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半导体器件物理课件 2016-10-17

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半导体物理与器件ppt课件

半导体物理与器件ppt课件

2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章

1
绪论

什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et




2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用

无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）

20
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2

半导体器件物理PPT课件

半导体器件物理PPT课件
1.1 半导体的晶格结构
五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构 ●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构
釙(Po)
晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，称为 晶格。
体心立方结构
钠（Na） 钼（Mo） 钨（W）
面心立方结构
铝（Al） 铜（Cu） 金（Au） 银（Ag）
金刚石结构
由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。
• 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。
• 一族平行线所指的方 向用晶列指数表示
• 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数
• [111]、[100]、[110]
晶面指数（密勒指数）
• 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面
• 一族平行晶面用晶面指数来表示 • 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互
解

练习
假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
晶体的各向异性
其他因素与半导体
除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他 外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材 料的导电能力。
硅 （Si）
在20世纪50年代初期，锗曾经是最主要 的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已 取而代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，是因为硅 器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅 的运用在其中起着决定性的作用，经济上的 考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的 硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在 二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。

半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件

半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件
面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗 尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很 少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负 空间电荷区加宽。 • 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表 面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反 型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层 中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
3 PPT课件
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET
(Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET
( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前 绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
8 PPT课件
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟 道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低 的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方 向由漏端流向源端。
I DS

1 2

nCOX
W L
(VGS
VT )2
22 PPT课件
当然，随着VDS的增大，夹断 点逐步向源端移动，有效沟道 长度将会变小，其结果将使IDS 略有增加，这是沟道长度调制 效应。
（3）击穿区
饱和区后，VDS继续增大到一定程度时，晶体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ将进 入击穿区，在该区，随VDS的增加IDS迅速增大，直至 引起漏－衬底PN结击穿。

半导体器件物理教案课件

半导体器件物理教案课件

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。

《半导体器件》PPT课件

《半导体器件》PPT课件

b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极

半导体物理基础知识 ppt课件

半导体物理基础知识 ppt课件
原子最外层的电子称为价电子，有几个 价电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正 离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的 负离子。原子变成离子的过程称为电离。
ppt课件
4
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构
固体可分为晶体和非晶体两大类。 原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶 体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有 确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时 在某一温度范围内逐渐软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的 规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单 晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。
ppt课件 17
1.6半导体的导电原理
1.6半导体的导电原理
导带
E (禁带宽)
g
价带
ppt 课件 1.6-1 图
18
1.6半导体的导电原理
1.6.2产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程 称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与 空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消 失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没 有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体 中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么， 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的 导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂 质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影 响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。
ppt课件
11
1.2半导体材料硅的晶体结构

半导体物理学ppt课件

半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0

DN
d 2np dx2

n p
n
......x

xp

0

DP
d 2pn dx2
边界条件:

pn
p
......x

xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD

kT e
ln nn0 np0

kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时

半导体器件物理 教案 课件

半导体器件物理 教案 课件

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的定义与特性1.2 半导体材料的分类与应用1.3 半导体的导电机制第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性2.2 二极管的结构与工作原理2.3 二极管的应用电路第三章：晶体三极管3.1 晶体三极管的结构与类型3.2 晶体三极管的工作原理3.3 晶体三极管的特性参数与测试第四章：场效应晶体管4.1 场效应晶体管的结构与类型4.2 场效应晶体管的工作原理4.3 场效应晶体管的特性参数与测试第五章：集成电路5.1 集成电路的基本概念与分类5.2 集成电路的制造工艺5.3 常见集成电路的应用与实例分析第六章：半导体器件的测量与测试6.1 半导体器件测量基础6.2 半导体器件的主要测试方法6.3 测试仪器与测试电路第七章：晶体二极管的应用7.1 二极管整流电路7.2 二极管滤波电路7.3 二极管稳压电路第八章：晶体三极管放大电路8.1 放大电路的基本概念8.2 晶体三极管放大电路的设计与分析8.3 晶体三极管放大电路的应用实例第九章：场效应晶体管放大电路9.1 场效应晶体管放大电路的基本概念9.2 场效应晶体管放大电路的设计与分析9.3 场效应晶体管放大电路的应用实例第十章：集成电路的封装与可靠性10.1 集成电路封装技术的发展10.2 常见集成电路封装形式与特点10.3 集成电路的可靠性分析与提高方法第十一章：数字逻辑电路基础11.1 数字逻辑电路的基本概念11.2 逻辑门电路及其功能11.3 逻辑代数与逻辑函数第十二章：晶体三极管数字放大器12.1 数字放大器的基本概念12.2 晶体三极管数字放大器的设计与分析12.3 数字放大器的应用实例第十三章：集成电路数字逻辑家族13.1 数字逻辑集成电路的基本概念13.2 常用的数字逻辑集成电路13.3 数字逻辑集成电路的应用实例第十四章：半导体存储器14.1 存储器的基本概念与分类14.2 随机存取存储器（RAM）14.3 只读存储器（ROM）与固态硬盘（SSD）第十五章：半导体器件物理在现代技术中的应用15.1 半导体器件在微电子技术中的应用15.2 半导体器件在光电子技术中的应用15.3 半导体器件在新能源技术中的应用重点和难点解析重点：1. 半导体的定义、特性及其导电机制。

《半导体器件物理》课件

《半导体器件物理》课件
《半导体器件物理》PPT课件
目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为，以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型，它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ，它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时，需要吸收或释放 能量，这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型，其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛，具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时，导电 沟道的开闭状态会相应改 变，从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性

半导体器件物理 课件

半导体器件物理 课件

2
16
4、本征载流子浓度
E EC E Ei n ni N C exp i p pi NV exp V kT kT Eg EC EV ni pi N C NV exp N C NV exp kT kT Eg 2 2 AT exp n p i i kT
Si
Si
Si Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si p
Si Si
Si
Si
Si Si Si
Si Si
B Si
Si
Si
+
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
B Si Si
+
Si
Si
Si
p
Si
施主杂质 EC
受主杂质
+
-
EC
+
+
+
+
EC
0.016~0.065eV
0.04~0.05eV
EV
dN(x)/dx|x=xj = C
突变结近似--dN(x)/dx|x=xj =|C| ○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。 即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。 ★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。
线性缓变结
突变结变结近似
27
三、pn结基本物理特性
简并半导体
23
Part Ⅱ Bipolar Devices

半导体器件物理教案课件

半导体器件物理教案课件

半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体简介1.1 半导体的概念与分类介绍半导体的定义解释N型和P型半导体讲解半导体材料的分类及性质1.2 半导体的导电特性说明半导体的导电原理探讨半导体导电性的影响因素分析N型和P型半导体的导电特性第二章：PN结的形成与特性2.1 PN结的形成讲解PN结的形成过程说明PN结的形成机制探讨PN结的平衡状态2.2 PN结的特性分析PN结的伏安特性讲解PN结的击穿现象探讨PN结的势垒结构和电荷分布第三章：二极管的结构与特性3.1 二极管的结构介绍二极管的结构及组成讲解P型和N型半导体对接形成二极管的过程探讨二极管的掺杂浓度和材料选择3.2 二极管的特性分析二极管的伏安特性讲解二极管的正向和反向导通条件探讨二极管的动态响应特性和温度特性第四章：二极管的应用4.1 整流电路讲解二极管整流电路的原理分析整流电路的电压和电流波形探讨整流电路的效率和输出特性4.2 滤波电路介绍二极管滤波电路的原理分析滤波电路的频率响应特性探讨滤波电路的应用场景和效果4.3 稳压电路讲解二极管稳压电路的原理分析稳压电路的稳压特性探讨稳压电路的选用和设计要点第五章：晶体三极管的结构与特性5.1 晶体三极管的结构介绍晶体三极管的结构及组成讲解PNP和NPN型晶体三极管的结构特点探讨晶体三极管的制造工艺和材料选择5.2 晶体三极管的特性分析晶体三极管的伏安特性讲解晶体三极管的工作原理探讨晶体三极管的电流放大效应和输出特性第六章：晶体三极管的应用6.1 放大电路讲解晶体三极管放大电路的原理分析放大电路的电压和电流波形探讨放大电路的输入和输出特性6.2 开关电路介绍晶体三极管开关电路的原理分析开关电路的转换特性探讨晶体三极管在开关电路中的应用和选择第七章：场效应晶体管的结构与特性7.1 场效应晶体管的结构介绍场效应晶体管的结构及组成讲解MOSFET和JFET的结构特点探讨场效应晶体管的制造工艺和材料选择7.2 场效应晶体管的特性分析场效应晶体管的伏安特性讲解场效应晶体管的工作原理探讨场效应晶体管的电流放大效应和输出特性第八章：集成电路的基本原理8.1 集成电路的构成介绍集成电路的构成要素讲解集成电路的制造工艺探讨集成电路的分类和应用领域8.2 集成电路的设计与制造分析集成电路的设计流程讲解集成电路的制造步骤探讨集成电路的设计原则和制造技术第九章：常用集成电路应用实例9.1 放大集成电路讲解放大集成电路的原理与应用分析放大集成电路的性能指标探讨放大集成电路在实际电路中的应用实例9.2 数字集成电路介绍数字集成电路的原理与应用分析数字集成电路的逻辑功能探讨数字集成电路在数字系统中的应用实例第十章：半导体器件的发展与新技术10.1 半导体器件的发展历程回顾半导体器件的发展历程分析不期半导体器件的特点和突破探讨半导体器件未来发展趋势10.2 半导体新技术介绍半导体新技术的研究方向分析半导体新技术的应用前景探讨半导体新技术对半导体产业的影响重点和难点解析重点环节1：半导体的导电特性需要重点关注半导体导电原理和影响导电性的因素，因为这是理解后续半导体器件工作的基础。

半导体器件物理课件1

半导体器件物理课件1

5.半导体中的基本控制方程 1）连续性方程 粒子数守恒：
利用电流密度表达式：
（1-212）
在一维情况下，取电流沿x方向：
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
5.半导体中的基本控制方程 2）泊松方程
在饱合电离的情况下：
（1-220）
设空间电荷所形成的电势分布为 ，则 与 之间满 足泊松方程：
为自由空间电容率，其数值为
半导体物理基础
1.6非平衡载流子
3.修正的欧姆定律
其中： 分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在 形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散 的综合效应。 从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即
）是电流为零的条件。处于热平衡的 半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的 费米能级。
Ø光学波 特点：对于光学波，相邻两种不同原子 的振动方向是相反的。原胞的质心保持 不动，由此也可以定性的看出，波长很 长的光学波（长光学波）代表原胞中两 个原子的相对振动。
晶格振动能量的量子化 ---声子
半导体物理基础
2.载流子的散射
1）平均自由时间与驰豫时间 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之
第一章 半导体物理基础
●半导体中的电子状态 ●载流子的统计分布 ●简并半导体 ●载流子的散射 ●载流子的输运 ●非平衡载流子
概述
1、本课程的主要内容 2、本课程的考核方式、答疑时间
半导体物理基础
1.1半导体中的电子状态
●半导体中电子的波函数和能量谱值 ●能带 ●有效质量 ●导带电子和价带空穴 ●Si/Ge/GaAs的能带结构 ●杂质和缺陷能级
这些就是本课程的主要内容。
半导体物理基础
半导体物理基础

物理半导体器件物理PPT课件

物理半导体器件物理PPT课件

部分 插图为串联的电容器
C / Co
1.0
10Hz
0.8
102 Hz
Si SiO2
0.6
NA d
1.451016 200nm
cm3103
Hz
104 Hz 105 Hz
20 10
0
10
20
V /V
(b) C V图的频率效应
图 5.7
第15页/共71页
MOS二极管
例2：一理想MOS二极管的NA=1017cm-3且d=5nm，试计算其C-V曲线中的 最小电容值．SiO2的相对介电常数为3.9。
Co V
Co d Cj
VT
Cmin
0
V /V
(a) 高频MOS C－V图，虚线显示其近似
部分 插图为串联的电容器
对于n型衬底，只需变更相对应符号与标志后(如将Qp换成Qn)，得图到5.7 类似的表达式．与p型衬底相比：
(1)电容-电压特性具有相同的外观，彼此成镜面对称， (2) p型衬底的 VT > 0， n型衬底的VT < 0 ．
当 np = NA 时，开始产生强反型; 当 np > NA 时，处于强反型。
EC Ei
Qm
EF
发生强反型后：
V 0 EF
EV
0
V 0
(1) 反型层的宽度 xi ≈ 1nm ~ 10nm，且xi<<W(；b) 耗尽时EF
(2) 随V的增加，能带稍微增加弯曲程度，np急剧
增大，而W不再增大，达到最大值；
(a) M(aO)SM二O极S二管极的管透的视透图视图
(b)) MMOOSS二二极极管管的的剖剖面图面图
当金属板相对于欧姆接图图触55. .为11 正偏压时，V>0； 当金属板相对于欧姆接触为负偏压时，V<0．

半导体器件物理PPT课件

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3)加反偏压时 耗尽层宽度为 W W
W
P
N
VR +
能量 （E ）
IR
（c ）
qy 0 VR
qVR
✓N区接正电位，在远离PN结空间电荷区的中性区，EFn 及诸能级相对P区 EFp下移 qVR 。
✓在空间电荷区由于载流子耗尽，通过空间电荷区时 EFn 和 EFp不变。
✓势垒高度增加至 q(y 0 VR ) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
1)热平衡时
耗尽层宽度为 W
P
2)加正向偏压时
能量 （E ）
N
W
（a ）
耗尽层宽度为 W W
PN结
W
P
NV+来自能量（E ）E Fn
E Fp
（b ）
qy 0 EC EF
qy0 V
qV EFn
2.2加偏压的PN结
加正向偏压时
W
P
N
能量
（E ）
E Fn
E Fp
qy0 V
qV EFn
V
+
（b ）
3)正确画出热平衡PN 结的能带图（图2-3a、b）。
4)利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：
y0
y n
y
p
VT
ln
Nd Na ni2
（2-1-7）
5)解Poisson方程求解单边突变结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗
尽层宽度。
PN结
PN结
2.2加偏压的PN结
1.加偏压的PN结的能带图
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
PN结
引言
采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程

《半导体器件物理》课件

《半导体器件物理》课件

MOSFET的构造和工作原理
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
通过施加电压控制栅极和通道之间的电荷分布，实现放大和开关功能。
三个区域
源极、栅极和漏极，通过电流控制源极和漏极之间的导电通道。
应用
MOSFET被广泛用于各种电子设备中，包括计算机芯片和功率放大器。
JFET的构造和工作原理
1 结构
由P型或N型半导体形成的通道，两个掺杂相对的端部形成控制电流的栅极。
PN结的形成和性质
1 结构
由P型半导体和N型半导体通过扩散形成 的结合层。
3 击穿电压
当施加足够的反向电压时，PN结会被击 穿，允许电流通过。
2 整流作用
PN结具有整流（仅允许电流单向通过） 的特性，可用于二极管。
4 应用
PN结广泛应用于二极管、太阳能电池和 光敏电阻等器件中。
PN结的应用：二极管
2 广泛应用
从计算机和手机到电视和汽车电子，硅晶体管和二极管的应用无处不在。
3 可靠性和效率
硅晶体管和二极管的可靠性和效率使它们成为现代电子技术的基石。
《半导体器件物理》PPT 课件
探索半导体器件物理的精彩世界！本课程将介绍半导体材料及其性质，PN结 的应用，MOSFET和JFET的工作原理，光电子学等内容。
介绍
半导体器件物理是研究半导体材料中电子行为的科学。它包括半导体材料的物理性质、PN结的形成与 应用、MOSFET和JFET的工作原理等内容。
2 电荷调控
通过控制栅极电压来控制通道中电荷的密度，进而改变电流。
3 应用
JFET用于低噪声放大器和开关等应用。
功能区和结构
结构
包括负责控制电流的基极、负 责放大电流的发射极和负责收 集电流的集电极。
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以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与 半导体的界面处产生空穴堆积，——积累现象。 外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下 弯曲，使多数载流子（空穴）形成耗尽——耗尽现象。 外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面 的Ei越过EF,当电子浓度远大于空穴浓度时——反型现 象。
11
I DS
VTN 1 2 I DS ( ) T T VGS VTN T
85
1 、 一 p 沟 道 的 n+ 多 晶 硅 -SiO2-Si-Mosfet ， 其 ND=1017cm-3, Qf/q=5*1010cm-2且d=10nm，试计算其阈值电压 2、一理想SiO2-Si Mosfet的d=10nm,NA=5*1016cm-3，试找 出使界面强反型所需的外加偏压以及在界面处的电场强 度 3、假设氧化层中的氧化层陷阱电荷Q0t为薄电荷层，且其 在x=5nm处的面密度为5*1011cm-2，氧化层的厚度为10nm, 试计算因Q0t所导致的平带电压的变化
82
83
84
MOSFET的温度特性
体现在阈值电压、沟道迁移率与温度的关系： 1. VT~T的关系 对NMOS：T 增加，VTN减小； 对PMOS：T 增加，VTP增加。 2. μ~T的关系 若E<105V/cm， μ为常数，约为体内迁移率的一半， 正常温度范围： μ与T近似成反比关系。 3. IDS~T的关系
NMOS： 1）NA一定时，Qox VT （ 仍是
-3 12 10 1014 1017
3
Qox 12 ）当 102 q
Qox q
时，NA
在1015cm-3
-6 1011
VTn <0，为DMOS 3） 比较低，可通过NA高低控制 才形成EMOS
Qox 11 -3， 10 cm 2 NA>1015 cm q
ND
0 0.3 0.6 0.9 NBC 1010
Vms
| VTP |
尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作 栅极）
Al（n-Si) Al（p-Si) 1014 NMOS 1018
阈值电压
（3）衬底杂质浓度的影响 费米势： 耗尽层电荷： kT ln N A
F
q
ni
F
kT N D ln q ni
所以，NMOS易形成耗尽型
阈值电压
PMOS：
| Qox |
| VTP |
VTp 0
VTp始终小于0，为EMOS 欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3 膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅
测试题
1、写出实际阈值电压表达式并解释各项的物理 意义，说明控制阈值电压的具体措施。 2、导出 MOSFET反型和强反型条件 3 、 一 n 沟 道 的 n+ 多 晶 硅 -SiO2-Si-Mosfet ， 其 NA=1017cm-3, Qf/q=5*1010cm-2且d=10nm，试计算其阈值电压
迁移率变化
速度饱和
在长沟MOSFET的分析中，我们假设迁移率是常数，这意味着随着电场的 增大漂移速度将无限地增加。在这种理想情况下，载流子速度会一直增加， 直到达到理想的电流。然而，我们可以看到在增大电场时载流子速度会出现 饱和。速度饱和在短沟道器件中尤其重要，因为相应的水平电场通常是很大 的。 下图所示为漏电流与漏源电压的函数关系在迁移率为常数时和在迁移率依赖 于电场时的对比情况。从依赖于电场的迁移率曲线中可以看到，ID(sat)的值 变小了，而且它近似地线形依赖于VGS。
1 2
1 2
QB
QOX
Qn
QB 2 s 0 qN AVS
1 2
阈值电压 理想状态MOSFET的阈值电压
VOX 2 s 0 qN AVS QB COX COX COX
1 2
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
OX 0
tOX
栅氧化层 厚度
QG
QB
QOX
PMOS：
VTp
Qox qND xd max 2kT N D ln Vms Cox Cox q ni
阈值电压
（3）非平衡下之VT
VDS>0
1 2
2 0 VS V y xd max qN A
阈值电压
max qN A xd max 2 0 qN A (VS V y ) QB
理想假设条件 下不考虑
Qn
阈值电压 理想状态MOSFET的阈值电压
栅 电 极 栅 氧 化 层
QB q N A xB
空间电荷区宽度 (强反型时可视为n＋p)
P型半导体
QG
4 s 0 kT 2 s 0Vs NA xB ln 2 qN q N n B B i
53
54
55
56
57
阈值电压
MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX ：栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 VS ： 栅电压VG 降落在半导体表面的部分
VFB ：平带电压
阈值电压
强反型时的电荷分布
QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面 密度
76
77
亚阈值电导
在理想电流－电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压时 漏电流为零。而在实验中，当VGS≤VT时，ID并不为零。下图是 已经推导出的理想特性与实验结果之间的对比示意图。VGS≤VT 时的漏电流称为亚阈值电流。
79
考虑到漂移电流和扩散电流后，总的漏--源电流为：
80
81
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG
QB
QOX
QG QOX Qn QB 0
Qn
阈值电压
理想状态MOSFET的阈值电压
1. 2.
理想状态：Qox＝0，Vms＝0
沟道形成时的临界状态：Qn＝0 出现强反型后：xd
xd max
1 2
4.
xdmax
1 2
4 0 kT N A 2 0VS ln 2 qN n q N A i A
-
VD
y
-
N+
-
-
N+
-
-
-
x
P衬底
9
MOSFET 的核心是金属－氧化物－半导体 电容， 其中的金属可以是铝或者一些其它的 金属，但更通常的情况是在氧化物上面淀积高 电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被延用 下来。
10
随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表 面出现三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型 三种情况。
19
根据上述假设，漏端表面空间电荷区的一维泊松方程
式中：
20
反型层内少子电荷
其中函数F由下式定义
21
为了得到解析解，可采用金属-绝缘体-半导体的处理 方法得出； 漏端沿x方向的表面泊松方程
从表面到体内积分
即 总的半导体表面电荷由高斯定律得到：
耗尽层电荷 强反型以后单位面积的反型层电荷Qn由下式
W Wm S q
' WS' Wm （由于金半之间有一层氧化层） Vms q Eg kT N A 1 ln Vms NA m | VTn | q 2 q n i
Vms
修正
P－Si N－Si
Vms
Vms
Eg kT N D 1 ln m q 2 q ni
半导体器件物理
1
MOS场效应晶体管
2
3
4
5
MOSFET基本原理
1960年，第一个MOSFET首次制成， 采用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅 氧化层厚度100nm（Kahng及Atalla）。 2001年，沟道长度为15nm的超小型 MOSFET制造出来。
6
7
8
G S
VG W
D
L z tOX
12
13
14
15
16
17
理想电流电压特性基于如下假设
1 栅极结构理想； 2 仅考虑漂移电流； 3 反型层中载流子迁移率为固定值； 4 沟道内杂质浓度为均匀分布； 5 反向漏电流可忽略； 6 沟道内横向电场>>纵向电场 7 缓变沟道近似。
18
简要过程：
1 点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）； 2 点y处反型层里的每单位面积电荷量 Qn（y）； 3 沟道中y处的电导率； 4 沟道电导； 5 dy片段的沟道电阻、电压降； 6 由源极（y=0,V=0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。
QB max qN A xd max 2 0 qN AVS
1 2
阈值电压
VOX QG COX
栅 电 极 栅 氧 化 层
单位面积 栅电容
P型半导体
QG Qn QB QOX QB
QG
刚达到强反型时Qn分布在 表面很薄的一层内 Qn<<QB
QB
QOX
1 2
阈值电压
（4） 衬偏电压VBS≠0
2 0 VS V y | VBS | max xd qN A
1 2
max qN A xd max 2 0 qN A (VS V y | VBS |) QB
1 2
1 Qox 1 2kT N A 2 2 0 qN A VS V ( y) | VBS | ln Vms VTn Cox Cox q ni