第一章迄今大約有60種主要的器件以及100種與主要器件相關的變異器件。4種基本半導體器件結構。金屬-半導體接觸（1874）：整流接觸，歐姆接觸。金半場效應晶體管（MESFET）：整流接觸，柵極；歐姆接觸，漏極、源極。微波器件。p-n結：半導體器件的關鍵基礎結構；p-n-p雙極型晶體管（1947），p-n-p-n結構的可控硅器件。異質結（1957）：由兩種不同材料的半導體組成；快速器件、光電器件的關鍵構成。金屬-氧化物-半導體結構（MOS，1960）：MOS結構，柵極；p-n結，漏極、源極?？芍谱鱉OSFET。1第二章立方晶系基本的晶體結構簡單的立方晶格體心立方晶格面心立方晶格金剛石晶格結構（硅、鍺）閃鋅礦晶格結構（GaAs）密勒指數(shù)：界定一晶體中不同平面的方法。由下列步驟確定：找出平面在三坐標軸上的截距值r、s、t（以晶格常數(shù)為單位）；取這三個截距的倒數(shù)，并將其化簡成最簡單整數(shù)比，；h、k、l為互質的整數(shù)，以（hkl）來表示單一平面的密勒指數(shù)。2下圖為砷化鎵的動量-能量關系曲線，其價帶頂與導帶底發(fā)生在相同動量處（p=0）。因此，電子從價帶轉換到導帶時，不需要動量轉換。直接帶隙半導體：能量/eV對Si、Ge而言，其動量-能量曲線中價帶頂在p=0，導帶最低處則在p=pC。因此，電子從價帶頂轉換到導帶最低處時，不僅需要能量轉換(≥Eg)，也需要動量轉換(≥pC)。間接帶隙半導體：能量/eV0pc3本征半導體：半導體中的雜質遠小于由熱產生的電子空穴。熱平衡狀態(tài)：在恒溫下的穩(wěn)定狀態(tài)，且并無任何外來干擾（如照光、壓力或電場）。連續(xù)的熱擾動造成電子從價帶激發(fā)到導帶，同時在價帶留下等量的空穴。此狀態(tài)下，載流子（導帶電子和價帶空穴）濃度不變。統(tǒng)計力學，費米分布函數(shù)表示為費米能級EF是電子占有率為1/2時的能量。F(E)在費米能量EF附近呈對稱分布。對于能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率，可近似為：對于能量為E的能態(tài)被空穴占據(jù)的概率5導帶的電子濃度為其中，NC是導帶中的有效態(tài)密度。同理，價帶中的空穴濃度為其中，NV是價帶中的有效態(tài)密度。本征載流子濃度ni：本征半導體，導帶中每單位體積的電子數(shù)與價帶中每單位體積的空穴數(shù)相同，即n=p=ni，ni稱為本征載流子濃度，本征費米能級Ei：本征半導體的費米能級EF。室溫下，本征半導體的費米能級Ei相當靠近禁帶的中央。6非本征半導體：當半導體被摻入雜質時，半導體變成非本征的，而且引入雜質能級。施主、受主、雜質能級、n型半導體、p型半導體、多子、少子概念，以及施主、受主的實例，載流子（電子、空穴）。非簡并半導體：電子或空穴的濃度分別遠低于導帶或價帶中有效態(tài)密度，即費米能級EF至少比EV高3kT，或比EC低3kT的半導體。室溫下，完全電離，非本征半導體中多子濃度為雜質濃度。施主濃度越高，費米能級往導帶底部靠近。受主濃度越高，費米能級往價帶頂端靠近近。7下圖顯示施主濃度ND為1015cm-3時，硅的電子濃度對溫度的函數(shù)關系圖。低溫，晶體中熱能不足以電離所有施主雜質。有些電子被凍結在施主能級，因此電子濃度小于施主濃度。溫度上升，完全電離的情形即可達到（即nn=ND）。溫度繼續(xù)上升，電子濃度基本上在一段長的溫度范圍內維持定值，此為非本征區(qū)。溫度進一步上升，達到某一值，此時本征載流子濃度可與施主濃度相比，超過此溫度后，半導體便為本征的。半導體變成本征時的溫度由雜質濃度及禁帶寬度值決定。電子濃度n/cm-3

9最重要的兩種散射機制：影響遷移率的因素：晶格散射：當晶體溫度高于0K時，晶格原子的熱振動隨溫度增加而增加；在高溫下晶格散射變得顯著，遷移率因此隨著溫度的增加而減少。雜質散射：是一個帶電載流子經過一個電離雜質所引起的。由于庫侖力的交互作用，帶電載流子的路徑會偏移。μI隨著T3/2/NT而變化，其中NT為總雜質濃度。散射機制平均自由時間遷移率第三章漂移運動：小電場E施加于半導體，每一個電子上受到-qE的作用力，且在各次碰撞之間，沿著電場的反向被加速。因此，一個額外的速度（漂移速度）成分將加到熱運動的電子上。10n型半導體p型半導體電導率愛因斯坦關系式當濃度梯度與電場同時存在時，總電流密度即為漂移及擴散成分的總和，因此總傳導電流密度為適用：低電場狀態(tài)。高電場時，μnE及μpE應以飽和速度vs替代。11第四章p-n結：由p型半導體和n型半導體接觸形成的結。整流性：只容許電流流經單一方向。p-n結形成前p型和n型半導體材料分離。費米能級在p型材料中接近價帶邊緣，在n型中則接近導帶邊緣。p型，空穴為多子，電子為少子；n型剛好相反。13p型和n型半導體結合空穴離開p側，結附近部分受主離子NA-未能夠受到補償，因受主被固定在半導體晶格。結附近部分施主離子ND+，在電子離開n側時未能得到補償。負空間電荷在接近結p側形成，正空間電荷在接近結n側形成?？臻g電荷區(qū)域產生了一電場（內建電場）：由正空間電荷指向負空間電荷。熱平衡時，整個樣品上的費米能級是常數(shù)（亦即與x無關）。14熱平衡時，p型和n型中性區(qū)的總靜電勢差即為內建電勢Vbi無外加偏壓，橫跨結的總靜電勢是Vbi。從p端到n端其對應的電勢能差是qVbi。p端加一相對于n端的電壓VF，p-n結正偏?？邕^結的總靜電勢減少VF，即Vbi-VF。因此，正偏降低耗盡區(qū)寬度。在n端加上相對于p端的電壓VR，p-n結反偏，總靜電勢增加VR，即Vbi+VR。反向偏壓會增加耗盡區(qū)寬度。反偏，耗盡層勢壘電容為主要結電容。正偏，對結電容會產生顯著的附加電容（即擴散電容）。15第五章雙極型器件：電子與空穴皆參與導通，由兩個相鄰的互作用的p-n結組成，其結構可為p-n-p或n-p-n。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠比集電區(qū)大；基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。當基區(qū)寬度足夠小時，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴散通過基區(qū)而到達集基結的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。由鄰近的射基結注射過來的空穴可在反偏集基結造成大電流，此為晶體管放大作用，且只有當此兩p-n結足夠接近時才會發(fā)生，因此此兩結被稱為交互p-n結。17為推導理想晶體管的電流、電壓表示式，作下列五點假設：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（2）基區(qū)中空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產生-復合電流；（5）晶體管中無串聯(lián)電阻。晶體管三端點的電流主要是由基極中的少子分布來決定。根據(jù)射基結與集基結上偏壓的不同，雙極型晶體管有四種工作模式。晶體管有四種工作模式。18共射組態(tài)下，當集電極和基極間的反向偏壓增加時，基區(qū)寬度將會減少，導致基區(qū)中的少子濃度梯度增加，亦即使得擴散電流增加，因此IC也會增加。這種電流變化稱為厄雷效應，或基區(qū)寬度調制效應，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點，稱為厄雷電壓。低頻，共基電流增益是一固定值；頻率升高至一關鍵點后，共基電流增益將會降低。右圖顯示熱平衡狀態(tài)，兩個半導體形成理想異質結的能帶圖。在此圖中，假設此兩不同半導體的界面沒有陷阱或產生-復合中心。必須選擇晶格常數(shù)很接近的材料來符合此假設。異質界面處的能帶是不連續(xù)的。19理想MOS二極管偏壓為正或負時，半導體表面出現(xiàn)三種狀況(1)p型半導體，施加負電壓，接近半導體表面的能帶向上彎曲。使EF-Ei變大，提升空穴的濃度，氧化層與半導體的界面處產生空穴堆積，稱為積累現(xiàn)象。理想MOS二極管，不論外加電壓為多少，器件內部均無電流流動，半導體內部費米能級為一常數(shù)。(2)外加小量正電壓，靠近半導體表面的能帶向下彎曲，EF=Ei，多子空穴耗盡，稱為耗盡現(xiàn)象。半導體中單位面積的空間電荷Qsc值為qNAW，其中W為表面耗盡區(qū)的寬度。21起初，因電子濃度較小，表面處于一弱反型狀態(tài)，當能帶持續(xù)彎曲，使得EC接近EF。當靠近SiO-Si界面的電子濃度等于襯底的摻雜量時，開始產生強反型。之后，大部分在半導體中額外的負電荷是由電子在很窄的n型反型層（0≤x≤xi）中產生的電荷Qn[如右上圖]所組成，其中xi為反型層的寬度。xi通常遠小于表面耗盡區(qū)的寬度。(3)外加一更大正電壓，能帶向下彎曲更嚴重。由于EF-Ei＞0，半導體表面電子濃度大于ni，而空穴濃度小于ni，表面載流子呈現(xiàn)反型，稱為反型現(xiàn)象。22類型剖面圖輸出特性轉移特性)(n常閉溝增強型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強型)(p常開溝耗盡型+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+--G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDITpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+-0GVDI類型剖面圖輸出特性轉移特性)(n常閉溝增強型)(n常開溝耗盡型)(p常閉溝增強型)(p常開溝耗盡型+G+n+np+DDI+G+n+np+DDI溝道nG+n+np+DDI+-G+n+np+DDI+--G+p+pn-DDI-G+p+pn-DDIG+p+pn-DDI+-溝道pG+p+pn-DDI+-G+p+pn-DDI+-溝道pDI0DV123V4G=VDI0DV123V4G=VDI0DV2-0V1G=V1-DI0DV2-0V1G=V1-0DIDV-1-2-3-V4G-=V0DIDV-1-2-3-V4G-=VDI0DV-120V1G-=VDI0DV-120V1G-=V+-0TnVDI+-0TnVDITpV0GVDI+-TpV0GVDI+-+0TnVDIGV-+0TnVDIGV-+-0GVDI+-0GVDI氧化層上方金屬為柵極，高摻雜或結合金屬硅化物的多晶硅可作柵極，第四個端點為一連接至襯底的歐姆接觸。MOSFET基本原理23發(fā)光二極管的主要工作過程是自發(fā)輻射，激光二極管則是受激輻射，而光探測器和太陽能電池的工作過程則是吸收。假如光子受激輻射>光子吸收，則電子在較高能級的濃度會>在較低能級的濃度。這種情況稱為分布反轉，因其與平衡條件下的情況恰好相反。粒子數(shù)反轉是激光產生的必要條件。受激輻射遠比自發(fā)輻射和吸收來得重要。半導體被光照射，如果hν=Eg，則半導體會吸收光子產生電子-空穴對，如(a)所示。若hν>Eg，則除產生電子-空穴對外，(hν-Eg)將以熱的形式耗散，如(b)所示。(a)與(b)的過程皆稱為本征躍遷（能帶至能帶的躍遷）。若hν<Eg，則只有在禁帶中存在由化學雜質或物理缺陷所造成的能態(tài)時，光子才會被吸收，如(c)所示，這種過程稱為非本征躍遷。CEVEgE)(a)(b)(cuhtECEVEgE)(a)(b)(cuhtE25半導體激光和固態(tài)紅寶石激光及氦氖氣體激光比較：共性：方向性很強的單色光束，譜線較LED的窄。不同之處：半導體激光較其他激光體積??；在高頻時易于調制，只需要調節(jié)偏電流即可。應用：光纖通信中的光源，錄像機、光學刻錄機及高速激光打印機等?；A研究與技術領域，高分辨率氣體光譜學及大氣污染監(jiān)測等。都具有直接禁帶：動量守恒