2 半导体器件基础
主要内容
★半导体的基础知识
★★半导体器件的核心环节——PN结
★★★半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用
★★★★半导体三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及三极管基本电路及其分析方法与应用
★★★★★场效应管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 本征半导体
?导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。?常用的半导体有硅（Si）和锗（Ge）。
?纯净的半导体称为本征半导体，其原子结构是晶体结构，故半导体管又称晶体管。
共价键结构半导体的特点：
①共价键上的电子受原子核束缚较紧，不象自由电子那样活
泼。——半导体的导电性不如导体。
②共价键上的某些电子受外界能量激发（如受热或光照）后，
可挣脱共价键束缚，成为带负电荷的自由电子。自由电子在电场力作用下，逆着电场方向作定向运动，形成电子流。——电子是半导体的载流子之一。
③共价键上的电子挣脱共价键束缚成为带负电荷的自由电子
后，在其原来的位置留下一个空位，称为空穴。空穴的出现是半导体区别于其他导体的一个重要特点。
电子—空穴对
本征激发、复合
?本征激发：本征半导体受外界能量激发，产生电子—空穴对的现象。
?电子—空穴对: 本征半导体受外界能量激发，自由电子和空穴成对出现。
?复合: 自由电子和空穴也会重新结合，叫做复合。?自由电子和空穴是两种电量相等、性质相反的载流子。
2.1.2 杂质半导体
?N型半导体: 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素磷（或砷），以电子导电为主的半导体称为N型半导体。在外电场的作用下，其电流主要是电子电流。
?P型半导体：在本征半导体硅（或锗）中掺入微量三价元素硼（或镓），以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。掺入了三价元素的杂质半导体，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
2.1.3 PN结及其单向导电性
?扩散运动：P型半导体和N型半导体的交界面处形成载流子浓度的差异。P区空穴多，N区电子多，N区电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散，这种由于浓度差异引起的载流子运动称为扩散运动。
?漂移运动：扩散运动的结果，产生从N区指向P 区的内电场。在电场作用下的载流子运动称为漂移运动。
一、PN结的形成
?PN结：P型半导体和N型半导体交界面发生着两种相反的运动——多子的扩散和少子的漂移。当两种运动达到动态平衡时，空间电荷不再变化，形成宽度稳定的空间电荷区——PN结。?耗尽层：在PN结内，由于载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说被耗尽了，所以空间电荷区又称耗尽层。
浓度差
↓
多子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区
↓
空间电荷区形成形成内电场
↓↓
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
二、PN结的单向导电性
①加正向电压——PN结导通
②加反向电压——PN结截止
?PN结还有感温、感光、
发光等特性
2.2 晶体二极管
2.2.1 晶体二极管的结构、符号、类型
晶体二极管的符号
VD
正极
负极
电流方向
二极管的分类
?按制造材料分——硅二极管和锗二极管；
?按用途分——整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管等；
?按结构工艺分——点接触型、面接触型等。
2.2.2晶体二极管的
伏安特性与等效电路
2.2.2.1伏安特性(或V—A特性)
?(1)正向特性
①死区(也叫不导通
区)，用Ur表示，
一般硅二极管约
0.5V，锗二极管约
0.1V
②导通区——一般硅
二极管约为0.7V，
锗二极管约为0.2V
?(2)反向特性
①反向截止区
②反向击穿区
由特性曲
线：
?二极管是非线性器件，通过二极管的电流与加在其两端的电压近似成指数关系；
?在一定电压范围内，二极管具有单向导电性。
2.2.2.2．等效电路
(a)理想二极管的等效电路
(b)计及正向导通电压U
时的二极管等效电路
F
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。 电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞
第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；
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。
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)
半导体基础知识和半导 体器件工艺 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的
热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。
《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：
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。
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
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。
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
第二章习题参考答案 2-1 N 型半导体中的多数载流子是电子，P 型半导体中的多数载流子是空穴，能否 说N 型半导体带负电，P 型半导体带正电？为什么? 答 不能。因为不论是N 型半导体还是P 型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，整个晶体仍然不带电。因原子核外层电子和空穴的总带电量总是与原子核电量相等，极性相反，所以不能这样说。 2-2 扩散电流是由什么载流子运动而形成的?漂移电流又是由什么载流子在何种作用下而形成的? 答 扩散电流是由多数载流子运动而形成的；漂移电流是由少数载流子运动形成的。 2-3 把一个PN 结接成图2-42所示的电路，试说明这三种情况下电流表的读数有什 么不同?为什么？ a) b) c) 图2-42 题2-3图 答 a ）电流表无读数。因为电路中无电源，PN 结本身不导电。 b ）电流表读数 R E 。因为PN 结正向导通，结压降近似为零。。 c ）电流表读数很小或为零。因为PN 结反向截止，电路不通。 2-4 图2-43a 是输入电压I u 的波形。试画出对应于I u 的输出电压O u ，电 阻R 上电压R u 和二极管V 上电压V u 的波形，并用基尔霍夫电压定律检验各电压之间的关系。二极管的正向压降可忽略不计。 a) b) 图2-43 题2-4图
2 解 题2-4解图 2-5 在图2-44的各电路图中，V 5=E ，V sin 10t u i ω=，二极管的正向 压降可忽略不计，试分别画出输出电压O u 的波形。 a) b) c) d) 图2-44 题2-5图
3 解 a) b) c) d) 题1-5解图 2-6 在图2-45所示的两个电路中，已知V sin 30t u i ω=，二极管的正向压 降可忽略不计，试分别画出输出电压o u 的波形。 a ） b) 图2-45 题2-6图
半导体器件基础知识（翻译版）是清华大学出版社于2008年出版的一本书，由安德森和田丽琳撰写。这本书不仅是一本很好的教科书，而且还是微电子学及相关领域的工程技术人员的参考书。 内容有效性 “外国大学的优秀教科书·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”不仅包括量子力学，半导体物理学和半导体器件（包括二极管，场效应晶体管，双极晶体管和光电器件）的基本工作原理，还介绍了现代半导体器件的最新发展以及器件的实际应用。例如，分析和推导了对现代小型设备的电气特性有重大影响的二次效应，并给出了描述小型设备特性的最新数学表达式。考虑到异质结场效应器件，双极型器件和光电器件的日益增长的应用，本书着重介绍了半导体异质结构。由于半导体制造设备和工艺的进步，随着技术的发展，“能带工程”得以实现，从而带来了器件性能的提高。因此，在介绍硅材料和硅器件的基础上，还介绍了化合物半导体器件，合金器件（如SiGe，AlGaAs）和异质结器件。通过香料模拟了器件的IV特性，以及稳态和瞬态。对简单电路进行分析。
贝蒂·里斯·阿尔德森（Betty lise arldexson）博士是俄亥俄州立大学技术学院的电气工程教授。她教授各种本科和研究生课程。他已经在该行业工作了9年，并拥有丰富的研究经验。他目前从事用于通信，雷达和信息处理的光电设备的研究。因此，与实际的设备应用紧密结合也是半导体设备基础（翻译版）的一个特征。 编辑推荐 “外国大学的优秀教材·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”共分为5部分和11章，全面介绍了半导体材料的基本特性和半导体器件的基本工作原理。从器件物理和工程应用的角度，本文对现代半导体器件进行了全面而实用的描述。在内容方面，“外国大学优秀教科书·微电子学丛书（翻译本）·半导体器件的基础知识”不仅介绍了量子力学，半导体物理学以及半导体器件（包括二极管，场效应晶体管，双极晶体管）的基本工作原理和光电器件），还包括现代半导体器件的最新发展和器件的应用。在介绍硅材料和硅器件的基础上，还介绍了化合物半导体器件，合金器件（例如SiGe，藻类）和异质结器件。作者强调了解决定半导体材料和器件电学性质的物理过程以及器件的实际应用。通过研究“国外大学优
2-1 ． P N 结空间电荷区边界分别为 x p 和 x n ，利用 np n i 2e V V T 导出 p n ( x n ) 表达式。给 出 N 区空穴为小注入和大注入两种情况下的 p n ( x n ) 表达式。 p n x n E i E FP n i exp 解：在 x x n 处 KT E Fn E i n n x n n i exp KT p n x n n n x n n i 2 exp E Fn E Fp V KT n i 2 e VT 而 p n x n p n0 p n p n （ p n n n ） n n x n n n 0 n n n n 0 p n x n V V p n n n0 n n n i 2 e V T p n n n0 p n n i 2 e V T 2 V p 1 p n n i e V T n n n0 n n0 p n 2 + n n0 p n - n i 2 e V V T = 0 -n n0 + 2 2 V V n n0 +4n i e T p n = 2 ( 此为一般结果 ) 小注入：（ p n n n 0 ） 2 V V p n n i e V T p n 0 e V T n i 2 n n0 p n0 n n 0 大注入： p n n n0 且 p n p n V V 所以 p n 2 n i 2 e V T 或 p n n i e 2V T 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 0np V T ln N d N a 。 n i 2 I n qA( D n n ) 解：净电子电流为 n n x d 处于热平衡时， I n ＝ 0 ，又因为 dx
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：材料与能源学院 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与方法： 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与典型题解》?电子工业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理与工艺》，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”、“教学手段与方法”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。