EE110300电机资讯工程实习Lectures 7, 13 and 14 ... - 清华大学电机系.PDF

EE110300電機資訊工程實習 Lectures 7, 13 and 14 微晶片之旅 半導體元件與積體電路之學習內容 電機工程系 洪勝富 教授 ext. 2578 資電 709 學習大綱 何謂半導體？ 粒子的物質波 = 近代物理、量子物理導論、電磁學、工程數學 半導體與金屬的區別、電子與電洞、摻雜 Fermi-Dirac distribution, mass-action law, 能帶圖 , Shockley semiconductor equations 何謂 PN 介面與雙極介面電晶體 Quasi-Fermi level, PN 介面整流特性的由來、雙極介面電晶體的電流放大 何謂金氧半元件及其數位應用 金氧半的工作原理、CMOS 元件的數位應用與優越處 =電子學、邏輯設計、 數位電路應用與應用、 IC設計、 ….. 半導體製程 = 半導體製程、微電子工程、….. 其他元件應用與發展 = 光電元件、類比電路設計、電子學、….. 基本半導體物理 能帶結構 (band structure): 近代物理的基本結論： 粒子之存在狀態或實驗之結果，皆是機率性的。粒子之分佈於何處或何 種狀態，需以一波函數來表示，此波函數振幅的絕對值平方即為機率 。 波函數具有波的波動特性 ：ν E / h , λ h / p 。 任何波在週期性結構 (如晶體中中，皆會發生破壞性干涉) 的狀況。 破壞性干涉：波的振幅變成零。 因為電子的分佈函數具有波動行為, 在晶格內有破壞性干涉, 因此,某些能 量的電子在晶格內的分佈機率為零(不能存在 ), 因此電子可具有的能量被 分隔成帶, 稱為能量帶(energy bands)。 固體具有非常多的電子，在絕對零度( 完全無熱擾動)時，電子喜歡填充到 最低能量態 去。但電子之填充需遵守Pauli不相容原理 ，亦即，只能填到空 的能量態。因此，後來的電子需填到較高的能量態。 在絕對零度時，電子最後的填充狀態只有兩種情形：最後被填充的能帶 全滿 ，或部分滿 。這兩者即是固體是絕緣體或金屬的區分。 最後一能帶全滿的固體，當外加電場時，因為電子能量不能越過能帶間 的能隙，而能帶上所有能態皆已填滿，所 以電子完全不能移動，因此固 體完全不對外加電場做出任何反應，此即為絕緣體 。 2 electron energy band #5 empty band bandgap #4 band #4 empty band conduction band bandgap #3 bandgap, Eg band # 3 filled band valence band bandgap #2 band #2 filled band bandgap #1 band #1