半导体器件物理
半导体器件物理(详尽版)ppt
半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于10-8Ω·m）， 绝缘体（电阻率大于106Ω·m）。
晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
图中“● ”表示价带内的电子 ;图中“○ ”表示价带内的空穴。
思考
• 既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导 电能力比导体差？
●导带底EC
导带电子的最低能量
●价带顶EV
价带电子的最高能量
●禁带宽度 Eg
Eg=Ec-Ev
●本征激发 由于温度，价键上的电子 激发成为准自由电子，亦 即价带电子激发成为导带 电子的过程 。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
●禁带宽度/Eg
导带和价带之间的能级宽度，
单位是能量单位：eV（电子伏特）
图1-6
导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
半导体器件物理-张莉
⎨ ⎪
d
2ψ
⎪⎩ dx2
= q NA εs
= −q ND εs
(−xp < x < 0) (0 < x < xn )
23
1.1 平衡PN结（电场和电势分布）
边界条件： • x=0 处电场连续：
dψ1 = dψ 2 dx x=0 dx x=0
( ) • 空间电荷区外电场为0： ε −xp = ε ( xn ) = 0
对非平衡载流子，np 乘积显然不再等于 ni2 np ≠ ni2
15
1.1 平衡PN结
1.1 平衡PN结 参考教材： 《半导体物理学》§6.1；
《微电子技术基础》1.1，1.2 PN结的形成方法：
在一块N型（或P型）半导体单晶衬底上用扩散、 外延或离子注入等方法掺入P型（或N型）杂质
本节将分析理想突变结的电场、电势分布及能带图
ψ −ψ p
=1 L2De
ψ −ψ p
(1-18)
LDe称为非本征德拜长度： LDe ≡
( ) 因此， ψ −ψ p ∝ exp ( x ) LDe
ε s kT q2NA
(1-19)
电势ψ 在空间电荷区边界附近随 x 指数变化，其特 征长度等于非本征德拜长度LDe
载流子浓度与电势呈指数变化关系，仅在几个德拜 长度下，载流子浓度就能从掺杂浓度快速下降至零
第一章
PN 结
第一章 PN结
本章内容： 复习《半导体物理学》第六章（同质PN结）
平衡态特性，小注入直流特性，电容，击穿 补充内容：
大注入直流特性，瞬变特性，二极管模型， 集成电路中的二极管
2
半导体物理基本知识
能带 电子和空穴 禁带 导带和价带
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件物理学是电子学领域中一个重要的学科，它将物理学理论应用于半导体器件中，以提高半导体器件的性能、可靠性和可用性。
在这个新兴的领域中，有一些重要的概念和理论，它们对于半导体器件的设计、开发、制造和实现都具有重要意义。
首先要探讨的是半导体材料。
半导体材料是半导体器件的基础，有硅、砷化镓、氮化镓和III-V族材料等类型。
它们是半导体物理学中的核心理论，在器件的性能、可靠性和可用性方面发挥着重要作用。
例如，硅材料具有高集成度、易于集成、高可靠性和低成本等特点，以及高散热系数和低功耗等优点，在微电子领域得到广泛使用；砷化镓可用于制造大功率器件，具有良好的形状特性；氮化镓具有低漏电流的特点，可用于制作稳压器件；III-V族材料可以进行光电转换，用于制作集成激光器、光探测器等器件。
其次是半导体器件的基本工作原理。
半导体器件的性能主要取决于半导体材料的性质和工作原理，它们是半导体物理学的基本模型。
主要有二极管特性、多极管特性、器件动态特性和输出特性等几大类。
半导体器件的两种基本极性是正向和反向，在正向极性下，封装材料和金属电极之间的电压会导致电路中的电流流动，而反向极性则对电路中的电流进行抑制，从而提高电路的稳定性。
此外，半导体器件还可以控制信号的传输特性，例如动态响应和输出特性等，这些特性对于电路的可靠性和可用性有着重要的影响。
在半导体物理学中，量子物理学也起着重要作用。
在半导体器件中，量子物理学能够有效地描述电子密度分布、器件物理性质以及器件的工作原理，它与器件的可靠性和可用性有着密切的联系。
此外，由于量子效应的存在，半导体器件的工作特性会有不同的变化，从而提高设备的性能。
最后，有几种重要的半导体器件制造工艺。
主要的工艺有晶圆制造、芯片制造、集成电路制造、晶体管封装等，每种制造工艺都有其独特的特点，可满足不同的需求。
此外，在半导体器件引入市场前，还需要由相关团队进行全面的测试，以确保器件的可靠性。
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
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现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
半导体器件物理
器件仿真的基本原理
• 基于数学模型和计算机算法
• 仿真结果与实际器件性能关系
器件仿真的方法
• 有限元法
• 有限差分法
• 分子动力学法
器件性能的优化策略
器件性能优化策略
器件性能优化的应用
• 材料选择和结构设计优化
• 提高半导体器件的性能
• 制程工艺优化
• 降低半导体器件的成本
D O C S S M A RT C R E AT E
半导体器件物理
CREATE TOGETHER
DOCS
01
半导体器件物理的基本概念
半导体材料的性质和特点
半导体材料的特点
• 介于导体和绝缘体之间
• 能带结构中的能隙较小
• 温度和掺杂浓度影响导电性
半导体材料的分类
• 元素半导体（如硅、锗）
• 化合物半导体（如镓砷化物）
能带结构的基本概念
• 电子的能量状态分布
• 能带之间的能量间隙
载流子的类型和输运
• 电子和空穴作为主要载流子
• 载流子的输运特性与能带结构关系
能带结构和载流子的应用
• 半导体器件性能分析
• 半导体器件设计
p-n结和势垒
p-n结的基本概念
• 半导体中两种载流子浓度的交界处
• 内建电场和空间电荷分布
p-n结的特性
• 光通信和光计算
• 显示和照明技术
• 生物检测和医疗应用
05
半导体器件的数学模型
泊松方程和电流连续性方程
01
泊松方程的基本概念
• 电场分布的描述
• 电荷分布与电场关系
02
电流连续性方程的基本概念
• 电流密度分布的描述
半导体器件物理
半导体器件物理
随着科学技术的发展，半导体器件的发展也变得越来越重要，它是电子设备中的关键元件。
因此，了解半导体器件物理是很有必要的。
首先，要了解半导体器件的概念，就需要了解半导体材料和元件的定义。
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，它介于电子态和离子态之间，既具有导体的特性，又具有绝缘体的特性，拥有一定数量的空间电荷。
半导体元件是由半导体材料制成的，它有电阻、二极管、三极管等特性。
其次，要深入了解半导体器件物理，就需要学习相关的物理知识。
第一个是半导体元件结构，半导体元件的结构往往由内核（晶格结构）和接触（接触结构）组成，这些结构决定了元件的特性。
其次，要学习电荷空间模型，它是半导体物理和元件器件物理的基础，也是理解半导体元件工作机理的重要依据。
此外，还要学习输入特性、输出特性等相关理论，以获得更好的结果。
最后，要进行实验，以了解半导体器件物理的应用。
例如，如何测量器件的电阻、电容、电压降、漏电流等特性；如何对器件进行可靠性测试；如何进行器件的优化，以获得良好的性能；如何进行器件的可靠性预测等。
通过实验，能够更好地理解半导体器件物理的各种规律，从而更好地运用它们。
总之，半导体器件物理是非常重要的，要深入了解半导体器件物理，就需要学习和掌握半导体结构、电荷空间模型以及输入、输出特性等相关知识，同时还要进行各种实验，以此来更好地获得半导体器
件物理的知识。
半导体器件物理
半导体器件物理半导体器件是现代电子技术中最重要的部分。
它们的运行和性能取决于物理属性的特定行为，并决定了电子系统的能力和效能。
因此，了解关于半导体器件物理的内容对于研究和理解这些设备及其在系统中的行为至关重要。
半导体器件的物理属性可以通过研究组成晶体的物质来了解。
半导体器件的基本组成部分是由电子控制的物质，它们会受到温度和外部电压变化等因素的影响。
物理属性可以划分为偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等。
每一种物理属性都是在器件的大小和组成物质的不同以及电子系统的环境中有所不同的物理行为。
任何设备的性能受其物理属性的影响，半导体器件也不例外。
偏振特性决定了信号在器件内传播的行为，热性能决定了电子系统的稳定性和环境温度，机械负载决定了安装器件的尺寸和容量，功耗决定了电子系统能耗。
电性能也是半导体器件物理属性中的一个重要方面，它决定了电子系统中的器件是否能够有效地传输或处理信号。
典型的电性能衡量包括电阻、电容、电感和电容的电容量及其他参数。
接触电阻是衡量器件连接的重要参数。
器件的电容量也很重要，其决定了电子系统中信号传输的特性。
半导体器件物理同样涉及机械负载。
机械负载是指电子系统中器件的尺寸和安装对信号存储和传输的影响。
这是因为它决定了器件之间的距离，当两个器件的距离太近时信号会重叠，当距离太远时信号会衰减。
此外，机械负载也反映了器件的抗振性能。
最后，半导体器件的功耗是另一个重要的物理属性。
器件功耗由其尺寸，组成物质和外部环境温度等决定，该值反映了电子系统整体能耗。
我们需要在设计和维护时考虑到器件的功耗特性，以保证电子系统正常运行。
综上所述，半导体器件的物理特性包括偏振特性，电性能，热性能，机械负载和功耗等方面，这些要素都会影响器件的性能，电子系统的能耗以及系统整体行为。
因此，了解半导体器件物理定律，理解半导体器件的性能特性，并合理配置半导体器件，是半导体器件技术和电子系统技术发展过程中至关重要的一环。
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
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现代半导体 器件物理
Physics of Modern Semiconductor Devices
双极型晶体管及相关器件
现代半导体器件物理
2019,7,30
双极型晶体管及相关器件 1
本章内容
双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功率器件
路符号，图中亦显示各电流成分和电 压极性，箭头和“十”、“一”符号 分别表示晶体管在一般工作模式(即
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
VBC
IE E-
- VCE +
-I C
+C
VBE
VCB
+
+ - IB B
(c)理 想 一 维 n-p-n双 级 型 集 体 管
(d)n-p-n双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
小，且ICp与IEp非常接近， T与 I E 都趋近于1，因此0也接近于1。 集电极电流可用0表示，即
}I EP
I En
I BB
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
}
IC ICpICnTIEp＋ICn
T
IEp
＋ICn＝0IE＋ICn
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
电子电流 电子流
其中ICn是发射极断路时(即IE=0)集基极间的电流，记为ICBO，前两个下标 （CB）表示集、基极两端点，第三个下标（O）表示第三端点(发射极)断路， 所以ICBO代表当发射极断路时，集基极之间的漏电流。共基组态下的集电极 电流可表示为
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基 区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
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双极型晶体管及相关器件 9
双极型晶体管的工作原理
晶体管各端点的电流可由上述各 个电流成分来表示
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
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双极型晶体管及相关器件 4
双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(pnp型)工作在放大模式 发 射 区 基 区 集 电 区
P
n
P
图(a)是一热平衡状态下的理想pn-p双极型晶体管，即其三端点接在 一起，或者三端点都接地，阴影区域 分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b) 显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
I C I C p I C n 2 .9 m A 9 0 .0m 0 A 2 1 .9m 9 A
所以 I C B I C O 0 I E 2 . 9 m 9 0 . 9 A 1 3 9 . 0 m 3 1 0 . 8 A A 4 7
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双极型晶体管及相关器件 13
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双极型晶体管及相关器件 2
双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(bipolar transistor)的结构
双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为 p-n-p或n-p-n的形式。
解 （a）发射效率为
＝IEpI＋ EpIEn＝3＋30.01＝0.9967
（b）基区输运系数为
T
ICp IEp
2.990.9967 3
（c）共基电流增益为 0 ＝ T 0 .99 0 .6 97 9 0 6 .97 93
（d）共基电流增益为 IEIEp＋ IEn＝ 3m A0.0m 1 A 3.01m
大部分的入射空穴将会到达集
电极而形成ICp。基极的电流有 I E 三 个 ， 即 IBB 、 IEn 、 ICn 。 其 中 IBB代表由基极所供应、与入射 空穴复合的电子电流(即
IBB=IEp-ICp) ； IEn 代 表 由 基 区 注 入发射区的电子电流，是不希
望有的电流成分；ICn代表集电 结附近因热所产生、由集电区
双极型晶体管的工作原理
图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的
区域，形成两个p-n结。浓度最高的p＋区域称为发射区(emitter，以E表示)；
中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的
宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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双极型晶体管的工作原理
如果大部分入射的空穴都没有与 基区中的电子复合而到达集电极，则 集电极的空穴电流将非常地接近发射 极空穴电流：IEp≈ICp。
图 4.2
放大模式)下各电流的方向和电压的 极性，该模式下，射基结为正向偏压 (VEB＞0)，而集基结为反向偏压(VCB ＜0)。
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
VCB
-B-
(a)理 想 一 维 p-n-p双 级 型 集 体 管
IE E
+
+ VEC -
IC
-C
VEB
VBC
- + IB
IC 0IE＋ICBO
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双极型晶体管的工作原理
例 1 ： 已 知 在 一 理 想 晶 体 管 中 ， 各 电 流 成 分 为 ： IEp=3mA 、 IEn=0.01mA 、 ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运 系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。
这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了 少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的 浓度梯度得出电流。
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双极型晶体管的静态特性
一、基区区域：
图(c)显示结上的电场强度分布，在基区中性区域中的少数载流子分布
可由无电场的稳态连续方程式表示：
}
IE
IE IEpIEn, IC ICpICn,
IB IE IC IE n (IE p IC ) pICn
}I EP
I En I BB
IB
空穴电流 和空穴流
晶体管中有一项重要的参数，称 为共基电流增益，定义为
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
0
I Cp IE
因此，得到
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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双极型晶体管的工作原理
在理想的二极管中，耗尽区 将不会有产生-复合电流，所以由 发射区到基区的空穴与由基区到 发射区的电子组成了发射极电流。 而集基结是处在反向偏压的状态， 因此将有一反向饱和电流流过此 结。当基区宽度足够小时，由发 射区注入基区的空穴便能够扩散 通过基区而到达集基结的耗尽区 边缘，并在集基偏压的作用下通 过集电区。此种输运机制便是注 射载流子的“发射极“以及收集 邻近结注射过来的载流子的“集 电极”名称的由来。
发射区 (P)
}I EP
I En
基 区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
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双极型晶体管及相关器件 11
双极型晶体管的工作原理
对合格的晶体管，IEn远比IEp
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
双极型晶体管工作在放大模式
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场 强度分布的情形，与热平衡状态下比 较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
可见，由邻近的射基结注射过来 的空穴可在反向偏压的集基结造成大 电流，这就是晶体管的放大作用，而 且只有当此两结彼此足够接近时(基区 宽度足够窄)才会发生，因此此两结被 称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n 结距离太远(基区宽度太大) ，所有入 射的空穴将在基区中与电子复合而无 法到达集基区，并不会产生晶体管的 放大作用，此时p-n-p的结构就只是单 纯两个背对背连接的p-n二极管。