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半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象

半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象
半导体器件物理4章半导体中的载流子输运现象

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

()4.1d

r f

d

J ρυ

=

其中ρ的单位为3

C cm - ,drf

J 的单位是2

Acm -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19

1.610

(e C -=?库仑)

,p 为载流子空穴浓度,单位为3

cm -。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

式(4.4)带入(4.2),可得出空穴漂移电流密度的表达式:

()/ 4.5p drf p J ep E

μ=

空穴的漂移电流密度方向与施加的电场方向相同。 同理可知电子的漂移电流为

()/ 4.6n drf dn

J en υ=-

弱电场时,电子的漂移电流也与电场成正比。但由于电子带负电,电子的运动方向与电场方向相反,所以

()4.7dn n E

υμ=-

其中dn

υ代表电子的平均漂移速度,n

μ代表电子的迁移率,为正值。

所以电子的漂移电流密度为

()()()/ 4.8n drf n n J en E en E

μμ=--=

虽然电子的运动方向与电场方向相反,但电子的漂移电流密度方向仍与电场方向相同。

()

()

22

4.1300//135048085004003900

1900

n p T K cm V s cm V s Si G aAs G e

μμ= 表时,低掺杂浓度下的典型迁移率值

材料

电子迁移率和空穴迁移率都与温度和掺杂浓度有关。表4.1给出了300T

K

=时低掺杂浓度下的一些典型迁移率值。

总的漂移电流是电子的漂移电流与空穴的漂移电流的和:即

()()4.9drf n p J e n p E

μμ=+

()

16

3

16

3

2

10

24

3

16

30010,04.135/10,

1.510

2.251010

d a d a d i

T K N cm

N E V cm N N N n N cm n

p cm

n

n ---====>≈=?=

=

=?例题:给定电场强度时,计算半导体中产生的漂移电流密度。考虑硅半导体在,掺杂浓度。假定电子与空穴

的迁移率由表给出,计算给定电场强度时产生的漂移电流密度。解:由于,所以是型半导体。假定室温下杂质完全电离,因此电子浓度:空穴浓度由于()()()()()19

16

2

2

1.6101013503575.6/756/drf n p n p J e n p E en E A cm

m A m m

μμμ->>=+≈=?==,所以漂移电流为

这个例子说明,漂移电流密度是由多数载流子产生的;很小的电场就会产生较大的漂移电流密度;也意味着产生毫安级的电流占用较小的器件面积。

()()

14

3

15

3

1

2

1

2

16

3

01.30010,10,4.135, 6.82.300201207.8110d a def a T K N cm N cm E Vcm Acm

T K E Vcm J Acm p N cm

-------=========?练习题:

时,硅的掺杂浓度为电子与空穴的迁移率见表。若外加电场为求漂移电流密度。时,某P 型半导体器件的外加电场,求漂移电流密度为时的杂质浓度。

注意:上面提到的电子迁移率和空穴迁移率都是指多子迁移率。 4.2迁移率

载流子迁移率反映的是载流子的平均漂移速度与施加电场的关系,定义为E

υ

μ=

对空穴而言dp

p E

υ

μ=。空穴的加速度与电场力的关系

()****

4.10p p p p

eEt d m d F eE m a m m dt dt

υ??

? ???====

υ

表示载流子在电场作用下沿电场方向的平均速度;

t 表示两次碰撞的时间间隔。根据上式得*

p

eEt E

m υ

μ=

=,所以载流子迁移率

()* 4.11p

et m

μ=

如果将上式的t 用空穴的平均碰撞时间cp

τ代替,则空穴的迁移率

()* 4.12dp cp p p

e E m

υτμ=

=

同理,电子的迁移率为

()* 4.13dn

cn n n

e E m

υτμ=

=

其中cn

τ表示电子受到碰撞的平均时间间隔。

晶体中影响载流子迁移率大小的主要因素是两种散射机制:即晶格散射(声子散射)与电离杂质散射。

固体的理想周期性势场允许电子在整个晶体中自由运动,不会对电子产生散射。当温度升高时,半导体晶体中的原子具有一定的热能,在其晶格位置附近做无规则的振动,晶格振动破坏了理想周期势场,导致载流子电子、空穴与振动的晶格原子发生相互作用。这就是所谓的晶格散射机制。

因为晶格散射与原子的热运动有关,所以出现散射的几率一定是温度的函数。如果定义L

μ代表存在晶格散射的迁移率,根据

散射理论,在一阶近似的情况下有

()3/2

4

.13L T

μ-=∝

当温度下降时,晶格原子的热振动减弱,受到晶格散射的几率降低,使迁移率增大。在高温下,轻掺杂半导体中晶格散射是迁移率降低的主要机制。

另一种影响载流子迁移率的机制称谓电离杂质散射。掺入半导体的杂质原子可以控制或改变半导体的特性。室温下杂质已完全电离,电子和空穴与电离杂质之间存在库仑作用,库仑作用引起的散射也会改变载流子的速度特性。如果定义I

μ表示只有电离

杂质散射存在的迁移率,则在一阶近似下有

()3/2

4.14I I

T

N μ=∝

其中I

d a

N

N N +

-

=+表示半导体总电离杂质浓度。温度升高,载流子

的随机运动速度增加,减小了位于电离杂质散射中心附近的时间,这相当于库仑作用时间短,受到散射的影响就小,电离散射迁移率I

μ就大;如果电离杂质散射中心数量I

N 增加,那么载流子

与电离杂质散射中心碰撞或散射几率相应增加,电离散射迁移率

I

μ就小。低温或常温下,半导体中电离杂质散射是迁移率降低的

主要机制。

如果L

τ表示晶格散射的平均时间间隔,那么/L

dt τ就表示在d t

时间内受到晶格散射的几率。同理,如果I

τ表示电离杂质散射的

平均时间间隔,那么/I

dt τ就表示在d t 时间内受到电离杂质散射的

几率。若同时存在两种散射机制且两种散射机制相互独立,则在

d t

时间内受到的散射的几率为两者之和

()4.15L

I

dt

dt

dt

τ

ττ=+

其中τ为任意两次散射的平均时间间隔。根据迁移率的定义(4.12)或(4.13)式,上式可以写成

()1

1

1

4.16L

I

μ

μμ=

+

其中I

μ代表仅有电离杂质散射时的迁移率;

L

μ代表仅有晶格原

子散射时的迁移率; μ

代表总的迁移率。

4.3电导率

4.2节的(4.9)式给出了漂移电流密度的表达式,可以写成:

()()4.17drf n p J e n p E E

μμσ=+=

其中σ代表半导体材料的电导率,单位是()1

cm -Ω,电导率是载流子浓度及迁移率的函数。而迁移率又是掺杂浓度的函数

()I

d a

N

N N +-

=+(主要指电离杂质散射迁移率)

。因此,电导率是掺杂浓度的复杂函数。

电导率的倒数是电阻率。记为ρ,单位是cm Ω。

()

()1

1 4.18n p e n p ρσ

μμ=

=

+

图5.5表示条形半导体材料电阻,电阻条的长度为L ,

高度为j

x ,宽度为W ,则电阻条的截面积为j

A W x =。如果在条形

半导体材料的两端施加电压V ,产生流过电阻的电流为I 。我们有电流密度

()4.19j

I I J E

a A W x σ=

=

=

加在半导体电阻上的电场

()4.19V E b L

=

所以

()4.19j

I V c W x L

σ

=

()4.19j j L L V I I RI d W x

W x

ρσ????

===

? ? ? ????

?

式(4.19a )是半导体中的欧姆定律。其中

()4.20j j L

L L R R W x x W W ρρ??????

=== ? ? ? ???????

j

R x ρ=

是方块电阻,它是电阻率与结深的比值。所以电阻既是电

阻率的函数又是半导体几何形状和图形尺寸的函数。

考虑具有受主掺杂浓度为()0a

d

N N

=的P 型半导体,由于

a i N n >>,假定电子与空穴的迁移率为同一数量级,则电导率为

()()4.21n p p e n p e p

σμμμ=+≈

假定杂质完全电离上式可改写为

()1

4.22p a e N σμρ

≈=

非本征半导体的电导率或电阻率的大小由多数载流子浓度决定。这验证了漂移电流密度由多数载流子贡献的结论。载流子迁移率的值应根据掺杂浓度和对应的温度下的实际测量曲线求

得。

既然载流子迁移率的大小跟温度有关,那么非本征半导体的电导率或电阻率也与温度有关,其半导体材料制成的电阻器也是温度的函数。

对本征半导体而言,电导率为

()()4.23i n p i

e n σμμ=+

一般来说,电子和空穴的迁移率并不相等,所以本征半导体的电导率中含有电子迁移率和空穴迁移率两个参数。 4.4载流子速度饱和

在前面的讨论中,我们假设了迁移率不受电场影响,也就是说,漂移速度与电场的比值E

υ

μ

=

保持不变。这种假设只有在弱

电场情况下才有效。在强电场的情况下,载流子的漂移速度严重偏离了弱电场区线性关系。例如,硅中的电子漂移速度在外加电场为1

3kVcm -速度达到饱和,饱和速度为7

1

10

cms

-。如果载流子的漂

移速度达到饱和,那么漂移电流密度也会达到饱和,不再随外加电场变化。载流子迁移率饱和的机理是强电场下引起的载流子有效质量变大的缘故。 (饱和迁移率7

132

31

10 3.310/310sat

cms

cm V s Vcm

μ--=

=?? ,这是体饱和内

迁移率的值,并不是表面饱和迁移率的值。以后会看到表面迁移率要远小于sat μ。主要原因是半导体的表面有较多的缺陷。)

另外一个结论是外加电场不会显著改变电子的随机热运动速度。外加电场后,在不考虑其它因素的情况下(这里指其后讨

论的载流子扩散),半导体内存在两种运动,一种是电子的随机热运动;另一种是载流子在电场作用下沿电场方向的漂移运动。

300T K =时,电子随机热运动的能量为:

电子的随机热运动速度为

()

()

2

07

1

1330.02590.0385822

2

1.16410

4.25th th m kT eV

cm s

υυ-=

=

==

=?

假设低掺杂硅的电子迁移率为2

1350/n

cm V s

μ

= ,外加电场为

75/E V cm

=,则漂移速度5

135075 1.012510drf

n E cm

υ

μ==?=?。

漂移速度只是随机热运动速度的1%,可见,外加电场不会显著改变载流子的随机热运动速度。但载流子的随机热运动对电流的贡献可以忽略。 4.4载流子扩散电流密度

载流子除了漂移外,还有另外一种输运机制可以在半导体内形成电流。载流子由高浓度流向低浓度的过程称谓载流子的扩散。扩散电荷的净流动形成扩散电流。

载流子扩散的经典模型如图5.9所示。一个容器被薄膜分割成两部分,左侧为某一温度的气体分子,右侧为真空,左侧的气体分子做无规则的热运动,当薄膜破裂后,气体分子就会以扩散的方式进入右侧腔体。

我们简单地讨论半导体中载流子的扩散过程,假设电子浓度是一维变化的,如图5.10所示。设温度处处相等,则电子的平均热运动速度与位置坐标x 无关(这种假设意味着温度梯度对电流的影响可以忽略)。为了计算由于载流子浓度梯度产生的扩散电流,首先计算单位时间内通过0x =处单位面积的净电子流。若电子的平均自由程即电子在两次碰撞之间走过的平均距离为()

th

cn l l υ

τ=,

那么,x l =-处向右运动的电子和x l =向左运动的电子在n

τ时间内

都将通过0x =的截面。在任意时刻,x l =-处有一半的电子向右流动,x l =处有一半的电子向左流动。在0x =处,沿x 正方向的净电子流为n

F ,单位是2

1

cm

s

--。

()()()()()111 4.262

2

2

n th th th F n l n l n l n l υυυ=

--

+=

--+????

将电子浓度在0x =处泰勒级数展开并保留前两项有

()()()1

00 4.272n th dn dn F n l n l dx dx υ??

????=

--+???????????

?

整理得

()4.28n th

dn F l dx

υ=-

电子电荷为()e -,所以电流密度为

()4.29n th

dn J eF el dx

υ=-=

定义电子的扩散系数2

n

th th cn

D

l υυτ==,单位是2

1

cm

s

-,则

对一维情况下,电子的扩散电流密度为

()/ 4.30n dif n

dn J eD dx

=

由于扩散系数是正值,所以电子的扩散电流密度方向与浓度梯度相同,即电子的扩散电流密度方向指向电子浓度高的方向。同理,可以写出空穴的扩散电流密度为

()/ 4.31p dif p

dp J eD dx

=-

空穴的扩散电流密度方向与浓度梯度相反,即空穴的扩散电流密度方向指向空穴浓度低的方向。 图5.11显示了这种效果。

4.5半导体中总电流密度

到目前为止,我们已经讨论了半导体中产生的四种相互独立的电流,它们分别是电子的漂移电流和扩散电流;空穴的漂移电流和扩散电流。总电流是四者之和。对一维的情况下:

()()4.32n p x n p

dn dp J en ep E e D D dx dx μμ??=++- ?

?

?

扩展到三维的情况:

()()

()4.33n p n p J en ep E e D n D p μμ=++?-?

载流子迁移率是描述半导体中电子和空穴在电场力作用下的运动情况;载流子的扩散系是数描述半导体中电子和空穴在载流子浓度梯度作用下的运动情况。载流子的漂移与载流子的扩散并不是相互独立的,即载流子迁移率与扩散系数是相互关联的。下一节将会讨论它们之间的关系。

另外,多数情况(即半导体在某些特定的条件)下,半导体中的总电流所包含的四项,我们只需考虑其中一项。 4.5非均匀掺杂半导体(有杂质梯度分布)的爱因斯坦关系 到目前为止,我们讨论的半导体材料多数是假定具有均匀掺杂。但是,半导体器件中大都存在非均匀掺杂区。正因为如此,有必要分析非均匀掺杂半导体达到热平衡状态的过程,以及推导出达到热平衡状态后的爱因斯坦关系,即迁移率和扩散系数的关系。

4.5.1 感生电场

考虑一块非均匀掺杂的N 型半导体。如果半导体处于热平衡状态,那么整个半导体中的费米能级是恒定值(费米能级值不

随杂质浓度梯度改变)。能带图如5.12所示(该图实际描述的是本征费米能级与位置坐标x 成线性关系)。假定掺杂浓度随x 增加

多数载流子电子从高浓度区向低浓度区沿x 方

向扩散。带负电的电子流走后剩下带正电的施主杂质离子,分离的正、负电荷产生一个沿x 方向的电场x

E ,产生的感应电场会阻

止电子的进一步扩散,最终达到平衡。达到平衡时,某点的电子浓度并不等于该点的施主掺杂浓度。多数情况下,扩散过程感生的空间电荷数量只占杂质浓度的很小部分,参与扩散的

载流子浓度同掺杂浓度相比差别不大。

定义:电子的电势差等于电子势能(费米能级与本征费米能级差值的负值)除以电子电量()e -,即

()

()1 4.34fn F F i E E e

φ=

-

一维情况下,感生电场的定义:(由泊松方程可知

()

()()

2

2

s d x x

d E x

d x

d x

φ

ρ

ε-=

=-

()1 4.35fn Fi x d dE E dx

e dx

φ=-

=

假定费米能级跟x 成线性关系,则感生电场为常量。如果处于热平衡状态的半导体中的本征费米能级随距离变化,那么半导体内存在一个电场,电场方向指向费米能级增高的方向。

假设半导体内满足准中性条件(掺杂浓度远高于本征载流子浓度,且完全电离),即电子浓度与施主杂质浓度基本相等,则有

()()0exp 4.36F

Fi i d E E n n N x kT -??=≈ ???

所以

()()ln 4.37d F Fi i N x E E kT n ??

-= ?

??

热平衡时,费米能级F

E 为恒定值,上式对距离求导

()

()()4.38d Fi d dN x dE kT dx

N x dx

-=

将上式带入(4.35)式

()

()()

()()1

4.39d d t x d d dN x dN x V kT

E e N x dx

N x dx

=-

=-

比较(4.35)和(4.39)两式可以求出本征费米能级与杂质分布的函数关系。

()()

()4.40d Fi d dN x E kT

N x =-

本征费米能级随施主掺杂浓度的降低而升高,本征费米能级与费米能级的位置随掺杂浓度的降低相互靠近,这意味着电子浓度随施主掺杂浓度降低而减小。

54

5

54

10exp 0,1011

1110exp 10exp 1

0.0259259/10

d n n d

x d n n n n x N x L cm L dN kT

kT

x kT E e N dx e L L e L x L V cm

--??-=≥= ???????-=-

=--=?? ???-????

?

??

=?

=习题:半导体中施主杂质浓度由给出,其中。

试确定由杂质浓度梯度感应的电场大小。解:

考虑非均匀掺杂的半导体,其能带图如5.12所示。假定无外加电场影响,半导体处于热平衡状态,电子电流和空穴电流都为零。可写为

如果准中性条件有效,则有()d

n N x =,带入上式得

()()()0 4.42d d n x n

dN x eN x E eD dx

μ=+

将方程的两边同乘以

()

d kT eN x 得

()()()1

0 4.42d n x n

d dN x kT

kT E eD e N x dx

μ=+

由于()

()1

d x

d dN x kT

E

e N x dx

=-

所以根据式(4.42)可知

()4.43n n t n

kT D V e

μμ=

=

同理,可以求出空穴的扩散系数与空穴迁移率之间的关系

()4.44p p t p

kT D V e

μμ=

=

(4.43)与(4.44)两式相除

()4.45p

n

t

n

p

D D V μμ=

=

这就是著名的爱因斯坦关系。这个关系式表明扩散系数与迁移率是相互关联的,并不是相互独立的。扩散系数与迁移率的比值等于热电压。 表5.2列出了300T

K

=时,,,Si Ge GaAs 的扩散系数。

()2

2

5.2300//135********.4850022040010.43900

101

1900

49.2

n

n p p T K cm V s D cm s D D Si G aAs G e

μμμ=== 表时,的典型迁移率和扩散系数

重要概念:

电导率-它是关于载流子漂移的材料参数;可表示为载流子的漂移电流密度与所加电场强度之比:drift j E σ=。 扩散-离子从高浓度区向低浓度区运动的过程。

扩散系数-离子在两次碰撞之间的平均速度与平均自由程的乘积()()2

2

,n

n thn thn cn thn thn cn p p thp thp cp thp thp cp

D l D l υυτυυτυυτυυτ======。

扩散电流-由于杂质浓度梯度作用产生的载流子扩散而形成的电流

,e diffusion n

p diffusion p

dn dp j qD j qD dx

dx

--==-。

漂移电流-载流子在电场的作用下作漂移运动而形成的电流。

,e drift n p drift p j qN E j qP E

μμ--==

漂移速度-弱电场中载流子沿电场方向的平均漂移速度。 爱因斯坦关系-载流子的扩散系数与其迁移率比值为一常数

p

n

t

n

p

D D V μμ=

=。

电离杂质散射-载流子与电离的杂质原子之间的相互作用。

晶格散射-载流子与热振动的晶格原子的相互作用。 迁移率-电场强度与载流子漂移速度的比值drift

E

υμ

=

。 电阻率-电导率的倒数,计算电阻的材料参数1

ρ

σ

=

饱和速度-强电场时,载流子漂移速度的饱和值。 思考题:

1.写出半导体中载流子总电流密度的表达式?

2.载流子的漂移电流密度是由外加电场引起的,是不是可以将载流子的扩散电流密度归结为是由内电场引起的?为什么?

3.论述载流子迁移率大小为什么与温度和掺杂浓度有关?

4.是什么原因引起的载流子速度饱和?

半导体器件物理 试题库

半导体器件试题库 常用单位: 在室温(T = 300K )时,硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 (一)名词解释题 杂质补偿:半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时,施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用,通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子:半导体处于非平衡态时,附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度, 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率:载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志,即单位电场下的漂移速度。 晶向: 晶面: (二)填空题 1.根据半导体材料内部原子排列的有序程度,可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2.根据杂质原子在半导体晶格中所处位置,可分为 杂质和 杂质两种。 3.点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4.线缺陷,也称位错,包括 、 两种。 5.根据能带理论,当半导体获得电子时,能带向 弯曲,获得空穴时,能带 向 弯曲。 6.能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质;能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7.对于N 型半导体,根据导带低E C 和E F 的相对位置,半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8.载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。

9.在Si-SiO 2系统中,存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10.对于N 型半导体,当掺杂浓度提高时,费米能级分别向 移动;对于P 型半 导体,当温度升高时,费米能级向 移动。 (三)简答题 1.什么是有效质量,引入有效质量的意义何在?有效质量与惯性质量的区别是什么? 2.说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用? 3.说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围? 4.什么是杂质的补偿,补偿的意义是什么? (四)问答题 1.说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同? 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么? (五)计算题 1.金刚石结构晶胞的晶格常数为a ,计算晶面(100)、(110)的面间距和原子面密度。 2.掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ,已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ,而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3,由此计算: (a )该样品的离化杂质浓度是多少? (b )该样品的少子浓度是多少? (c )未离化杂质浓度是多少? (d )施主杂质浓度是多少? 3.室温下的Si ,实验测得430 4.510 cm n -=?,153510 cm D N -=?, (a )该半导体是N 型还是P 型的? (b )分别求出其多子浓度和少子浓度。 (c )样品的电导率是多少? (d )计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4.室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?,1931.110 cm v N -=?,0.026 eV B k T =,禁带 宽度 1.12 eV g E =,如果忽略禁带宽度随温度的变化

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 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=-

半导体器件物理_复习重点

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。

【合肥工业大学】【半导体器件物理】试卷含答案剖析

《半导体器件物理》试卷(二)标准答案及评分细则 一、填空(共24分,每空2分) 1、PN结电击穿的产生机构两种; 答案:雪崩击穿、隧道击穿或齐纳击穿。 2、双极型晶体管中重掺杂发射区目的; 答案:发射区重掺杂会导致禁带变窄及俄歇复合,这将影响电流传输,目的为提高发射效率,以获取高的电流增益。 3、晶体管特征频率定义; β时答案:随着工作频率f的上升,晶体管共射极电流放大系数β下降为1 =所对应的频率 f,称作特征频率。 T 4、P沟道耗尽型MOSFET阈值电压符号; 答案:0 V。 > T 5、MOS管饱和区漏极电流不饱和原因; 答案:沟道长度调制效应和漏沟静电反馈效应。 6、BV CEO含义; 答案:基极开路时发射极与集电极之间的击穿电压。 7、MOSFET短沟道效应种类; 答案:短窄沟道效应、迁移率调制效应、漏场感应势垒下降效应。 8、扩散电容与过渡区电容区别。 答案:扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内,其机理为少子的充放电,而过渡区电容产生于空间电荷区,其机理为多子的注入和耗尽。 二、简述(共20分,每小题5分) 1、内建电场; 答案:P型材料和N型材料接触后形成PN结,由于存在浓度差,N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,而在N区的施主正离子中心固定不动,出现净的正电荷,同样P区的受主负离子中心也固定不动,出现净的负电荷,于是就会产生空间电荷区。在空间电荷区内,电子和空穴又会发生漂移运动,它的方向正好与各自扩散运动的方向相反,在无外界干扰的情况下,最后将达到动态平衡,至此形成内建电场,方向由N区指向P区。 2、发射极电流集边效应; 答案:在大电流下,基极的串联电阻上产生一个大的压降,使得发射极由边缘到中心的电场减小,从而电流密度从中心到边缘逐步增大,出现了发射极电流在靠近基区的边缘逐渐增大,此现象称为发射极电流集边效应,或基区

半导体器件物理试题

1.P-N结雪崩击穿、隧道击穿和热击穿的原理 2.简述晶体管开关的原理 3.简述晶体管4个频率参数的定义并讨论它们之间的大小关系 4.简述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系 5.以NPN型晶体管为例,试论述晶体管在不同工作模式下基区少数载流子分 布特征及与晶体管输出特性间的关系 6.请阐述MOSFET的基本结构并结合示意图说明在不同外置电压情况下其工 作状态和输出特性 7.叙述非平衡载流子的产生和复合过程,并描述影响非平衡载流子寿命的因素 8.论述在外加直流电压下P-N结势垒的变化、载流子运动以及能带特征 9.试叙述P-N结的形成过程以及P-N结外加电压时其单向导电特征 10.何谓截止频率、特征频率及振荡频率,请叙述共发射极短路电流放大系数与 频率间的关系 11.请叙述晶体管四种工作模式并分析不同模式下基区少数载流子的分布特征 12.请画出P型半导体理想MOS的C-V曲线,并叙述曲线在不同外加电信号作 用下的曲线特征及原因 13.影响MOS的C-V特性的因素有哪些?它们是如何影响C-V曲线的 14.MOS中硅-二氧化硅,二氧化硅层中有哪些影响器件性能的不利因素 15.介绍MIS结构及其特点,并结合能带变化论述理想MIS结构在加不同偏压 时半导体表面特征 16.晶体管具备放大能力须具备哪些条件 17.饱和开关电路和非饱和开关电路的区别(各自有缺点)是什么 18.简述势垒区正负空间电荷区的宽度和该区杂质浓度的关系 19.结合能带图简述绝缘体、半导体及导体的导电能力 20.说明晶体管具有电信号放大能力的条件并画出不同情况下晶体管的输入输 出曲线并描述其特征 21.请画图并叙述晶体管电流放大系数与频率间的关系 22.请画出MOSFET器件工作中的输出特性及转移特性曲线并描述其特征 23.请叙述双极型晶体管和场效应晶体管的工作原理及区别 24.画出CMOS倒相器的工作图并叙述其工作原理 25.提高双极型晶体管功率增益的途径有哪些 26.请描述双极型晶体管大电流特性下的三个效应 27.画出共基极组态下的晶体管输入及输出特性曲线

09级半导体器件物理A卷答案

一、 选择题:(含多项选择, 共30分,每空1分,错选、漏选、多选均不得分) 1.半导体硅材料的晶格结构是( A ) A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2.下列固体中,禁带宽度Eg 最大的是( C ) A 金属 B 半导体 C 绝缘体 3.硅单晶中的层错属于( C ) A 点缺陷 B 线缺陷 C 面缺陷 4.施主杂质电离后向半导体提供( B ),受主杂质电离后向半导体提供( A ),本征激发后向半导体提供( A B )。 A 空穴 B 电子 5.砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠( A ) A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6.衡量电子填充能级水平的是( B ) A 施主能级 B 费米能级 C 受主能级 D 缺陷能级 7.载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量;载流子的扩散系数是描述载流子( B )的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8.室温下,半导体Si 中掺硼的浓度为1014cm -3,同时掺有浓度为1.1×1015cm - 3的磷,则电子浓度约为( B ),空穴浓度为( D ),费米能级( G );将该半导体升温至570K ,则多子浓度 约为( F ),少子浓度为( F ),费米能级( I )。(已知:室温下,ni ≈1.5×1010cm - 3,570K 时,ni ≈2×1017cm - 3) A 1014cm -3 B 1015cm -3 C 1.1×1015cm - 3 D 2.25×105cm -3 E 1.2×1015cm -3 F 2×1017cm - 3 G 高于Ei H 低于Ei I 等于Ei 9.载流子的扩散运动产生( C )电流,漂移运动产生( A )电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10.下列器件属于多子器件的是( B D ) A 稳压二极管 B 肖特基二极管 C 发光二极管 D 隧道二极管 11.平衡状态下半导体中载流子浓度n 0p 0=n i 2,载流子的产生率等于复合率,而当np

《半导体物理学》期末考试试卷(A卷)-往届

赣 南 师 范 学 院 2010–2011学年第一学期期末考试试卷(A 卷) 开课学院:物电学院 课程名称:半导体物理学 考试形式:闭卷,所需时间:120分钟 注意事项:1、教师出题时请勿超出边界虚线; 2、学生答题前将密封线外的内容填写清楚,答题不得超出密封线; 3、答题请用蓝、黑钢笔或圆珠笔。 一、填空题(共30分,每空1分) 1、半导体中有 电子 和 空穴 两种载流子,而金属中只有 电子 一种载流子。 2、杂质原子进入材料体内有很多情况,常见的有两种,它们是 替代式 杂质和间隙式 杂质。 1、 3、根据量子统计理论,服从泡利不相容原理的电子遵从费米统计率,对于能量为E 的一个量子态,被一个电子占据的概率为()f E ,表达式为 , ()f E 称为电子的费米分布函数,它是描写 在热平衡状态下,电子在允许 的量子态上如何分布 的一个统计分布函数。当0F E E k T ->>时,费米分布函数转化为 ()B f E ,表达式为 ,()B f E 称为电子的玻尔兹曼分布函数。在 0F E E k T ->>时,量子态被电子占据的概率很小,这正是玻尔兹曼分布函数适用的范 围。费米统计率与玻尔兹曼统计率的主要差别在于 前者受泡利不相容原理的限制 ,而在0F E E k T ->>的条件下,该原理失去作用,因而两种统计的 结果变成一样了。 4、在一定温度下,当没有光照时,一块n 型半导体中, 电子 为多数载流子, 空穴 是少数载流子,电子和空穴的浓度分别为0n 和0p ,则0n 和0p 的关系为 大于 ,当用g h E ν>>(该半导体禁带宽度)的光照射该半导体时,光子就能把价带电子激发到导带上去,此时会产生 电子空穴对 ,使导带比平衡时多出一部分电子n ,价带比平衡时多出一部分空穴p ,n 和p 的关系为 , 这时把非平衡电子称为非平衡 多数 载流子,而把非平衡空穴称为非平衡 少数 载流子。在一般小注入情况下,在半导体材料中,非平衡 多数 载流子带来的影响可忽略,原因是 注入的非平衡多数载流子浓度比平衡时的多数 载流子浓度小得多 ,而非平衡 少数 载流子却往往起着重要作用,原因是 2、 注入的非平衡少数载流子浓度比平衡时的少数载流子浓度大得多 。 5、非平衡载流子的复合,就复合的微观机构讲,大致可分为两种,直接复合和间接复合, 直接复合是指 电子在导带和价带之间的直接跃迁,引起电子和空穴的直接复合 ,间接复合是指 电子和空穴通过禁带的能级(复合中心)进行复合 。载流子在复合时,一定要释放出多余的能量,放出能量的方法有三种,分别为 、 、 3、 发射光子 发射声子 将能量给予其它载流子,增加它们的动能 。 6、在外加电场和光照作用下,使均匀掺杂的半导体中存在平衡载流子和非平衡载流子,由于 半导体表面非平衡载流子浓度比内部高 ,从而非平衡载流子在半导体中作 运动,从而形成 电流,另外,由于外加电场的作用,半导体中的所有载流子会作 运动,从而形成 电流。 二、选择题(共10分,每题2分) 1、本征半导体是指 的半导体。 A 、不含杂质和缺陷 B 、电子密度与空穴密度相等 C 、电阻率最高 D 、电子密度与本征载流子密度相等 2、在Si 材料中掺入P ,则引入的杂质能级 A 、在禁带中线处 B 、靠近导带底 C 、靠近价带顶 D 、以上都不是 3、以下说法不正确的是 A 、价带电子激发成为导带电子的过程,称为本征激发。 B 、本征激发后,形成了导带电子和价带空穴,在外电场作用下,它们都将参与导电。 C 、电子可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态,并向晶格释放能量。 D 、处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热载流子。 4、以下说法不正确的是

半导体器件物理课后习题解答

半导体器件物理课后作业 第二章 对发光二极管(LED)、光电二极管(PD)、隧道二极管、齐纳二极管、变容管、快恢复二极管和电荷存储二极管这7个二端器件,请选择其中的4个器件,简述它们的工作原理和应用场合。 解: 发光二极管 它是半导体二极管的一种,是一种固态的半导体器件,可以把电能转化成光能;常简写为LED。 工作原理:发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短;反之,则发出的光的波长越长。 应用场合:常用的是发红光、绿光或黄光的二极管,它们主要用于各种LED显示屏、彩灯、工作(交通)指示灯以及居家LED节能灯。 光电二极管 光电二极管(Photo-Diode)和普通二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,也具有单方向导电特性,但在电路中它不是作整流元件,而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。 工作原理:普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光,而电极面积尽量小些,而且PN结的结深很浅,一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子—空穴对,称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动,使反向电流迅速增大到几十微安,光的强度越大,反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电二极管有多种类型,用途也不尽相同,主要有以下几种: PN型特性:优点是暗电流小,一般情况下,响应速度较低。 用途:照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。 PIN型特性:缺点是暗电流大,因结容量低,故可获得快速响应 用途:高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真 发射键型特性:使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体 用途:主要用于紫外线等短波光的检测 雪崩型特性:响应速度非常快,因具有倍速做用,故可检测微弱光 用途:高速光通信、高速光检测 隧道二极管 隧道二极管(Tunnel Diode)又称为江崎二极管,它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb)等材料混合制成的半

半导体器件工艺与物理期末必考题材料汇总

半导体期末复习补充材料 一、名词解释 1、准费米能级 费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态,而当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时,可以认为分就导带和价带中的电子来讲,它们各自处于平衡态,而导带和价带之间处于不平衡态,因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的,可以分别引入导带费米能级和价带费米能级,它们都是局部的能级,称为“准费米能级”,分别用E F n、E F p表示。 2、直接复合、间接复合 直接复合—电子在导带和价带之间直接跃迁而引起电子和空穴的直接复合。 间接复合—电子和空穴通过禁带中的能级(复合中心)进行复合。 3、扩散电容 PN结正向偏压时,有空穴从P区注入N区。当正向偏压增加时,由P区注入到N区的空穴增加,注入的空穴一部分扩散走了,一部分则增加了N区的空穴积累,增加了载流子的浓度梯度。在外加电压变化时,N扩散区内积累的非平衡空穴也增加,与它保持电中性的电子也相应增加。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,称为P-N结的扩散电容。用CD表示。 4、雪崩击穿 随着PN外加反向电压不断增大,空间电荷区的电场不断增强,当超过某临界值时,载流子受电场加速获得很高的动能,与晶格点阵原子发生碰撞使之电离,产生新的电子—空穴对,再被电场加速,再产生更多的电子—空穴对,载流子数目在空间电荷区发生倍增,犹如雪崩一般,反向电流迅速增大,这种现象称之为雪崩击穿。 1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种,它们之间的主要区别在于 扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内,其机理为少子的充放 电,而过渡区电容产生于空间电荷区,其机理为多子的注入和耗尽。 2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响,具体地,对 于短沟道器件对V T的影响为下降,对于窄沟道器件对V T的影响为上升。 3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制,其基极电流I B受V BE 电压控制。 4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备,该类器件显著的优点是 寄生参数小,响应速度快等。 5、PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种,其中发 生雪崩击穿的条件为V B>6E g/q。 6、当MOSFET进入饱和区之后,漏电流发生不饱和现象,其中主要的原因 有沟道长度调制效应,漏沟静电反馈效应和空间电荷限制效应。 二、简答题 1、发射区重掺杂效应及其原因。 答:发射区掺杂浓度过重时会引起发射区重掺杂效应,即过分加重发射区掺杂不但不能提高注入效率γ,反而会使其下降。 原因:发射区禁带宽度变窄和俄歇复合效应增强

半导体器件物理复习题

半导体器件物理复习题 一. 平衡半导体: 概念题: 1. 平衡半导体的特征(或称谓平衡半导体的定义) 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体,是指无外界(如电压、电场、磁场或温度梯度等)作用影响的半导体。在这种情况下,材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体: 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主(杂质)原子: 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子(一般为元素周期表中的Ⅲ族元素)。 4. 施主(杂质)原子: 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子(一般为元素周期表中的Ⅴ族元素)。 5. 杂质补偿半导体: 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体: 对N 型掺杂的半导体而言,电子浓度大于导带的有效状态密度, 费米能级高于导带底(0F c E E ->);对P 型掺杂的半导体而言,空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶(0F v E E -<)。

7. 有效状态密度: 在导带能量范围( ~c E ∞ )内,对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围( ~v E -∞) 内,对价带量子态密度函数 8. 以导带底能量c E 为参考,导带中的平衡电子浓度: 其含义是:导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考,价带中的平衡空穴浓度: 其含义是:价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10.

11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E : 是本征半导体的费米能级;本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v E E E =-。? 15. 本征载流子浓度i n : 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 00i n p n ==。硅半导体,在300T K =时,1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态: 当温度高于某个温度时,掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质;掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质,称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态: 在绝对零度时,半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时,半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征: 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近,且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等,那么本征半导体费米能级

半导体器件物理第二章答案

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)

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

半导体器件物理(第六章)_93140777

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。

半导体器件物理施敏课后答案

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。

最新09级半导体器件物理A卷答案

更多精品文档 一、 选择题:(含多项选择, 共30分,每空1分,错选、漏选、多选 均不得分) 1.半导体硅材料的晶格结构是( A ) A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2.下列固体中,禁带宽度Eg 最大的是( C ) A 金属 B 半导体 C 绝缘体 3.硅单晶中的层错属于( C ) A 点缺陷 B 线缺陷 C 面缺陷 4.施主杂质电离后向半导体提供( B ),受主杂质电离后向半导体提供( A ),本征激发后向半导体提供( A B )。 A 空穴 B 电子 5.砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠( A ) A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6.衡量电子填充能级水平的是( B ) A 施主能级 B 费米能级 C 受主能级 D 缺陷能级 7.载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量;载流子的扩散系数是描述载流子( B ) 的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8.室温下,半导体Si 中掺硼的浓度为1014cm -3,同时掺有浓度为1.1×1015cm - 3的磷,则电子浓 度约为( B ),空穴浓度为( D ),费米能级( G );将该半导体升温至570K ,则多子浓度约为( F ),少子浓度为( F ),费米能级( I )。(已知:室温下,ni ≈1.5 ×1010cm -3,570K 时,ni ≈2×1017 cm -3) A 1014cm -3 B 1015cm -3 C 1.1×1015cm - 3 D 2.25×105cm -3 E 1.2×1015cm -3 F 2×1017cm - 3 G 高于Ei H 低于Ei I 等于Ei 9.载流子的扩散运动产生( C )电流,漂移运动产生( A )电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10.下列器件属于多子器件的是( B D ) A 稳压二极管 B 肖特基二极管 C 发光二极管 D 隧道二极管 11.平衡状态下半导体中载流子浓度n 0p 0=n i 2,载流子的产生率等于复合率,而当np

半导体器件物理习题

●在300K 下,Si 在价带中的有效态密度为2,66X 19 103 cm -,而GaAs 为7X 18 10 3 cm -,求 出空穴的有效质量,并与自由电子质量比较。 ●画出在77K ,300K,及600K 时掺杂 1610个/3cm 的As 原子的Si 简化能带图,标示出费米能 级且使用本征F E 作参考量。 ●求出i S 在300K 时掺入下列掺杂情形下电子空穴浓度及费米能级。 ●对一半导体而言,其具有一固定的迁移率比 b=n u /p u >1,且与杂质浓度无关,求其最大的电 阻率m ρ并以本征电阻率i ρ及迁移率比表示。 ●给定一个未知掺杂的i S 晶样品,霍耳测量提供了以下信息: ω=0.05cm,A=1.6x 3-103cm -,I=2.5mA,磁场为30nT(1T=4-10wb/2 cm ),若测出的霍耳电压为 10mV ,求半导体样品的霍耳系数,导体型态,多子浓度,电阻率及迁移率。 ●线性缓变Si 结,其掺杂梯度为420 cm 10 -,计算内建电势及4V 反向偏压的结电容(T=300K )。 对一理想突变p-n 结,其 D N =316cm 10-,当外加正偏压1V 时,求出中性区(n 区)没单位 面积储存的少子、中性区的长度为1μm,p L 5μm. ●对一理想突变p-n 结,其 D N =316cm 10-,当外加正偏压1V 时,求出中性区(n 区)没单 位面积储存的少子、中性区的长度为1μm, p L =5μm. ●设计一+ p -n Si 突变结二极管,其反向击穿电压为130V ,正偏电流在V V 7.0h =时为2.2mA,设. 1070p s -=τ

完整word版,半导体器件物理复习题完整版

半导体器件物理复习题 一. 平衡半导体: 概念题: 1. 平衡半导体的特征(或称谓平衡半导体的定义) 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体,是指无外界(如电压、电场、磁场或温度梯度等)作用影响的半导体。在这种情况下,材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体: 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主(杂质)原子: 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子(一般为元素周期表中的Ⅲ族元素)。 4. 施主(杂质)原子: 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子(一般为元素周期表中的Ⅴ族元素)。 5. 杂质补偿半导体: 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体: 对N 型掺杂的半导体而言,电子浓度大于导带的有效状态密度, 费米能级高于导带底(0F c E E ->);对P 型掺杂的半导体而言,空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶(0F v E E -<)。 7. 有效状态密度: 穴的有效状态密度。 8. 以导带底能量c E 为参考,导带中的平衡电子浓度:

其含义是:导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考,价带中的平衡空穴浓度: 其含义是:价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E : 是本征半导体的费米能级;本征半导体费米能级的位置位于禁带 中央附近, g c v E E E =-。? 15. 本征载流子浓度i n : 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度00i n p n ==。硅半导体,在 300T K =时,1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态: 当温度高于某个温度时,掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质;掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质,称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态: 在绝对零度时,半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时,半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征:

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