半导体物理-双极型器件

三极管是经常应用的一个电子元器件，在模拟电路中经常利用其工作在线性区来做信号处理电流放大等，在数字电路中又会利用其工作在饱和区截止区来作为开关控制。

作为开关使用，除了在数字电路中应用以外，还多用于电力电子中用作功率处理，常见有开关电源、逆变器等。

然而，很多资料对三极管的介绍常常太过简单或不够深入，以至于我们对三极管的理解经常一头雾水，或者对其工作机制理解不到位。

所以本文着重从半导体内部机制来介绍其工作原理。

双极性晶体管，全程双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），也就是我们常说的三极管。

三极管的发明在电子学历史上具有革命意义，1956年，威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布喇顿（Walter Brattain）因为三极管的发明工作被授予诺贝尔物理学奖。

半导体物理中的一些基本概念:在讲解其工作原理之前，先简单的介绍下半导体物理中的一些基本概念。

半导体是介于导体和绝缘体之间的一种介质，在不同的条件下可以表现出导电或者不导电的特性。

电子半导体器件所用的材料大部分为硅、锗等在元素周期表中处于金属非金属交界处的四价元素。

本征半导体 (intrinsic semiconductor))是指完全不含杂质的纯净半导体。

因为不含杂质，其中的载流子仅仅只靠本征激发产生，其导电性很差。

与之对应的是非本征半导体，根据掺杂不同分为N型半导体和P型半导体。

图1 本征半导体N型半导体是指在本征半导体掺入+5价元素（如P、Sb等）的半导体。

由于加入了最外层为5个电子的元素，在形成共价键后会多出一个电子，这个电子就成了自由电子。

半导体因为掺杂而多出了载流子为自由电子，所以称为N型半导体。

在N型半导体中，电子为多数载流子。

图2 N型半导体P型半导体是指在本征半导体中掺入了+3价元素（如B、Al）的半导体。

9金属半导体与半导体异质结一、肖特基势垒二极管欧姆接触：经过金属 - 半导体的接触实现的连结。

接触电阻很低。

金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上涨。

之间形成势垒为肖特基势垒。

在金属与半导体接触处，场强达到最大值，因为金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。

影响肖特基势垒高度的非理想要素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。

金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程降落曲线。

附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输体制不一样于 pn 结的少量载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多半载流子经过热电子发射跃迁过内建电势差形成。

附肖特基势垒二极管加反偏电压时的 I-V 曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是因为势垒降低的影响。

肖特基势垒二极管与 Pn 结二极管的比较： 1. 反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于 Pn 结二极管的有效开启电压。

2. 开关特征肖特基二极管更好。

应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。

从正偏到反偏时也不存在像 Pn 结器件的少量载流子储存效应。

二、金属 - 半导体的欧姆接触附金属分别与 N 型 p 型半导体接触的能带表示图三、异质结：两种不一样的半导体形成一个结小结：1. 当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很简单从半导体流向金属，称为热电子发射。

2.肖特基二极管的反向饱和电流比 pn 结的大，所以达到同样电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。

10双极型晶体管双极型晶体管有三个混杂不一样的扩散区和两个Pn 结，两个结很近所以之间能够相互作用。

之所以成为双极型晶体管，是应为这类器件中包括电子和空穴两种极性不一样的载流子运动。

一、工作原理附 npn 型和 pnp 型的构造图发射区混杂浓度最高，集电区混杂浓度最低附惯例 npn 截面图造成实质构造复杂的原由是： 1. 各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，一定要有重混杂的 N+型掩埋层。

半导体物理和半导体器件学习总结1最近看了⼀遍半导体物理和半导体器件物理，准备总结⼀下。

涉及的内容和概念⾮常多，需要写好多篇，并配合图⽚和思维导图。

同时复习以前做过的习题、ppt、整理出的考研题等等。

但其实想要系统的理解其原理，还需要⼀些量⼦、电磁场、热⼒学、固体物理的知识，才能完整的掌握。

当然这些课我学的也不好，准备复习⼀下。

所以这⾥超纲或者不解的部分，我会做出记号，等明⽩之后再来解答。

1. 半导体物理基础和能带理论2. 载流⼦统计分布3. PN结原理4. ⾦半接触和MIS结构1. PN结原理2. 双极型晶体管3. MOS原理以上即为整理的⽬录，本次先从第⼀章，半导体物理基础和能带理论开始。

⼀、半导体物理基础和能带理论1、能带论①：⽤单电⼦近似法研究晶体中电⼦状态的理论称为能带论单电⼦近似法只知道密度泛函理论，虽然具体的推导也不太会，但⼤概意思了解⼀点。

这部分可能还要看看固体物理课本。

2、⾦刚⽯型结构：sp3杂化轨道这部分确实不太懂，好像是量⼦⼒学⾥⾯的内容，还要再复习⼀下②3、分⼦结构：四族主要是⾦刚⽯型结构三五族主要是闪锌矿型结构晶向、晶⾯之类的概念就不看了，具体研究遇到再说。

4、原⼦的能级和晶体的能带能级分⽴的原⼦形成晶体后，各个原⼦的电⼦壳层会有⼀定的交叠，外层交叠多，内层少，所以会产⽣电⼦共有化运动，越外层越显著。

同时能级分裂形成能带。

形成晶体的原⼦数N很⼤时，会形成明显的能带，叫做允带，允带之间是禁带。

但能带不⼀定与能级⼀⼀对应，例如硅、锗，它们都有四个价电⼦，两个s电⼦、两个p电⼦，组成晶体后，由于轨道杂化，形成上下两个能带，分别可以容纳4N个电⼦，于是形成满的价带和空的导带。

这部分还是不是很明⽩，可能还需要复习量⼦和近代物理才⾏。

③5、布⾥渊区与能带单电⼦近似的概念：晶体中的某⼀个电⼦是在周期性排列且固定不动的原⼦核的势场，以及⼤量电⼦的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，周期与晶格周期相同。

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。

半导体物理与器件教案一、课程简介本课程旨在介绍半导体物理与器件的基本概念、理论与应用。

通过学习本课程，学生将了解半导体物理的基本原理，掌握常见的半导体器件的工作原理和特性，为深入研究和应用领域奠定基础。

二、教学目标1.掌握半导体物理的基本概念与原理；2.了解常见的半导体器件的结构、工作原理和特性；3.熟悉半导体器件的制备工艺和性能测试方法；4.能够分析和解决半导体器件相关问题；5.培养学生的动手实践能力和团队合作意识。

三、教学内容1. 半导体物理基础•半导体的基本概念与性质；•半导体材料的禁带宽度与导电性；•共价键与导电机理。

2. PN结与二极管•PN结的形成与特性；•二极管的工作原理；•二极管的电流-电压特性。

3. 势垒与电容•势垒高度与势垒宽度的关系；•势垒电容与反向偏置；•PN结的充放电过程。

4. 功率器件•理想二极管的特性与应用；•肖特基二极管的特性与应用；•功率二极管的特性与应用。

5. 晶体管•双极型晶体管的工作原理与特性；•型号代号与参数标识；•三极型晶体管的工作与特性。

6. 场效应晶体管•MOS结构与工作原理；•MOSFET的特性与应用；•IGBT的特性与应用。

7. 光电器件•光电二极管的工作原理与特性；•光敏电阻的工作原理与特性；•光电导的工作原理与特性。

四、教学方法1.理论讲解：通过教师授课的形式讲解半导体物理与器件的基本概念与原理；2.实验实践：设计实验让学生操作和观察实际的半导体器件，巩固理论知识；3.讨论与交流：鼓励学生积极参与讨论，提问与回答问题，促进彼此交流与学习；4.团队合作：通过小组讨论、任务分工等方式培养学生的团队合作意识和解决问题的能力；5.多媒体辅助：运用多媒体展示课件、实验视频等辅助材料，提升教学效果。

五、教学评价1.平时成绩：包括作业完成情况、实验报告、参与度等；2.期中考试：测试学生掌握的基础知识和理解能力；3.期末考试：测试学生对全课程内容的整体掌握和应用能力；4.课堂表现：学生的发言和表达能力、提问质量等；六、参考教材1.高等学校电子类教材编写组. 半导体物理与器件[M].高等教育出版社, 2008.2.张勃. 半导体物理学[M]. 科学出版社, 2012.3.曹健. 半导体物理导论[M]. 电子工业出版社, 2015.七、教学时长•总学时：36学时•理论学时：24学时•实验学时：12学时以上就是《半导体物理与器件》教案的大致内容，希望能够帮助您进行教学设计和准备教学材料。

《半导体器件》博士入学考试大纲
1半导体器件物理基础
半导体物理基础，半导体工艺技术。

2 P-N结
工艺步骤，热平衡，势垒电容，电流-电压特性，电荷储存与暂态响应，击穿，异质结。

3 双极型晶体管及相关器件
双极型晶体管工作原理，静态特性，频率响应与开关特性，异质结双极型晶体管，可控硅器件及相关功率器件。

4 MOSFET及相关器件
基本原理，按比例缩小，CMOS与双极型CMOS（BICMOS，绝缘层上MOSFET（SOI），功率MOSFET。

5MESFET及相关器件
金属-半导体接触，金属场效应晶体管（MESFET），调制摻杂场效应晶体管。

6微波二极管、量子效应和热电子器件光电器件
微波技术，隧道二极管，碰撞电离雪崩渡越时间二极管，转移电子器件，量子效应器件，热电子器件。

7 光电器件
辐射跃迁与光的吸收，发光二极管，半导体激光器，光探测器，太阳能电池。

Chapter 9异质结器件(heterojunction devices)9.1 异质结的概念在电子工业中Si不是唯一使用的半导体。

除了周期表中四族元素和它们的化合物（Si 、Ge、C、SiC和SiGe）外，还有利用III 族和V族合成的所有半导体，如GaAs、InP、Ga x Al1-x As等。

此外，还能利用周期表中其它族元素制备半导体，如CdS和HgCdTe。

表征这些材料电学性质的主要参数是能隙宽度。

图9.1显示了Si、Ge和不同III-V化合物的带隙能。

利用三元或四元化合物如Ga x Al1-x As和Ga x In1-x As y P1-y可以获得任意带隙能值。

在制备材料的过程中通过修正系数x和y可以得到想要的带隙能。

由两种不同半导体构成的PN结称为异质结（heterojunction）。

这种异质结最特殊的特征是P型和N型区域有不同的带隙。

只包含一种半导体的结(如经典的Si PN结)称为同质结(homojunction)。

9.1.1 能带图(energy band diagram)与同质结相比，，由于存在具有不同带隙能的两种材料，因此在异质结的能带图中很难引入附加能级。

在单一器件中结合不同材料和裁剪能带形状去获得不可能获得的性质的技术通常称为能带工程(bandgap engineering)。

考虑图9.2的例子，此图举例说明了异质结能带图是怎样画出来的。

两种不同半导体材料被结合在一起。

半导体＃1是P型，其能隙、功函数和电子亲和力分别为1g E 、1Φq 和1χq 。

功函数是真空能级和费米能级之间的能量差；它代表要将一个具有能量F E 的电子从半导体中移出所需要的能量。

电子亲和力是将导带中一个电子移到真空能级所需要的能量，与前面5.1.1节中解释的一样。

类似地，我们设想半导体＃2是N 型，其能隙、功函数和电子亲和力分别为2g E 、2Φq 和2χq 。

绘制能带图的步骤如下：1. 在平衡条件下，两种半导体中费米能级是相等的、不变的。

《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。