半导体器件物理复资料
半导体器件物理复资料
半导体器件： 导电性介良导电体绝缘体间利半导体材料特殊电特性完成特定功电子器件（器件基础结构：金属—
半导体接触 pn 结 异质结 MOS 结构）
Physics of Semiconductor
半导体材料
半导体电导率介绝缘体导体间
元素（Element） 半导体： 周期表第Ⅳ族中元素硅（Si） 锗（Ge） 单原子组成元素（element） 半导体
化合物（Compound）半导体：二元化合物半导体周期表中 两种元素组成
种常见晶体结构
晶体： 组成固体原子（离子） 微观排列具长程周期 性结构
非晶体： 组成固体粒子短程序 长程周期性
准晶： 长程取序 取序称轴方准周期性 长程周期性
带形成
原子→ 电子云发生重叠→ 电子间存相互作→分立 级发生分裂外方面说 泡利相容原理求
带 N 允许状态考虑电子两种旋状态 带容纳 2N 电子 复式格子 带允许电 子数原胞原子数 简带 状态总数 简度
金属半导体绝缘体
金属导体： 高填充带部分填充
绝缘体半导体：T0K 高填充带填满电子带 T>0K 定数量电子激发面空带绝缘体 Eg 导带 电子极少半导体 Eg 导带电子较根带填充情况 Eg 区分金属半导体绝缘体
（全满带中电子导电 部分填充带： 称填充 未加外场宏 观电流零加外场 电子逆电场方 k 空间移动散射终 造成稳定称分布 产生宏观电流（电场方））
效质量
电子化运动加速度力关系典力学相 ：m*具质量量纲 称晶体中电子效质
量（带越宽 效质量越 带越窄 效质量越） m*意义：晶体中电子受外力 受周期场力引入 m* 出外力 F 加速度 a 简单关系 复杂周期场力 包括 m*中引入化运动速度效质量晶体 中电子视典粒子运动规律等效成电子运动规律
直接禁带间接禁带半导体
砷化镓言图中价带顶部导带低处发生相动量处（p 0）电子价带转换导带时 需动量转换砷化镓 称直接禁带半导体（direct semiconductor）硅称 非直接禁带半导体（indirect semicomductor）硅中电子 带间转移时 需动量转换直接非直接禁带结构差异 发光二极体激光等应相重应需直接禁带半 导体产生效光子
硅砷化镓带结构圆圈(○)价带中空穴 黑点(•)导带中电子 征载流子浓度
征半导体： 恒温 连续热扰动造成电子价态激发导 带 时价带留等量空穴半导体杂质远热 产生电子空穴时 种半导体称征半导体
电子占量 E 态率费米 狄拉克分布函数 （FermiDirac distribution function）称费米分布函数（Fermi distribution function)
征半导体言 导带中单位体积电子数价带中单位 体积空穴数相 换言 n p ni n i 称征载流子浓度
导带电子浓度
价带中空穴浓度
质作定律
禁带宽度越征载流子浓度越
假设电子空穴浓度分远低导带价带中效态密 度换言 费米级 EF 少 E V高 3kT EC低 3kT 种情形 半导体称非简（nondegenerate）半导体
半导体变成征时温度杂质浓度禁带宽度值定
非常重掺杂 n 型 p 型半导体E F 高 E C 低 E V 种半导体称简（degenerate）半导体
迁移率
电子漂移速度正施加电场 例子视均程 效 质 量 定 例 子 称 电子迁移率 （electron mobility） 单位厘米 2伏特 ·秒（cm2V ·s）
电子迁移率（ ）
描述施加电场影响电子运动强度
迁移率直接碰撞间均时间相关 均时间决 定种散射机制
晶格散射高绝零度 晶格原子热振动 杂质散射带电载流子电离杂质（施受）
第 1 页 11 页
半导体器件物理复资料
时引起
电导率（conductivity）
中电子空穴电导率贡献相加
测量电阻率常方法四探针法
中探针间距离相等恒定电流源电流 I流
外侧两探针 侧两探针间 测量电压值 V
薄半导体样品言厚度 W W 远帏样品直径
d 电阻率 ：
霍耳效应
载流子浓度杂质浓度 电离杂质浓度视 温度杂质级定直接测量载流子浓度常方法 霍耳效应 霍耳测量够幕现出空穴带电载流子方式存 令信服方法 测量身直接判出载流 子型态
扩散电流：载流子倾浓度高区域移浓度低区域 电流成分称扩散电流
爱斯坦关系式
扩散系数
扩散电流正电子浓度空间导数扩散电流载 流子浓度梯度机热运动造成
电流密度方程式（非重点）
热衡 关系式 pn ni2 成立假超量载流子（excess carriers） 导入半导体中 致 pn > ni2时非 衡状态（nonequilibrium situation）
导入超量载流子程 称载流子注入（carrier injection） 回复衡机制注入少数载流子数载流子复合
复合现象分直接间接程 直接复合 称带带复合 （bandtoband recombination）通常直接禁带半导体中较 显著 例砷化镓 禁带复合中心间接复合间接禁 带半导体中较显著 例硅晶
热衡 U 0例常数 1βn n0称超量少数载流子寿命 （lifetime 译活期）
光脉射 整样品中均匀产生超量载流子 造成电 导率瞬间增加电导率增加 定电流通样品样 品两端产生电压降显示出 电导率衰减示波器 观察知 时测量超量少数载流子寿命种方式
第 2 页
表面复合机制前考虑体部份复合中心相似
俄歇复合程电子 空穴复合释放出量动量转换 第三粒子发生 第三粒子电子空穴
Δn Δp 超量载流子浓度
Δn Δp 维持整体电中性
电子基连续性方程式
空穴基连续性方程式
单边稳态注入
扩散长度
假距离够 电子量远势垒高 左边半导体中 电子会跨势垒输运 移右边半导体程 量子隧穿现象（quantum tunneling phenomenon） 关
考虑导带中电子（标示 1）假设电场够高 电子
11 页
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cm3
晶格碰撞前获动晶格碰撞时 电子消耗部份
动 键断裂 价电子价带电离导带
产生电子空穴（标示 2 2＇）样 产生电
子空穴电场中开始加速晶格发生碰撞图中示
接着产生电子空穴（例 3 3＇4 4＇）
类 推 程 称 雪崩程 称 击离子 化 （impact
ionization） 程
P6263 例 6 光射 硅晶样品微秒产生电子空穴
变化
Solution： 光前
光
求少数载流子浓度
Physics of Semiconductor Devices
pn 结： p 型半导体 n 型半导体接触形成结
pn 结重特性具整流性 容许电流轻易流单方
热衡时 p 型 n 型中性区总静电势差称建电势
（builtin potential）V bi：
越渡区域进入移动载流子浓度零完全耗区 区 域 称 耗区 （depletion region 做空 间 电荷区 （spacecharge region））
定掺杂浓度 砷化镓较征浓度 ni 静 电势较高
突变结 浅扩散低离子注入形成 pn 结结杂质分布 掺杂浓度 n 型 p 型区间突然变换似
深扩散高离子注入 杂质浓度分布似成线性缓 变结 浓度分布结呈线性变化
建电势函数总耗耗宽度
单边突变结耗区宽度偏压函数
突 变 结 侧 掺 杂 浓 度 远 侧 高 称 单边突变结 （oneside abrupt junction）
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电流约变成
单位面积势垒电容
电容 电压特性
单边突变结言 1Cj2 V 作图 直线斜
率基体杂质浓度 NB 交点（ 1Cj2 0） 求出 Vbi
双极型晶体
晶体工作原理
理想二极方程式
Js 饱电流密度
注入浓度情况 注入少数载流子浓度数载流子浓度
差 n 端结 注入情况
注入情况代入式
利作边界条件
成正 注入情况
电流增加率较缓慢
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半导体器件物理复资料
发射效率
晶体工作放模式带图 射基结正偏压 空
穴 p +发射区注入基区电子基区注入发射区理想二
极中耗区会产生复合（generationrecombination）电
流 发射区基区空穴基区发射区电子组
发射极电流 集基结处反偏压状态 反
饱电流流结基区宽度足够时 发射区注入基区
空穴便够扩散 通基区 达集基结耗区边缘
然「浮」集电区（类似气泡效果）种输运机制便注射
载流子「发射极」收集邻结注射载流子「集电
极」名称果部分入射空穴没基区中电子
复合达集电极 集电极空穴电流非常接发射极空
穴电流
基截止频率
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半导体器件物理复资料
MOSFET
MOS 二极
截止频率
射截止频率
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半导体器件物理复资料
中
强反型条件
表面耗区宽度 Wm
阈值电压
旦强反型发生时总电容保持式
Cj Wm 值
第 7 页 11 页
半导体器件物理复资料
CMOS 概念
CMOS（complementary MOS CMOS） 成互补 p 沟道 n 沟道 MOSFET 组成
MOS 存储器结构
半导体存储器区分挥发性（volatile）非挥发性（nonvolatile） 存储器挥发性存储器 动态机存储器（dynamic random access memory DRAM）静态机存储器 （static random access memorySRAM）电源供应关闭时会丧失储存 信息相 非挥发性存储器电源供应关闭时 够保持储存信息
MESFEE
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半导体器件物理复资料
饱电压（夹断电压）
隧道二极简单 pn 结组成中 p 型 n 型两边 简态（degenerate 译退化 含掺杂浓杂质）
TED 工作特性取决面五素：器件掺杂浓度 掺杂均匀性源区长度阴极接触特性电路形式工作 偏压值
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半导体器件物理复资料
开路电压（I 0）
输出功率 Pm
理想效率
FF 填充子
P132 例 1：已知理想晶体中电流成分：
发射效率（b）基区输运系数（c）基电流增益（d）
第 10 页 11 页
请湂出列值：（a）
半导体器件物理复资料
Solution：（a） 式 发射效率
（b） 基区输运系数式 （c ） 根式 基电流增益
（d）式
P173 例 2：理想 MOS 二极d 5 nm试计算图 CV 曲线中电容值
SiO2 相介电常数 39
Cmin 约 Co 13
Solution ：
Wm 例 1 中
VT 时电容 Cmin
P234 例 4： T 300K 时考虑金（gold）作接触 n 沟道砷化镓 MESFET 假设势垒高度 089 V n 型沟道浓度 2×1015cm3 沟道厚度 06 μm 请计算夹断电压建电势 砷化镓介电常数 124
Solution： 夹断电压
导带费米级间差
建电势
引入空穴概念意义：少量空穴运动等效价带中量电子集体运动 问题变处理导带电子导电问题样简单
第 11 页 11 页
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半导体器件： 导电性介良导电体绝缘体间利半导体材料特殊电特性完成特定功电子器件（器件基础结构：金属—
半导体接触 pn 结 异质结 MOS 结构）
Physics of Semiconductor
半导体材料
半导体电导率介绝缘体导体间
元素（Element） 半导体： 周期表第Ⅳ族中元素硅（Si） 锗（Ge） 单原子组成元素（element） 半导体
化合物（Compound）半导体：二元化合物半导体周期表中 两种元素组成
种常见晶体结构
晶体： 组成固体原子（离子） 微观排列具长程周期 性结构
非晶体： 组成固体粒子短程序 长程周期性
准晶： 长程取序 取序称轴方准周期性 长程周期性
带形成
原子→ 电子云发生重叠→ 电子间存相互作→分立 级发生分裂外方面说 泡利相容原理求
带 N 允许状态考虑电子两种旋状态 带容纳 2N 电子 复式格子 带允许电 子数原胞原子数 简带 状态总数 简度
金属半导体绝缘体
金属导体： 高填充带部分填充
绝缘体半导体：T0K 高填充带填满电子带 T>0K 定数量电子激发面空带绝缘体 Eg 导带 电子极少半导体 Eg 导带电子较根带填充情况 Eg 区分金属半导体绝缘体
（全满带中电子导电 部分填充带： 称填充 未加外场宏 观电流零加外场 电子逆电场方 k 空间移动散射终 造成稳定称分布 产生宏观电流（电场方））
效质量
电子化运动加速度力关系典力学相 ：m*具质量量纲 称晶体中电子效质
量（带越宽 效质量越 带越窄 效质量越） m*意义：晶体中电子受外力 受周期场力引入 m* 出外力 F 加速度 a 简单关系 复杂周期场力 包括 m*中引入化运动速度效质量晶体 中电子视典粒子运动规律等效成电子运动规律
直接禁带间接禁带半导体
砷化镓言图中价带顶部导带低处发生相动量处（p 0）电子价带转换导带时 需动量转换砷化镓 称直接禁带半导体（direct semiconductor）硅称 非直接禁带半导体（indirect semicomductor）硅中电子 带间转移时 需动量转换直接非直接禁带结构差异 发光二极体激光等应相重应需直接禁带半 导体产生效光子
硅砷化镓带结构圆圈(○)价带中空穴 黑点(•)导带中电子 征载流子浓度
征半导体： 恒温 连续热扰动造成电子价态激发导 带 时价带留等量空穴半导体杂质远热 产生电子空穴时 种半导体称征半导体
电子占量 E 态率费米 狄拉克分布函数 （FermiDirac distribution function）称费米分布函数（Fermi distribution function)
征半导体言 导带中单位体积电子数价带中单位 体积空穴数相 换言 n p ni n i 称征载流子浓度
导带电子浓度
价带中空穴浓度
质作定律
禁带宽度越征载流子浓度越
假设电子空穴浓度分远低导带价带中效态密 度换言 费米级 EF 少 E V高 3kT EC低 3kT 种情形 半导体称非简（nondegenerate）半导体
半导体变成征时温度杂质浓度禁带宽度值定
非常重掺杂 n 型 p 型半导体E F 高 E C 低 E V 种半导体称简（degenerate）半导体
迁移率
电子漂移速度正施加电场 例子视均程 效 质 量 定 例 子 称 电子迁移率 （electron mobility） 单位厘米 2伏特 ·秒（cm2V ·s）
电子迁移率（ ）
描述施加电场影响电子运动强度
迁移率直接碰撞间均时间相关 均时间决 定种散射机制
晶格散射高绝零度 晶格原子热振动 杂质散射带电载流子电离杂质（施受）
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时引起
电导率（conductivity）
中电子空穴电导率贡献相加
测量电阻率常方法四探针法
中探针间距离相等恒定电流源电流 I流
外侧两探针 侧两探针间 测量电压值 V
薄半导体样品言厚度 W W 远帏样品直径
d 电阻率 ：
霍耳效应
载流子浓度杂质浓度 电离杂质浓度视 温度杂质级定直接测量载流子浓度常方法 霍耳效应 霍耳测量够幕现出空穴带电载流子方式存 令信服方法 测量身直接判出载流 子型态
扩散电流：载流子倾浓度高区域移浓度低区域 电流成分称扩散电流
爱斯坦关系式
扩散系数
扩散电流正电子浓度空间导数扩散电流载 流子浓度梯度机热运动造成
电流密度方程式（非重点）
热衡 关系式 pn ni2 成立假超量载流子（excess carriers） 导入半导体中 致 pn > ni2时非 衡状态（nonequilibrium situation）
导入超量载流子程 称载流子注入（carrier injection） 回复衡机制注入少数载流子数载流子复合
复合现象分直接间接程 直接复合 称带带复合 （bandtoband recombination）通常直接禁带半导体中较 显著 例砷化镓 禁带复合中心间接复合间接禁 带半导体中较显著 例硅晶
热衡 U 0例常数 1βn n0称超量少数载流子寿命 （lifetime 译活期）
光脉射 整样品中均匀产生超量载流子 造成电 导率瞬间增加电导率增加 定电流通样品样 品两端产生电压降显示出 电导率衰减示波器 观察知 时测量超量少数载流子寿命种方式
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表面复合机制前考虑体部份复合中心相似
俄歇复合程电子 空穴复合释放出量动量转换 第三粒子发生 第三粒子电子空穴
Δn Δp 超量载流子浓度
Δn Δp 维持整体电中性
电子基连续性方程式
空穴基连续性方程式
单边稳态注入
扩散长度
假距离够 电子量远势垒高 左边半导体中 电子会跨势垒输运 移右边半导体程 量子隧穿现象（quantum tunneling phenomenon） 关
考虑导带中电子（标示 1）假设电场够高 电子
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cm3
晶格碰撞前获动晶格碰撞时 电子消耗部份
动 键断裂 价电子价带电离导带
产生电子空穴（标示 2 2＇）样 产生电
子空穴电场中开始加速晶格发生碰撞图中示
接着产生电子空穴（例 3 3＇4 4＇）
类 推 程 称 雪崩程 称 击离子 化 （impact
ionization） 程
P6263 例 6 光射 硅晶样品微秒产生电子空穴
变化
Solution： 光前
光
求少数载流子浓度
Physics of Semiconductor Devices
pn 结： p 型半导体 n 型半导体接触形成结
pn 结重特性具整流性 容许电流轻易流单方
热衡时 p 型 n 型中性区总静电势差称建电势
（builtin potential）V bi：
越渡区域进入移动载流子浓度零完全耗区 区 域 称 耗区 （depletion region 做空 间 电荷区 （spacecharge region））
定掺杂浓度 砷化镓较征浓度 ni 静 电势较高
突变结 浅扩散低离子注入形成 pn 结结杂质分布 掺杂浓度 n 型 p 型区间突然变换似
深扩散高离子注入 杂质浓度分布似成线性缓 变结 浓度分布结呈线性变化
建电势函数总耗耗宽度
单边突变结耗区宽度偏压函数
突 变 结 侧 掺 杂 浓 度 远 侧 高 称 单边突变结 （oneside abrupt junction）
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电流约变成
单位面积势垒电容
电容 电压特性
单边突变结言 1Cj2 V 作图 直线斜
率基体杂质浓度 NB 交点（ 1Cj2 0） 求出 Vbi
双极型晶体
晶体工作原理
理想二极方程式
Js 饱电流密度
注入浓度情况 注入少数载流子浓度数载流子浓度
差 n 端结 注入情况
注入情况代入式
利作边界条件
成正 注入情况
电流增加率较缓慢
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发射效率
晶体工作放模式带图 射基结正偏压 空
穴 p +发射区注入基区电子基区注入发射区理想二
极中耗区会产生复合（generationrecombination）电
流 发射区基区空穴基区发射区电子组
发射极电流 集基结处反偏压状态 反
饱电流流结基区宽度足够时 发射区注入基区
空穴便够扩散 通基区 达集基结耗区边缘
然「浮」集电区（类似气泡效果）种输运机制便注射
载流子「发射极」收集邻结注射载流子「集电
极」名称果部分入射空穴没基区中电子
复合达集电极 集电极空穴电流非常接发射极空
穴电流
基截止频率
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MOSFET
MOS 二极
截止频率
射截止频率
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中
强反型条件
表面耗区宽度 Wm
阈值电压
旦强反型发生时总电容保持式
Cj Wm 值
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CMOS 概念
CMOS（complementary MOS CMOS） 成互补 p 沟道 n 沟道 MOSFET 组成
MOS 存储器结构
半导体存储器区分挥发性（volatile）非挥发性（nonvolatile） 存储器挥发性存储器 动态机存储器（dynamic random access memory DRAM）静态机存储器 （static random access memorySRAM）电源供应关闭时会丧失储存 信息相 非挥发性存储器电源供应关闭时 够保持储存信息
MESFEE
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饱电压（夹断电压）
隧道二极简单 pn 结组成中 p 型 n 型两边 简态（degenerate 译退化 含掺杂浓杂质）
TED 工作特性取决面五素：器件掺杂浓度 掺杂均匀性源区长度阴极接触特性电路形式工作 偏压值
第 9 页 11 页
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开路电压（I 0）
输出功率 Pm
理想效率
FF 填充子
P132 例 1：已知理想晶体中电流成分：
发射效率（b）基区输运系数（c）基电流增益（d）
第 10 页 11 页
请湂出列值：（a）
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Solution：（a） 式 发射效率
（b） 基区输运系数式 （c ） 根式 基电流增益
（d）式
P173 例 2：理想 MOS 二极d 5 nm试计算图 CV 曲线中电容值
SiO2 相介电常数 39
Cmin 约 Co 13
Solution ：
Wm 例 1 中
VT 时电容 Cmin
P234 例 4： T 300K 时考虑金（gold）作接触 n 沟道砷化镓 MESFET 假设势垒高度 089 V n 型沟道浓度 2×1015cm3 沟道厚度 06 μm 请计算夹断电压建电势 砷化镓介电常数 124
Solution： 夹断电压
导带费米级间差
建电势
引入空穴概念意义：少量空穴运动等效价带中量电子集体运动 问题变处理导带电子导电问题样简单
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