第六章 半导体器件及其应用
半导体器件物理(三)
GaAs Si
J
E∝V
t
• IMPATTD 的结构考虑
( 如何提高功率和效率? )
电
~
场
①单漂移区 p+nin+→p+nn+→Mnn+; 单漂移区~ 单漂移区 → p+in+ (一般不用: η低, 有电流丝损坏); → Mnνn+. ν ②双漂移区~ p+pnn+ (电场分布如右图) →Mpnn+ . 双漂移区
VB ωt
~ 总电压V = VB + VB e jωt ~ ~
总电场 E
= E0 + E e jωt
~ ~
= J0 + Ja
= J0 + JA e jωt
Ja 比 V 落后相位π/2
~
J0 ωt
2π 3π
总电流J = J0 + J ~ jωt
~
=J0 + ( JA e
)e jφ
J 比 Ja 落后相位θd / 2
9
Z = Rd + Rs + LAC , C = Aε /(W + xA) .
Rs
• 在任意注入初相φ时的漂移区阻抗Zd ：
~ ~ * Zd = Vd / J = Rd + j Xd ,
Rd = { cosφ - cos (φ + θd) } / ω Cd θd φ φ
的关系(下页图)讨论 讨论： * Rd 与 θd 的关系 讨论
.
① φ = 0 时(无注入延迟): Rd > 0 . → 只靠渡越时间效应不能振荡; ② φ = π / 2 时( 势垒注入~ BARITTD ):有一定的负电阻, 在θd = 2700处最大. θ ③ φ = π 时( 雪崩注入~ IMPATTD ): Rd< 0, 在θd ≈ π 时最大 .
电工电子学第二版第六章
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
例:
D2 D1
求：UAB
两个二极管的阴极接在一起 A 取 B 点作参考点，断开二极管， + 分析二极管阳极和阴极的电位。 U
AB
6V
3k 12V
–
B
自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一 定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载 流子便维持一定的数目。
注意： (1) 常温下本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈 好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 （3）相同条件下，本征半导体较一般半导体导电性弱很多。
Si
Si
Si 空穴
Si
价电子
在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填 补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动 （相当于正电荷的移动）称为复合运动。
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流
DB导通
DA导通 均导通
当输入均为同3V时，输出才为3V 当输入有一为0V时，输出为0V 实现了“与”门逻辑
总结：
2、多个二极管连接： 若 共阴极，阳级最高一个先导通
若 共阳级，阴级最低一个先导通
先导通的一个二极管起嵌位作用。
例3限幅作用：R + ui – D + uo –
8V
已知：ui 18sin t V 二极管是理想的，试画 出 uo 波形。
半导体器件与工艺PPT课件
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5
晶胞
在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体 的结构。在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在共有原子。 共有原子非常重要，因为晶胞是通过它们来组成一个紧密连接在一起 的晶格结构的。在金刚石面心立方晶胞中每个角上的原子被8个晶胞 所共有，每个面上的原子被2个晶胞所共有。因此每个面心立方晶胞 包含4个完整原子。
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硅中的晶体缺陷
位错 在单晶中，晶胞形成重复性结构。如果晶胞错位，这种情
况就叫做位错。位错可以在晶体生长和硅片制备过程中的任意 阶段产生。然而，发生在晶体生长之后的位错通常由作用在硅 片上的机械应力所造成，例如不均匀的受冷或受热以及超过硅 片承受范围的应力。
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硅中的晶体缺陷
层错 层错与晶体结构有关，经常发生在晶体生长过程中。滑移
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单晶硅生长—CZ法
坩埚里的硅被拉单晶炉加热，使用 电阻加热或射频（RF）加热线圈。电阻 加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加 热时，它变成液体，叫做熔体。籽晶放 在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起， 它的旋转方向与坩埚的旋转方向相反。 随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体 上的液体会因表面张力而提高。籽晶上 的界面散发热量并向下朝着熔体的方向 凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，
.
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硅片制备
整型处理 ■硅片定位边或定位槽 半导体业界传统上在硅单晶锭上
做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。主定位边标明 了晶体结构的晶向。还有一个次定位边标明硅片的晶向和导 电类型。
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硅片制备
整型处理
■硅片定位边或定位槽 硅片定位边在200 mm及以上的硅片已被定位槽所取代。
第六章III-V族化合物半导体
6-及条件的依据：相图
非凝聚体系相图与凝聚体系相图的差别 非凝聚体系P-T-X相图
GaAs作为重要半导体材料的 主要特征
直接带隙，光电材料 迁移率高，适于制作超高频超高速器件和电路 易于制成非掺杂半绝缘单晶，IC中不必作绝缘
隔离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 Eg较大，可在较高温度下工作 抗辐射能力强 太阳电池，转换率比Si高 Gunn效应，新型功能器件
能带结构：直接带隙 导带中有两个次能谷X，L，与主能谷能量差不大 主能谷中：电子有效质量较小，迁移率较高 次能谷种：电子有效质量大，迁移率小，态密度大， 室温下：电子处于主能谷 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷，迁移率由大→小， 出现：电场增大，电流减小的负阻效应 体效应（电子转移效应），Gunn效应（1963年）
GaAs晶体生长的两个途径
熔体生长：先合成1:1的化合物熔体然后直
接由熔体中生长其单晶 溶液生长：由某一组分的溶液中生长化合 物晶体（常以III族元素作溶剂）
对Ga-As体系精细相图
GaAs在加热时发生的一些可逆反应 熔体生长的GaAs晶体一般含有较多的Ga空
位
GaAs的物理、化学性质
暗灰色，有金属光泽 其晶格常数随T及化学计量偏离有关，
a（富As）<a（富Ga） 室温下对H2O和O2是稳定的 大气中600℃以上开始氧化 真空中800 ℃以上开始离解 与盐酸×与浓硝酸∨易溶于王水
GaAs的能带结构与Gunn效应
GaAs能带结构和Gunn效应
第六章 III-V族化合物半导体
IIIA元素：B 、Al、Ga、In
VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs InP GaSb InSb InAs 原子序数之和：由小→大 材料熔点：由高→低 带隙宽度：由大→小
69第6章3_半导体器件物理EM3模型
半导体器件物理(1)半导体器件物理(I)在E-M2模型基础上进一步考虑晶体管的二阶效应，包括基区宽度调制、小电流下复合电流的影响、大注入效应等，就成为E-M3模型.第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)1.基区宽度调制效应(Early 效应)按照器件物理描述的方法，正向放大应用情况下，采用正向Early 电压V A （记为VA ）描述c’-b’势垒区两端电压Vc’b’对有效基区宽度X b 的影响，进而导致I S 、βF 等器件特性参数的变化。
同样引入反向Early 电压（记为VB ）描述反向放大状态下Ve’b’的作用。
第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)考虑基区宽变效应引入两个模型参数：正向Early 电压VA反向Early 电压VB这两个模型参数的默认值均为无穷大。
若采用其内定值，实际上就是不考虑基区宽度调制效应。
考虑基区宽变效应等效电路并不发生变化。
第6章BJT模型和BJT版图1.基区宽度调制效应(Early 效应)6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)小电流下正偏势垒区存在的复合和基区表面复合效应使基极电流增大。
引入下述基区复合电流项描述正向放大情况下be 结势垒区的影响：I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]反向放大情况下引入下述基区复合电流描述bc 结势垒区的影响：I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]相当于等效电路中I B 增加两个电流分量。
2.小电流下势垒复合效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型四、E-M3模型2.小电流下势垒复合效应的表征半导体器件物理(I)半导体器件物理(I)I 2＝I SE [exp(qV b’e’/Ne kT)-1]I 4＝I SC [exp(qV b’c’/Nc kT)-1]新增4个模型参数：ISE (发射结漏饱和电流)ISC (集电结漏饱和电流)NE (发射结漏电流发射系数)NC (集电结漏电流发射系数)第6章BJT模型和BJT版图2.小电流下势垒复合效应的表征6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I )正向放大情况下，大注入效应使I CC 随be 结电压的增加趋势变慢，为此只需将I CC 表达式作下述修正，等效电路无需变化：I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)反向放大情况下，考虑大注入效应，I EC 随与bc 结电压关系作如下修正：I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)3.大注入效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)I CC =I S [exp(eV b’e’/kT)-1]/[1+(I S /I KF )exp(eV b’e’/2kT)](1/2)I EC =I S [exp(eV b’c’/kT)-1]/[1+(I S /I KR )exp(eV b’c’/2kT)](1/2)考虑大注入效应，新增两个模型参数：IKF ：表征大电流下正向电流放大系数下降的膝点电流IKR ：表征大电流下反向电流放大系数下降的膝点电流3.大注入效应的表征第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M 模型四、E-M3模型半导体器件物理(I)第6章BJT模型和BJT版图6-1 E-M模型五、讨论1.默认值为0或者无穷大的模型参数E-M2模型中有14个模型参数以及E-M3模型中的ISE和ISC两个参数的默认值均为0。
6. 第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
上式反映，无论电子还是空穴，非平衡载流子越多， 准费米能级偏离EF就越远。
EC EFn EFn EF EFn Ei n N C exp( ) n0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T EFp EV EF EFp Ei EFp p N v exp( ) p0 exp( ) ni exp( ) k0T k0T k0T
EC EF n0 N C exp( ) k0T EF EV p0 NV exp( ) k0T
半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的 费米能级。
引入 导带费米能级 价带费米能级
准费米能级
电子准费米能级(EFn) 空穴准费米能级(EFp)
引入准费米能级，非平衡状态下的载流 子浓度用与平衡载流子浓度类似公式表达
6.4.1 直接复合
直接复合：导带的电子直接落入价带与空穴复合 EC 复合 EV
EC
产生 EV
由于热激发等原因，价带中的电子有一定概率跃 迁到导带中去，产生一对电子和空穴。
1 复合率和产生率 复合率R（复合速率)有如下形式 R=rnp
比例系数r称为电子-空穴复合概率(直接复合系数)。 而 产生率=G
nen pe p pe(n p )
光导开关：超宽带反隐形冲击雷达，高功率脉冲点火系
统，瞬间辐射电磁武器，电子干扰与电子对抗等军事领域
2、非平衡载流子的复合
撤除产生非平衡载流子的外部因素后（停 止光照、外加电压，辐照等），系统将从非平 衡态恢复到平衡态，即电子-空穴对成对消失 的过程，即为非平衡载流子的复合。
h Eg
△n和△p就是非平衡载流子浓度， 也 叫过剩载流子。 △n称非平衡多子， △p为非平衡少子（p型相反）。
半导体器件物理重要知识点PPT
第八章 半导体太阳电池和光电二极管
掌握提高提高太阳电池效率的主要措施。 了解光电二极管的工作原理。
了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。
了解P-I-N光电二极管中。 掌握概念：量子效率、响应度、响应速度。
列出光电二极管与太阳电池的三个主要不同之处。
第八章 发光二极管
第三章 双极结性晶体管
了解晶体管的基本结构及其制作工艺。
掌握四个概念：注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共
发射极电流增益
了解典型BJT的基本结构和工艺过程。 掌握BJT的四种工作模式。 画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。
分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。
掌握概念：表面势、热电子、热载流子二极管、里查森常数、有效里查森
常数。 导出半导体表面载流子浓度表达式。 导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼方程〕。 了解MIS肖特基二极管工作原理。 掌握结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 了解肖特基势垒二极管的主要应用。
掌握欧姆接触概念和形成欧姆接触的条件。
掌握辐射复合和非辐射复合的概念和机制。
了解LED基本结构、工作过程和特性参数，了解各种不同类型LED。
理解等电子陷阱复合，解释等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光 效率的原因。
解释各种俄歇过程。
画出能带图说明LED的发光机制。 掌握LED外量子效率和内量子效率概念。
掌握阈值电压公式。
了解在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系统存在的电荷及其主要性质。 掌握实际阈值电压的公式及各项的意义。 导出萨支唐方程。 理解夹断条件的物理意义。
金属半导体(MS)接触
φM，半导体的功函数为φS，亲和势为χ
热平衡情形下，M和S之间电子的运动达到动态平衡。 热平衡时，电子从1到2（F1→2）和从2到1（F2 → 1 ）的 流量应该相等,即 F1 → 2＝F2 → 1 fD1g1(1－fD2)g2＝fD2g2(1－fD1)g1 fD1= fD2 则 Ef1＝Ef2
其中fD1和fD2为电子的费米分布函数，g1和g2为电子的态密度
qφ B = q (φ M − χ )
qφi = qφ B − (EC − E f ) = q(φM − φS )
§6.1 金属/半导体接触
6.1.4 理想肖特基（Schottky）势垒 半导体表面电子的再分布和半导体表面势的形成，与金属的 功函数相关。M/S之间形成的肖特基势垒通常会形成如下图 所示的特征。
§6.1 金属/半导体接触
6.1.2 M/S接触的形成 M/S结构通常是通过在干净的半导体表面淀积金属而 形成。利用金属硅化物（Silicide）技术可以优化和 减小接触电阻，有助于形成低电阻欧姆接触。
§6.1 金属/半导体接触
6.1.3 理想M/S接触的平衡能带图 1. 热平衡条件：形成统一的费米能级，即Ef = Const 在前面的讨论中，我们已经说明，任意半导体系统 在达到热平衡时，费米能级在空间范围内保持平直， 即Ef＝常数。相关的能带图特征，在非均匀掺杂的半 导体系统（PN结）中已有演示。这一法则在两种不同 类型的材料接触形成的系统中仍然适用。 考虑两种材料：金属（M）与半导体（S）形成接触 ，设其各自费米能级分别为Ef1和Ef2。金属的功函数为
6.3.2偏置的肖特基二极管的电容特性 外加偏置为VA时，耗尽区上有：
Q = A 2 qε Si N d (φ i − V A )
半导体器件物理 教案 课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。
中等职业学校半导体专业教学指导方案公开课教案教学设计课件资料
中等职业学校半导体专业教学指导方案公开课教案教学设计课件资料第一章：半导体基础知识1.1 半导体材料的特性介绍半导体材料的种类（硅、锗等）解释半导体的电导特性及其原因讨论半导体的能带结构1.2 半导体器件的基本原理介绍PN结的形成及特性解释二极管、晶体管等半导体器件的工作原理探讨半导体器件的应用领域第二章：半导体器件的制造工艺2.1 晶圆制造工艺介绍晶圆的生长、切割和抛光过程解释光刻、蚀刻等基本工艺步骤探讨晶圆制造中的质量控制和成本效益2.2 半导体器件的结构与制造分析不同类型半导体器件的结构特点讨论半导体器件的制造工艺流程探讨半导体器件制造中的关键技术问题和解决方案第三章：半导体集成电路3.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的分类（模拟、数字、混合信号等）解释集成电路的优点及其在电子技术中的应用探讨集成电路的发展趋势3.2 集成电路的制造工艺分析集成电路的制造工艺流程讨论集成电路制造中的关键工艺步骤和技术难题探讨集成电路制造的挑战和发展方向第四章：半导体材料与器件的测试4.1 半导体材料测试介绍半导体材料的电学、光学和结构性质测试方法分析半导体材料测试中的关键参数及其意义探讨半导体材料测试的实验操作技巧4.2 半导体器件测试分析半导体器件的电学性能测试方法讨论半导体器件测试中的关键参数及其评价标准探讨半导体器件测试的实验操作技巧和测试设备的选择第五章：半导体应用技术5.1 半导体器件在电子设备中的应用分析半导体器件在各种电子设备中的应用实例讨论半导体器件在电子设备中的性能优势及其作用探讨半导体器件在新型电子设备中的应用前景5.2 半导体集成电路在电子产品中的应用介绍半导体集成电路在各种电子产品中的应用实例分析半导体集成电路在电子产品中的性能优势及其作用探讨半导体集成电路在新型电子产品中的应用前景第六章：半导体器件的应用与设计6.1 半导体二极管的应用与设计介绍二极管的特性及应用领域学习二极管的基本电路及其应用电路设计探讨二极管在现代电子技术中的重要作用6.2 半导体晶体管的应用与设计解释晶体管的工作原理及其特性学习晶体管的基本电路及其应用电路设计探讨晶体管在现代电子技术中的重要作用第七章：半导体集成电路设计7.1 模拟集成电路设计介绍模拟集成电路的基本概念及其设计流程学习模拟集成电路中的关键模块设计探讨模拟集成电路在现代电子技术中的应用7.2 数字集成电路设计介绍数字集成电路的基本概念及其设计流程学习数字集成电路中的关键模块设计探讨数字集成电路在现代电子技术中的应用第八章：半导体器件的封装与组装8.1 半导体器件的封装介绍半导体器件封装的基本概念及其类型学习封装技术的发展及其在半导体器件中的应用探讨封装技术在半导体器件性能提升中的作用8.2 半导体器件的组装介绍半导体器件组装的基本概念及其流程学习半导体器件组装技术及其应用探讨组装技术在半导体器件性能提升中的作用第九章：半导体技术的未来发展9.1 新型半导体材料的研究与发展介绍新型半导体材料的研究现状及其发展前景学习新型半导体材料在电子技术中的应用探讨新型半导体材料对电子技术发展的影响9.2 半导体器件技术的创新与发展介绍半导体器件技术的创新及其发展前景学习半导体器件技术在电子技术中的应用探讨半导体器件技术对电子技术发展的影响第十章：半导体产业的现状与发展趋势10.1 半导体产业的现状分析全球半导体产业的分布及其竞争格局学习我国半导体产业的发展现状及其挑战探讨半导体产业的发展策略及其政策环境10.2 半导体产业的发展趋势分析半导体产业的发展趋势及其影响因素学习半导体产业的技术发展趋势探讨半导体产业在未来的发展方向及其机遇重点和难点解析一、半导体基础知识重点和难点解析：半导体的电导特性及其原因，能带结构的理解。