复旦大学(微电子)半导体器件第二章平衡载流子

复旦大学半导体器件物理教学讲义1. 引言本讲义旨在介绍复旦大学半导体器件物理课程的基本内容和教学目标。

半导体器件物理是电子信息类专业中重要的一门基础课程，通过学习本课程，学生将会了解半导体器件的基本工作原理、结构和特性。

同时，本课程也将为学生打下坚实的物理基础，为日后进一步研究和应用半导体器件打下基础。

2. 课程概述本课程主要包括以下内容：•半导体物理基础知识：介绍半导体物理学领域的基本概念和理论基础，包括晶体结构、载流子的能带理论和半导体的电子运动等内容。

•半导体材料和器件的制备技术：介绍半导体材料和器件的制备方法和工艺技术，涵盖了光刻、薄膜沉积、离子注入等常用技术。

•半导体器件的基本结构和工作原理：详细介绍半导体器件的基本结构，包括二极管、晶体管、场效应管等，以及它们的工作原理和特性。

•器件参数的测量和测试方法：介绍半导体器件参数的测量方法和测试仪器，学习如何准确测量器件的电流、电压等参数。

•半导体器件的应用：对一些常见的半导体器件应用进行介绍，如功放器件、放大器器件、接收机等。

3. 教学目标经过本课程的学习，学生应该能够达到以下目标：1.理解半导体物理学的基本概念和理论，包括晶体结构和半导体能带理论。

2.掌握半导体器件的基本工作原理和特性，包括二极管、晶体管、场效应管等。

3.了解常用的半导体器件制备技术和工艺流程。

4.能够使用测试仪器测量和测试半导体器件的相关参数。

5.熟悉一些半导体器件的常见应用。

4. 教学内容安排本课程的教学内容安排如下：教学模块内容学时安排（小时）模块一半导体物理基础知识6模块二半导体材料和器件制备6模块三半导体器件的结构和工作原理10模块四器件参数的测量和测试4模块五半导体器件的应用45. 评价方式本课程的评价方式包括平时成绩和期末考试成绩两部分。

平时成绩包括：实验报告、作业、课堂练习、出勤情况等，占总成绩的30%。

期末考试成绩占总成绩的70%。

6. 参考教材•S.M. Sze，《半导体器件物理学》，电子工业出版社，2018年。

第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。

任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。

2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。

除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN 结构成。

3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。

电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。

它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。

空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。

PN结自建电场：在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。

大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。

6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。

7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。

准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。

8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压：P负N正9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。

于是空间电荷区又叫做势垒区。

耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。

这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。

中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。

耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。

复旦大学2005年入学研究生《半导体器件原理》专业课程考试大纲《半导体器件原理》包括半导体器件的物理基础，双极型和MOS场效应晶体管的工作原理、特性和模型，以及影响器件特性的主要因素和一些常见非理想效应。

参考书：黄均鼐等，双极型与MOS半导体器件原理，复旦大学出版社曾树荣，半导体器件物理基础（第1、2、3、5章），北京大学出版社考试题型：名词解释、推导题、计算题总分：150分一．半导体的电子状态1.半导体的晶体结构、晶列晶面指数、结合性质2.半导体中的电子状态和能带3.载流子在外场下的运动规律4.杂质和缺陷能级二．半导体的载流子统计1.状态密度和统计分布函数2.本征半导体、杂质半导体、简并半导体的统计三．半导体的载流子输运1.载流子的散射2.迁移率、电阻率与杂质浓度和温度的关系3.强电场下的输运4.霍耳效应四．非平衡载流子1.非平衡载流子的直接复合与间接复合2.陷阱效应3.载流子的扩散运动、双极扩散4.连续性方程五．pn结、金半接触以及异质结1.平衡pn结的特性2.pn结的电流-电压特性3.pn结的势垒电容与扩散电容4.pn结的开关特性5.pn结的击穿6.金半接触能带图以及电流-电压特性7.欧姆接触8.异质结能带图以及二维电子气六．双极型晶体管的直流特性1.双极型晶体管的基本原理2.双极型晶体管的直流特性及其非理想现象3漂移晶体管的直流特性4.双极型晶体管的反向特性5.Ebers-Moll方程七．双极型晶体管的频率特性与开关特性1.低频小信号等效电路2.放大系数的频率特性以及相关的几个时间常数3.高频等效电路4漂移晶体管、异质结双极型晶体管的基本原理5.电荷控制理论与双极型晶体管开关时间八．半导体表面与MOS结构1.半导体表面空间电荷层的性质2.实际Si-SiO2界面3.理想与实际MOS结构的C-V特性九．MOS场效应晶体管的直流特性1.MOSFET的结构和工作原理2.MOSFET的阈值电压以及影响因素3.MOSFET的输出特性和转移特性（包括亚阈值特性和其它二级效应）4.MOSFET的直流参数5.MOSFET的击穿特性6.MOSFET的小尺寸效应原理7.载流子速度饱和以及短沟道MOSFET的直流特性8.MOSFET的按比例缩小规律十．MOSFET的频率特性与开关特性1.MOSFET的交流小信号等效电路2.MOSFET的高频特性3.常见MOS倒相器及其开关特性。

2—1．P N +结空间电荷区边界分别为p x -和n x ，利用2T V Vi 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 V in 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 <<∆）T T V V n V V n i n e p e n n p 002== ()002n n i p n n =大注入: 0n n n p >>∆ 且 n n p p ∆= 所以 TV V inen 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20lni ad 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nn d n n D dx x ψμ∂=∂,又因为n T nDV 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 =∆。