《微电子学概论》-半导体物理学-半导体及其基本特性141页PPT

作业：P34：1-4、1-7、1-8
下页 总目录
第一章 半导体器件
1.1 半导体的特性 半导体定义：
将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。
大多数半导体器件所用主
价
+4
+4
+4
要材料是硅14和锗32
电
子
在硅(或锗)的晶体中,原子在空间
+4
+4
+4 排列成规则的晶格,故半导体器件
又称为晶体管
+4
+4
+4
+4
+3
+4
空位
+4
+4
+4
上页 下页 首页
硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，
少数 载流
杂质原子成为负离子，硅原子的 +4
子
+4
+4
共价键中产生一个空穴。
在室温下仍有电子-空穴 对的产生和复合。
+4
+3
+4
在这种杂质半导体中，空 空穴
穴的浓度远高于自由电子
的浓度。
+4
+4
+4
多数
P型半导体主要依靠空穴导电，所以又称为
+4
Majority carrier
自由电子数=空穴数+正离子数 因此对外呈现电中性
+4
+4
少数载流子 Minority carrier
上页 下页 首页
2. P型半导体(P-type semiconductor)
在硅或锗晶体中掺入少量的3价杂质元素，

重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。

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

• 图解分析法
– 静态工作点和动态分析 – 非线性失真分析
• 静态工作点的稳定
2020/10/13
4
• 微变等效电路分析法
– 晶体管的简化的h参数等效电路 – 用h参数等效电路分析放大器
• 共集电极放大器－射极输出器的分析 • 单管放大器的频率特性（概念）
– 频率特性、通频带、下限频率、上限频率
• 多级放大器
– 两种耦合方式
2020/10/13
5
• 差分放大器
– 差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑 Nhomakorabea比、• 功率放大器
– 特点、要求 – 互补对称功率放大器 – 乙类互补对称电路、交越失真、甲乙类互补对
称电路
2020/10/13
6
第三章 集成运算放大器
• 集成运放的基本单元电路
– 差分输入级 – 中间级 – 输出级 – 偏置电路
• 负反馈对放大器性能的改善 • 稳定放大倍数、扩展频带、减小非线性失真、削
弱噪声 • 负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的影响 • 自激振荡（多级电路）
2020/10/13
8
谢谢您的指导
THANK YOU FOR YOUR GUIDANCE.
感谢阅读！为了方便学习和使用，本文档的内容可以在下载后随意修改，调整和打印。欢迎下载！
– 晶体管的结构、符号 – 晶体管内部载流子传输过程和共发射极直流传输方程 – 输入特性曲线、输出特性曲线（三种工作状态）
2020/10/13
3
第二章 放大器基础
• 放大器组成和工作原理
– 放大器组成和功能 – 基本共射放大电路
• 直流分析（直流通路）和交流分析（交流）通路
– 放大器性能（技术指标）

《微电子学概论》PPT课 件
欢迎来到《微电子学概论》PPT课件，本课程将深入探讨微电子学的定义、作 用以及在生活中的应用。我们将通过丰富的教学方法和资源，一同探索微电 子学的发展趋势，了解其研究和实验。课程结束后，我们还将回答一些常见 问题。
微电子学的定义和作用
微电子学是研究和制造微小尺寸电子元件的科学和技术。它在现代科技中发挥着重要作用，驱动着无数创新产 品和解决方案的发展。
可穿戴健康追踪器
了解可穿戴设备中使用的微电子 学传感器，用于监测身体活动和 健康数据。
电动汽车
学习电动汽车技术中的微电子学 应用，如电池管理系统和充电控 制。
微电子学教学方法和资源
实验室课程
通过实际操作和测量，深入了解微电子学原理， 并加深对电子器件的理解。
模拟设计软件
使用专业的模拟设计软件，进行电路设计和性 能验证。
3
更智能
人工智能和机器学习技术将与微电子学相结合，创造更智能的设备和系统。
Hale Waihona Puke 微电子学的研究和实验研究项目
参与微电子学研究项目，探索 新颖的电子器件和技术。
实验室实践
在实验室中进行微电子学实验， 学习电子器件的制造和测试。
仿真模拟
使用电路仿真软件，模拟电子 器件和电路的性能。
常见问题和答疑
1 为什么微电子学如此重要？
微电子学的基本原理
1 半导体物理
探索半导体材料的电子结 构和导电特性，理解电子 在材料中的行为。
2 电子器件
了解常见的电子器件，如 晶体管和集成电路，并学 习它们的操作原理。
3 电路设计
学习设计和分析微电子电 路，包括放大器、滤波器 和数字逻辑电路。
微电子学在生活中的应用

N型半导体和P型半导体
➢ 掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。在锗和硅中 掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供 电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。这类杂质叫做 施主杂质。以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体， 相应的杂质也叫做N型杂质。而在锗和硅中掺入硼、铝、镓 或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用， 使这些半导体以空穴导电为主。这类杂质叫做受主杂质。以 空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。相应的杂质也 叫做P型杂质。
（l）杂质影响半导体导电性能 在室温下，半导体的电阻率在 10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变 半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电 阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入 不同类型的杂质，可以得到不同导电类
半导体材料的特征
2）有两种载流子参加导电 在半导体中，参与导电的载流子有 两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载 流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电 子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则 仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时材料的特征
➢ 自然界的物质，按其导电强弱，一般可分为三大类，即导体、 半导体和绝缘体。容易导电的物质称为导体，如金、银、铜、 铝等各种金属与合金都是良导体，它们的电阻率一般在10–4 欧姆·厘米以下。不容易导电的物质称为绝缘体，如橡胶、 玻璃、陶瓷和塑料等，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。 顾名思义，半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。它具有 如下的主要特征。
N型半导体和P型半导体
❖一般说，施主和受主杂质均为替 位式杂质。它们掺入晶体后，要 取代晶格中硅原子的位置。见图 4- 2。

当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响

N 型半导体： 掺入半导体的杂质原子向半导体中提供 导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的P 和As （施主原子, Donor ）
P 型半导体： 掺入半导体的杂质原子向半导体中提供 导电的空穴，并成为带负电的离子。 如Si中掺的B（ 受主原子， Acceptor ）
施主和受主浓度：ND、NA
如si中掺的b受主原子acceptor编辑课件ppt13型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷或锑晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代磷原子的最外层有五个价电子其中四个与相邻的半导体原子形成共价键必定多出一个电子这个电子几乎不受束缚很容易被激发而成为自由电子这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子
公式 np ni2 不成立
9. 载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 J Deift qnvd qnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
迁移率 单位电场作用下载流子获得平均速度
反映了载流子在电场作用下输运能力
q
m
影响迁移率的因素
电阻率：载流子在化学势作用下运动
半导体：另有一类物质的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。
什么是半导体？
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++