半导体物理与器件
半导体物理与器件
发光器件
发光原理
半导体中的载流子复合时，以光子的形式释放能量。
发光器件类型
包括发光二极管（LED）、激光器等。
工作原理
发光器件利用半导体中的载流子复合发光原理，将电能转换为光能。在外加电压或电流作用下，半导体 中的载流子获得能量并发生复合，以光子的形式释放能量并发出可见光或其他波段的光。
04
CATALOGUE
氧化物半导体材料
如氧化锌（ZnO）、氧化铟镓（InGaO3）等，具有透明 导电、压电等特性，可用于透明电子器件、传感器等领域 。
有机半导体材料
具有柔韧性好、可大面积制备、低成本等优点，可用于柔 性电子器件、有机发光二极管（OLED）等领域。
二维材料在半导体器件中的应用
石墨烯
具有优异的电学、热学和力学性能，可用于 高速电子器件、柔性电子器件等领域。
品中。
陶瓷封装
使用陶瓷材料作为封装外壳，具有 优异的耐高温、耐湿气和机械强度 等性能，适用于高端电子产品和特 殊应用场合。
金属封装
利用金属材料（如铝、铜等）进行 封装，具有良好的散热性能和机械 强度，适用于大功率半导体器件。
测试技术
直流参数测试
通过测量半导体器件的直 流电压、电流等参数，评 估其性能是否符合设计要 求。
荷区，即PN结。
二极管的结构
由P型半导体、N型半导体以 及PN结组成，具有单向导电
性。
二极管的伏安特性
描述二极管两端电压与电流之 间的关系，包括正向特性和反
向特性。
二极管的主要参数
包括最大整流电流、最高反向 工作电压、反向电流等。
双极型晶体管
晶体管的结构
由发射极、基极和集电极组成 ，分为NPN型和PNP型两种。
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。
半导体物理与器件知识点
半导体物理与器件知识点
一、肖特基势垒二极管
欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
半导体物理与器件
内建电势差维持着n区多子电子与p区少子电子之间以及p区多子空穴 与n区少子空穴之间的平衡（扩散与漂移的平衡）。 由于空间电荷区是电子的势垒，因而空间电荷区（耗尽区）又称作 势垒区
半导体物理与器件
对于平衡状态的pn结我们有：
EF EFi nn 0 Nd ni exp kT E EF p p 0 N a ni exp Fi kT
半导体物理与器件
1995年，K. K. Ng在《半导体器件指南》一书中，定义了 67种主要的半导体器件及其相关的110多个变种。然而， 所有这些器件都只由以下的少数几种器件单元组成。
半导体物理与器件
第七章
pn结
pn结的基本结构及重要概念 pn结零偏下的能带图 pn结空间电荷区的形成 pn结内建电势差和空间电荷区的内建电场 外加偏压下pn结空间电荷区的变化 反偏pn结电容——势垒电容的概念 突变结与缓变结
-xp
eNd xn eNa
s
因而两侧空间电荷区的宽度xp和xn有 关系：
空间电荷区整 体保持电中性 空间电荷区主 要向低掺杂一 侧延伸
-xp
xn
Na xp Nd x xp xn Nd Na
x=0
半导体物理与器件
根据电场强度和电势的关系，将p区内电场积分可得电势：
x E x dx
当x=0时，电势值连续，因而利用p区电势公式可求出：
' C2
eN a 2 xp 2 s
eN a x 2 eN a 2 x xp xn x s 2 2 s
0 x xn
半导体物理与器件
p
E
n
显然，x=xn时，Φ=Vbi，因而可以求出：
半导体物理与器件
半导体物理与器件什么是半导体物理？半导体物理是研究半导体材料的物理性质和行为的学科。
半导体是一种电阻介于导体和绝缘体之间的材料。
在常规的物理中，导体是电流的快速传输介质，而绝缘体几乎不导电。
而半导体则具有介于两者之间的导电特性，并且可以通过控制外部电压或温度来改变其导电能力。
半导体器件的发展随着半导体物理的深入研究，人们逐渐认识到半导体材料的巨大潜力。
在上个世纪的50年代，第一个晶体管被发明。
晶体管是一种利用半导体材料特性实现放大和开关功能的器件。
它取代了以前广泛使用的真空管，成为现代电子技术的基础。
随后，各种各样的半导体器件相继发展出来，如二极管、场效应晶体管（FET）和集成电路（IC）等。
半导体器件的原理二极管二极管是最简单的半导体器件之一。
它由一个P型半导体和一个N型半导体组成。
这两个半导体通过P-N结相连接。
当施加正向电压时，P型半导体接近正极，N型半导体接近负极，电流能够流动；当施加反向电压时，P-N结会形成一个耗尽区，电流无法通过。
因此，二极管可以将交流信号转换为直流信号。
场效应晶体管（FET）场效应晶体管是一种使用电场控制电流的器件。
它由一个N型或P型半导体构成的通道和两个控制端组成。
当一个电压加到控制端时，电场会调整通道中的电荷分布，进而控制电流的流动。
FET具有高输入阻抗、低输出阻抗和较低的功耗，因此在放大和开关应用中得到广泛应用。
集成电路（IC）集成电路是将大量的电子元件，如晶体管、电阻、电容等，集成在一个芯片上的器件。
它可以实现复杂的电路功能，并具有小体积、低功耗和高可靠性等优点。
集成电路的发展推动了信息技术的快速发展，使得计算机、通信、消费电子等领域得到了革命性的变革。
半导体器件在现代技术中的应用半导体器件在现代技术中起着举足轻重的作用。
它们广泛应用于各种领域，如通信、信息技术、能源和医疗等。
通信半导体器件在通信领域中起到关键作用。
光纤通信、移动通信、卫星通信等都是基于半导体器件的技术实现的。
半导体物理与器件习题
半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。
2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。
3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。
4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。
常用的掺杂方法有扩散和离子注入。
6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。
2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。
三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。
◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。
◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。
◼允带又分为空带、满带、导带、价带。
◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。
◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。
导带：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。
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。
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。
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n0 Na p0 Nd
n0 Na pa p0 Nd nd
其中，n0:导带电子浓度；p0：价带空穴浓度。nd是施 主中电子密度；Nd+代表离化的施主杂质浓度；pa：受 主中的空穴密度；Na-：离化的受主杂质浓度。
掺杂时为本征载流子浓度
偿，类本征半导体
掺杂浓度大于ni时，杂质 电子浓度才起主要作用
半导体物理与器件
同理利用
p0
ni 2 n0
可推导出空穴浓度为：
p0
Na
2
Nd
Na
2
Nd
2
ni 2
例4.9的结果显示，在非 简并条件下，多数载流 子浓度近似等于掺杂浓
度（非补偿）
例4.10结果显示，在掺 杂浓度和本征载流子浓 度相差不大时，须考虑 本征载流子浓度的影响
Nc 2Nd
1
exp
Ec kT
Ed
1
绝对零度时，所有施主杂质 能级都被电子所占据，导带 无电子。
半导体物理与器件
§4.5 掺杂半导体的载流子浓度
前边讨论了本征半导体的载流子浓度；讨论了施主杂质和 受主杂质在半导体中的表现。定性的给出了杂质在不同温 度下的电离情况，并且定性的知道了载流子浓度和掺杂水 平的相关性。这节我们要具体推导掺杂半导体的载流子浓 度和掺杂的关系。
E Ec dE
Ec
1
exp
E
EF kT
仍然做变量代换
并且定义：
E Ec
kT
F
EF Ec kT
半导体物理与器件
载流子浓度公式变为：
n0
4
2mn*kT h2
3/ 2
1/ 2
d
0 1 exp F
F1/2F
1/ 2
0 1 exp F
d
费米——狄拉克积分
注意当ηF>0时，实际上意味着费米能级已经进入到导带中（简并）。
P91给出了费米积分曲线，利用它可以计算费米积分。 例4.6（E4.8）给出了一个用费米积分计算出的电子浓度。
小于用玻尔兹曼近似计算值 典型的简并半导体电子浓度
半导体物理与器件
与此类似，热平衡状态下的空穴浓度也可以表示为：
其中：
可见，当η’F>0时，实际上也就意味着费米能级已 经进入到价带中。
半导体物理与器件
§4.3 非本征半导体
非本征半导体：掺入定量的特定的杂质原子（施 主或受主），从而热平衡电子和空穴浓度不同于 本征载流子浓度的半导体材料。
掺入的杂质原子会改变电子和空穴的分布。费米能级 偏离禁带中心位置。
掺入施主杂质，杂质电离形成导带电子和正电中心 （施主离子），而不产生空穴（实际上空穴减少）， 因而电子浓度会超过空穴，我们把这种半导体叫做n型 半导体；在n型半导体中，电子称为多数载流子，相应 空穴成为少数载流子。
n0
Nc
exp
Ec kT
EF
p0
Nv
exp
EF
kT
Ev
n0 p0 ni2 Nc NveEg / kT
只要满足玻尔兹曼近似条件，n0p0的乘积亦然为本征载流子浓度 （和材料性质有关，掺杂无关）的平方。（虽然在这里本征载流 子很少）
例4.5直观地说明了费米能级的移动，对载流子浓度造成的影响： 费米能级抬高了约0.3eV，则电子浓度变为本征浓度的100000倍， 空穴浓度的100000000000倍。
半导体物理与器件
高温下的载流子浓度
由于本征载流子浓度ni是温度的强函数，因而随着温度 的增加，ni迅速增大而使得本征激发载流子浓度超过杂 质载流子浓度，这将导致半导体的掺杂效应弱化或消 失。
n0
Nd
2
Na
Байду номын сангаас
Nd
2
Na
2
ni 2
在一个施主杂质浓度为5×14cm-3的半导体材料中，电子 浓度随着温度的变化关系如下图所示，当温度由绝对零 度不断升高时，图中曲线分别经历了杂质冻结区、杂质 部分离化区、杂质完全离化区（非本征激发区）和本征 激发区。
半导体物理与器件
•100K左右杂质即可完 全电离； •非本征区的电子浓度 近似等于掺杂浓度 •随着掺杂浓度的增加， 本征激发区域的温度 会增高
•例4.12 当掺杂为 1.39×1015cm-3时，在 550K的情况下，本征 载流子浓度不超过总 浓度的5%。
低温未完全 电离区
完全电离区 （饱和电离区）
室温条件下n型半导体和p型半导体中杂质的完全电离状态
半导体物理与器件
绝对零度时EF位于Ec和Ed之间，杂质原子处于完全未 电离态，称为束缚态
例4.8的结果表明，即使在零下100度的低温条件下，仍然有
90%的受主杂质发生了电离。这表明完全电离假设在常温条件
附近是近似成立的。
nd nd n0
T 0
1
在具体的应用中，我们往往对电离的杂 质浓度更感兴趣，而不是未电离的部分
半导体物理与器件
完全电离和束缚态
nd
1
Nd
1 2
exp
Ed
EF kT
Nd
Nd
Ed-EF>>kT
nd
Nd
1 2
exp
Ed
EF kT
2Nd
exp
Ed kT
EF
此时对于导带电子来说，波尔兹曼假设成立
n0
Nc
exp
Ec kT
EF
半导体物理与器件
则占据施主能级的电子数和总的电子数（导带中和施 主能级中）的比值为：
nd
2Nd
exp
Ed kT
EF
nd n0
2Nd
exp
Ed kT
EF
Nc
exp
Ec kT
EF
1
1
Nc 2Nd
exp
Ec kT
Ed
exp
Ec kT
Ed
半导体物理与器件
载流子浓度n0、p0的另一种表达方式：
n0
Nc
exp
Ec
EFi ) kT
(EF
EFi
Nc
exp
Ec
kT
EFi
exp
EF EFi
kT
ni
Nc
exp
Ec kT
EFi
同样地：
n0
ni
exp
EF
EFi kT
p0
ni
exp
EF
kT
EFi
例4.11结果显示，对于 非简并完全电离的补偿 半导体，多子浓度等于
有效掺杂浓度。
少数载流子浓度应当根
据 n0 p0 ni2 推导
有效掺杂浓度
Neff Nd Na 或 Na Nd
半导体物理与器件
不同掺杂水平下半导体中多子与少子的数量差别
半导体物理与器件
杂质原子不仅仅增加 了多数载流子浓度， 而且还减少了少数载 流子浓度
非本征区
本征激发区
其中gd为施主电子能级的简并度，通常为2。 Nd为施主杂质的浓度，nd为占据施主能级的电子浓度， Ed为施主杂质能级， Nd＋为离化的施主杂质浓度。
半导体物理与器件
与此类似，当我们将费米－狄拉克分布几率用于受主 杂质能级时，则有：
Na为受主杂质的浓度，pa为占据受主能级的空穴浓度， Ea为受主杂质能级， Na为离化的受主杂质浓度， ga为 受主能级的简并度，对于硅和砷化镓材料来说通常为4
exp
Ed kT
EF
Nc在1019左右，而Ec-Ed为杂质电离能，几十meV，则指数项的数量级 为1/e，因而在掺杂浓度不高（<1017)的情况下，杂质完全电离。例4.7
半导体物理与器件
同样，对于掺入受主杂质的p型非本征半导体材料来说， 在室温下，对于1016cm-3左右的典型受主杂质掺杂浓度 来说，其掺杂原子也已经完全处于离化状态。
半导体物理与器件
完全电离（常温低掺杂）的条件下， nd、pa 都等于零
n0
Na
p0
Nd
n0
Na
ni 2 n0
Nd
n02 Nd Na n0 ni2 0
求解该方程，得到：
在非简并条件下 n0 p0 ni2 关系仍然成立
n0
Nd
2
Na
Nd
2
Na
2
ni 2
根式取正号，因为要求零 掺杂水平相等时，完全补
半导体物理与器件
掺入受主杂质，费米 能级向下（价带）移 动，导带电子浓度减 少，空穴浓度增加
过程：价带电子热激发到 受主能级产生空穴，增加 空穴浓度；导带电子跃迁 到受主能级减少导带电子 浓度；受主原子改变费米 能级位置，导致重新分布
Ec
Ed Ev
半导体物理与器件
载流子浓度n0和p0的公式： 只要满足玻尔兹曼近似条件，该公式即可成立
半导体物理与器件
补偿半导体：同时施有施主掺杂和受主掺杂的半导体称为 补偿半导体。
补偿的涵义：
抬高费
电子
米能级
施主杂质
空穴
施主杂质 施主杂质
本征电子 n0
施主电子
降低费 米能级
施主杂质
未电离施主
Ec Ed 电离施主Nd+
未电离受主
本征空穴
p0
Ea Ev 受主空穴
电离受主Na-
半导体物理与器件
电中性条件
相反，掺入受主杂质，形成价带空穴和负电中心（受 主离子），空穴浓度超过电子，p型，多子为空穴。
半导体物理与器件
掺入施主杂质，费米能级 向上（导带）移动，导带 电子浓度增加，空穴浓度 减少