固态电子学公式总结#
本文件汇总固体电子学课程 (Lecture 5-20, Week 9-10) 的全部核心公式,按主题模块整理,便于复习查阅。
一、晶体结构与量子力学基础#
Bloch 定理#
晶体中电子波函数:
ψ(x)=u(x)⋅eikx
其中 u(x) 为单胞波函数,与势函数 U(x) 具有相同周期性:u(x+d)=u(x)
晶胞原子数#
| 晶格类型 | 原子数 | 计算方法 |
|---|
| 简单立方 (SC) | 1 | 8×1/8=1 |
| 体心立方 (BCC) | 2 | 8×1/8+1=2 |
| 面心立方 (FCC) | 4 | 8×1/8+6×1/2=4 |
| 金刚石结构 | 8 | 两个 FCC 子晶格叠加 |
Miller 指数晶面间距#
dhkl=a/h2+k2+l2
二、电导率与载流子输运#
电导率#
σ=neμn+peμp
漂移电流密度#
Jdrift=σE=(neμn+peμp)E
扩散电流密度#
Jn=eDndxdn(电子扩散电流)
Jp=−eDpdxdp(空穴扩散电流)
Einstein 关系#
μD=ekT
300 K 下:D/μ=0.0259 V
漂移速度#
vd=μE
三、半导体载流子统计#
本征载流子浓度#
ni2=NcNvexp(−kTEg)
本征 Fermi 能级#
Ei=2Ec+Ev+2kTln(NcNv)
质量作用定律#
np=ni2(热平衡下)
电中性条件#
n+NA−=p+ND+
N 型(ND≫NA):n≈ND
P 型(NA≫ND):p≈NA
Fermi 能级位置#
N 型:EF−Ei=kTln(ND/ni)
P 型:Ei−EF=kTln(NA/ni)
四、PN 结#
接触势(内建电势)#
Vbi=ekTln(ni2NAND)
Vbi=e1(EFn−EFp)
耗尽层宽度#
W=e2εs(NA1+ND1)(Vbi−V)
单边突变结(NA≫ND):W≈eND2εs(Vbi−V),W≈xn
电场分布#
P 侧:E(x)=−εsqNA(x+xp)
N 侧:E(x)=−εsqND(xn−x)
最大电场#
∣Emax∣=εs(NA+ND)2eNAND(Vbi−V)
耗尽层电容(势垒电容)#
Cj=A2(NA+ND)(Vbi−V)eεsNAND
扩散电容#
Cdiff∝IFτ
I-V 特性#
J=Js(eeV/kT−1)
Js=e(LpNDDpni2+LnNADnni2)
击穿电压#
VBR∝Eg3/2ND−3/4
五、MOSFET#
阈值电压#
Vt=VFB+2ϕF+CoxQB
ϕF=ekTln(niNA),Cox=toxεox
DC 工作区#
| 工作区 | 条件 | ID |
|---|
| 截止区 | VGS<Vt | 0 |
| 线性区 | VGS>Vt, VDS<VGS−Vt | μnCoxLW[(VGS−Vt)VDS−21VDS2] |
| 饱和区 | VGS>Vt, VDS≥VGS−Vt | 21μnCoxLW(VGS−Vt)2 |
沟道长度调制#
ID=21μnCoxLW(VGS−Vt)2(1+λVDS)
gm=∂VGS∂ID
饱和区:gm=μnCoxLW(VGS−Vt)
衬底偏置效应#
Vt=Vt0+γ(2ϕF+VSB−2ϕF)
γ=Cox2eεsNA
CMOS 对称条件#
μn(W/L)N=μp(W/L)P
六、BJT#
电流关系#
IE=IC+IB
β=IC/IB,α=IC/IE
β=1−αα,α=1+ββ
集电极电流(正向有源)#
IC=ISeVBE/VT,VT=kT/e≈0.0259 V
Ebers-Moll 模型#
IC=αFIE+IC0
IE=IES(eVBE/VT−1)−αRICS(eVBC/VT−1)
IC=αFIES(eVBE/VT−1)−ICS(eVBC/VT−1)
Early 效应#
IC=ISeVBE/VT(1+VAVCE)
七、连续性方程#
∂t∂n=e1∂x∂Jn+Gn−Rn
∂t∂p=−e1∂x∂Jp+Gp−Rp
复合寿命#
Δn(t)=Δn(0)e−t/τ
扩散长度#
Ln=Dnτn,Lp=Dpτp
八、常用物理常数 (300 K)#
| 常数 | 符号 | 数值 |
|---|
| 电子电荷 | e | 1.602×10−19 C |
| Boltzmann 常数 | k | 1.381×10−23 J/K |
| 热电压 | kT/e | 0.0259 V |
| 真空介电常数 | ε0 | 8.854×10−14 F/cm |
| 硅相对介电常数 | εr | 11.7 |
| 硅介电常数 | εs | 1.036×10−12 F/cm |
| 二氧化硅介电常数 | εox | 3.9 |
| 硅禁带宽度 | Eg | 1.12 eV |
| 硅本征载流子浓度 | ni | 1.5×1010 cm−3 |