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微电子器件及工艺CAD 第一章 半导体器件模拟的物理基础

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微电子器件 学习辅导资料 第 1 章

微电子器件 学习辅导资料 第 1 章

1 半导体物理基础1.1 半导体材料 1.1.1 学习重点1．半导体通常把电阻率介于10-2Ω·cm 到109Ω·cm 之间的材料称为半导体。

2．半导体的分类 根据成分的不同，半导体可分为元素半导体和化合物半导体两类。

由单一元素构成的半导体称为元素半导体；由两种或两种以上的元素组成的半导体称为化合物半导体。

3．固体材料中原子、分子或分子团的排列方式根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为无定形、多晶和单晶三种基本类型。

• 无定型材料：原子或分子只在几个原子或分子尺度内排列有序。

• 多晶材料：原子或分子在小区域内排列有序。

• 单晶体：原子或分子在整个晶体中有序排列。

4．硅和锗的晶体结构硅和锗的单晶体中原子的排列方式与金刚石相同，称为金刚石结构，如下图所示。

1.1.2自学练习1、半导体材料是指（ ）。

（a) 金刚石结构（b）硅单晶的正四面体结构硅和锗的晶体结构2、根据成分的不同，半导体材料可分为（ ）和（ ）两类。

3、根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为（ ）、 （ ）和（ ）三种基本类型。

4、无定型、多晶和单晶在原子或分子的排列方式各有什么特点？5、硅和锗单晶的结构为（ ）结构。

6、硅单晶的结构特点是什么？1.1.3练习答案1、半导体材料是指（ 电阻率介于导体和半导体之间的材料 ）。

2、根据成分的不同，半导体材料可分为（ 元素半导体 ）和（ 化合物半导体 ）两类。

3、根据原子、分子或分子团在三维空间中排列有序程度的不同，固体材料分为（ 无定形 ）、（ 多晶 ）和（ 单晶 ）三种基本类型。

4、无定型、多晶和单晶在原子或分子的排列方式各有什么特点？ 答：无定型材料中原子或分子只在几个原子或分子尺度内排列有序。

多晶材料中原子或分子在小区域内排列有序。

单晶体中原子或分子在整个晶体中有序排列。

5、硅和锗单晶的结构为（ 金刚石 ）结构。

最新模电课件-第1章-半导体器件课件PPT

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第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应晶体管
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
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在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
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在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴(金属呢？)。
2.电子和空穴成对出现,浓度相等。
3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导 电性和温度有关,对温度很敏感。
2 杂质半导体
2.1 N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
PN结
I扩 I漂
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
3.2 PN结的单向导电性
1) PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
第一章 微电子器件 半导体物理课件

第一章 微电子器件 半导体物理课件

第一章 半导体中的电子状态 基本关系式 电子有效质量
1 d 2 Ec 1 2 2 dk k k0 mn
1 dE 电子运动速度 dk
基本图形 • • • • 半导体、绝缘体、导体能带示意图 半导体本征激发能带示意图 硅半导体能带结构图 砷化镓半导体能带结构图
基本图示 • 一定温度下，载流子迁移率与杂质浓度的关系 • 一定掺杂浓度下，载流子迁移率与温度的关系 • 载流子漂移速度与电场关系 • 砷化镓载流子漂移速度与电场关系
第五章 非平衡半导体
一、基本关系式
导带电子浓度（包含非平衡导带电子）n n n0 价带空穴浓度（包含非平衡价带空穴）
表面复合率 U s s p s 电子扩散电流密度 J n 扩 空穴扩散电流密度 J p 扩 电子漂移电流密度 J n 空穴漂移电流密度

d n x qDn dx
d p x qD p dx
漂
q(n0 n)n E
q( p0 p) p E
半导体空间电荷密度方程 0 x q p0 x nDj x n0 x p Ai x
基本概念
1、状态密度——能带中能量E附近单位能量间隔内的电子状态数
2、费米统计分布——半导体电子服从的统计分布 3、少子浓度——半导体单位体积中的少子数 4、多子浓度——半导体单位体积中的多子数 5、非简并半导体——载流子分布从费米分布蜕化化服从波尔兹曼统计分布的半导体 6、简并半导体—掺杂浓度很高，使费米能级非常接近、甚至进入导带或价带的半导体 7、载流子冻析效应——温度很低时，杂质不能完全电离，电子或空穴被杂质束缚
基本关系式 漂移电流密度 J (nqn pq p ) E
模拟电子技术基础第一章半导体器件

模拟电子技术基础第一章半导体器件


•+4
•(b)简化模型
•图 1.1.1 硅原子结构
•
1.1.1 半导体特性
• 1、热敏性：当导体温度升高时，它的导 电性能会随着温度的升高而增强。
• 2、光敏性：当导体收到光照射时，电子 和空穴就会曾多，导电性岁光照增强而 增强。
• 3、掺杂性：当有目的的往纯净的半导体 中掺杂入微量五阶或三阶元素时，其导 电能力就可增加几十万乃至几百万倍。
如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半 导体)。
•常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
•
• 本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将 被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与 硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下 即可成为自由电子。
•内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。
• 4. 漂移运动 • 内电场有利 于少子运动—漂 移。
• 少子的运 动与多子运动方 向相反
• 阻挡层
•P
•空间电荷 区
•N
•内电场 •UD
•
•5. 扩散与漂移的动态平衡 •扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小 ； •随着内电场的增强，漂移运动(电流)逐渐增加； •等于•当零扩，散空电间流电与荷漂区移的电宽流度相达到等稳时，定P。N即结扩总散的运电动流与 •漂移运动达到动态平衡。
基本上成指数关系。
•
•结论： • 二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈 现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止 ，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。
• 从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压 与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极 管属于非线性器件。
微电子器件(第1章)

微电子器件(第1章)


1.6 半导体器件基本方程
半导体器件内的载流子在外电场作用下的运动规律可以用 一套 基本方程 来加以描述，这套基本方程是分析一切半导体 器件的基本数学工具。
半导体器件基本方程是由 麦克斯韦方程组 结合 半导体的 固体物理特性 推导出来的。这些方程都是三维的。
先来复习场论中的有关内容
i j k x y z
（c）单晶
一个典型单元或原子团在三维的每一个方向上按某种 间隔规则重复排列就形成了单晶。晶体中这种原子的周期 性排列称为晶格。
（a）简立方
（b）体心立方
（c）面心立方
元素半导体硅和锗具有金刚石晶体结构，参数a代表的是 晶格常数。
金刚石晶体结构最基本的结构单元是四面体，该四面体 中的每个原子都有四个与它最近邻的原子。
用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法， 称为非平衡载流子的光注入。光注入时
n p
当产生非平衡载流子的外部作用撤除以后，经过毫秒 到微秒数量级的时间，原来激发到导带的电子又回到价带， 载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态。这 一过程称为非平衡载流子的复合。
非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的 寿命，用τ表示。
晶体中电子所遵守的薛定谔方程为

2
2m0
d2 (x)
dx2
V (x) (x)

E (x)
• 晶体中电子处在不同的k状态，具有不同的能量E(k)， 求解上式可得出E(k)和k的关系曲线
硅、锗都属于金刚石型结构，它 们的固体物理原胞和面心立方晶体的 相同，其第一布里渊区如右图
在第一布里渊区求解薛定谔方程， 可得出半导体硅和锗的能带图
1.5载流子的输运现象
在外场‫׀‬E‫׀‬的作用下，半导体中载流子做定向运动，这 种运动称为漂移运动，其定向运动速度v称为漂移速度。
半导体物理及器件物理基础微电子

半导体物理及器件物理基础微电子

砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键 ，但在砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga＋离子与其四 个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋离子间的静电 吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As 原子的时间比在Ga原子中稍长。
0, 0, 1 2
1,1,1 222
0, 1 , 1 22
( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 (1 00) {hkl} ： 代 表 相 对 称 的 平 面 群 ， 如 在 立 方 对 称 平 面 中 ， 可 用 {100}表示(100)，(010)，(001)，(1 00)，(0 1 0)，(00 1)六个平面。 [hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平 面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的 方向。
能级与能带
能级分裂成能带
首先考虑两个相同原子，当彼此距离很远时，对同一
个主量子数(如n＝1)而言，其能级为双重简并(degenerate) ，亦即两个原子具有相同的能量。
但当两个原子接近时，由于
两原子间的交互作用，会使得双重 简并能级一分为二。如有N个原子 形成一个固体，不同原子外层电子 的轨道重叠且交互作用。将造成能 级的移动。当N很大时，将形成一
晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八
个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。
z
z
B
C
A D
y
x
x
基本晶体结构
面心立方晶格(face-centered cubic, fcc):除了八个角落的原子外 ，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子
2N3个p状 态
模拟电子技术基础目录

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模拟电子技术基础目录模拟电子技术基础目录模拟电子技术基础目录前言教学建议第1章半导体二极管及其应用1.1 半导体物理基础知识1.1.1 本征半导体1.1.2 杂质半导体1.2 pn结1.2.1 pn结的形成1.2.2 pn结的单向导电性1.2.3 pn结的反向击穿特性1.2.4 pn结的电容特性1.3 半导体二极管及其基本电路1.3.1 半导体二极管的伏安特性曲线1.3.2 半导体二极管的主要参数1.3.3 半导体二极管的电路模型1.3.4 二极管基本应用电路1.4 特殊二极管1.4.1 稳压二极管.1.4.2 变容二极管1.4.3 光电二极管1.4.4 发光二极管思考题习题第2章双极型晶体管及其放大电路2.1 双极型晶体管的工作原理2.1.1 双极型晶体管的结构2.1.2 双极型晶体管的工作原理2.2 晶体管的特性曲线2.2.1 共射极输出特性曲线2.2.2 共射极输入特性曲线2.2.3 温度对晶体管特性的影响2.2.4 晶体管的主要参数2.3 晶体管放大电路的放大原理2.3.1 放大电路的组成2.3.2 静态工作点的作用2.3.3 晶体管放大电路的放大原理2.3.4 基本放大电路的组成原则2.3.5 直流通路和交流通路2.4 放大电路的静态分析和设计2.4.1 晶体管的直流模型及静态工作点的估算2.4.2 静态工作点的图解分析法2.4.3 晶体管工作状态的判断方法2.4.4 放大状态下的直流偏置电路2.5 共射放大电路的动态分析和设计2.5.1 交流图解分析法2.5.2 放大电路的动态范围和非线性失真2.5.3 晶体管的交流小信号模型2.5.4 等效电路法分析共射放大电路2.5.5 共射放大电路的设计实例2.6 共集放大电路（射极输出器）2.7 共基放大电路2.8 多级放大电路2.8.1 级间耦合方式2.8.2 多级放大电路的性能指标计算2.8.3 常见的组合放大电路思考题习题第3章场效应晶体管及其放大电路3.1 场效应晶体管3.1.1 结型场效应管3.1.2 绝缘栅场效应管3.1.3 场效应管的参数3.2 场效应管工作状态分析及其偏置电路3.2.1 场效应管工作状态分析3.2.2 场效应管的偏置电路3.3 场效应管放大电路3.3.1 场效应管的低频小信号模型3.3.2 共源放大电路3.3.3 共漏放大电路思考题习题第4章放大电路的频率响应和噪声4.1 放大电路的频率响应和频率失真4.1.1 放大电路的幅频响应和幅频失真4.1.2 放大电路的相频响应和相频失真4.1.3 波特图4.2 晶体管的高频小信号模型和高频参数4.2.1 晶体管的高频小信号模型4.2.2 晶体管的高频参数4.3 晶体管放大电路的频率响应4.3.1 共射放大电路的频率响应4.3.2 共基、共集放大器的频率响应4.4 场效应管放大电路的频率响应4.4.1 场效应管的高频小信号等效电路4.4.2 共源放大电路的频率响应4.5 多级放大器的频率响应4.5.1 多级放大电路的上限频率4.5.2 多级放大电路的下限频率4.6 放大电路的噪声4.6.1 电子元件的噪声4.6.2 噪声的度量思考题习题第5章集成运算放大电路5.1 集成运算放大电路的特点5.2 电流源电路5.3 以电流源为有源负载的放大电路5.4 差动放大电路5.4.1 零点漂移现象5.4.2 差动放大电路的工作原理及性能分析5.4.3 具有电流源的差动放大电路5.4.4 差动放大电路的大信号分析5.4.5 差动放大电路的失调和温漂5.5 复合管及其放大电路5.6 集成运算放大电路的输出级电路5.7 集成运算放大电路举例5.7.1 双极型集成运算放大电路f0075.7.2 cmos集成运算放大电路mc145735.8 集成运算放大电路的外部特性及其理想化5.8.1 集成运放的模型5.8.2 集成运放的主要性能指标5.8.3 理想集成运算放大电路思考题习题第6章反馈6.1 反馈的基本概念及类型6.1.1 反馈的概念6.1.2 反馈放大电路的基本框图6.1.3 负反馈放大电路的基本方程6.1.4 负反馈放大电路的组态和四种基本类型6.2 负反馈对放大电路性能的影响6.2.1 稳定放大倍数6.2.2 展宽通频带6.2.3 减小非线性失真6.2.4 减少反馈环内的干扰和噪声6.2.5 改变输入电阻和输出电阻6.3 深度负反馈放大电路的近似计算6.3.1 深负反馈放大电路近似计算的一般方法6.3.2 深负反馈放大电路的近似计算6.4 负反馈放大电路的稳定性6.4.1 负反馈放大电路的自激振荡6.4.2 负反馈放大电路稳定性的判断6.4.3 负反馈放大电路自激振荡的消除方法思考题习题第7章集成运算放大器的应用7.1 基本运算电路7.1.1 比例运算电路7.1.2 求和运算电路7.1.3 积分和微分运算电路7.1.4 对数和反对数运算电路7.2 电压比较器7.2.1 电压比较器概述7.2.2 单门限比较器7.2.3 迟滞比较器7.2.4 窗口比较器7.3 弛张振荡器7.4 精密二极管电路7.4.1 精密整流电路7.4.2 峰值检波电路7.5 有源滤波器7.5.1 滤波电路的作用与分类7.5.2 一阶有源滤波器7.5.3 二阶有源滤波器7.5.4 开关电容滤波器思考题习题第8章功率放大电路8.1 功率放大电路的特点与分类8.2 甲类功率放大电路8.3 互补推挽乙类功率放大电路8.3.1 双电源互补推挽乙类功率放大电路8.3.2 单电源互补推挽乙类功率放大电路8.3.3 采用复合管的准互补推挽功率放大电路8.4 集成功率放大器8.5 功率器件8.5.1 双极型大功率晶体管8.5.2 功率mos器件8.5.3 绝缘栅双极型功率管及功率模块8.5.4 功率管的保护思考题习题第9章直流稳压电源9.1 直流电源的组成9.2 整流电路9.2.1 单相半波整流电路9.2.2 单相全波整流电路9.2.3 单相桥式整流电路9.2.4 倍压整流电路9.3 滤波电路9.3.1 电容滤波电路9.3.2 电感滤波电路9.3.3 复合型滤波电路9.4 稳压电路9.4.1 稳压电路的主要指标9.4.2 线性串联型直流稳压电路9.4.3 开关型直流稳压电路思考题习题第10章可编程模拟器件与电子电路仿真软件10.1 在系统可编程模拟电路原理与应用10.1.1 isppac10的结构和原理10.1.2 其他isppac器件的结构和原理10.1.3 isppac的典型应用10.2 multisim软件及其应用10.2.1 multisim 8的基本界面10.2.2 元件库10.2.3 仿真仪器10.2.4 仿真分析方法10.2.5 在模拟电路设计中的应用思考题习题第11章集成逻辑门电路11.1 双极型晶体管的开关特性11.2 mos管的开关特性11.3 ttl门电路11.3.1 ttl标准系列与非门11.3.2 其他类型的ttl标准系列门电路11.3.3 ttl其他系列门电路11.4 ecl门电路简介11.5 cmos门11.5.1 cmos反相器11.5.2 其他类型的cmos电路11.5.3 使用cmos集成电路的注意事项11.5.4 cmos其他系列门电路11.6 cmos电路与ttl电路的连接思考题习题参考文献延伸阅读：模拟电子技术基础50问1、空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？答：不是，但是在它的运动中可以将其等效为载流子。

第1章半导体器件基础

第1章半导体器件基础


E = 200 lx
符号 2. 主要参数
E = 400 lx
特性
工作条件： 反向偏置
u
电学参数： 暗电流，光电流，最高工作范围
光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长
实物照片
模电拟 电子子 技技术 术
1.2.6 二极管应用举例
例1：已知ui是幅值为10V的正弦信号，试画出ui和uo 的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。
模电拟 电子子 技技术 术
例二：在图示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压 UZ=6V，最小稳定电流Izmin=5mA，最大稳定电流Izmax=25mA； 负载电阻RL=600Ω。求解限流电阻R的取值范围。
分析：
由KCL I R I DZ I L
I DZ
UI
UZ R
UZ RL
而 5mA IDZ 25mA
(击穿电压 < 4 V，负温度系数)
雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，当反向电压增加到较
大数值时，耗尽层的电场使少子加快漂移速度，从而与 共价键中的价电子相碰撞，把价电了撞出共价键，产生 电子-空穴对。新产生的电子与空穴被电场加速后又撞 出其它价电子，载流子雪崩式地倍增，致使电流急剧增 加，这种击穿称为雪崩击穿。 (击穿电压 > 7V，正温度系数)
模电拟 电子子 技技术 术
二、PN 结的单向导电性 1. 外加正向电压(正向偏置)— forward bias
IF P 区
外电场
N区 内电场
扩散运动加强形成正向电流 IF
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄。
限流电阻
模电拟 电子子 技技术 术
2. 外加反向电压(反向偏置) — reverse bias
微电子器件授课教案

微电子器件授课教案

微电子器件授课教案第一章：微电子器件概述1.1 微电子器件的定义与分类1.2 微电子器件的发展历程1.3 微电子器件的基本原理1.4 微电子器件的应用领域第二章：半导体物理基础2.1 半导体的基本概念2.2 半导体的能带结构2.3 半导体材料的制备与分类2.4 半导体器件的掺杂原理第三章：晶体管器件3.1 晶体管的基本原理3.2 晶体管的结构与类型3.3 晶体管的制备与加工3.4 晶体管的性能参数及应用第四章：集成电路概述4.1 集成电路的基本概念4.2 集成电路的分类与结构4.3 集成电路的制备工艺4.4 集成电路的应用领域第五章：微电子器件的可靠性5.1 微电子器件可靠性的基本概念5.2 微电子器件失效的原因及机制5.3 微电子器件可靠性提升的方法5.4 微电子器件的可靠性测试与评估第六章：二极管器件6.1 二极管的基本原理与结构6.2 二极管的制备与掺杂6.3 二极管的性能参数及测试6.4 二极管的应用领域第七章：场效应晶体管（FET）7.1 FET的基本原理与结构7.2 FET的制备与加工7.3 FET的性能参数及特性曲线7.4 FET的应用领域及发展趋势第八章：双极型晶体管（BJT）8.1 BJT的基本原理与结构8.2 BJT的制备与掺杂8.3 BJT的性能参数及工作原理8.4 BJT的应用领域及发展趋势第九章：集成电路设计9.1 集成电路设计的基本流程9.2 数字集成电路设计9.3 模拟集成电路设计9.4 集成电路设计工具与方法第十章：微电子器件的封装与测试10.1 微电子器件封装的基本概念10.2 常见封装形式及其特点10.3 微电子器件的测试方法10.4 微电子器件的质量控制与可靠性提升第十一章：功率半导体器件11.1 功率半导体器件的分类与原理11.2 功率晶体管和功率二极管11.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）11.4 功率集成电路与模块第十二章：微波半导体器件12.1 微波半导体器件的分类与原理12.2 微波二极管和微波三极管12.3 微波集成电路与系统12.4 微波半导体器件的应用第十三章：光电子器件13.1 光电子器件的基本原理13.2 激光二极管与光检测器13.3 光电子集成电路与系统13.4 光电子器件的应用与发展第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本原理与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与闪存14.4 存储器系统与新技术第十五章：微电子器件的进展与未来15.1 微电子器件的技术发展趋势15.2 纳米电子学与量子器件15.3 生物医学微电子器件15.4 环境与能源相关的微电子器件重点和难点解析第一章：微电子器件概述重点：微电子器件的定义、分类和应用领域。

半导体物理基础

半导体物理基础


于
N N
0 v, Ga 0 v, As
3.3 10 2.2 10
18
e e
0 .4 /k T 0.7/kT
20
当空位形成时不是四个键都打断，流下一个电子，成 为-1价空位，它的激活能显然与中性空位不同。带-1价 空位的平衡浓度为： n 半导体自由电子载流子浓度
N v N v
带隙：导带底与价带顶之间的能量差
导 带
Eg
价 带
本征半导体的能带
电子和空穴的产生
电 子 能 量 增 加
空 穴 能 量 增 加
电子摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，在 能带图上看，就是一个价电子从价带到导带的量子跃迁 过程。其结果是在导带中增加了一个电子而在价带中则 出现了一个空的能级（空穴）。 半导体中的导电电子就是处于导带中的电子，空穴的导 电性反映的仍是价带中电子的导电作用。
漂移-扩散模型中半导体 载流子的输运方程：
j p q p p E qD p p
jn q n n E qD n n
漂移项 扩散项
载流子的漂移运动
载流子在电场作用下的运动
漂移电流
J Drift qnv d qn E
单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力
能带的产生
能带的产生
半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子哪样 连续，也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级， 而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近 的能级。
导带、价带、禁带
价带：0 K 条件下被电子填充的能量最高的能带
导带：0 K 条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带
电子：Electron 空穴：Hole
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式中Ec和Ev 分别为导带底及价带顶的能量，Nc 和Nv分别为导带底及价带顶的有效状态密度。
EF Ei Ec Ei EF Ei n [ N c exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT Ei EF Ei Ev Ei EF p N v exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT
引 言
采用器件模拟技术后，器件的性能参数可以从 理论计算上得到，其过程如下图所示：
器件 横向 设计 不 合 格 合格 不 合 格
用 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 要 求
器件 模拟 工艺 设计 工艺模拟
器件 纵向 设计
参 数 显 示
引 言
首先，按照用户的要求，进行新器件的横向结 构及纵向结构设计，然后将这些设计参数送入器件/ 工艺模拟器（模拟程序）进行理论计算，器件特性 参数的计算值会在器件模拟之后显示出来。显示出 的参数与用户的要求进行比较。如不合要求，在对 设计参数进行调整，重复上述模拟过程，直到满足 用户的要求为止。 如果对一个半导体器件建立了正确的物理模型 及数学模型，理论计算得到的参数应与测量值是一 致的。 因此，半导体器件物理模型和数学模型的建立， 显得十分重要。
15
式中mn*和mp* 分别为电子和空穴的有效质量， m0是电子的惯性质量，T是绝对温度，Eg是半导体材 料的禁带宽度，K是玻尔兹曼常数。
Ge: ni 2.41013cm3 Si : ni 1.510 cm
10 3
GaAs : ni 1.1107 cm3
载流子浓度（续）
2.杂质半导体 （1）非简并情况
载流子浓度（续）
式中Ei 为本征半导体的费米能级。 E E 如果定义静电势 和费米电势 F/q i /q 则上二式可表示为
q n ni exp kT q p ni exp kT EF Ei Ec Ei EF Ei n [ N c exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT Ei EF Ei Ev Ei EF p N v exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT
Ec EF
Eg Eg
Ec
EF Ev
Ev
N型 A 平衡态
P型
对于一般掺杂浓度的杂质半导体，即非简并半 E KT 导体，费米能级EF 在禁带中，而且， E E KT 或E ，这时导带电子和价带空穴服从玻 F v 尔兹曼分布，它们的浓度分别为
C F
载流子浓度（续）
EC E F n N C exp kT E F EV p N V exp kT
载流子浓度（续）
B 非平衡情况 当半导体中有电流通过时，平衡状态破坏，电子和 空穴不再有统一的费米能级。当电流不大时，采用准费 米能级近似，则有
E Fn E i n n i ex p kT E i E Fp p n i ex p kT
引 言
因此，本章将回顾半导体器件中描述载流子特 性的基本物理方程。 载流子浓度


Poisson方程
载流子输运方程 连续性方程
§1-1 载流子浓度
载流子浓度
1.本征半导体
3 * * 4 3 p n 2 2 0
m m E g n 4 . 82 10 T e xp( ) i m 2 kT
EF Ei n n i exp kT Ei EF p n i exp kT
载流子浓度（续）
式中Ei 为本征半导体的费米能级。 E E 如果定义静电势 和费米电势 F/q i /q 则上二式可表示为
q n ni exp kT q p ni exp kT
上二式适用于平衡态的情况。
工艺 设计
工 艺 流 程
参 数 测 试
引 言
一般一次试制的样品其测量参数和用户的要求 会有差异，这时需要修正器件的设计方案，包括横 向及纵向设计方案，也就是要重复光刻制版制作、 工艺设计、工艺流程、参数测试等步骤，需要经过 数次设计方案的调整及数次的工艺流程，才能得到 符合用户要求的试制品。显然，其过程很麻烦，时 间会较长，费用大（制版、流片等）。
上面的两个式子也可以写成
载流子浓度（续）
式中Ei 为本征半导体的费米能级。 E E 如果定义静电势 和费米电势 F/q i /q 则上二式可表示为
EF Ei Ec Ei EF Ei n [ N c exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT Ei EF Ei Ev Ei EF p N v exp( )] exp( ) ni exp kT kT kT
微电子器件与工艺CAD
第一章 半导体器件模拟 的物理基础
哈尔滨工业大学(威海) 2008年(春) 微电子中心
引 言
半导体器件的制作和工作过程是一个非常复杂 的过程，为了使其能够很好地工作，满足设计要求， 传统的试制过程如下:
器件 横向 设计 制光 刻版 不 合 格 合格 不 合 格
用 户 要 求
器件 纵向 设计
引 言
可以看出，半导体器件的模拟(也称为数值模拟) 的过程可以概括为对所研究的半导体器件建立或选 用合适的物理模型，并抽象成数学表达式，然后利 用适当的数值方法，开发计算机软件(模拟程序)， 输入所研究器件的工艺、几何尺寸、电学等方面的 模型参数，用计算机计算得到器件的特性及其内部 的物理图像。 对于半导体器件模拟程序来说，器件模拟就是 从电子和空穴的输运方程、连续性方程和泊松方程 出发，通过计算机解出器件中的电势分布和载流子 浓度分布，从而得到器件的电流电压特性，并可计 算出器件模型参数。