Ch半导体物理和半导体器件物理基础
半导体物理及器件
半导体物理及器件随着现代科技的不断发展，半导体技术已经成为了当今世界最具有前沿性的技术之一。
半导体器件的广泛应用已经渗透到了我们日常生活的方方面面，比如智能手机、电脑、平板等等。
那么，什么是半导体物理及器件呢？本文将从物理层面解读半导体及其相关器件的工作原理。
一、半导体物理基础半导体是指在温度较高时表现为导体，在温度较低时表现为绝缘体的物质。
半导体的电子结构与导体和绝缘体不同，它们的导电方式是通过控制外部电场，来控制内部电子的行为。
半导体材料通常由四元素组成，如硅、锗等，这些元素的原子堆积方式形成了晶格结构，其中的电子行为也受到了晶格结构的影响。
半导体中的电子行为分为自由电子和价带电子。
自由电子是指受到外部电场作用后，可以自由移动的电子。
而价带电子则是不能自由移动的电子。
当半导体受到外部电场的作用时，价带电子会被激发到导带电子中，从而形成电流。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子器件。
半导体器件主要包括二极管、场效应晶体管、晶体管等等。
这些器件的工作原理都是基于半导体物理基础的。
1. 二极管二极管是一种最基本的半导体器件，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体与N型半导体之间形成了PN结，当施加电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，从而形成电流。
当电流方向为从P型半导体流向N型半导体时，二极管可以通过电流；当电流方向为从N型半导体流向P型半导体时，二极管则不导电。
2. 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种电子管，它是由金属栅极、P型半导体和N型半导体组成。
FET的工作原理是基于电场效应的，当外加电压作用于金属栅极时，会在P型半导体和N型半导体之间形成一个电场，从而控制电子的流动。
FET有很多种类型，其中最常见的是MOSFET。
3. 晶体管晶体管是一种三端半导体器件，它由P型半导体、N型半导体和控制极组成。
晶体管的工作原理是基于PN结的反向偏压和电场效应。
当控制极施加正电压时，会在PN结中形成反向偏压，从而使电流无法通过；当控制极施加负电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，形成电流。
半导体物理与器件的基本原理解析
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
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。
半导体物理和半导体器件学习总结1
半导体物理和半导体器件学习总结1最近看了⼀遍半导体物理和半导体器件物理，准备总结⼀下。
涉及的内容和概念⾮常多，需要写好多篇，并配合图⽚和思维导图。
同时复习以前做过的习题、ppt、整理出的考研题等等。
但其实想要系统的理解其原理，还需要⼀些量⼦、电磁场、热⼒学、固体物理的知识，才能完整的掌握。
当然这些课我学的也不好，准备复习⼀下。
所以这⾥超纲或者不解的部分，我会做出记号，等明⽩之后再来解答。
1. 半导体物理基础和能带理论2. 载流⼦统计分布3. PN结原理4. ⾦半接触和MIS结构1. PN结原理2. 双极型晶体管3. MOS原理以上即为整理的⽬录，本次先从第⼀章，半导体物理基础和能带理论开始。
⼀、半导体物理基础和能带理论1、能带论①：⽤单电⼦近似法研究晶体中电⼦状态的理论称为能带论单电⼦近似法只知道密度泛函理论，虽然具体的推导也不太会，但⼤概意思了解⼀点。
这部分可能还要看看固体物理课本。
2、⾦刚⽯型结构：sp3杂化轨道这部分确实不太懂，好像是量⼦⼒学⾥⾯的内容，还要再复习⼀下②3、分⼦结构：四族主要是⾦刚⽯型结构三五族主要是闪锌矿型结构晶向、晶⾯之类的概念就不看了，具体研究遇到再说。
4、原⼦的能级和晶体的能带能级分⽴的原⼦形成晶体后，各个原⼦的电⼦壳层会有⼀定的交叠，外层交叠多，内层少，所以会产⽣电⼦共有化运动，越外层越显著。
同时能级分裂形成能带。
形成晶体的原⼦数N很⼤时，会形成明显的能带，叫做允带，允带之间是禁带。
但能带不⼀定与能级⼀⼀对应，例如硅、锗，它们都有四个价电⼦，两个s电⼦、两个p电⼦，组成晶体后，由于轨道杂化，形成上下两个能带，分别可以容纳4N个电⼦，于是形成满的价带和空的导带。
这部分还是不是很明⽩，可能还需要复习量⼦和近代物理才⾏。
③5、布⾥渊区与能带单电⼦近似的概念：晶体中的某⼀个电⼦是在周期性排列且固定不动的原⼦核的势场，以及⼤量电⼦的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，周期与晶格周期相同。
半导体物理与器件物理
半导体物理、材料、工艺 半导体器件物理 集成电路工艺 集成电路设计和测试 微系统，系统
微电子学发展的特点
向高集成度、高性能、低功耗、高可靠性电路方向发展 与其它学科互相渗透，形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物芯片
半导体概要
固体材料：绝缘体、半导体、导体 （其它：半金属，超导体）
MEM
Math
Bus
Controller
IO
Graphics
PCB集成 工艺无关
系统
亚微米级工艺 依赖工艺 基于标准单元互连 主流CAD:门阵列 标准单元
集成电路芯片
世纪之交的系统设计
SYSTEM-ON-A-CHIP
深亚微米、超深亚 微米级工艺 基于IP复用 主流CAD：软硬件协 同设计
1970
1980
1990
2000
2010
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番
1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3
’70 ’74 ’78 ’82 ’86 ’90 ’94 ’98 ’2002
Pentium II: 7,500,000
微处理器的性能
100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo
1970 1980 1990 2000 2010
Peak Advertised Performance (PAP)
Moore’s Law
Real Applied Performance (RAP) 41% Growth
半导体物理和器件物理基础
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaP、ZnS
半导体的主要特点
（1）在纯净的半导体材料中，电导率随温 度的上升而指数增加 （2）半导体中杂质的种类和数量决定着半 导体的电导率，而且在掺杂情况下，温度 对电导率的影响较弱 （3）在半导体中可以实现非均匀掺杂 （4）光的幅射、高能电子等注入可以影响 半导体的电导率
热平衡状态：恒温稳定状态，且并无任何 外来干扰，如照光、压力或电场。 热平衡状态下，电子-空穴的产生和复合达 到平衡，载流子浓度不变。
微观：热平衡条件下的载流子浓度
导带中的电子浓度可将电子浓度n(E)由导带底端 Ec积分到顶端Etop：
n
Etop
Ec
n( E )dE
Etop
绝缘体： 例如 水晶、金刚石、SiO2、Si3N4 等；
~ 电子不能自由运动 ——没有自由电子。
半导体： 例如 Si、Ge、GaAs、GaN、InP 等； ~ 电子能否自由运动？——有无自由电子？
通常金属的电导率为106-104（ cm）-1，绝缘体的 电导率小于10-10（ cm）-1，电导率在104-10-10 （ cm ）-1之间的固体称为半导体。 半导体和金属的区别在于半导体中存在禁带，金 属中没有；
一、能带理论
1、原子能级与晶体能级 1）能级（Energy Level）
在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层 排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层 上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级 分布。 用一条条高低不同的水平线表示电子的能级
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下 降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。
半导体物理和器件的基本原理和应用
半导体物理和器件的基本原理和应用半导体是一种电阻介于导体和绝缘体之间的物质，常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
由于半导体具有电子、空穴控制和放大特性，因此广泛应用于电子器件和电路设计中。
一、半导体物理基本原理1. 晶格结构半导体是一种晶体，具有相对完整的晶格结构。
晶格结构决定了半导体的物理性质，如能带结构、晶格振动、热膨胀等。
晶体在一定的结构空间中，由原子的周期性排列而成，称为晶胞。
常见的半导体结构包括晶格常数、晶格类型、晶面取向等参数。
2. 能带结构能带结构是半导体物理基本原理之一，它描述了半导体的能量分布情况。
半导体的能带结构包含价带和导带，它们之间隔着能隙。
价带是电子最稳定的轨道，包容着大量的电子；导带是高能的轨道，电子在其中可以自由运动。
带隙宽度几乎决定了半导体材料在电子学中的行为。
3. 掺杂半导体材料中添加一定量的杂质被称为掺杂。
添加n型掺杂的杂质称为施主，添加p型掺杂的杂质称为受主。
掺杂可以改变半导体中的电荷载流子浓度，从而影响其电导率。
n型半导体中导电的载流子是电子，p型半导体中导电的载流子是空穴。
二、半导体器件基本原理1. 二极管二极管是一种简单的半导体器件，它由n型和p型半导体组成。
与p型半导体相接触的区域为P-N结，这种结构具有单向导电性，在正向电压下可以导通，在反向电压下则截止。
二极管广泛应用于电源电路、调制解调器、收音机等电子器件中。
2. 晶体管晶体管是一种用作放大器和开关的半导体器件。
它由n型和p 型半导体材料组成，与二极管相比具有放大倍数大、噪声小等优点。
晶体管主要由三个区域组成：发射区、集电区、基区。
收集区控制基区导电，从而控制发射区和集电区的导电状态。
3. MOS场效应管MOS场效应管是一种基于MOS结构的半导体器件，它是一种三端器件，包含源极、漏极和栅极。
通过对栅极电压的调节，可以控制源极与漏极之间的电阻，从而实现模拟和数字信号的放大和控制。
三、半导体器件应用1. 集成电路集成电路是一种将数千甚至数百万个晶体管、电容器、电阻器等器件集成在一个小芯片上的电子设备。
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唐军
上一章课程内容回顾
➢第一块晶体管、IC诞生的时间 ➢IC的概念 ➢集成电路的作用 ➢集成电路的分类 ➢微电子学的特点
➢ 第一章 绪论 ➢ 第二章 半导体物理和半导体器件物理基础 ➢ 第三章 大规模集成电路基础 ➢ 第四章 集成电路制造工艺 ➢ 第五章 半导体材料 ➢ 第六章 集成电路设计 ➢ 第七章 集成电路设计的CAD系统 ➢ 第八章 几类重要的特种微电子器件 ➢ 第九章 微机电系统 ➢ 第十章 微电子技术发展的规律和趋势
施主和受主浓度：ND、NA
本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
***半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动
非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。
空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
价电子填补空穴 空穴移动方向
电子移动方向
+4
+4
+4
外电场方向
N 型半导体
+4
在硅或锗的晶体
中 掺入少量的
五价元 素,如磷,
+4
填补空位
空穴
+4
+4
P 型半导体结构示意图
空穴是多数载流子
负离子
电子是少数载流子
在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
它是共价键结构。
在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。
+4
+4
+4
硅原子
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
+4
本征半导体的共价键结构
在常温下自由电子和空穴的形成
+4
成对消失
复合
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空
自由电子
穴
成对出现
+4
+4
本征激发
➢ 共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强， 如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发 等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子 （同时产生出一个空穴），这就是本征激发。
迁移率 电阻率
单位电场作用下载流子获得平均速度
反映了载流子在电场作用下输运能力
q
m
影响nn qpp
平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
重点
➢半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
➢载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础
➢2.1 半导体及其导电特性 ➢2.2 PN结 ➢2.3 双极晶体管 ➢2.4 MOS场效应晶体管 ➢2.5 小结
2.1 半导体的导电特性
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
•电导率是电阻率的倒数 ; •电导率越大则导电性能越强，反之越小 ;
➢ 彼此之间的界线不是绝对的 .导体和半导体区别 是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度 及温度特性。
➢ 半导体有以下主要特点：
a) 在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升 而指数增加；
b) 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电 导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影 响较弱；
正是因为电中性条件的要求，所以不管半导体中两 种载流子的浓度相差如何的大，都不会出现多于的 电荷
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 JDe ifq t nd vqnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
➢能带、导带、价带、禁带
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
2.2 PN 结
➢大量半导体器件都是由PN结构成; ➢PN结的性能集中的反应了半导体导电性能
特点：
存在两种载流子； 载流子产生与复合； 载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动； 载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流子
c) 在半导体中可以实现非均匀掺杂；
d) 光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体 的电导率。
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
硅晶体平面结构
硅晶体立体结构
半导体分类：
半导体有元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
半导体的掺杂
本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷
本征半导体特点：
+4
则形成N型半导
体。
+4
+4
+4
正磷原离子子
++54
+4
多余价电子
自由电子
+4
+4
N 型半导体结构示意图 少数载流子
正离子
多数载流子
在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
P型半导体
+4
在硅或锗的晶体中
掺入少量的三价元
素,如硼,则形成P 型
半导体。
+4
+4
+4
+4
负硼离原子子
+43
➢电子浓度＝空穴浓度； ➢载流子少； ➢导电性差； ➢温度特性差。
载流子
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。