半导体物理与器件基础知识

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。

第01章半导体器件的基础知识1.1 半导体物理学概述1.1.1 半导体的定义半导体是指在温度为室温时，其导电性介于金属和非金属之间的材料。

室温下，半导体的导电性比金属低很多，但比非金属高很多。

1.1.2 能带模型能带模型是用来解释半导体电学性质的重要物理模型之一。

在能带模型中，半导体的能量带分为导带和价带。

导带的电子能量高，而价带的电子能量低，两个带之间有一条禁带（也称带隙），禁带内无可利用的电子。

1.1.3 杂质的作用在半导体中加入适量的杂质后，可以改变半导体的电学性质，如电导率、电子迁移率和载流子浓度等。

常用的杂质有掺杂剂和杂质氧化物等。

1.2 半导体器件的分类根据半导体器件的功能、工作原理和结构等不同属性，可以将其分为多种类型，其中常用的半导体器件有二极管、晶体管、场效应管、集成电路、发光二极管等。

1.2.1 二极管二极管是一种最简单的半导体器件，主要由P型半导体和N型半导体组成。

二极管的主要特点是只允许电流单向通过，具有整流、波形削减和电压稳定等特性，广泛应用于扫描电视机、颜色电视机、发光二极管等电子产品中。

1.2.2 晶体管晶体管是一种三层结构的半导体器件，由三种掺杂纯度不同的半导体材料组成：P型、N型和净掺杂型半导体。

晶体管主要有三种工作方式：放大、开关和振荡。

1.2.3 场效应管场效应管也称为MOS晶体管，是一种用于放大和开关的半导体器件。

场效应管是一种具有电容储能功能的半导体器件，由源、栅、漏三个电极组成，它的主要特点是具有高输入阻抗和良好的线性增益。

1.2.4 集成电路集成电路是一种将多个电子元件整合在单片半导体上的器件，其中包含大量的晶体管、二极管、电阻和电容等。

集成电路广泛应用于计算机、通信、汽车和家电等领域，对提高电路的性能、简化电路结构和减小体积有重要作用。

1.2.5 发光二极管发光二极管是一种具有半导体特性的器件，它能够在一定的外加电压下，将电能转换为光能，并向外辐射光线。

第一章●能带论：单电子近似法争论晶体中电子状态的理论●金刚石构造：两个面心立方按体对角线平移四分之一闪锌矿●纤锌矿：两类原子各自组成的六方排列的双原子层积存而成〔001〕面ABAB 挨次积存●禁带宽度：导带底与价带顶之间的距离脱离共价键所需最低能量●本征激发：价带电子激发成倒带电子的过程●有效质量〔意义〕：概括了半导体内的势场作用，使解决半导体内电子在外力作用下运动规律时，可以不涉及半导体内部势场作用●空穴：价带中空着的状态看成是带正电的粒子●准连续能级：由于N 很大，每个能带的能级根本上可以看成是连续的●重空穴带：有效质量较大的空穴组成的价带●窄禁带半导体：原子序数较高的化合物●导带：电子局部占满的能带，电子可以吸取能量跃迁到未被占据的能级●价带：被价电子占满的满带●满带：电子占满能级●半导体合金：IV 族元素任意比例熔合●能谷：导带微小值●本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷的纯洁半导体●应变半导体：经过赝晶生长生成的半导体●赝晶生长：晶格失配通过合金层的应变得到补偿或调整，获得无界面失配位错的合金层的生长模式●直接带隙半导体材料就是导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中同一位置●间接带隙半导体材料导带最小值〔导带底〕和满带最大值在k 空间中不同位置●允带：允许电子能量存在的能量范围.●同质多象体：一种物质能以两种或两种以上不同的晶体构造存在的现象其次章●替位杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。

●间隙杂质：杂质原子位于晶格的间隙位置。

●杂质浓度：单位体积中的杂质原子数。

●施主〔N 型〕杂质：释放束缚电子，并成为不行动正电荷中心的杂质。

●受主〔P 型〕杂质：释放束缚空穴，并成为不行动负电荷中心的杂质。

● 杂质电离：束缚电子被释放的过程〔N 〕、束缚空穴被释放的过程〔P 〕。

● 杂质束缚态：杂质未电离时的中性状态。

● 杂质电离能：杂质电离所需的最小能量：● 浅能级杂质：施〔受〕主能级很接近导〔价〕带底〔顶〕。

半导体物理与器件半导体物理与器件是研究半导体材料和器件特性的学科领域，这是电子科学与工程的重要分支之一。

在现代科技的发展过程中，半导体物理与器件起到了至关重要的作用，推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展与创新。

一、半导体物理的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。

这类材料的导电性能介于金属和非金属之间，可以通过控制掺杂来调节其电导率。

半导体物理主要研究半导体的物理性质及其在器件中的应用。

1.1 半导体的晶体结构半导体通常采用晶格结构，其中最常见的是硅(Si)和锗(Ge)。

晶格结构决定了半导体的物理特性和电学性能。

1.2 半导体的能带结构能带结构是描述半导体的重要概念，半导体中的能带分为价带和导带。

当半导体被采取适当的掺杂和加压等方法后，会出现禁带宽度，电子能够充满价带或从导带跃迁到价带，形成导电能力。

1.3 半导体的载流子半导体中的载流子是指带电粒子，有正负两种。

在掺杂过程中，掺杂原子注入到半导体晶格中，会引入自由电子或空穴，从而影响半导体的导电性能。

二、半导体器件的应用半导体物理的研究成果被广泛应用于各种半导体器件中，这些器件在现代社会中扮演着重要的角色。

2.1 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，具有单向导电特性。

它由正负两种半导体材料构成，在正向偏置时导通，在反向偏置时截止。

二极管广泛应用于电源、通信等领域。

2.2 三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件。

它由三个半导体区域组成，包括基极、发射极和集电极。

通过对基极电流的控制，可以实现对集电极电流的放大，被广泛应用于电子设备中。

2.3 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种控制电流的半导体器件，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。

它可作为电压控制器件，广泛应用于放大、开关、模拟和数字电路等领域。

2.4 光电二极管光电二极管是将光信号转换为电信号的设备。

通过光敏材料和PN结的结合，光电二极管可以检测和转换光信号，被广泛应用于通信、光学传感器、光通信等领域。

半导体物理与器件复习资料非平衡载流子寿命公式：本征载流子浓度公式：本征半导体：晶体中不含有杂质原子的材料半导体功函数：指真空电子能级E 0与半导体的费米能级E f 之差电子>(<)空穴为n(p)型半导体，掺入的是施主(受主)杂质原子。

Pn 结击穿的的两种机制：齐纳效应和雪崩效应载流子的迁移率扩散系数爱因斯坦关系式两种扩散机制：晶格扩散，电离杂质扩散迁移率受掺杂浓度和温度的影响金属导电是由于自由电子；半导体则是因为自由电子和空穴；绝缘体没有自由移动的带电粒子，其不导电。

空间电荷区：冶金结两侧由于n 区内施主电离和p 区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。

存储时间：当pn 结二极管由正偏变为反偏是，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳定值变为零所用的时间。

费米能级：是指绝对零度时，电子填充最高能级的能量位置。

准费米能级：在非平衡状度下，由于导带和介质在总体上处于非平衡，不能用统一的费米能级来描述电子和空穴按能级分布的问题，但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级成为准费米能级。

肖特基接触：指金属与半导体接触时，在界面处的能带弯曲，形成肖特基势垒，该势垒导放大的界面电阻值。

非本征半导体：将掺入了定量的特定杂质原子，从而将热平衡状态电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的材料定义为非本征半导体。

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。

直接带隙半导体：导带边和价带边处于k 空间相同点的半导体。

电子有效质量：并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例常熟。

雪崩击穿：由空间电荷区内电子或空穴与原子电子碰撞而产生电子--空穴对时，创建较大反偏pn 结电流的过程1、什么是单边突变结？为什么pn 结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？①冶金结一侧的掺杂浓度大于另一侧的掺杂浓度的pn 结；②由于pn 结空间电荷区p 区的受主离子所带负电荷与N 区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带点离子不能自由移动的，所以空间电荷区内的低掺杂一侧，其带点离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。