01-01-Part 0 - 概述

Bo Zhang 2022-12-22 17:00:00
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1. 序言

§1.1. 写作背景

转眼毕业已经半年有余，回想起在学习功率半导体器件这门课程时，尤其是前面的理论部分让笔者感到相当吃力。笔者在面对各种晦涩的概念时经常一头雾水。虽然在最终的考试中，这些理论性的概念占比并不大，笔者也侥幸通过了考试。再到后来写论文时关于半导体物理的知识用的也是少之又少。但是，近来再次翻阅 Josef Lutz 教授的专著，忽然萌生一个念头——既然现在没有学业上的压力，为何不尝试一下用自己的语言来归纳总结以下这些知识点呢？于是便有了这篇文章。

§1.2. 声明

本文是笔者关于半导体物理基础知识的一些浅显理解。由于笔者没有系统地学习过半导体物理相关的知识，难免有疏漏、不严谨甚至错误。希望读者也本着批判的态度看待笔者的文章，多提意见，共同学习。笔者希望，读者在读完本文后，可以对半导体物理知识有不一样的认识。当然，如果想更深入的学习半导体物理相关的知识，可以阅读以下书籍：

除此以外，笔者推荐以下学习网站：

2. 从两个角度分析物体的运动

分析物体的运动，可以分为两个部分：

  1. 对被分析的物体进行建模
  2. 根据模型去分析它的受力情况，然后写出状态方程

§2.1. 宏观

学过控制理论的同学都知道，在能量守恒的大前提下，汉密尔顿方程描述了一个物体在各种可能的运动路径中的最优解。这个最优解就是物体真实的运动状态。比如说，无人驾驶就是把汽车看作一个系统，车速、距离、温度、发动机转速等等作为输入（即对汽车进行建模），通过一系列算法（比如 Optimal Control 中的 MPC 控制或经典的 PID）去预测汽车的运动轨迹。

宏观世界的物体运动有什么特点呢？答案是确定性。即，知道了某个时间点，这个时间点就对应一个运动状态。假设有AB两个时间点，那么如果物体在A时间点，就不可能在B点。

§2.2. 微观

微观世界是各种粒子 (Particle) 的运动。特别地，在被分析的物体是固体的前提下，我们通过量子力学（Quantum Mechanics)和固体物理学 (Solid-State Physics)，引入能带 (Energy Band) 的概念来对半导体晶体结构 (Crystallian Structure) 进行建模。至于运动状态，我们无法精确地预测，只能用可能性去描述。可能性，就是概率。更准确一点来说，是用统计力学 (Statistical Mechanics) 中的分布函数 (Distribution Function) 来描述。

3. 大纲

对于半导体物理知识，我们只需要知道，微观世界中，晶体和原子也有自己的模型，而它们的运动由分布函数描述。读者不需要去深究为什么用某某分布去描述这个晶体的运动状态，只需要接受这种表达形式，知道这个分布描述了这个粒子的这种运动状态就够了。这些微观世界的“运动方程”和一些基本的电学公式结合，就形成了我们半导体物理的方程。我们学习半导体物理，目的是为了了解半导体材料的电学特性，从而更好地分析半导体器件的 特性。因此，要时刻把这些知识和测量到的波形图结合分析。从结果出发去解释原因，这样更有助于对半导体物理知识的理解。

§3.1. 半导体物理的核心问题

半导体物理的核心是载流子 (Charge Carrier)，载流子的定向移动形成电流。而本文则试图按照 5W2H 的方式，用肤浅的、主观的、不严谨的语言来回答以下几个问题：

§3.2. 写作思路

半导体物理的基础知识篇将分成三大部分，分别为：

  1. 基础篇
  2. 平衡篇
  3. 非平衡篇

基础篇的重点有：

平衡篇的重点有：

非平衡篇的重点有：

有了这些知识，我们就可以分析 PN 结中载流子的变化和运动，进而分析半导体器件的 特性。实际上，再复杂的器件也是由一个个的 PN 结构成的。我们也是先从最基础的二极管开始，到三极管、MOSFET 以及 IGBT。

01-01-Part 1 - 基础概念
硕士论文写作思路