计算机电路基础第二章半导体器件基础
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第二章半导体器件基础
2.1 半导体基础知识
2.2 PN结与半导体二极管
2.3 半导体三极管
2.4 场效应管
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章节要求和学习任务
PN结的形成和单向导电性
二极管的伏安特性
半导体三极管的基本结构、工作原理
三极管的伏安特性
MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线
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2.1 半导体基础知识
半导体基础知识
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，称为半导体。半导体主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
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2.1 半导体基础知识
硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主
要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。
1、热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。
常用于检测温度的变化。对其他工作性能有不利的影响。
2、光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻
率则显著下降。利用这个特性可以制成光敏元件。
3、杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛
增几万倍至百万倍。
利用这些特性可以制造出具有不同性能用途的半
导体器件。
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2.1 半导体基础知识
本征半导体（完全纯净的、结构完整的半导体晶体。） 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子。
（ａ）点阵结构（ｂ）共价键结构
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由于热激发而产生的自由电子
自由电子移走后
而留下的空穴
共价键
共有价电子所形
成的束缚作用共价键结构、自由电子、空穴
在电子技术中，将空穴
看成带正电荷的载流子。
2.1 半导体基础知识
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。
在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴空穴带正电，运动相当于正电荷的运动。
本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大。是影响半导体导电性能的重要因素。
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2.1 半导体基础知识
在本征半导体中有电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有电子一种载流子，但在本征半导体中载流子的浓度远远低于后者，所以导电能力不如金属。
杂质半导体：在纯净的半导体单晶体中有选择地掺入微量杂质元素，并控制掺入的杂质元素的种类和数量。
杂质可以提高半导体的导电能力，并可以精准的控制半导体的导电能力。根据加入的杂质不同可以分为N型半导体和P型半导体。
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2.1 半导体基础知识
N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。
每个磷原子给出一个电子，因此也称为施主原子。
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杂质原子提供
的多余电子
杂质原子失去一个
电子成为正离子N型半导体的共价键结构
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N 型半导体是在硅晶体中掺入杂质磷（P）元素。磷原子持有的5个价电子中4个和硅（Si）原子一样，通过共价键，与邻接原子紧密结合。剩下1个价电子不发生共价键，而是根据室温高低成为自由电子。这个自由电子将旁边的价电子赶出，取代它的位置，而原有价电子变为自由电子，再将旁边的其他价电子赶出。通过这样的重复过程，使自由电子不断移动从而形成电流。由电子作为载流子（输送电流）的半导体称为“N型半导体”。施主原子的电子不足时，带正电荷。
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2.1 半导体基础知识
N 型半导体中的载流子是什么？
因为掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
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2.1 半导体基础知识
P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，因此也称为受主原子。
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邻近电子只空位
留下可移动空穴
可移动的空穴
杂质原电子接受一个
电子成为负离子
P型半导体的共价键结构
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P型半导体是在硅晶体中掺入杂质硼元素。硼元素具有3个价电子，与硅相比少1个价电子。邻接硅原子中的价电子通过微量热能变为自由电子，被受主原子吸收。被吸收的价电子的原有位置称为空穴，进一步吸收邻接硅原子中的价电子。通过这个重复过程，空穴移动，产生电流。由空穴作为载流子的半导体称为“P型半导体”。受主原子的电子过多，因而带负电荷。
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2.1 半导体基础知识
P 型半导体中的载流子是什么？
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
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2.2 PN结与半导体二极管
半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层，此薄层称为PN结。
产生由N区指向P
区的内电场，扩散
与漂移达到动态平
衡后，形成一定宽
度的PN结。
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2.2 PN结与半导体二极管
PN结的单向导电性
外加正向电压（也叫正向偏置），外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，
N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，
形成较大的正向电流，这时称PN结处于“导通”状态。
P 区接电压
正极和N
区接电压负
极
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2.2 PN结与半导体二极管
外加反向电压（也叫反向偏置），外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进
行，少子在电场作用下形成反向电流I
R ，因为是
少子漂移运动产生的，I
R 很小，这时称PN结处
于“截止”状态。
P 区接电压
负极和N
区接电压正
极
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2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V 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 i n n FP i i n n 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 n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n 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 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψ ε=-
第一章 PN结 1.1 PN结是怎么形成的？ 耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn 结不加电压下呈电中性。 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。 1.3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。 反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p
区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流 ?? ????-??? ??=1exp kT eV J J a s ?? ? ? ? ?+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。 扩散电容：在直流电压上加一个很小的交流电压，随着外加正偏电压的改变，穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程，n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容，即扩散电容。
第四章半导体中载流子的输运现象 在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体內形成电流。此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流一电压特性。因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。 4.1漂移电流密度 如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加 作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。载流子电荷的净 如果电荷密度为P的正方体以速度4运动，则它形成的电流 密度为 ^drf = P U d（°」）
其中°的单伎为C?cm~3, J drf的单位是Acm~2或C/cnr?s。 若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度p = ep , e为电荷电量^=1.6X10-,9C（^仑），〃为载流子空穴浓度，单位为⑵尸。则空穴的漂移电流密度打场可以写成：丿"爾=⑷）％（4.2） %表示空穴的漂移速度。空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？ 在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为 F = m a = eE（4.3） p ￡代表电荷电量，d代表在电场力F作用下空穴的加速度，加;代表空穴的有效质量。如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。在电场的作用下，晶体中的空穴获得加速度，速度增加。当载流子同晶体中的原子相碰撞后，载流子会损失大部分或全部能量，使粒子的速度减慢。然后粒子又会获得能量并重新被加速，直到下一次受到碰撞或散射，这一过程不断重复。因此，在整个过程粒子将会有一个平均漂移速度。在弱电场的情况下，平均漂移速度与电场強度成正比（言外之意，在强电场的情况下，平均漂移速度与电场强度不会成正比）。 S—E（4.4） 其中竹咼空穴迁移率，载流子迁移率是一个重要的参数，它描述了粒子在电场作用下的运动情况，迁移率的单位为cnr/V.s.将 式(4.4)带入(4.2),可得出空穴漂移电流密度的表达式：
第2章习题解答 1. 有人说，因为在PN 结中存在内建电场，所以将一个二极管的两端短路，在短路线中 将由于此电场的存在而流过电流。此说是否正确？为什么？ 答：此种说法不正确，将一个二极管的两端短路，PN 结外加电压为零，当环境条件稳定 时，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等，方向相反，流过PN 结的净电流为零。 2. 假设下图中二极管均为理想二极管，试画出v i ~ v o 的转移特性曲线。 +V CC CC v i v o CC CC v v o (a) (b) 解：对图（a ）所示电路，定义节点A 、B 如下所示： +V CC CC v i v o 当i v 小于CC V 、大于CC V -时，1D 、2D 都截止。输出o v 等于零； 当i v 大于CC V 时，节点A 的电位开始大于零，2D 导通，1D 截止； 输出3 2/2CC i CC CC i o V v R R R V R R V v v -=+-+= 当i v 小于CC V -时，节点B 的电位开始小于零，1D 导通，2D 截止；
输出3 2/2CC i i i CC o V v R R R v R R v V v +=++-= 图（b ）所示电路是一个双向限幅电路，输出正向限幅电压为：L L CC R R R V +，输出负向限幅电压为：L L CC R R R V +- 当L L CC i R R R V v +≤时，输入与输出相同，当L L CC i R R R V v +>时，输出限幅在L L CC R R R V +-和 L L CC R R R V + 两个电平上。 3. 下图是一种二极管整流电路，称为全波整流电路。其中v 1 = v 2。试分析它的工作原理， 画出输出电压的波形并计算输出电压的平均值。 解：在输入信号的正半周，D 1导通、D 2截止，在输入信号的负半周， D 2导通、D 1截止， 输入信号与输出的关系为：
第四章 半导体中载流子的输运现象 在前几章我们研究了热平衡状态下，半导体导带和价带中的电子浓度和空穴浓度。我们知道电子和空穴的净流动将会产生电流，载流子的运动过程称谓输运。半导体中的载流子存在两种基本的输运现象：一种是载流子的漂移，另一种是载流子的扩散。由电场引起的载流子运动称谓载流子的漂移运动；由载流子浓度梯度引起的运动称谓载流子扩散运动。其后我们会将会看到，漂移运动是由多数载流子（简称多子）参与的运动；扩散运动是有少数载流子（简称少子）参与的运动。载流子的漂移运动和扩散运动都会在半导体内形成电流。此外，温度梯度也会引起载流子的运动，但由于温度梯度小或半导体的特征尺寸变得越来越小，这一效应通常可以忽略。载流子运动形成电流的机制最终会决定半导体器件的电流－电压特性。因此，研究半导体中载流子的输运现象非常必要。 4.1漂移电流密度 如果导带和价带都有未被电子填满的能量状态，那么在外加电场的作用下，电子和空穴将产生净加速度和净移位。电场力的作用下使载流子产生的运动称为“漂移运动”。载流子电荷的净漂移会产生“漂移电流”。 如果电荷密度为ρ的正方体以速度d υ运动，则它形成的电流密度为 ()4.1drf d J ρυ=
其中ρ的单位为3C cm -，drf J 的单位是2Acm -或2/C cm s 。 若体电荷是带正电荷的空穴，则电荷密度ep ρ=，e 为电荷电量191.610(e C -=?库仑），p 为载流子空穴浓度，单位为3cm -。则空穴的漂移电流密度/p drf J 可以写成： ()()/ 4.2p drf dp J ep υ= dp υ表示空穴的漂移速度。空穴的漂移速度跟那些因素有关呢？ 在电场力的作用下，描述空穴的运动方程为 ()* 4.3p F m a eE == e 代表电荷电量，a 代表在电场力F 作用下空穴的加速度，*p m 代 表空穴的有效质量。如果电场恒定，则空穴的加速度恒定，其漂移速度会线性增加。但半导体中的载流子会与电离杂质原子和热振动的晶格原子发生碰撞或散射，这种碰撞或散射改变了带电粒子的速度特性。在电场的作用下，晶体中的空穴获得加速度，速度增加。当载流子同晶体中的原子相碰撞后，载流子会损失大部分或全部能量，使粒子的速度减慢。然后粒子又会获得能量并重新被加速，直到下一次受到碰撞或散射，这一过程不断重复。因此，在整个过程粒子将会有一个平均漂移速度。在弱电场的情况下，平均漂移速度与电场强度成正比（言外之意，在强电场的情况下，平均漂移速度与电场强度不会成正比）。 ()4.4dp p E υμ= 其中p μ是空穴迁移率，载流子迁移率是一个重要的参数，它描述了粒子在电场作用下的运动情况，迁移率的单位为2/cm V s 。将
2-1.P N + 结空间电荷区边界分别为p x -与n x ,利用2T V V i np n e =导出)(n n x p 表达式。给出N 区空穴为小注入与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 i n n FP i i n n 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 n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ (n n n p ?=?) ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 2020=?+?=?+ 2001T V V n i n n n p n p e n n ???+= ?? ? T V V 2 2n n0n i p +n p -n e =0 n p = (此为一般结果) 小注入:(0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n 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 2 0ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解:净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时,I n ＝0 ,又因为 d dx ψ ε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?,又因为n T n D V μ=(爱因斯坦关系)
第四章 金属-半导体结 4-1． 一硅肖脱基势垒二极管有0.01 cm 2的接触面积，半导体中施主浓度为1016 cm 3?。 设V 7.00=ψ，V V R 3.10=。计算 （a ）耗尽层厚度， （b ）势垒电容，（c ）在表面处的电场 4-2． （a ）从示于图4-3的GaAs 肖脱基二极管电容-电压曲线求出它的施主浓度、自建电 势势垒高度。 (b) 从图4-7计算势垒高度并与（a ）的结果作比较。 4-3． 画出金属在P 型半导体上的肖脱基势垒的能带结构图，忽略表面态，指出（a ）s m φφ> 和（b ）s m φφ<两种情形是整流节还是非整流结，并确定自建电势和势垒高度。 4-4． 自由硅表面的施主浓度为15310cm ?，均匀分布的表面态密度为122110ss D cm eV ??=， 电中性级为0.3V E eV +，向该表面的表面势应为若干？提示：首先求出费米能级与电中性能级之间的能量差，存在于这些表面态中的电荷必定与表面势所承受的耗尽层电荷相等。 4-5． 已知肖脱基二极管的下列参数：V m 0.5=φ，eV s 05.4=χ，31910?=cm N c ， 31510?=cm N d ，以及k=11.8。假设界面态密度是可以忽略的，在300K 计算： （a ）零偏压时势垒高度，自建电势，以及耗尽层宽度。 (b)在0.3v 的正偏压时的热离子发射电流密度。 4-6．在一金属-硅的接触中，势垒高度为eV q b 8.0=φ,有效理查逊常数为222/10*K cm A R ?=，eV E g 1.1=，31610?=cm N d ，以及31910?==cm N N v c 。 （a ）计算在300K 零偏压时半导体的体电势n V 和自建电势。 （b ）假设s cm D p /152=和um L p 10=，计算多数载流子电流对少数载流子电流的注 入比。 4-7． 计算室温时金-nGaAs 肖脱基势垒的多数载流子电流对少数载流子电流的比例。已知施主浓度为10153?cm ，um L p 1=，610p s τ?=，以及R R 068.0*=。 4-8． 在一金属-绝缘体势垒中，外电场ε=104V/cm ，介电常数为（a ）4,()12,k b k ==计 算φΔ和m x ，将所得的结果与4－3节中的例题进行比较。 4-9． 在一金属一绝缘体势垒中，外加电场cm V E ext /104 =，介电常数为（a ）k=4及(b) k=12，
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
半导体器件 物理进展 第六章其它特殊半导体器件简介Introduction to other Special Semiconductor Devices
本章内容提要： LDMOS、VDMOS等高压功率器件 IGBT功率器件简介 SOI器件与集成电路 电荷耦合器件的原理与应用
1. LDMOS、VDMOS功率器件 （1）MOSFET作为功率器件的优势： MOSFET为多子（多数载流子）器件，电流温度系数为负值（由迁移率随温度的变化引起），不会发生双极型功率器件的二次击穿现象（由Iceo，β随温度的升高而引起）； 没有少子（少数载流子）的存贮效应，开关响应速度较快； 栅极输入阻抗较高，所需的控制功率较小； 具有一定的功率输出能力，可与控制电路集成在一起，形成Smart Power IC，例如LCD显示器的高压驱动电路（Driver）。
（2）MOSFET的击穿特性： （A）导通前的击穿： 源漏穿通： 早期的解释：随着源漏电压增大，→源漏耗尽区不断展宽，直至相碰到一起，→导致发生源漏穿通效应（这里仍然采用的是平面PN结耗尽区的概念，尽管可能不是十分准确）； 目前的理解：由于DIBL效应引起的源漏穿通，与器件的沟道长度及沟道掺杂分布有关，其特点是（与PN结的击穿特性相比）击穿特性的发生不是非常急剧，换句话说，器件的击穿特性不是十分陡直的硬击穿，而是比较平缓的软击穿特性。
漏端PN结击穿： 比单纯的非MOSFET漏区的PN结击穿电压要低（原因：受场区离子注入、沟道区调开启离子注入等因素的影响），由于侧向双极型晶体管的放大作用，使得BV PN 有所下降（类似BV CEO 小于BV CBO ），不同点在于MOS器件的衬底（相当于BJT器件的基区）不是悬空的，而是接地（只是接地电阻可能偏大），这种击穿特性的特点是雪崩电流的发生比较急剧，发生雪崩效应之前的反向电流也很小。 （B ）导通后的击穿：主要是由于侧向双极型晶体管效应所导致，特别是由于器件衬底电流的影响，将使源衬PN 结出现正偏现象，致使侧向双极型晶体管效应更为严重。
《微电子制造工艺》课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：微电子制造工艺 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业必修课 学分： 4 （二）课程简介、目标与任务； 本课程作为微电子科学与工程专业的专业必修课，是半导体制造工艺的基础。主要介绍半导体制造相关的全部基础技术信息，以及制造厂中的每一道制造工艺，包括硅片氧化，淀积，金属化，光刻，刻蚀，离子注入和化学机械平坦化等内容。 该课程的目的使学生了解产业变化历史中的所有工艺和设备，以及每道具体工艺的技术发展的现状及发展趋势。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 上本课程之前或者同时应了解半导体物理的相关知识，以便为本课程打下基础；同时本课程又是集成电路分析与设计，以及微电子制造工艺专业实验及实习的基础。 （四）教材与主要参考书。 本课程所使用的教材是《半导体制造技术》，Michael Quirk, Julian Serda著，韩郑生等译，电子工业出版社。 主要参考书： 《半导体器件物理与工艺》施敏苏州大学出版社 《硅集成电路工艺基础》陈力俊复旦大学出版社 《芯片制造－半导体工艺制程实用教程》电子工业出版社 《集成电路制造技术-原理与实践》电子工业出版社 《超大规模集成电路技术基础》电子工业出版社 《半导体器件基础》电子工业出版社 《硅集成电路工艺基础》北京大学出版社 二、课程内容与安排 第一章半导体产业介绍（3学时） 第二章半导体材料特性（3学时）
第三章器件技术（3学时） 第四章硅和硅片制备（5学时） 第五章半导体制造中的化学品（3学时） 第六章硅片制造中的玷污控制（3学时） 第七章测量学和缺陷检查（3学时） 第八章工艺腔内的气体控制（3学时） 第九章集成电路制造工艺概况（5学时） 第十章氧化（6学时） 第十一章淀积（5学时） 第十二章金属化（5学时） 第十三章光刻：气相成底膜到软烘（4学时） 第十四章光刻：对准和曝光（4学时） 第十五章光刻：光刻胶显影和先进的光科技术（4学时） 第十六章刻蚀（5学时） 第十七章离子注入（4学时） 第十八章化学机械平坦化（4学时） （一）教学方法与学时分配 采用多媒体课件与板书相结合的课堂教学方法，基于学生便于理解接受的原 则，对不同讲授内容给予不同方式的侧重。学时分配详见课程内容与安排。 （二）内容及基本要求 主要内容：本章属于引言章节，主要介绍半导体产业的历史，现状及发展趋势。要求掌握和了解集成电路制造以及半导体发展的趋势。 【重点掌握】：硅和硅片制备，氧化，淀积，光刻技术 【掌握】：芯片制备过程中的清洗，金属化，刻蚀，离子注入，化学机械平坦化 【了解】：器件技术，半导体制造中的化学品及玷污 【一般了解】：测量学和缺陷检查，工艺腔内的气体控制 【难点】：光刻过程及离子注入 （重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次） 制定人：陶春兰 审定人： 批准人： 日期：
半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：
1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型 结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的 回顾。 本授课单元教学手段和方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，苏州大学出 版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段和方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。
第二章常用半导体器件及应用 一、习题 2.1填空 1. 半导材料有三个特性，它们是、、。 2. 在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。 3. 二极管的主要特性是。 4．在常温下，硅二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V；锗二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V。 5．在常温下，发光二极管的正向导通电压约为V，考虑发光二极管的发光亮度和寿命，其工作电流一般控制在mA。 6. 晶体管(BJT)是一种控制器件；场效应管是一种控制器件。 7. 晶体管按结构分有和两种类型。 8. 晶体管按材料分有和两种类型。 9. NPN和PNP晶体管的主要区别是电压和电流的不同。 10. 晶体管实现放大作用的外部条件是发射结、集电结。 11. 从晶体管的输出特性曲线来看，它的三个工作区域分别是、、。 12. 晶体管放大电路有三种组态、、。 13. 有两个放大倍数相同，输入电阻和输出电阻不同的放大电路A和B，对同一个具有内阻的信号源电压进行放大。在负载开路的条件下，测得A放大器的输出电压小，这说明A 的输入电阻。 14．三极管的交流等效输入电阻随变化。 15．共集电极放大电路的输入电阻很，输出电阻很。 16．射极跟随器的三个主要特点是、、。 17．放大器的静态工作点由它的决定，而放大器的增益、输入电阻、输出电阻等由它的决定。 18．图解法适合于，而等效电路法则适合于。 19．在单级共射极放大电路中，如果输入为正弦波，用示波器观察u o和u i的波形的相位关系为；当为共集电极电路时，则u o和u i的相位关系为。 20. 在NPN共射极放大电路中，其输出电压的波形底部被削掉，称为失真，原因是Q点(太高或太低)，若输出电压的波形顶部被削掉，称为失真，原因是Q 点(太高或太低)。如果其输出电压的波形顶部底都被削掉，原因是。 21．某三极管处于放大状态，三个电极A、B、C的电位分别为9V、2V和1.4V，则该三极管属于型，由半导体材料制成。 22．在题图P2.1电路中，某一元件参数变化时，将U CEQ的变化情况(增加；减小；不变)填入相应的空格内。 (1) R b增加时，U CEQ将。 (2) R c减小时，U CEQ将。 (3) R c增加时，U CEQ将。 (4) R s增加时，U CEQ将。 (5) β增加时(换管子)，U CEQ将。
第一章 半导体物理基础 能带： 1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？ 1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。 1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为： 22 22100()()3C k k k E k m m -=h h ＋和2222100 3()6v k k E k m m =h h － ；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=??h ，3109.110m Kg -=?，191.610q C -=?。 试求： ①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电 电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升 高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。 空穴的意义： 引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流 的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。 1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m h ＋210 2()k k m -h ＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝14 3k ，
2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V 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 i n n FP i i n n exp exp 而 ()()()000n n n n n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） n p =(此为一般结果) 小注入：（0n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22 =或 T V V i n e n 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 20ln i a d T p n n N N V =-=ψψψ。 解：净电子电流为 ()n n n n I qA D n x με?=+? 处于热平衡时，I n ＝0 ，又因为 d dx ψε=- 所以n n d n n D dx x ψμ?=?，又因为n T n D V μ=（爱因斯坦关系） 所以dn n V d T =ψ， 从作积分，则 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 =?。 证明： 从12x x →积分：
将T n 2n0V /V 1n0P (x )P Pn(x )P e =???=??代入 得FP E qV ?= 2-4． 硅突变结二极管的掺杂浓度为：31510-=cm N d ，320104-?=cm N a ，在室温下计算： （a ）自建电势（b ）耗尽层宽度 （c ）零偏压下的最大内建电场。 解：（a ）自建电势为 （b ）耗尽层宽度为 (с) 零偏压下最大内建电场为 2–5．若突变结两边的掺杂浓度为同一数量级，则自建电势和耗尽层宽度可用下式表示 试推导这些表示式。 解：由泊松方程得： 积分一次得 由边界条件 所以 再积分一次得 令 ()()0 0p p n n x x ψψψ?-=??=?? 得： 10D = ， 20D ψ= 于是()()()()2020022a p p d n n qN x x x k qN x x x k ψεψψε?=+????=--+?? ()()n p x x o x x ≤≤≤≤-0 再由电势的连续性，当x ＝0时 ， ()()00p n ψψ=： 所以 ()2200 2a p d n q N x N x k ψε=+ 再由 ?????=+=n d p a n p x N x N x x W 得 故 ()()()2 2222020022a d n p a d d a a d a d qN N x x N N W N N W q k k N N N N ψεε??++==??++???? 将 p a n d x N x N =代入上式，得 2–6．推导出线性缓变PN 结的下列表示式：（a ）电场（b ）电势分布（c ）耗尽层宽度（d ）
第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm ，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp ＝τn ＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 + = I S =A*J S =1.0*10-16A 。 ＋0.7V 时，I ＝49.3μA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性
《半导体器件物理》教学大纲 （2006版） 课程编码：07151022学时数：56 一、课程性质、目的和要求 半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。 二、教学内容、要点和课时安排 第一章半导体物理基础（复习）（2学时） 第二节载流子的统计分布 一、能带中的电子和空穴浓度 二、本征半导体 三、只有一种杂质的半导体 四、杂质补偿半导体 第三节简并半导体 一、载流子浓度 二、发生简并化的条件 第四节载流子的散射 一、格波与声子 二、载流子散射 三、平均自由时间与弛豫时间 四、散射机构
第五节载流子的输运 一、漂移运动迁移率电导率 二、扩散运动和扩散电流 三、流密度和电流密度 四、非均匀半导体中的自建场 第六节非平衡载流子 一、非平衡载流子的产生与复合 二、准费米能级和修正欧姆定律 三、复合机制 四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程 第二章PN结（12学时） 第一节热平衡PN结 一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结 突变结、缓变结、线性缓变结 二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1） 三、空间电荷区、内建电场与电势 四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程 五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势 及PN结空间电荷区两侧的内建电势差 六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差 和空间电荷区宽度（利用耗尽近似） P 结 第二节加偏压的N
习题 2-1．填空 （1）N型半导体是在本征半导体中掺入；P型半导体是在本征半导体中掺入。 （2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流会。 （3）PN结的结电容包括和。 （4）晶体管的三个工作区分别是、和。在放大电路中，晶体管通常工作在区。 （5）结型场效应管工作在恒流区时，其栅-源间所加电压应该。（正偏、反偏） 答案：（1）五价元素；三价元素；（2）增大；（3）势垒电容和扩散电容；（4）放大区、截止区和饱和区；放大区；（5）反偏。 2-2．判断下列说法正确与否。 （1）本征半导体温度升高后，两种载流子浓度仍然相等。（） （2）P型半导体带正电，N型半导体带负电。（） （3）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。（） （4）只要在稳压管两端加反向电压就能起稳压作用。（） （5）晶体管工作在饱和状态时发射极没有电流流过。（） （6）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（7）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） （8）若耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，则其输入电阻会明显减小。（）答案：（1）对；温度升高后，载流子浓度会增加，但是对于本征半导体来讲，电子和空穴的数量始终是相等的。 （2）错；对于P型半导体或N型半导体在没有形成PN结时，处于电中性的状态。 （3）对；结型场效应管在栅源之间没有绝缘层，所以外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证R GS大的特点。 （4）错；稳压管要进入稳压工作状态两端加反向电压必须达到稳压值。 （5）错；晶体管工作在饱和状态和放大状态时发射极有电流流过，只有在截止状态时没有电流流过。 （6）对；N型半导体中掺入足够量的三价元素，不但可复合原先掺入的五价元素，而且可使空穴成为多数载流子，从而形成P型半导体。 （7）对；PN结在无光照、无外加电压时，处于动态平衡状态，扩散电流和漂移电流相等。 （8）错。绝缘栅场效应管因为栅源间和栅漏之间有SiO2绝缘层而使栅源间电阻非常大。因此耗尽型N沟道MOS场效应管的U GS大于零，有绝缘层故而不影响输入电阻。 2-3．为什么说在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压？ 答：当正向电流超过最大整流电流会使二极管结温过高，性能变坏，甚至会烧毁二极管；当反向工作电压超过最高反向工作电压时，会发生击穿。 2-4．当直流电源电压波动或外接负载电阻R L变动时，稳压管稳压电路的输出电压能
半导体器件 物理进展 第二章(1) 半导体的导电理论Theory of Electrical Conduction in Semiconductor
本章主要介绍描述半导体中带电粒子（即载流子）运动规律的几个方程，包括载流子的电荷与外加电场、电势分布之间的相互关系。电子和空穴也不再作为单个粒子来处理，而是以晶体中宏观的载流子分布或者载流子浓度来处理。从分析方法上来看，也不再使用量子力学的处理方法，而是采用求解麦克斯韦方程组以及应用电荷守恒原理、浓度梯度导致的扩散过程等方法来进行分析。
本章主要内容： 电子在电场作用下的漂移 载流子的迁移率 漂移电流 扩散电流 漂移－扩散方程 电流输运方程 准费米能级
§1 电子在电场作用下的漂移 1. 晶格热振动与声子的概念 至此，我们讨论半导体材料中的载流子（包括导带电子和价带空穴）都是处于理想的晶体材料中（即具有完美的周期性势场），而在实际的晶体材料中，往往含有间隙原子、空位和一些特定的杂质，同时晶格原子往往还存在热振动（只要不是处在绝对零度条件下），这种晶格原子热振动的幅度主要与晶体材料所处的温度相关。利用量子力学和统计力学的方法对晶格原子热振动（特别是对其热振动的能量）所做的详细研究使得我们可以引入声子的概念来处理其与晶体中载流子之间的相互作用。
声子的概念： 所谓声子实际上是我们人为假想的一种准粒子，它反映了晶格原子热振动能量在晶体材料中与载流子之间相互传递、交换的过程。 对于各种实际的非完美晶体材料，其中存在着多种非理想因素：既包括上面介绍的间隙原子、空位或杂质原子，也包括晶格原子偏离平衡位置的热振动，它们都会对完美晶格的周期性势场产生一定的畸变，从而对其中载流子（包括导带中的电子和价带中的空穴）的运动产生一定的相互作用。
半导体器件物理(第二版)第二章答案
2-1．P N + 结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用 2T V 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 i n n FP i i n n 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 n n n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?） ()()T T V V i n n n V V i n n n e n p n p e n n n p 202 0=?+?=?+ 200 1T V V n i n n n p n p e n n ???+= ??? T V V 22n n0n i p +n p -n e =0 T V V 2 2n0n0i n -n +n +4n e p = (此为一般结果) 小注入：（0 n n n p <>? 且 n n p p ?= 所以 T V V i n e n p 22=或 T V V i n e n 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