半导体器件原理 第二章.4
半导体器件的原理和应用
半导体器件的原理和应用近年来，随着信息技术的飞速发展，半导体器件逐渐成为支撑现代社会的重要组成部分。
从智能手机到电子游戏机，从电脑到工业自动化，半导体器件的应用范围越来越广泛，其快速的发展也为人们的生活带来了极大的便利。
半导体器件的原理半导体器件是一种能够控制电流的电子元器件，它们的原理基于半导体物理学。
半导体物理学的核心是固体中电子和空穴的扩散，其基本原理和经典电动力学不同。
在半导体中，电子和空穴处于不同的能级上，而且互相之间也会发生相互作用。
这使得电子和空穴在半导体中无法像在金属中那样自由运动。
半导体器件通过控制这些电子和空穴的行为来控制电流的流动。
具体而言，半导体器件可以通过引入掺杂（即将另一种物质添加到半导体中）来改变半导体中电子和空穴的数量和能级分布，以及控制半导体的电阻和导电性。
此外，半导体器件中常常还包含了能够在电场或电压下工作的微小电容器和微型电感器等，并通过将它们与控制晶体管相结合，从而实现了电子设备中的各种功能。
半导体器件的应用半导体器件在通信、信息处理、能源、军事、航天、工业控制等领域发挥着深远的影响。
下面我们将分别介绍几种常见的半导体器件及其应用：1. 整流器整流器是一种将交流电（AC）变成直流电（DC）的装置，其原理是利用半导体器件的电流单向导电特性。
整流器广泛应用于电源、无线电、反向深度充电等领域。
2. 逆变器逆变器是一种将直流电转换成交流电的器件，广泛应用于交流电动驱动器、升压电源、电网与太阳能等电力系统。
3. 晶体管晶体管是半导体器件中最重要的器件之一，它是从真空管器件机械框架中发展出来的。
晶体管的应用范围非常广泛，包括各种计算机、音频设备、消费类电器和通信设备，以及电子储存器等领域。
此外，晶体管还被广泛地用于模拟电路和数字电路中。
4. 光电器件光电器件使用半导体材料的光电效应来将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。
光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电晶体管和光伏电池等，广泛应用于光通信、光电子计算、显示器和太阳能电池等领域。
第二章 半导体二极管及其应用
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图2-12 双向限幅电路
开关作用 电子开关电路。在自动化控制电路和数字电路中有广泛地应 用。电子开关比机械开关的开关速度快得多，可达一秒钟上万 次，且无触点的颤动引起的火花，安全可靠。 图2-13所示的两个电路。
我们将在下一节详细讨论。
2. 检波 通常，无线电波中含有复杂的多种频率成分， 调幅收音机必须从中挑选出需要的音频信号， 为此要设置检波电路。半导体二极管检波电 路如图2-11所示。其中VD是检波二极管，C1 是高频滤波电容，R是检波电路负载电阻， C2是与下一级电路的耦合电容。
ui 调频 信号 VD C1
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 S p+ Si 子 电方式，称为电子半导体 i 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
二极管电路定性分析
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
N型半导体和 P 型半导体
半导体材料--第二章元素半导体
所谓“硅跳”，是指熔硅在坩埚内象沸腾 似地跳动或溅出坩埚外。容易出现“硅跳”的 几个主要情况如下：
① 多晶硅有氧化夹层或严重不纯， ② 熔化后温度过高， ③ “塔桥”。
2．硅单晶的拉制工艺过程 直拉硅单晶过程中有如下几个工序：熔接籽晶、
引晶 、缩颈、 放肩 、等径生长 和收尾。 如图4-14所示。
工业硅的纯化最常用的方法是酸浸法（酸 洗）。即当硅凝固时，多数杂质（Fe、Al、C、 B、P、Cu等）离析在晶粒周围，这些杂质往往 呈硅化合物或硅酸盐状态,一般都可用酸溶解。
只有少数杂质如碳化硅、氧化铁不溶。而硅则 不溶于酸中，为此可采用酸浸法纯化工业硅、故 称化学提纯。酸浸法所用酸有：盐酸、硫酸，王 水、氢氟酸及其不同组合的混合酸。
单晶硅棒材料(见硅材料图1、图2） 加工成硅片可用来制作各种类型的半导体器件 (图3、图4)
单晶
多晶
多晶硅是生产制备单晶硅的原材料，多晶硅 经提纯后，纯度可高达9个 “9” ，甚至更纯 （见多晶硅图）。现在首先介绍高纯多晶硅的制 备。
§ 2-1 多晶硅的制备
多晶硅制备方法及工艺流程，如图4-1所示。
二、四氯化硅（SiCl4）的制备
制备四氯化硅的方法很多，工业上主要采用工业 硅与氯气合成方法。其反应式
Si 2Cl2 400 50 0c SiCl4 Q(放热)
三、三氯氢硅（SiHCl3）的制备
工业硅经氯化氢处理即可得到三氯氢硅。其反 应原理如下：
Si 3HCl 280~300c SiHCl3 50.0kcal / mol
四、精馏提纯
在粗三氯氢硅中，含有杂质如硼、磷、钛、 铁、铜等的氯化物。提纯的目的就是要最大限 度地除去这些杂质。三氯氢硅多用筛板精馏塔 进行提纯。下面我们介绍精馏原理。
半导体光电器件的原理和性能分析
半导体光电器件的原理和性能分析半导体光电器件是一种将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的器件。
随着光通信、激光雷达、激光制造等技术的快速发展，半导体光电器件也得到了广泛的应用。
本文将探讨半导体光电器件的原理和性能分析。
一、半导体光电器件原理半导体光电器件是基于半导体PN结、P-i-N结和MIS结构的器件。
其中，PN结是最简单、最常见的一种结构。
PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
P型半导体中存在大量的空穴，N型半导体中存在大量的自由电子。
在PN结中，因为P型半导体和N型半导体之间的电子互相扩散，形成了空间电荷区，即耗尽层。
这个耗尽层中，不仅不存在任何载流子，而且还存在一个内建电场，使得PN结的两侧产生电势差。
当光照射PN结时，能量被光子吸收，激发载流子。
如果光的能量大于材料的能隙，那么光就能产生免费电子和空穴对。
当这些免费电子和空穴穿过PN结的耗尽层时，就会因为内建电场的作用而分别向P型半导体和N型半导体移动。
这样，就形成了电流，即光电流。
除了PN结以外，P-i-N结和MIS结也被广泛应用于半导体光电器件中。
P-i-N结是在PN结的两端分别接了一个i型半导体的结构。
这样，相比于PN结，P-i-N结中的耗尽层更宽，响应速度更慢，但掺杂浓度更小，易于制作。
MIS结是将半导体与绝缘体摆放在一起，通过反漏电流来实现光电转换。
二、半导体光电器件性能分析半导体光电器件的性能取决于产品设计、材料选择、制造工艺等多个因素。
以下是对几个最为重要的性能参数的介绍。
1. 器件灵敏度器件灵敏度是指光电转换效率，即输入的光功率和输出的电流之间的比例关系。
灵敏度越高，光电转换效率越高，器件的性能越好。
灵敏度受到电子、空穴的寿命、载流子结合率、光衰等因素的影响。
通常，半导体光电器件的灵敏度随着光波长的增加而增强，随着工作温度的上升而降低。
因此，在进行器件选择时，需要根据实际应用的光源波长和工作温度，选择灵敏度较高的器件。
国科大-半导体器件物理
国科⼤-半导体器件物理第⼀章半导体物理基础1.主要半导体材料的晶体结构。
简单⽴⽅(P/Mn)、体⼼⽴⽅(Na/W)、⾯⼼⽴⽅(Al/Au)⾦刚⽯结构：属⽴⽅晶系，由两个⾯⼼⽴⽅⼦晶格相互嵌套⽽成。
Si Ge闪锌矿结构（⽴⽅密堆积），两种元素，GaAs, GaP等主要是共价键纤锌矿结构（六⽅密堆积），CdS, ZnS闪锌矿和纤锌矿结构的异同点共同点：每个原⼦均处于另⼀种原⼦构成的四⾯体中⼼，配种原⼦构成的四⾯体中⼼，配位数4不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，⽽纤锌矿上下相对2.⾦属、半导体和绝缘体能带特点。
1）绝缘体价电⼦与近邻原⼦形成强键，很难打破，没有电⼦参与导电。
能带图上表现为⼤的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电⼦激发到导带。
2）半导体近邻原⼦形成的键结合强度适中，热振动使⼀些键破裂，产⽣电⼦和空⽳。
能带图上表现为禁带宽度较⼩，价带内的能级被填满，⼀部分电⼦能够从价带跃迁到导带，在价带留下空⽳。
外加电场，导带电⼦和价带空⽳都将获得动能，参与导电。
3）导体导带或者被部分填充，或者与价带重叠。
很容易产⽣电流3.Ge, Si，GaAs能带结构⽰意图及主要特点。
1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在⼀条竖直线上2）导带底电⼦有效质量为正，带顶有效质量为负3）有效质量与能带的曲率成反⽐，导带的曲率⼤于价带，因此电⼦的有效质量⼤；轻空⽳带的曲率⼤，对应的有效质量⼩4.本征半导体的载流⼦浓度，本征费⽶能级。
5.⾮本征半导体载流⼦浓度和费⽶能级。
<100K 载流⼦主要由杂质电离提供杂质部分电离区(凝固区) 。
100~500K，杂质渐渐全部电离，在很⼤温度范围内本征激发的载流⼦数⽬⼩于杂质浓度，载流⼦主要由掺杂浓度决定。
饱和电离区。
>500K，本征激发的载流⼦浓度⼤于掺杂浓度，载流⼦主要由本征激发决定。
本征区。
6.Hall效应，Hall迁移率。
半导体器件的工作原理
半导体器件的工作原理※预备知识：本征半导体：其实就是指硅，锗等半导体。
本征半导体中是靠自由电子和空穴（正电荷）来导电的，自由电子和空穴在本征半导体中的浓度是相等的。
杂质半导体：再本征半导体中加入杂质元素就成为杂质半导体。
例如在硅中加入五价元素就将形成N（负英文字母的字头）型杂质半导体，如果加入三价元素就将形成P（正英文字母的字头）型杂质半导体。
N型杂质半导体的导电性能由自由电子决定，P型杂质半导体的导电性能由空穴决定。
载流子：空穴和自由电子都是半导体中的载流子，在N型杂质半导体中自由电子为多数载流子（因为自由电子的浓度要远大于空穴）。
P型杂质半导体中空穴是多数载流子。
扩散运动：载流子从浓度高的地方向浓度低的地方运动叫扩散运动。
漂移运动：载流子在电场作用下的运动叫漂移运动。
可以想象空穴和自由电子在电场作用下运动方向正好相反。
最后半导体内如果有两个地方的载流子浓度不一样将导致这两个地方出现电位差。
未完待续。
本征半导体的导电原理：以硅晶体为例，硅最外层电子有四个，它们和临近的硅原子的外围电子形成四个共价键。
硅晶体再绝对零度以上时，硅原子的原子核就会不断振动，从而发出电磁波。
外围电子如果从这种电磁波中得到足够的能量，就会从共价键中挣脱出来成为自由电子，同时也会让共价键形成一个空位（就是上面所说的空穴），所以自由电子和空穴在本征半导体中是成对产生的，它们的浓度是相等的（产生空穴和自由电子的过程叫本征激发）。
当空穴形成以后，它就有可能被临近共价键的价电子填补，从而使空穴移动。
如果对本征半导体加上电压，自由电子向正极移动（最后被正极抽走），空穴就向负极移动（和负极供应的电子复合），于是电流产生啦！但是这种本征半导体的导电性能在常温下是很弱的。
杂质半导体的结构：以P型杂质半导体为例，由于三价元素的加入，硅原子的价电子就只能形成三个共价键，这样一来就空了一个价电子，硅的这个价电子受到的束缚较强所以很难成为自由电子，相反这个价电子会从相邻的共价键得到电子组成新的共价键，这样一来就会形成大量的空穴（即有许多硅的共价键缺少电子）和三价元素形成的负离子。
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：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
功率半导体器件工作原理
流。因此两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig 流入时就会形成强烈
的正反馈，造成两晶体管饱和导通，即晶闸管饱和导通。
设 PNP 管和NPN 管的集电极电流相应为IC1和IC2，发射极电流相应为Ia 和Ik，电
流放大系数为α1＝IC1 / Ia，α2＝ IC2 / Ik，并设J 流过J2结的反向漏电流为Ico。
电力电子事业部
릦싊냫떼쳥웷볾릤ퟷ풭샭
1．基本开关过程： 功率半导体器件除极少数特殊应用情况外，其余绝大多数都是应用在开关状态
下。应用在所有这些电力电子线路总的器件，它们的基本原理和工作方式都是相同的， 我们所有对半导体器件和应用电力电子线路的研究，都是要使其尽可能的工作在低损 耗状态。也就是说应使器件工作在开关状态。这是因为器件工作在开关状态时，其工 作状态是最佳的，通态损耗是最小的。
施加正向电压时，它具有阻断和导通两个稳定的工作状态。由图1－2 所示的电流－
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电力电子事业部
电压特性曲线可以看出，它有一个阻断区和一个导通区。这一特性可以用于电流的接 通和关断。
为了使晶闸管由阻断状态变为动态状态，两种途径，其一，使用脉冲电流使其通过门极而加于两个 中间区的一个来实现。其二，不断的提高阳极电压，使其超过转折电压（UBO）。
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电力电子事业部
2.1.2.开通条件
首先我们来讨论这两个晶体管在满足怎样的条件下才能使晶闸管导通。晶闸管是
一种四层三端器件，它有J1，J2，J3三个PN结，如图1－4 所示。前已述及，当晶闸
管承受正向电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN 结J2结失去阻断作
用。图1－4c清楚的表明：每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电
《半导体器件 》课件
半导体器件的重要性
01
电子工业基础
半导体器件是现代电子工业的基础，广泛应用于 通信、计算机、家电等领域。
02
信息时代的核心
随着信息时代的到来，半导体器件在信息传输、 处理和存储等方面发挥着核心作用。
半导体器件的历史与发展
01 晶体管的发明
20世纪40年代，晶体管被发明，标志着半导体技 术的起步。
能源系统中的应用
能源系统是半导体器件应用的另一个领域，包括太阳能电池、风力发电系统、智能电网等。半导体器 件在能源系统中发挥着关键作用，如太阳能电池板、功率半导体等，用于实现能源的转换和智能控制 。
例如，太阳能电池板利用半导体的光电效应将太阳能转换为电能。功率半导体则用于控制和调节电力 系统的功率和能量传输，实现节能和智能控制等功能。
描述原子的结构以及电子的能级分布，解释半 导体的基本组成。
晶体结构
介绍半导体的晶体结构，包括单晶、多晶和无 定形晶体。
热平衡状态下的电子分布
解释在热平衡状态下，电子在半导体中的分布情况。
半导体的导电特性
01
本征半导体与非本 征半导体
区分本征半导体与掺杂半导体的 导电特性。
载流子输运
02
03
PN结的形成与特性
制程技术
总结词
制程技术是半导体器件制造中的关键环节， 通过光刻、刻蚀、掺杂等制程步骤，将设计 好的电路图案转移到半导体衬底上，形成具 有特定功能的电路。
详细描述
制程技术包括光刻、刻蚀、掺杂等关键步骤 。光刻是将设计好的电路图案转移到光敏材 料上的过程，刻蚀是将光刻图案转移到半导 体衬底上的过程，掺杂是通过化学或物理方 法将杂质引入半导体中，改变其导电性能的 过程。这些制程步骤的精度和一致性对于保
半导体器件物理(第二版)第二章答案解析
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2TV V i np n e=导出)(n n x p 表达式。
给出N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的)(n n x p 表达式。
解：在n x x =处 ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫⎝⎛-=KT E E n x n KT E E n x p i Fn in n FP i i nn exp exp()()VT V i Fp Fn i n n n n e n KT E E n x n x p 22exp =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 而()()()000n n n n nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+∆≈∆=+∆=+ （n n n p ∆=∆）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=∆+⇒=∆+2001TV V n i n n n p n p e n n ⎛⎫⇒+=⎪⎝⎭ T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为一般结果)小注入：（0n n n p <<∆）T TV V n V V n i n e p e n n p 002== ()002n n i p n n =大注入： 0n n n p >>∆ 且 n n p p ∆= 所以 TV V ine n p 22=或 TV Vi n en p 2=2-2．热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程20lniad T p n n N N V =-=ψψψ。
解：净电子电流为()n nn nI qA D n xμε∂=+∂处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为d dxψε=-所以nnd nn D dx xψμ∂=∂，又因为n T n D V μ=（爱因斯坦关系） 所以dn nV d T=ψ， 从作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=2-3．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V 作用下，PN 结N 侧空穴扩散区准费米能级的改变量为qV E FP =∆。