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半导体物理及器件随着现代科技的不断发展，半导体技术已经成为了当今世界最具有前沿性的技术之一。
半导体器件的广泛应用已经渗透到了我们日常生活的方方面面，比如智能手机、电脑、平板等等。
那么，什么是半导体物理及器件呢？本文将从物理层面解读半导体及其相关器件的工作原理。
一、半导体物理基础半导体是指在温度较高时表现为导体，在温度较低时表现为绝缘体的物质。
半导体的电子结构与导体和绝缘体不同，它们的导电方式是通过控制外部电场，来控制内部电子的行为。
半导体材料通常由四元素组成，如硅、锗等，这些元素的原子堆积方式形成了晶格结构，其中的电子行为也受到了晶格结构的影响。
半导体中的电子行为分为自由电子和价带电子。
自由电子是指受到外部电场作用后，可以自由移动的电子。
而价带电子则是不能自由移动的电子。
当半导体受到外部电场的作用时，价带电子会被激发到导带电子中，从而形成电流。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子器件。
半导体器件主要包括二极管、场效应晶体管、晶体管等等。
这些器件的工作原理都是基于半导体物理基础的。
1. 二极管二极管是一种最基本的半导体器件，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体与N型半导体之间形成了PN结，当施加电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，从而形成电流。
当电流方向为从P型半导体流向N型半导体时，二极管可以通过电流；当电流方向为从N型半导体流向P型半导体时，二极管则不导电。
2. 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种电子管，它是由金属栅极、P型半导体和N型半导体组成。
FET的工作原理是基于电场效应的，当外加电压作用于金属栅极时，会在P型半导体和N型半导体之间形成一个电场，从而控制电子的流动。
FET有很多种类型，其中最常见的是MOSFET。
3. 晶体管晶体管是一种三端半导体器件，它由P型半导体、N型半导体和控制极组成。
晶体管的工作原理是基于PN结的反向偏压和电场效应。
当控制极施加正电压时，会在PN结中形成反向偏压，从而使电流无法通过；当控制极施加负电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，形成电流。
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
精简版-半导体物理与器件复习资料(1).状态密度函数：有效量子态的密度。
它是能量的函数，表示为单位体积单位能量中的量子态数量。
(2).电子的有效质量：该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起来，该参数包含了晶体中的内力。
(3).费米-狄拉克概率函数：该函数描述了电子在有效能级中的分布，代表了一个允许能量状态被电子占据的概率。
(4).费米能级：用最简单的话说，该能量在T=0K时高于所有被电子填充的状态的能量，而低于所有空状态能量。
(5).空穴的有效质量：该参数同样将晶体价带中空穴的加速度与外加作用力联系起来，而且包含了晶体中的内力。
(6).k空间能带图：以k为坐标的晶体能连曲线，其中k为与运动常量有关的动量，该运动常量结合了晶体内部的相互作用。
(7).克龙尼克-潘纳模型：由一系列周期性阶跃函数组成，是代表一维单晶晶格周期性势函数的数学模型。
(8).杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体。
(9).完全电离：所有施主杂质原子因失去电子而带正电，所有受主杂质原子因获得电子而带负电的情况。
(10).简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n型）或价带中（p型）的半导体。
(11).有效状态密度：即在导带能量范围内对量子态密度函数gc（E）与费米函数fF（E）的乘积进行积分得到的参数Nc；在价带能量范围内对量子态密度函数gv（E）与【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的参数N。
(12).非本征半导体：进行了定量施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征载流子浓度产生多数载流子电子（n型）或多数载流子空穴（p型）的半导体。
(13).束缚态：低温下半导体内的施主与受主呈现中性的状态。
此时，半导体内的电子浓度与空穴浓度非常小。
n：本征半导体内导带电子的浓度和价带空穴的浓度（数值相等）。
(14).本征载流子浓度iE：本征半导体内的费米能级位置。
(15).本征费米能级Fi(16).本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料。
9金属半导体与半导体异质结
一、肖特基势垒二极管
欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：
电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触
附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图
三、异质结：两种不同的半导体形成一个结
小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管
双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理
附npn型和pnp型的结构图
发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低
附常规npn截面图
造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。
通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。
称为正向有源。
附图：
由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。
BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。
附基区中电子浓度示意图：
电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区，
那里的电场会将电子扫到集电区。
我们希望更多的电子能够进入集电区而不是在基区和多子空穴复合。
因此和少子扩散长度相比，基区宽度必须很小。
工作模式：附共发射极电路中npn型双极型晶体管示意图
1.如果B——E电压为零或者小于零（反偏），那么发射区中的多子电子就不会注入到基区。
由于B——C也是反偏的，这种情况下，发射机电流和集电极电流是零。
称为截至状态。
2.随着B——E结电压增大，集电极电流会增大，从而集电极上电阻分压Vr增大，意味着在晶体管CB上分压绝对值减小；在某一点出，集电极电流会增大到组后大使得电阻分压后再BC结零偏。
过了这一点后，集电极电流微笑增加会导致Vr 微小增加，从而使B——C结变为正偏（Vcb<0）。
称为饱和。
饱和时，B——E结和B——C结都是正偏的，集电极电流不受B——E结电压。
附双极型晶体管共发射极的电流电压特性，添加了负载线：
Ic=0时晶体管处于截至区。
当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于饱和区。
当Ic=βIb成立时，晶体管处于正向有源区。
小结：
1.基区宽度调制效应（厄尔利效应）：中性基区宽度随B——C结电压变化而发生变化，于是集电极电流随B——C结或C——E结电压变化而变化。
2.大注入效应使得集电极电流随C——E结电压增加而低速率增加。
11金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础
MOSFET的核心是MOS电容。
在半导体中，由于施加了一个穿过MOS电容的电压，氧化物-半导体界面的能带将发生弯曲。
其费米能级是该电压的函数，因此通过适当的电压可以使得半导体表面的特性从p型转换为N型，或n型转换为p 型。
附基本mos电容结构
平带电压：使半导体内部没有能带弯曲所加的栅压。
阈值电压：达到阈值反型点所需要的栅压。
阈值反型点：表面势Øs为两倍的Øf（费米能级与本征费米能级之差）的状态.当小于阈值电压时，未强反型，沟道未形成，截至；大于等于阈值电压时，强反型，沟道形成，导通。
阈值电压大于零，为增强型，零栅压时未反型。
阈值电压小于零，为耗尽型，零栅压时已反型。
对于p型衬底的Mos,能使反型层电荷密度改变的来源有：1.来自空间电荷区P 型衬底的少子电子的扩散；2.热运动产生的电子空穴对。
界面态：半导体在界面处的周期突然停止，使得电子能级存在于禁带中，这些允许的能太称为界面态。
三、MOSFET的基本工作原理
附N沟增强型MOSFET和耗尽型的剖面图：（注意电路符号）
附I(D)-V(GS)曲线的原理图
附n沟增强型MOSFET的特性曲线
当V(DS)大于阈值电压时，沟道中反型电荷为零的点移向愿端。
此时电子从源端进入沟道，通过沟道流向漏端。
在电荷为零的点处，电子被注入空间电荷区，并被电场扫向漏端。
附n沟耗尽型MOSFET的特性曲线
亚阈值电导是指在MOSFET中当栅源电压小于阈值电压时漏电流不为零。
这种情
况下，晶体管被偏置在弱反型模式下，漏电流是由扩散机制而非漂移机制控制。
该电导会在集成电路中产生一个明显的静态偏置电流。
13结型场效应晶体管
PnJEFT的基本工作原理
以N沟为例，多数载流子电子自源极流向漏极，器件的栅极是控制端。
附改变栅源电压的电流电压特性曲线
现在分析栅电压为零，漏电压变化的情况。
随着漏源电压的增大，栅与沟道形成的Pn结反偏，空间电荷区向沟道扩展。
随着空间电荷区的扩展，有效沟道电阻增大，曲线斜率变小。
附改变漏源电压时的特性曲线。
