qn11 qn22
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 在一般的电阻中，当内部产生电荷分布的 扰动时，这一扰动将随时间成指数关系分 散，最终趋于平衡。
Q Q0et /
❖其中为电荷弛豫时间： (qn0n )
高场畴及耿氏振荡效应
对于象GaAs具有两个能谷的材料，在电场高
过某阈值电场时（3KV/cm）,处于负阻区，
当材料内部均匀时：
Length: 0.4m The device area: 2500 m2 The DC bias voltage:55V The super particle’s number:21200 The total simulation time 40ps every 1fs
j nve
Furthermore, it can be found from Figs. 1 and 3 that the changing of current has the same tendency of velocity, which shows that the electron velocity may make the dominate contribution for the current.
底的差。 ❖ 3、高、低能谷能带底的差小于禁带宽度。 ❖ 4、高能谷的态密度大于低能谷的态密度。
Recently, Gunn diode based on GaN is taken as a possible solid THz source for its smaller energy relaxation time. The electrons moving at so high frequency will frequently experience overshoot and undershoot, and drift–diffusion model can no longer be accurate to describe the transport behavior in GaN Gunn diode.
Conduction band of GaN
n+
n
n+
GaN Gunn diode structure
The active region The doping density: 2.01017cm-3;
Length: 1.3m The contact region The doping density:1.0 1018cm-3;
负阻器件
耿氏器件（Gunn Device） 转移电子器件（Transferred Electron Device ）
体效应器件（Bulk Effect Device）
耿氏效应发现
❖19ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3年，国际商业机械公司 J. B. Gunn 在研究 用锡做欧姆接触的几毫米长的N型GaAs样品时，惊 奇的发现，当电场达到超过3KV/cm时，电流随电 压的增加，斜率反而减小，变为负值，同时产生 电流振荡。振荡频率与电极间距L（cm）成反比。 人们把这种效应以发现人的姓氏命名为耿氏效应。 能够常数振荡的二极管命名为耿氏二极管。
就是振荡频率，近似为： vd
L
特性参数
振荡频率f：单位GHz，EYKQ1,18~26.5GHz; 最大输出功率PDmax；30～50mW 转换效率；>1% 工作电压UR；5.5V 最大耐压URM。7V
耿氏器件产生的限制条件
❖ 1、n型材料，能带具有高、低能谷。 ❖ 2、晶格热振动能量KT小于高、低能谷能带
1
m*
1 2E k 2
m
* 2
m
* 1
GaAs :
m
* 1
0.067m 0
m
* 2
0.55m 0
转移电子效应
电子在电场作用下：
F
qE
dP dt
m *dv dt
dv
qE m*
dt
v
qE m*
τ
v
qE τ m*
μ
qτ m*
μ2 μ1
GaAs :μ1 6000~ 8000cm 2/V s
2 920cm 2 /V s
高场畴及耿氏振荡效应
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 一般畴区外电场|Ea|是均匀的，为简单起见，设 畴区内的电场强度|Eb|也是均匀的，壁厚为d，器 件长度为L，外加电压为U，则：
U L | Ed | Eb d (L d ) Ea d | Ed | Ea
Eb Ea
❖ |Ed|是无畴时的电场强度，重复形成畴区的速率
阴
极 0
阳 •E / 0
极 L
x
E dU dx
EU L
当材料内部不均匀时：J 1E1 2E2 qn
n1
2
n1 < n2 1 2
x1
E1 E2
高场畴及耿氏振荡效应
阴
阳
极
极
－
＋
－
＋
－
＋
－
＋
－
＋
E
空间电荷偶极层， 偶极畴，简称畴
高场畴及耿氏振荡效应
❖ 实验表明，一般情况，新畴总是容易在阴极附近 某些掺杂不均匀处形成，这可能是用外延片作耿 氏器件时，外延表面总是作为阴极，而外延层表 面往往浓度最低，电阻率最高，电场最强，因而 容易在阴极附近形成畴。畴在阴极附近形成后， 一边迅速生长，一边向阳极漂移，约漂移1微米左 右，达到稳态，这时高场畴便几乎以一个恒定的 速度向阳极漂移，达到阳极后，畴区消失，体内 电场友恢复到最初的电场，在阴极附近形成新畴 ，整个过程重复进行，造成耿氏振荡。
❖ 耿氏二极管是重要的微波器件之一，广泛用于本 机振荡器和功率放大器，覆盖的微波频率为1GHz 到300GHz。
耿氏二极管结构及选材
体效应器件、转移电子器件 N型GaAs
结构示意图
耿氏二极管结构及选材
《半导体器件物理》施敏，第三版
转移电子效应
导电电子从高迁移率的能谷向低迁移率的高 能卫星能谷转移的效应。