半导体器件基础 - 1

半导体器件基础·目录第一部分半导体基础第1章半导体概要1.1 半导体材料的特性1.1.1 材料的原子构成1.1.2 纯度1.1.3 结构1.2 晶体结构1.2.1 单胞的概念1.2.2 三维立方单胞1.2.3 半导体晶格1.2.4 密勒指数1.3 晶体的生长1.3.1 超纯硅的获取1.3.2 单晶硅的形成1.4 小结习题第2章载流子模型2.1 量子化概念2.2 半导体模型2.2.1 价键模型2.2.2 能带模型2.2.3 载流子2.2.4 带隙和材料分类2.3 载流子的特性2.3.1 电荷2.3.2 有效质量2.3.3 本征材料内的载流子数2.3.4 载流子数的控制—掺杂2.3.5 与载流子有关的术语2.4 状态和载流子分布2.4.1 态密度2.4.2 费米分布函数2.4.3 平衡载流子分布2.5 平衡载流子浓度2.5.1 n型和p型的公式2.5.2 n型和p型表达式的变换2.5.3 ni和载流子浓度乘积np2.5.4 电中性关系2.5.5 载流子浓度的计算2.5.6 费米能级EF的确定2.5.7 载流子浓度与温度的关系2.6 小结习题第3章载流子输运3.1 漂移3.1.1 漂移的定义与图像3.1.2 漂移电流3.1.3 迁移率3.1.4 电阻率3.1.5 能带弯曲3.2 扩散3.2.1 扩散的定义与图像3.2.2 热探针测量法3.2.3 扩散和总电流3.2.4 扩散系数与迁移率的关系3.3 复合-产生3.3.1 复合-产生的定义与图像3.3.2 动量分析3.3.3 R-G统计3.3.4 少子寿命3.4 状态方程3.4.1 连续性方程3.4.2 少子的扩散方程3.4.3 问题的简化和解答3.4.4 解答问题3.5 补充的概念3.5.1 扩散长度3.5.2 准费米能级3.6 小结习题第4章器件制备基础4.1 制备过程4.1.1 氧化4.1.2 扩散4.1.3 离子注入4.1.4 光刻4.1.5 薄膜淀积4.1.6 外延4.2 器件制备实例4.2.1 pn结二极管的制备4.2.2 计算机CPU的工艺流程4.3 小结第一部分补充读物和复习可选择的/补充的阅读资料列表图的出处/引用的参考文献术语复习一览表第一部分—复习题和答案第二部分A pn结二极管第5章 pn结的静电特性5.1 前言5.1.1 结的相关术语/理想杂质分布5.1.2 泊松方程5.1.3 定性解5.1.4 内建电势（Vbi）5.1.5 耗尽近似5.2 定量的静电关系式5.2.1 假设和定义5.2.2 V Ac=c0条件下的突变结5.2.3 V A≠0条件下的突变结5.2.4 结果分析5.2.5 线性缓变结5.3 小结习题第6章 pn结二极管：I-V特性6.1 理想二极管方程6.1.1 定性推导6.1.2 定量求解方案6.1.3 严格推导6.1.4 结果分析6.2 与理想情况的偏差6.2.1 理想理论与实验的比较6.2.2 反向偏置的击穿6.2.3 复合-产生电流6.2.4 V A→Vbi时的大电流现象6.3 一些需要特别考虑的因素6.3.1 电荷控制方法6.3.2 窄基区二极管6.4c 小结习题第7章 pn结二极管：小信号导纳7.1 引言7.2 反向偏置结电容7.2.1 基本信息7.2.2 C-V关系7.2.3 参数提取和杂质分布7.2.4 反向偏置电导7.3 正向偏置扩散导纳7.3.1 基本信息7.3.2 导纳关系式7.4 小结习题第8章 pn结二极管：瞬态响应8.1 瞬态关断特性8.1.1 引言8.1.2 定性分析8.1.3 存贮延迟时间8.1.4 总结8.2 瞬态开启特性8.3 小结习题第9章光电二极管9.1 引言9.2 光电探测器9.2.1 pn结光电二极管9.2.2 p-i-n和雪崩光电二极管9.3 太阳能电池9.3.1 太阳能电池基础9.3.2 效率研究9.3.3 太阳能电池工艺9.4 LED9.4.1 概述9.4.2 商用LED9.4.3 LED封装和光输出第二部分B BJT和其他结型器件第10章 BJT 基础知识10.1 基本概念10.2 制备工艺10.3 静电特性10.4 工作原理简介10.5 特性参数10.6 小结习题第11章 BJT静态特性11.1 理想晶体管模型11.1.1 求解方法11.1.2 通用解（W为任意值）11.1.3 简化关系式（WccLB）11.1.4 埃伯斯-莫尔方程和模型11.2 理论和实验的偏差11.2.1 理想特性与实验的比较11.2.2 基区宽度调制11.2.3 穿通11.2.4 雪崩倍增和击穿11.2.5 几何效应11.2.6 复合－产生电流11.2.7 缓变基区11.2.8 品质因素11.3 现代BJT结构11.3.1 多晶硅发射极BJT11.3.2 异质结双极晶体管（HBT）11.4 小结习题第12章 BJT动态响应模型12.1 小信号等效电路12.1.1 普遍的四端模型12.1.2 混合p模型12.2 瞬态（开关）响应12.2.1 定性研究12.2.2 电荷控制关系式12.2.3 定量分析12.2.4 实际的瞬态过程12.3 小结习题第13章 PNPN器件13.1 可控硅整流器（SCR）13.2 SCR工作原理13.3 实际的开/关研究13.3.1 电路工作13.3.2 附加触发机制13.3.3 短路阴极结构13.3.4 di/dt和duc/dt效应13.3.5 触发时间13.3.6 开关的优点/缺点13.4 其他的PNPN器件第14章 MS接触和肖特基二极管14.1 理想的MS接触14.2 肖特基二极管14.2.1 静电特性14.2.2 I-V特性14.2.3 交流响应14.2.4 瞬态响应14.3 实际的MS接触14.3.1 整流接触14.3.2 欧姆接触14.4 小结习题第二部分补充读物和复习可选择的/补充的阅读资料列表图的出处c/c引用的参考文献术语复习一览表第二部分—复习题和答案第三部分场效应器件第15章场效应导言—J-FET和MESFET 15.1 引言15.2 J-FET15.2.1 简介15.2.2 器件工作的定性理论15.2.3 定量的ID-VD关系15.2.4 交流响应15.3 MESFET15.3.1 基础知识15.3.2 短沟效应15.4 小结习题第16章 MOS结构基础16.1 理想MOS结构的定义16.2 静电特性—定性描述16.2.1 图示化辅助描述16.2.2 外加偏置的影响16.3 静电特性—定量公式16.3.1 半导体静电特性的定量描述16.3.2 栅电压关系16.4 电容-电压特性16.4.1 理论和分析16.4.2 计算和测试16.5 小结习题第17章 MOSFET器件基础17.1 工作机理的定性分析17.2 ID-VD特性的定量分析17.2.1 预备知识17.2.2 平方律理论17.2.3 体电荷理论17.2.4 薄层电荷和精确电荷理论17.3 交流响应17.3.1 小信号等效电路17.3.2 截止频率17.3.3 小信号特性17.4 小结习题第18章非理想MOS18.1 金属－半导体功函数差18.2 氧化层电荷18.2.1 引言18.2.2 可动离子18.2.3 固定电荷18.2.4 界面陷阱18.2.5 诱导的电荷18.2.6 芕G总结18.3 MOSFET的阈值设计18.3.1 VT表达式18.3.2 阈值术语和工艺18.3.3 阈值调整18.3.4 背偏置效应18.3.5 阈值总结习题第19章现代场效应管结构19.1 小尺寸效应19.1.1 引言19.1.2 阈值电压改变19.1.3 寄生双极晶体管效应19.1.4 热载流子效应19.2 精选的器件结构概况19.2.1 MOSFET结构19.2.2 MODFET（HEMT）习题第三部分补充读物和复习图的出处/引用的参考文献术语复习一览表第三部分—复习题和答案附录A 量子力学基础附录B 半导体静电特性—精确解附录C MOS C-V补充附录D MOS I-V补充附录E 符号表附录F MATLAB程序源代码。

半导体器件基础半导体器件是由半导体材料制成的电子元件，用于控制和放大电流和电压。

常见的半导体器件有二极管、晶体管、场效应管、双极型晶体管、光电二极管等。

半导体器件的基础知识包括以下几个方面：1. 半导体材料：半导体器件主要使用硅（Si）和砷化镓（GaAs）等半导体材料。

半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导特性，可以通过控制材料的掺杂来调节其导电性。

2. PN结：PN结是半导体器件中最基本的结构，由P型和N型半导体材料直接接触而成。

在PN结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合，形成一个电子云区，这称为耗尽区。

耗尽区的存在使得PN结具有正向导通和反向截止的特性。

3. 二极管：二极管是一种最简单的半导体器件，由PN结构成。

在正向偏置（即P端连接正电压）时，二极管导通，允许电流通过；在反向偏置（即N端连接正电压）时，二极管截止，电流无法通过。

二极管广泛用于整流和保护电路中。

4. 晶体管：晶体管是一种三层构造的半导体器件，通常分为NPN和PNP两种类型。

晶体管可以作为开关或放大器使用，可以控制一个输入电流或电压来控制另一个输出电流或电压。

晶体管的放大性能使得它在电子设备中有广泛的应用。

5. 场效应管：场效应管是一种基于电场效应的半导体器件，包括MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）和JFET （结型场效应管）两种。

场效应管具有高输入电阻、低输入电流、低噪声等特点，常用于放大和开关电路中。

6. 光电器件：光电器件包括光电二极管和光电三极管，它们能够将光信号转换为电信号。

光电器件广泛应用于光通信、光电传感、光能转换等领域。

以上是半导体器件基础的概述，深入了解半导体器件还需要学习更多的电子物理和电路理论知识。

第一章半导体器件基础第一节半导体基础知识一、本征半导体1、半导体概念半导体：其导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

本征半导体：完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体。

2、本征半导体的晶体结构在本征半导体中，原子按一定间隔排列成有规律的空间点阵（晶格）。

由于原子间相距很近，价电子不仅受到自身原子核的约束，还要受到相邻原子核的吸引，使得每个价电子为相邻原子共有，从而形成共价键。

3、本征半导体中的两种载流子的产生在热力学温度零度时，共价键的电子受到原子核的吸引，不能自由移动，此时半导体不导电。

随着温度的上升，共价键内电子因热激发而获得能量，其中能量较高的电子挣脱共价键的束缚，成为自由电子。

同时，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱，其中空穴可看成带正电的载流子。

4、本征半导体中载流子的浓度（1）、相关概念：本征激发：本征半导体中成对产生自由电子和空穴的现象。

复合：自由电子填入空穴，并释放出能量的过程。

（2）、载流子浓度的动态平衡：在本征半导体中，由于本征激发不断产生电子、空穴对，使载流子浓度增加。

同时，又由于正负电荷相吸引，自由电子和空穴复合。

在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生和复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度保持一定。

二、杂质半导体1、N型半导体(Negative)在硅（或锗）的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N 型半导体(或称电子型半导体)。

本征半导体掺入 5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。

杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。

自由电子浓度远大于空穴的浓度，所以电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)，5价杂质原子称为施主原子。