第1讲 绪论和PN结2013
基础电子技术 课件 1.2 PN结
HIT基础电子技术电子教案----PN结
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
空穴
多子
少子
图01.02.01 PN结的形成
漂移电流的方向正好 与扩散电流的方向相反， 扩散运动越强，内电场越 强，对扩散运动的阻碍就 越强；内电场越强，理应 漂移电流就越大。因为少 数载流子的浓度由本征激 电子 发确定，在一定的温度条 件下 是一定的。而漂移电 流由少子构成，所以，漂
HIT基础电子技术电子教案----PN结
1.2.2.2 PN结加正向电压时的导电情况
PN结加正向电压时的导电情况如图01.02.04所示。
Ｐ
PN结
N
内内电电场场
外电场
R
IF
E
图01.02.04 PN结加正向电压
外加的正向电压大部分降落在PN结区，方向与PN结内 电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子 扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移 电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
HIT基础电子技术电子教案----PN结
P
N
内电场
漂移电流 扩散电流
空穴 电子
多子
空穴
少子
图01.02.01 PN结的形成
多子扩散的结果，在 交界面处由杂质离子形成 了空间电荷区，产生了内 电场，其方向由N区指向P 区。这个空间电荷区，或 内电场称为PN结。
内电场的形成将阻止 扩散运动的进一步发展， 电子 同时内电场对少子施加电 场力，促使少子产生漂移 运动，形成漂移电流，其 方向由N区到P区。
电源正极 发光二极 管发光
图01.02.02 PN结单向导电性实验(正向）
HIT基础电子技术电子教案----PN结
pn结
（2）对于给定的掺杂浓 度，VBR随二极管中半导 体的禁带宽度而增加。
引起击穿的两种物理机制：雪崩倍增和齐纳过程
雪崩倍增 原因：碰撞电离 并非在VA=-VBR处 突然出现雪崩击穿。 而是在远低于击穿 电压时，部分载流 子能够有机会获得 足够的能量来产生 碰撞电离。引入倍 增系数M。
M I I0
P162页：5.9 一个pn结二极管，其掺杂分布参见图p5.9，且满足公式
N D N A N0[1 exp(ax)]
，其中N0和a为常数。
(a) 简要地描述出耗尽近似。 (b) 根据耗尽近似，画出二极管内电荷密度示意图。 (c) 建立耗尽层内电场的表达式。
(1) 在耗尽层内，净电荷正比于ND-NA 在耗尽层外，净电荷为0 (3)
2
D n dp J p ( x' ) qDP q P i (e qVA / kT 1)e x '/ LP dx' LP N D
J J N ( x p) J P ( x xn )
DN ni 2 DP ni 2 qV A / kT I AJ qA 1 L N L N e A P D N
问：下图是室温下一个pn结二极管内的稳态载流子浓度 图，图上标出了刻度。 （a）二极管是正向还是反向偏置？并加以解释。 （b）二极管准中性区域是否满足小电流注入条件？请解 释你是如何得到答案的。 （c）确定外加电压VA。 （d）确定空穴扩散长度LP。
练习：有一个常用的经验估计数字，即pn结正向压降 每增加0.06V，正向电流要增加10倍，而正向电流增加 1倍，pn结正向电压要增加18mV，试解之。
1、pn结结构
制备pn结二极管的主要工艺步骤简图
第五章-P-N结
3点—隧道电流 减少,出现ห้องสมุดไป่ตู้阻
4点--隧道电流等 于0
5点—反向电流 随反向电压的 增加而迅速增 加
§ 5 p-n结的光生伏特效应
(1) p-n结的光生伏特效应 (2) 光电池的伏安特性
★ p-n结的光生伏特效应
适当波长的光, 照射到非均匀半导体上,由 于内建场的作用,半导体内部可以产生电 动势(光生电压)--光生伏特效应是内建场 引起的光电效应.
—当p-n结上外加电压变化，势垒区的 空间电荷相应变化所对应的电容效应. ♦当p-n结上外加的正向电压增加，势垒
高度降低空间电荷减少
♦当p-n结上外加的反向电压增加，势垒
高度增加空间电荷增加
图6-19(c)
②扩散电容 CD —当p-n结上外加电压变化，扩散区的
非平衡载流子的积累相应变化所对应的 电容效应.
♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体
同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结
♦由两种不同的半导体单晶材料组成的 结—异质结
工艺简介: ♦ 合金法—合金烧结方法形成pn结
♦ 扩散法—高温下热扩散,进行掺杂
♦离子注入法—将杂质离子轰击到半导体基片 中掺杂分布主要由离子质量和注入离子的能量 决定（典型的离子能量是30-300keV,注入剂量 是在1011-1016离子数/cm2范围），用于形成浅 结
击穿机理:
♦雪崩击穿—强电场下的碰撞电离, 使载
流子倍增
♦隧道击穿—大反向偏压下, 隧道贯穿使
反向电流急剧增加
♦热电击穿—不断上升的结温, 使反向饱
和电流持续地迅速增大
§ 3 p-n结电容
(1) 电容效应 (2) 突变结的空间电荷区 (3) 突变结势垒电容 (4) 扩散电容
第二章 PN结 (2)
(2)反向PN结中载流子的运动
jp
1、反向电流很小 2、在少子扩散长度内有扩散和 产生 3、反向电流趋于不变
jn
Ln
Lp
2.2.3 非平衡PN结的能带图
（1）正偏
（2）反偏
2.2.4、V-I 特性方程
1、理想PN结模型
（1）小注入。即注入的非平衡少数载流子浓度远 低于平衡多子浓度,即掺杂浓度。 （2）外加电压全部降落在势垒区，势垒区以外为 电中性区。 （3）忽略势垒区载流子的产生-复合作用。通过势 垒区的电流密度不变。 （4）忽略半导体表面对电流的影响。 （5）只考虑一维情况。
由杂质离子形成 空间电荷区
内建电场促使 少子漂移 内建电场阻止 多子扩散
多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.1.2、空间电荷区
N
基本概念：
XN
XP
P
空间电荷区XM
空间电荷 空间电荷区
2.1.3、平衡PN结能带图 （没有外加偏压）
空间电荷区
P
xp
电势
内建电场
N
xn
形成PN结前
VD
电子势能 能带
J J D J RG qLn
np0
n
e
qVF kT
ni 2 kT qxm e 2
qV F
2.3.11
讨论： ①势垒区复合电流随外加电压的增加比较缓慢，例如外加电压 增加0.1V，正向注入电流可增加50倍，而势垒区复合电流只增 加7倍，因此只有在比较低的正向电压，或者说比较小的正向电 流时，空间电荷区复合电流才起重要作用； ②势垒区复合电流正比于ni ，而正向注入的扩散电流却正比于 ni2，所以ni 越大，复合电流的影响就越小。硅的本征载流子浓 度比锗小，在小电流范围内复合电流的影响就必须考虑，它是 使硅晶体管小电流下β下降的原因。
课件：第二章 PN结
2.1 热平衡（无偏压） Байду номын сангаасN结
二、电场和电势分布：
（2）电势分布：
P型电 中性区
qNd
N型电 中性区
（ii）P区耗尽层： (xp x 0)
d (x)
dx
(x)
q Na
s
(x
xP ),
-xp
xn
x
-qNa
耗尽区
(x) (x)dx
q Na
s
(x
xP
)dx
q Na
2 s
(x
xP )2
中性区耗尽区 耗尽区 中性区 x
即：(xn )
q Nd
s
x n C2
0，
C2
q Nd
s
xn
-xp
0
xn
(x)
qNd
s
( xn
x),
(xn x 0)
(2 115)
qNa xP s
qNd xn s
电场分布图
2.1 热平衡（无偏压） PN结
二、电场和电势分布：
（1）电场分布：
P型电 中性区
qNd
qNd
（2）静电势法： 取费米势为电势能的零点。
-xp
-qNa
N型电
中性区
xn
x
n0 ni exp /VT (110 9) p0 ni exp /VT (11010)
边界区 耗尽区 边界区
N型电中性区：
P型电中性区：
n
VT
ln
n ni
VT
ln
Nd ni
,
(2 1 6)
p
VT
ln
p ni
2.1 热平衡（无偏压） PN结
第五章-PN-结PPT课件
降低温度，熔融体开 始凝固，在n型硅片上 形成一含有高浓度铝 的p型硅薄层，它和n 型硅衬底的交界面处 即为p-n结（这时称为 铝硅合金结）。
图5-2 合金法制造p-n结过程
2021
3
突变结的杂质分布
图5-3突变结的杂质分布
xxj, N(x) NA xxj, N(x) ND
2021
nne 0 q(VDV)/kBT Pn
和
n ne 0
0 qVD/kBT
Pn
比较得到
nPnP 0eqV/kBT
—— 外加电场使边界处电子的浓度提高 eqV/kBT 倍
2021
17
边界处非平衡载流子浓度 n P n P 0 n P 0(eq/V kB T 1 )
—— 正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散
—— 非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
2021
18
边界处非平衡载流子浓度 n P n P 0 n P 0(eq/V kB T 1 )
—— 正向注入电子在P区边界积累，同时向P区扩散，非 平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
应用非平衡载流子密度方程
DddN xN0
Dex/L L
边界处 x0 N0nP 0(eqV /kBT1)
1)Dp Lp
PN结总的电流密度 j jn jp j0(eqV /kBT1)
j0
q(Dn Ln
nP0
Dp Lp
pN 0 )
——
肖克莱方程
(
W.
Shockley
)
2021
20
结果讨论
jj0(eqV /kBT1)
1) 当正向电压V增加时，电流增加很快
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
《PN结工作原理》教案
《PN结工作原理》教案教案：PN结工作原理一、教学目标：1.了解PN结的结构和工作原理。
2.掌握PN结的正向偏置和反向偏置的关系。
3.了解PN结的应用领域。
二、教学重难点：1.PN结的结构和工作原理。
2.正向偏置和反向偏置对PN结的影响。
3.PN结在电子学领域的应用。
三、教学准备：1.教师准备：课件、实验设备、示波器等。
2.学生准备：课本、笔记本电脑等。
四、教学步骤：步骤一：导入(5分钟)教师向学生介绍PN结的概念和应用领域，并激发学生对PN结的兴趣。
步骤二：概念解释(10分钟)教师通过示意图和文字解释PN结的结构和工作原理，引导学生理解PN结的构成和工作原理。
步骤三：正向偏置(15分钟)教师讲解正向偏置的概念和作用，通过示波器展示正向偏置下PN结的电流变化，并引导学生分析电流变化的原因。
步骤四：反向偏置(15分钟)教师讲解反向偏置的概念和作用，通过示波器展示反向偏置下PN结的电流变化，并引导学生分析电流变化的原因。
步骤五：PN结的应用(15分钟)教师向学生介绍PN结在电子学领域的应用，如二极管、三极管、光电二极管等，并讲解其原理和工作方式。
步骤六：实践操作(20分钟)教师组织学生进行实验操作，通过搭建电路和测量实验数据，验证PN结的正向偏置和反向偏置对电流的影响。
步骤七：总结与拓展(10分钟)教师总结PN结的工作原理，并与学生互动讨论PN结的应用前景和发展趋势。
五、教学实施：本教案采用讲授、实验操作和互动讨论相结合的方式进行。
六、教学评估：教师通过学生的实验结果、回答问题、互动讨论等方式进行评估。
并通过课后测试，对学生的学习效果进行评估。
七、教学反思：在教学过程中，应注意结合实际案例和示意图，使学生更加直观地理解PN结的结构和工作原理。
并加强实践操作，提高学生的实践能力和动手实验能力。
同时，教师还应引导学生进行讨论和思考，提高学生的自主学习和探索精神。
第一讲前言、绪论PPT课件
3、无线通信系统的基本工作原理
输入变换器
输入转换器主要任务是将发信者提供的非电量消 息（如声音、景物等）变换为电信号，它能反映待 发的全部信息，通常具有“低通型”频谱结构，故
称 为基带信号。
3、无线通信系统的基本工作原理
使用教材和主要参考资料：
（一）使用教材
《高频电子线路》 张肃文 编 高等教育出版社
（二）主要参考资料
《高频电路原理与分析》 曾兴雯等 编
《通信电路原理》
董在望 主编
三、教与学应注意的问题
采用课堂讲授与学生自学两种形式穿 插进行。课堂讲授是指在教学计划学时内 进行课堂教授基本内容；学生自学是指凡 是学生自己可以解决的问题，尽量鼓励、 启发学生自己解决，培养学生的参与意识 和自学能力。
信息（i）：是用以消除不确定性的东西。 消息（m）: 是代表信息的符号。如语言、文
字 图象、数据等 电信号（s）：是消息的一种表达方式，通过
信号传递消息。 通信：由一地向另一地传递消息；通信的目的
是传递信息。
2、无线电通信的一般知识
通信系统：实现消息传输的系统； 无线电通信系统：利用空间电磁波的传播来传
1、无线电通信发展简史
20世纪60年代，中、大规模乃至超大规模集成电 路的不断涌现，是电子技术发展史上第三个重要里 程碑。
1958年美国制成了第一块集成电路。 1967年研制成大规模集成（LSI）电路。 1978年研制成超大规模集成（VLSI）电路，从 此电子技术进入了微电子技术时代。
2、无线电通信的一般知识
高频电子线路
START
邮箱：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ言
1.4-1.5 第一章 PN结1.4-1.5
12
7
12k 0 W (VBi VA) q
1
3
线性缓变结
8
一边重掺杂，一边轻掺杂的杂质浓度服从指数关系
在一个单边指数分布的pn结二极管中， m>-2时的耗尽层关系式为
m 2k 0 W (VBi VA) qb
1
NB( x) bx
1 2 VBi VA CJ 2 qNBk 0 A2
12
1/CJ2与VA的关系为直线，斜率的倒数正比于NB
2
1 2 VBi VA CJ 2 qNBk 0 A2
1/CJ2与VA的关系为直线，斜率的倒数正比于NB，外推至1/CJ2=0处 的截距等于Vbi
对于线性缓变结和其他杂质分布，可以利用C-V测量数据推 导出轻掺杂一侧的杂质浓度随位置的变化关系
Va V0 v1 (t )
pn( x xn) pn( x xn) ~ pn( xn)
其中
q(V0 v1 (t )) pn 0 exp KT qv1 (t ) pdc exp （1） KT qV pdc pn 0 exp 0 KT
CD随电流（电压）的增大而急剧上升
18
3
1.4.3 小信号交流分析
PN结二极管以及晶体管在电路工作中，通过器件的电流信号和加 在器件两端的电压信号是多种多样的，其中主要的是随时间一定 周期变化的连续波、脉冲和数字信号。 器件处理连续波时表现出来的性能叫做器件的频率特性； 器件处理数字信号和脉冲信号时，器件在两个稳定状态之间来回 跃变，跃变过程中表现出来的特性叫做器件的开关特性或瞬变特性 大信号 大信号工作指通过器件的信号电流以及加在器件上的电压摆动幅度很 大。PN结在大信号工作时的特点：I-V特性、C-V特性等都是非线性的 小信号 PN结在小信号工作时信号电流与信号电压之间满足线性关系,即器件 内部载流子分布的变化跟得上信号的变化。 讨论PN结在小信号工作时，可以把电流、电压以及非平衡载流子的 瞬态值表示为直流成分和交流成分的叠加。