半导体光电子器件课件
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电压较低时,由于外电场较弱,还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力,所以正向电流很小,几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时,由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小,且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化,处于饱和状 态,所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安,锗管的反向饱和电流可达几百微 安,如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示,当反向电压增加到一定数值 时,反向电流急剧增大,这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响,使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用,首先取决于其内部结构特点,即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大,这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低,以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管,应正向偏置,使发射结导通,以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置,以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力,从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体,它们都是四价元素,在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中,由于原子排列的有序性,价电子为相邻的原子所共有, 形成了如图1-1所示的共价键结构,图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时,其共价键 中的价电子被束缚得很紧,不能成为自由电子,这时的半导 体不导电,在导电性能上相当于绝缘体。但是,当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时,就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,成为自 由电子,同时在共价键中留下一个空位,这个现象称为本征 激发,如图1-2所示,自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子,叫做载流子。
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版

有限,因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子(
都是多子)向对方运动(扩散 运动)。
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荷运动,空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成:实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号:P
N
阳极
阴极
分类:
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子:自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论:
1. 本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱,并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路(Analog Circuit)及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
半导体基础知识PPT培训课件

目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点,使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素,改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控,从而实现电子和空穴的平衡,是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等,从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要,直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料,硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展,硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步,其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤,最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要,因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术,通过一系列的 工艺步骤,将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上,形成复杂的电路。
半导体器件物理课件——第八章

GaAs, n ,p 所30以它们是制造LE
8.3.2量子效率
2.辐射效率 • 发生辐射复合的电子数与总的注入电子数比:
r
Ur U r Unr
Ur
n
r
U nr
n
nr
r
1
1r
nr
r
(8-16) (8-17) (8-18) (8-19)
8.3.2量子效率
三种可能的复合过程
Ec
Et
R1
Ev
R3 浅施主能级Ed
8.1.1辐射复合
.带间辐射复合
带间辐射复合是导带中的电子直接跃迁到价带与价带中的空穴复合。发射的光子的能量接近等于半 导体材料的禁带宽度。
由于半导体材料能带结构的不同,带间辐射复合又可以分为直接辐射复合和间接辐射合两种:
导带
导带
价带
价带
图8-1 带间复合:(a)直接 能隙复合(b)间接能隙复合
8.1.1 辐射复合
8.3.2量子效率
• 1.注射效率
h
Eg
h > Eg Eg
h < Eg
(a)
(b)
图8-12 带尾对带带复合的影 响;(a)型,(b) 型
r
In
In I p Irec
8.3.2量子效率
注射效率就是可以产生辐射复合的二极管电流在二极管的总电流中所占的百 分比。
• 根据(8-15)式提高注射效率的途径是:
h
Eg
En exc
NEp
(8-8)
式中 NE表p 示吸收或放出能量为 的E p 个N声子。
8.1.1辐射复合
5.激子复合
束缚激子:
若激子对杂质的结合能为
E
,则其发射光谱的峰值为
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。
9半导体的光学性质PPT课件

.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
7
光学区域的电磁波谱图
人眼只能检测波长范围大致在0.4~0.7μm的光。 紫外区的波长范围为0.01~0.4μm。 红外区的波长范围为0.7~1000μm。
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
8
9.2 本 征 吸 收
c
hc
h
1.24
h (eV)
[μm]
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
9
9.2 本 征 吸 收
半导体材料吸收光子能量使电子从能量较低的状态跃 迁到能量较高的状态。这些跃迁可以发生在: ➢ (a)不同能带的状态之间; ➢ (b)、(c)、(e)禁带中分立能级和能带的状态之间; ➢ (d)禁带中分立能级的不同状态之间; ➢ (f)同一能带的不同状态之间; ……它们引起不同的光吸收过程。
Eg Eg
d C( Eg )3/ 2
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
18
图9.5 直接跃迁吸收系数与光子能量的关系曲线
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
19
9.2.2 间接跃迁
在间接带隙半导体中,导带极小值和价带极大 值不是发生在布里渊区的同一地点,而是具有 不同的k值,因此这种跃迁是非竖直跃迁。 跃迁过程中由于光子的波数比电子的波数小得 多,因此,准动量守恒要求必须有第三者—声 子参加。就是说,在跃进过程中必须伴随声子 的吸收或放出,即
Ey
Ey0 exp i
t
nx c
exp
c
x
I x Ey 2
2 / c
I (x) I0e x
.半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
半导体光电子器件ppt

光电子器件的基本原理
光的吸收
当光照射到物质表面时,物质 可以吸收光能,并将其转化为
热能或电能。
光的发射
在某些条件下,物质可以自发地 或在外加能量作用下发射光。
光电子发射
当光照射到物质表面并被吸收时, 物质会释放出光电子,这些光电子 可以通过电场或磁场进行收集和检 测。
包括暗电流、响应时间、噪声等参数。
半导体光电子器件与其他光电子器件的比较
半导体光电子器件与同质结光电子器件的比较
同质结光电子器件是一种结构简单、易于制造的光电子器件,但半导体光电子器件具有更高的光电转换效率和 更宽的光谱响应范围。
半导体光电子器件与异质结光电子器件的比较
异质结光电子器件具有更高的光电转换效率,但制造工艺复杂,成本较高。
03
通过精确调控半导体材料和器件的物理性质,实现更灵活、更
智能的光信号处理和传输。
02
半导体光电子器件的基本原理
半导体的基本性质
能带结构
半导体具有能带结构,即导带、价带和禁带,其禁带宽度在室温下一般为几电子伏特。
载流子
半导体中导电的载流子包括电子和空穴,其浓度和分布受能带结构和杂质浓度等影响。
热平衡态
传感领域的应用
环境监测
半导体光电子器件可实现对环境中特定气体、温度、湿度等参 数的精确测量。
生物传感
半导体光电子器件可用于检测生物分子、细胞等,实现生物传 感。
光学成像
半导体光电子器件可用于实现高分辨率、高灵敏度的光学成像 。
其他领域的应用
能源领域
半导体光电子器件可实现太阳能电池的光电转换效率的 提高。
《半导体器件物理》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
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§1-2 异质结的晶格匹配与异质结在
光电子器件中的应用
一、半导体光电子材料
1.半导体光电材料特性参数
2. 异质结中的晶格匹配
二、半导体材料的折射率
三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用
一、半导体光电子材料.常见半导体材
料(Si、GaAs)
的能带图
半导体的能带
结构与晶向有
关,都比较复
杂,通常以能
量E和波矢k的
关系来表达。
Si的导带的极小值和价
带的极大值不在同一k
值处,因而为间接带;
GaAs、InP的导带极小值和
价带极大值同在相同的k=0
处,这类材料为直接带隙材料。
1.半导体光电材料特性参数
晶体结构、晶格常数a,热胀系数,能带类型、
(单位为ev)、电子迁移率µn和空穴迁移率µp、禁带宽度E
g
介电常数ε和电子亲合势χ。
•Si间接带隙材料,
金刚石结构,原胞是
面心立方结构,常规
电子器件和高速的集
成电路材料。
Si、Ge等Ⅳ族元素半导体都是
间接带隙等材料,其发光效率非
常低,不适于做发光器件。
•GaAs、InP是直接带隙材料,闪锌矿结构。
沿着它的{110}晶面很容易把晶体一分为二地解理开来,故此面称为解理面。
Ⅲ-Ⅴ族中的直接带隙材料。
在{110}面中,同时有等数量的
Ga原子和As原子,因此显示出电
学中性。
解理面非常平坦、光亮,有较
高的反射率,解理面之间相互平
行,因此两个相向平行的解理面
就构成一个非常好的谐振腔。
二、半导体材料的折射率
不同化合物的禁带宽度Eg和折射率n随组分的变化趋势正好相反,即Eg大的化合物,折射率n反而较小。
这正是设计半导体光电器件常常需要的。
Al x Ga 1-x As 的折射率n 随AlAs 组分x 之间的依赖关系为
2
091.0710.0590.3x
x n +−=Ga x In 1-x As y P 1-y 的折射率n 的表达为
()2
059.0256.04.3y
y y n −+=折射率是一个很重要的光学参数。
折射率的大小、异质结构中的折射率梯度、折射率随波长、载流子浓度、温度等等的变化都会影响半导体激光器、探测器、波导器件的性能,尤其会影响激光的波长和模式。
掌握其变化规律,并且充分地利用其特性来满足器件的设计、制造和应用的要求。
三、异质结特性及在半导体光电子器件中的应用
1.异质结的特性
和折射率差∆n这两种本质性异质结构具有带隙差∆E
g
质,它们为异质结带来一系列重要的特性和效应:
●高注入比、超注入效应
●对载流子和光波的限制、导波效应
●窗口效应等等
这些特性和效应构成了半导体光电子技术的物理基础。
(2)异质结对载流子和光波的限制、波导效应
异质结的带隙差∆E g (亦即导带差∆E c 和价带差∆E v )对载流子(电子和空穴)有限制作用,防止载流子向外泄露。
同时,异质结的折射率差∆n 能够提供波导结构,对于高折射率材料中传播的光波具有光限制作用,防止光波向外泄露。
♦在半导体激光器中的应用
(LD-Laser Diode )
♦异质结在发光二极管中的应用
(LED-Laser Emitting Diode)
LED同LD,采用多层异质结结构,作用:a.将注入电子和空穴限制在有源层中;b.非平衡载流子复合产生的光子在异质结的波导效应下,能有效地减少内部损耗。
(3) 窗口效应
两种半导体材料在一起构成异质结时,由于禁带宽度不同,它们对光波的吸收波长也就不同。
半导体只吸收波长小于带隙吸收边(λg =1.24/E g )的光波,而对于波长比λg 长的光波来说,它就是透明的。
异质结的这种作用称之为窗口效应。
ħv
1
2
2
1
入射光
入射光
透射系数和吸收系数
透射系数和吸收系数光子能量光子能量2
1g g E E >>νh 2
1g g E E =ħv
E g1
E g2
E g2
E g1
ħv ħv
§1-3 金半结与MOS结构
〈一〉金属与半导体接触及其能级图
F
m E E W −=0一、金属与半导体接触
1.金属的功函数
金属的功函数约为几个电子伏特,铯(Cs)的功函数最低为1.93eV,铂(Pt )的功函数最高为5.36eV 。
金属的功函数大小标志着电子在金属中束缚的强弱,W m 越大,电子越不易离开金属。
意义:一个起始能量等于费米能级能量的电子,由金属内部逸出到真空中所需的最小能量。
2.半导体的表面态
常把固体与真空之间的分界面叫“表面”而把不同相或不同类物质之间的分界面叫“界面”。
“表面”实际上并不是一个几何面,而是指大块晶体的三维周期结构与真空之间的过渡区,它包括了所有不具有体内三维周期性的原子层。
半导体表面态概念见前面及讲义
表面态对半导体各种物理过程有很重要的影响,特别是对许多半导体器件的性能影响更大。
由于接触电势差的存在,使得电子的流动受到影响。
分两种情况讨论
(1)金属与n型半导体接触
(2)金属与p型半导体接触
4.半导体的表面态对接触势垒的影响
(1)由s m n s m n D ms W E W W E eV e χφ−=+−=+=可知,金属与半导体接触,电子从金属进入半导体的势垒高度应随金属的功函数W m 的不同而不同。
(2)但实际测量结果并非如此,金属的功函数对势垒高度应没有多大影响,进一步研究表明,这是由于半导体存在表面态的缘故。
问题:为什么?
(3)一般来说,由于半导体表面态密度不同,当金属与半导体接触时,接触电势差有一部分降在半导体—金属交界面上,金属功函数对表面势垒有不同程度的影响。
结论:金属—半导体接触形成的阻挡层,有与p-n结类似的单向导电性。
整流现象—电流在某一方向较易流动,而在相反方向则很难通过。
2)金半结整流理论(定量讨论)*扩散理论
*电子发射理论
*电子发射—扩散综合理论
•镜象力效应
•光声子散射
•量子力学反射
3)肖特基势垒二极管
★其与p-n 结二极管有类似的电流电压关系,都
具有单向导电特性。
利用金半结整流特性制成的二极管。
★其与p-n 结二极管有区别:
1°载流子的运动形式。
p-n 结正向导电时,具有电荷的存贮效应即注入的是非平衡载流子的积累,严重影响p-n 结的高频特性;肖特基势垒二极管是多数载流子器件,比p-n 结二极管具有更好的高频特性。
2°对相同的势垒高度:肖特基势垒二极管的J sD 或J sT 要比p-n 结
的反向饱和电流J s 大得多。
肖特基势垒二极管在高速集成电路,微波技术中有重要的应用。
2.金半结的欧姆接触
1)什么是欧姆接触?
●金属—半导体除了形成整流接触外,还可以形成非整流接触,即欧姆接触。
●欧姆接触——是指它不明显地产生附加阻抗,而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度显著改变。
2)如何实现欧姆接触?
3)制作欧姆接触最常用的方法。