器件物理(1-2)

第一节常见的电路元器件第二节闭合电路的欧姆定律一、识别几种常见元器件1。

电阻器:(1)分为阻值固定的电阻器和阻值可变的电阻器。

(2)在电路图中,用字母“R”及符号“”表示。

2.电感器:（1）由绝缘导线绕成,通过电磁感应能把外部电路的电能储存在电感器内部的磁场中.(2）在电路图中用字母“L”及符号“"或“”表示. 3。

二极管：（1)在电路中，只允许电流由单一方向通过,反向时阻断。

（2）在电路图中，用字母“D”及符号“"表示,箭头表示正向电流的方向。

二、电动势市面上有形形色色的电池,它们产生电能的“本领”一样吗？如何比较不同电池发电“本领"的高低呢？提示：不一样。

通过比较电动势判断产生电能“本领”的高低。

1。

闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路。

用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。

2.非静电力的作用:在电源内部，非静电力把正电荷从负极搬运到正极,在该过程中非静电力做功,使电荷的电势能增加，将其他形式的能量转化为电势能。

3。

电动势:（1)定义:在电源内部，非静电力把正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功W与被移送电荷q的比值.（2）公式:E=（3）单位：伏特,简称：伏，符号：V。

(4)物理意义:反映电源非静电力做功本领大小的物理量。

(5）影响电动势大小的因素有：①①非静电力的性质②电源的体积③外电路结构④电源的新旧程度提醒：电动势的单位与电压的单位相同，但是两者是截然不同的两个概念。

三、闭合电路欧姆定律1.内阻:通常在电源内部也存在电阻,内电路中的电阻叫作内阻。

2。

闭合电路的电势:（1)在外电路中沿电流方向电势降低(选填“升高”或“降低”）。

(2）在内电路中沿电流方向电势升高（选填“升高”或“降低”）。

3.闭合电路欧姆定律：(1）内容:闭合电路的电流跟电源的电动势成正比,跟内、外电路的电阻之和成反比。

(2)表达式:I=.(3)适用条件：外电路为纯电阻电路。

1雪崩击穿：
加外部反向电压耗尽区中的载流子受到该区电场加速而不断增加能量，当能量达到足够大时，载流子与晶格碰撞时产生电子-空穴对。

新的电子-空穴对又在电场作用下加速，与原子碰撞时再产生第三代电子-空穴对。

如此继续，产生大量导电载流子，电流迅速上升。

2 影响雪崩击穿电压的因素:
（1）：杂质浓度及杂质分布对击穿电压的影响；（2）：外延层厚度对击穿电压的影响；（3）：棱角电场对雪崩击穿电压的影响：（4）：表面状况及工艺因素对反向击穿电压的影响；(5)：温度对雪崩击穿电压的影响。

3穿通击穿：
若在发生雪崩击穿之前，集电结的空间电荷区已经扩展到发射结处，即晶体管击穿，此时称为穿通击穿。

4隧道击穿
5：势垒电容：
（老师ppt上的）
当外加电压VA变化时，pn结的空间电荷宽度跟着发生变化，因而势垒区的电荷量也就随着外加电压变化而变化。

这相当于pn结中存储的电荷量也随之变
化，犹如电容的充放电效应。

因为放生在势垒区，故称为势垒电容，用CT表示。

（师兄的）
6：扩散电容：。

半二复习笔记1.1MOS结构1.费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示2.表面势：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示3.金半功函数差4.P沟道阈值电压注意faifn是个负值1.3 MOS原理1. MOSFET非饱和区IV公式2. 跨导定义：VDS一定时，漏电流ID随VGS变化率，反映了VGS 对ID 的控制能力3. 提高饱和区跨导途径4.衬底偏置电压VSB>0，其影响5. 背栅定义：衬底能起到栅极的作用。

VSB变化，使耗尽层宽度变化，耗尽层电荷变化；若VGS不变，则反型沟道电荷变化，漏电流变化1.4 频率特性1. MOSFET频率限制因素：①沟道载流子的沟道运输时间（通常不是主要的限制因素）②栅电容充放电需要时间2. 截止频率：器件电流增益为1时的频率高频等效模型如下：栅极总电容CG看题目所给条件。

若为理想，CgdT为0，CgsT约等于Cox，即CG=Cox；非理想情况即栅源、栅漏之间有交叠，产生寄生电容：①CgdT的L为交叠部分长度②CgsT的L为L+交叠部分长度（CgsT=Cgs+Cgsp）。

3. 提高截止频率途径1.5 CMOS1.开关特性2.闩锁效应过程2.1 非理想效应1. MOSFET亚阈特性①亚阈值电流：弱反型态：势垒较低→电子有一定几率越过势垒→形成亚阈值电流②关系式：③注：若VDS>4（kT/e），最后括号部分≈1，IDsub近似与VDS无关④亚阈值摆幅S：漏电流减小一个数量级所需的栅压变化量，S是量化MOS管能否随栅压快速关断的参数。

⑤快速关断：电流降低到Ioff所需VGS变化量小。

因此S越小越好⑥亚阈特性的影响：开关特性变差：VGS=0时不能理想关断；静态功耗增加⑦措施：提高关断/待机状态下器件的阈值电压VT（如通过衬底和源之间加反偏压，使VT增加）、减小亚阈值摆幅2. 沟长调制效应（VDS↑⇒ID↑）①机理理想长沟：L`≈L，导电沟道区的等效电阻近似不变，饱和区电流饱和；实际器件(短沟)：L` <L ，导电沟道区的等效电阻减小，ID增加,②夹断区长度③修正后的漏源电流④影响因素衬底掺杂浓度N 越小⇒ΔL的绝对值越大⇒沟道长度调制效应越显著；沟道长度L越小⇒ΔL的相对值越大⇒沟道长度调制效应越显著3. 迁移率变化①概念：MOSFET载流子的迁移率理想情况下：近似为常数；实际受沟道内电场的影响，迁移率非常数。

《半导体器件原理》课程教学大纲课程名称：半导体器件物理课程代码：MICR2021英文名称：Semiconductor Device Physics课程性质：专业必修课学分/学时：3.5 / 63开课学期：6适用专业：微电子科学与工程、电子科学与技术先修课程：量子力学、统计物理后续课程：器件模拟与工艺模拟、大规模集成电路制造工艺开课单位：电子信息学院课程负责人：王明湘大纲执笔人：张冬利大纲审核人：X一、课程性质和教学目标课程性质：《半导体器件物理》课程是微电子科学与工程专业的的一门专业必修课，也是本专业的必修主干课程，是器件模拟与工艺模拟、大规模集成电路制造工艺等课程的前导课程，本课程旨在使学生掌握典型的半导体器件的工作机制，为设计和分析半导体器件奠定基础。

教学目标：本课程的教学目的是使学生掌握半导体材料常见特性的物理机制以及典型半导体器件的作用原理。

通过本课程的学习，要求学生能掌握半导体的导电机制、掺杂原理、载流子统计分布、非平衡载流子的概念等，能运用这些理论来分析p-n结、BJT、MOSFET等半导体器件的工作原理。

本课程的具体教学目标如下：1、掌握牢固的半导体基础知识，理解半导体器件工作的物理机制。

【1.3】2、能够从半导体器件的典型电流电压特性提取半导体器件的关键参数。

【2.1】3、能够根据给定的器件特性要求，设计器件结构。

【3.1】4、学习测量半导体器件的特性，对测量结果进行研究，并得到合理有效的结论。

【4.1】【5.2】二、课程目标与毕业要求的对应关系三、课程教学内容及学时分配（重点内容：★；难点内容： ）第一章器件分类、基本原理和器件课程介绍课时：1周，共3课时教学内容第一节器件基本原理与分类一、器件基本原理与工程应用（支持教学目标1、2、4）物理模型与工程模型：微观描述与宏观测量二、器件分类从材料、工艺、应用形态进行分类三、学科特点与课程特点（支持教学目标3）器件发展、器件研究/工程方法、器件课程的要求思考题：1、怎样把微观描述与宏观测量结合2、电流器件与电压器件的特点3、平面工艺的特点第二章半导体材料的结构与能带理论（支持教学目标1）课时：2周，共6课时第一节晶体结构与硅工艺一、晶体的结构二、硅工艺简介思考题：1、平面工艺哪些结构能做哪些结构不能做第二节基本能带理论一、能带假设二、统计分布的特点三、本征与掺杂半导体★思考题：1、尺寸缩小时能带理论哪些假设不成立第三章载流子输运（支持教学目标1）课时：3周，共6课时第一节传统输运机制★一、漂移二、扩散三、热平衡思考题：掺杂浓度N1N2，内部压降多少第二节强电场效应和量子输运一、量子输运二、强电场效应思考题：量子输运的尺度效应第三节产生复合机制与连续性方程一、几种产生复合假设二、连续性方程及其基本应用思考题：产生复合电流的大小第四章PN结二极管课时：3周，共9课时第一节热平衡下的PN结（支持教学目标1）一、PN结的形成与能带特点、质量作用定律★二、突变PN结耗尽近似的基本方程与参数分布★三、缓变结思考题：耗尽近似的局限第二节直流偏压下的PN结、存储（支持教学目标1）一、载流子与能带分析★二、电流电压方程★三、电容第三节击穿、暂态、异质结（支持教学目标1）一、击穿★二、暂态响应∆三、异质结思考题：1、异质结的优点2、如何构成恒流源第五章双极晶体管课时：3周，共9课时第一节晶体管的工作原理（支持教学目标1）一、原理结构与工艺结构特点★∆二、静态分布三、开关应用思考题：击穿第二节放大运用的基本原理（支持教学目标2、3）一、电流特性二、应用组态三、基本效应★思考题：1、如何提高放大倍数2、几种组态的电导特性第三节频率响应、HBT、功率器件（支持教学目标3）一、频率响应★∆二、HBT三、SCR思考题：1、击穿特性第六章MOS与MOSFET（支持教学目标1）课时：3周，共9课时第一节MOS的基本结构与能带分析一、能带分析★二、杂质电荷三、高、低频电容★∆四、CCD思考题：非理想情况的电容测量第二节MOSFET的基本原理一、电流电压方程★（支持教学目标1）二、电导特性与亚阈特性★（支持教学目标2、3）三、尺寸效应∆（支持教学目标3）思考题：1、迁移率2、量子效应思考题：1、Bipolar与MOSFET的比较第七章MESFET课时：1周，共6课时第一节金半接触、MESFET、MODFET（支持教学目标1）一、金半接触二、MESFET ★三、SOI、Bicmos、存储器∆第八章光电器件课时：2周，共6课时第一节太阳能电池（支持教学目标1、2、3）一、光吸收二、太阳能电池★第二节发光二极管★第三节激光第九章实验★（支持教学目标3、4）课时：3周，共9课时实验测试系统第二节器件基本电流电压特性测量第三节器件特性参数测量四、教学方法1、在课堂教学中，阐述半导体器件工作原理，并你们最新半导体器件研究热点，培养学生的理解能力、和创新能力；2、采用传统教学方式与多媒体课件相结合进行教学；3、结合课程相关内容针对半导体器件设计与制造技术，用由浅入深，结合课程中的相应知识点进行分析，培养学生解决复杂工程问题的能力。

半导体器件物理复习题答案一、选择题1. 半导体材料中，导电性介于导体和绝缘体之间的是：A. 导体B. 绝缘体C. 半导体D. 超导体答案：C2. PN结形成后，其空间电荷区的电场方向是：A. 由N区指向P区B. 由P区指向N区C. 垂直于PN结界面D. 与PN结界面平行答案：B3. 在室温下，硅的本征载流子浓度大约是：A. \(10^{10}\) cm\(^{-3}\)B. \(10^{12}\) cm\(^{-3}\)C. \(10^{14}\) cm\(^{-3}\)D. \(10^{16}\) cm\(^{-3}\)答案：D二、简答题1. 解释什么是PN结，并简述其工作原理。

答案：PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构。

P型半导体中空穴是多数载流子，N型半导体中电子是多数载流子。

当P型和N型半导体接触时，由于扩散作用，空穴和电子会向对方区域扩散，形成空间电荷区。

在空间电荷区，由于电荷的分离，产生一个内建电场，这个电场的方向是从N区指向P区。

这个内建电场会阻止进一步的扩散，最终达到动态平衡，形成PN结。

2. 描述半导体中的扩散和漂移两种载流子运动方式。

答案：扩散是指由于浓度梯度引起的载流子从高浓度区域向低浓度区域的运动。

漂移则是指在外加电场作用下，载流子受到电场力的作用而产生的定向运动。

扩散和漂移共同决定了半导体中的电流流动。

三、计算题1. 假设一个PN结的内建电势差为0.7V，求其空间电荷区的宽度。

答案：设PN结的空间电荷区宽度为W，内建电势差为Vbi，则有：\[ V_{bi} = \frac{qN_{A}N_{D}}{2\varepsilon}W \] 其中，q是电子电荷量，\( N_{A} \)和\( N_{D} \)分别是P型和N型半导体中的掺杂浓度，\( \varepsilon \)是半导体的介电常数。

通过这个公式可以计算出空间电荷区的宽度W。

四、论述题1. 论述半导体器件中的载流子注入效应及其对器件性能的影响。

半导体器件物理（第⼆版）第⼆章答案解析2-1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利⽤2TV 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 in n FP i i nn 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 nn n n n n n n p x p p p n x n n n p x =+?≈?=+?=+ （n n n p ?=?）()()TTV Vin n n V V in n n en p n p e n n n p 2020=?+?=?+2001TV V n i n n n p n p e n n +=T V V 22n n0n i p +n p -n e =0n p =(此为⼀般结果)⼩注⼊：（0n n n p <2== ()002n n i p n n =⼤注⼊： 0n n n p >>? 且 n n p p ?= 所以 TV V ine n p 22=或 TV Vi n en 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20lniad T p n n N N V =-=ψψψ。

解：净电⼦电流为()n nn nI qA D n xµε?=+?处于热平衡时，I n ＝0 ，⼜因为d dxψε=-所以nnd nn D dx xψµ?=?，⼜因为n T n D V µ=（爱因斯坦关系）所以dn nV d T=ψ，从作积分，则2002ln ln ln ln ln i a d n p T n T po T d T T a in N NV n V n V N V V N n ψψψ=-=-=-=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 =?。

《半导体器件物理》教学大纲课程名称: 半导体器件物理学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计适用专业:集成电路设计与集成系统一、本课程的性质和任务本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。

本课程是本专业必修课和学位课。

本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。

二、本课程的教学内容和基本要求一、半导体器件简介1．掌握半导体的四种基础结构；2．了解主要的半导体器件；3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。

二、热平衡时的能带和载流子浓度1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构；2．了解基本晶体生长技术；3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论；4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。

三、载流子输运现象１．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系；２．了解霍耳效应；３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式；４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程；５．掌握连续性方程式；６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。

四、p-n结１．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念；２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算；３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程；４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念；５．掌握p-n结的三种击穿机制。

６．了解异质结的能带图。

五、双极型晶体管及相关器件１．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应；3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念；4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益；5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。

2024年高二物理电容器知识点总结一、电容器的基本概念和性质1. 电容器的定义：电容器是由至少由两个导体构成的器件，两个导体之间可以储存电荷。

2. 电容的定义：电容器两极之间储存的电荷量与电压的比值称为电容，用符号C表示，单位是法拉(F)。

3. 电容的计算公式：C = Q / V，其中C表示电容，Q表示储存在电容器中的电荷量，V表示电容器两极之间的电压。

4. 电容器的分类：电容器分为极板电容器和电解质电容器两种类型。

5. 极板电容器：极板电容器由两块平行极板组成，之间夹有一层电介质。

常见的极板电容器有平行板电容器和同心球型电容器。

6. 电解质电容器：电解质电容器使用导电电解质作为电介质，形成了电解质层。

常见的电解质电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。

7. 电容器的串联和并联：电容器的串联时，总电容等于各个电容器的倒数之和的倒数，即1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + ...。

电容器的并联时，总电容等于各个电容器的和，即C = C1 + C2 + ...。

8. 电容器的充放电：当电容器与电源相连时，电荷从电源流入电容器，使电容器储存电荷，此过程称为充电；当电容器与电源的连接断开时，电容器释放储存的电荷，此过程称为放电。

二、平行板电容器的性质和公式推导1. 平行板电容器的结构：平行板电容器由两块平行金属板和一层介质组成，两块金属板之间的距离称为板间距离，两块金属板的面积称为平行板电容器的面积。

2. 平行板电容器的性质：平行板电容器的电容与板间距离反比，与板的面积正比。

3. 平行板电容器的电容公式推导：设平行板电容器的面积为S，板间距离为d，板的电荷量为Q，电场强度为E，电容为C。

根据电场强度的定义E = V / d，电势差V = Ed，电容的定义C = Q / V，可以推导出电容的公式C = ε0S / d，其中ε0为真空介电常数。

4. 平行板电容器的单板电容和等效电容：平行板电容器单板的电容为C0 = ε0S / d，其中C0为单板电容。

1第一章 半导体物理基础半导体物理知识是学习半导体器件物理课程的基础。

为了方便学过半导体物理的学生使用本书时对半导体物理的有关知识进行回顾和查阅，也为了给没有学过半导体物理的读者提供必要的参考，我们在本章简明地介绍半导体的基本性质。

其主要内容包括半导体能带论的主要结果，半导体中载流子浓度的统计分布，费米能级的计算，载流子的输运以及半导体中的基本控制方程等。

半导体表面和半导体光学性质等是半导体物理中的重要内容。

为不使本章的内容过于冗长，更为了学习相关器件物理的方便，分别把它们放在有关章节（第六、七章）予以介绍。

相信上述内容可为读者学习半导体器件物理提供足够的预备知识。

如果有些读者觉得本书所介绍的内容尚不够全面深入和详尽，可参阅标准的半导体物理和固体物理等教材。

1.1 半导体中的电子状态1.1.1半导体中电子的波函数和能量谱值 布洛赫定理电子状态亦称为量子态，指的是电子的运动状态。

晶体是由规则的周期性排列起来的原子所组成的。

每个原子又包含有原子核和核外电子。

原子核和电子之间、电子和电子之间存在着库仑作用。

因此，它们的运动不是彼此无关的，应该把它们作为一个体系统一地加以考虑。

也就是说，所遇到的是一个多体问题。

为使问题简化，近似地把每个电子的运动单独地加以考虑，即在研究一个电子的运动时，把在晶体中各处的其它电子和原子核对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑，这种近似称为单电子近似。

这样，一个电子所受的库仑作用仅随它自己的位置的变化而变化。

于是它的运动便由下面仅包含这个电子的坐标的波动方程式所决定()()()r E r r V m vv v h ψψ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇−222 （1-1） 式中2222∇−mh —— 电子的动能算符 )(r V v——电子的势能算符，它具有晶格的周期性E ——电子的能量()r vψ ——电子的波函数π2h =h ，h 为普朗克常数，h 称为约化普朗克常数如果势函数)(r V v有晶格的周期性，即)()(r V R r V m vv v =+ （1-2）则方程（1-1）的解)(r vψ具有如下形式)()(r u e r k rk i kv v r vv v ⋅=ψ （1-3） 式中)(r u kvv 为一与晶格具有同样周期性的周期性函数，即 ()()r u R r u k m kvv v v v =+ （1-4）（1-2）和（1-4）式中的m R v称为晶格平移矢量：332211a m a m a m R m vv v v ++= （1-5）式中1a v 、2a v 、3a v为晶格的一组基矢量，1m 、2m 、3m 为三个任意整数。