半导体基础知识.

室导体基础加钠槐念归的

1.1本征半导体定义纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体电流形成过程自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流绝缘体原子结构最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子绝缘体导电性极差如惰性气体和橡胶半导体原子结构半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧半导体导电性能介于半导体与绝缘体之间半导体的特点★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化晶格晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格共价键结构相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键自由电子的形成在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子空穴价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴电子电流在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流空穴电流价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流本征半导体的电流电子电流+空穴电流自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反载流子运载电荷的粒子称为载流子导体电的特点导体导电只有一种载流子，即自由电子导电本征半导体电的特点本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电本征激发半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发复合自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,直接的影响载流子的迁移率受晶体散射和电离杂质散射的影响载流子的迁移率与晶体质量有关，晶体完整性好，载流子的迁移率高

14.什么是方块电阻？我们知道一个均匀导体的电阻R正比于导体的长度L,反比于导体的截面积S如果这个导体是一个宽为W、厚度为d的薄层，则R=pL/dW=p/d L/W可以看出，这样一个薄层的电阻与L/W成正比，比例系数为p/d这个比例系数就叫做方块电阻,用R□表示Rn=p/dR=R L/WgR0的单位为欧姆，通常用符号C/□表示从上式可以看出，当L=W时有R=Ro,这时R□表示一个正方形薄层的电阻，它与正方形边长的大小无关，这就是取名方块电阻的原因

15.什么是晶体缺陷？晶体内的原子是按一定的原则周期性地排列着的如果在晶体中的一些区域，这种排列遭到破坏，我们称这种破坏为晶体缺陷晶体缺陷对半导体材料的使用性影响很大，在大多数情况下，它使器件性能劣化直至失效因此在材料的制备过程中都要尽量排除缺陷或降低其密度晶体缺陷的控制是材料制备的重要技术之一晶体缺陷的分类如空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它们构成的复合体1点缺陷，2线缺陷，呈线状排列，如位错就是这种缺陷3面缺陷，呈面状，如晶界、堆垛层错、相界等4体缺陷，如空洞、夹杂物、杂质沉淀物等05微缺陷，几何尺寸在微米级或更小，如点缺陷聚集物、微沉淀物等

16.什么是错位？当一种固体材料受到外力时就会发生形变，如果外力消失后，形变也随着消失，这种形变称为弹性形变；如果外力消失后，形变不消失则称为范性形变位错就是由范性形变造成的，它可以使晶体内的一原子或离子脱离规则的周期排列而位移一段距离，位移区与非位移区交界处必有原子的错位，这样产生线缺陷称为位错

17.什么是层错？简单的说，层错是在密排晶面上缺少或多余一层原子而构成的缺陷，层错是一种面缺陷层错也是硅晶体中常见的一种缺陷，层错对器件制备工艺以及成品性能都可以发生较大的影响生产中最熟悉的是硅外延片中的层错在硅外延生长时，如果不采取特殊的措施，生长出的外延层中将含有大量的层错，以致严重的破坏了晶体的完整性通过研究发现，外延片中的层错主要起源于生长外延层的衬底晶体的表面根据这个原因，不仅找到了克服层错大量产生的途径，而且发现利用层错测量外延层的厚度的方法

18.材料的常用表征参数有哪些？电学参数、化学纯度、晶体学参数、几何尺寸电学参数包括电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率、少数载流子寿命、电阻率均匀性等化学纯度是指材料的本底纯度晶体学参数有晶向、位错密度几何尺寸包括直径、晶片的厚度、弯曲度、翘曲度、平行度和抛光片的平坦度等使两者同时消失，这种现象称为复合动态平衡在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡载流子的浓度与温度的关系温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等当温度升高时,热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差结论本征半导体的导电性能与温度有关半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因杂质半导体通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体N型半导体在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体多数载流子N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度,称为多数载流子，简称多子少数载流子N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子施子原子杂质原子可以提供电子，称施子原子N型半导体的导电特性它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强P型半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体多子P型半导体中，多子为空穴少子p型半导体中，少子为电子受主原子杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子P型半导体的导电特性掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强结论★多子的浓度决定于杂质浓度★少子的浓度决定于温度PN结的形成:将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结PN结的特点具有单向导电性扩散运动物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动空间电荷区扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区电场形成空间电荷区形成内电场空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行漂移运动在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动PN结的形成过程如图所示，将P结的伏安特PN扩散运动型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从P N区区而达到动态平衡，形成PN结结的形成PN区与区中载流子的扩散运aP N电位差空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uh，电流为零二t三，耗尽层绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层PN结的单向导电性★P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态★P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于截止状态，如同开关打开结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏伏安特性曲线加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线如图所示正向特性u0的部分称为正向特性反向特性u0的部分称为反向特性反向击穿当反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，UBR称之反向击穿势垒电容耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb变容二极管当PN结加反向电压时,Cb明显随u的变化而变化,而制成各种变容二极管如下图所示结的势垒电容PN平衡少子PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子非平衡少子PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子扩散电容扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd结电容势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj.什么是导体、绝缘体、半导体I0•势垒电容和耗尽层的电荷bW随处加电压变化外加电压的关系容易导电的物质叫导体，如金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体不容易导电的物质叫做绝缘体，如橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质如硅、铭、碎化钱、磷化锢、氮化钱、碳化硅等半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体杂质半导体有两类N型半导体和P型半导体

2.半导体材料的特征有哪些？

（1）导电能力介于导体和绝缘体之间

（2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值

（3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型一种是电子，另一种是空穴同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电

（4）晶体的各向异性

3.简述N型半导体常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电,这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体例如硅中掺有V族元素杂质磷（P）、碑（As）、睇（Sb）、钿（Bi）时，称为N型半导体

4.简述P型半导体当半导体中掺有受主杂质时.，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体例如硅中掺有ni族元素杂质硼（B）、铝（AI）、铉（Ga）、锢（In）时，称为P型半导体

5.什么是半绝缘半导体材料？定义电阻率大于107c*cm的半导体材料称为半绝缘半导体材料如掺Cr的碎化钱，非掺杂的碎化钱为半绝缘神化钱材料掺Fe的磷化锢，非掺杂的磷化锢经退火为半绝缘磷化锢材料

6.什么是单晶、多晶单晶是原子或离子沿着三个不同的方向按一定的周期有规则地排列，并沿一致的晶体学取向所堆垛起来的远程有序的晶体多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼此不同，其周期性与规则性也在此处受到破坏

7.常用半导体材料的晶体生长方向有几种？我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异性单晶生长的这种方向直接来自晶格结构，常用半导体材料的晶体生长方向是vm＞和vioo＞规定用vlll＞和vioo＞表示晶向，用

（111）和

（100）表示晶面

8.什么是电导率和电阻率？所有材料的电导率（U）可用下式表达o=ne|j其中n为载流子浓度，单位为cm-3；e为电子的电荷，单位为C（库仑）；u为载流子的迁移率，单位为cm2/V*s；电导率单位为S/cm（S为西门子）电阻率p=l/u,单位为C*cm

9.PN结是如何形成的？它具有什么特性？如果用工艺的方法，把一边是N型半导体另一边是P型半导体结合在一起，这时N型半导体中的多数载流子电子就要向P型半导体一边渗透扩散结果是N型区域中邻近P型区一边的薄层A中有一部分电子扩散到P型区域中去了，如图2・6所示（图略）薄层A中因失去了这一部分电子而带有正电同样，P型区域中邻近N型区域一边的薄层B中有一部分空穴扩散到N型区域一边去了，如图2・7所示（图略）结果使薄层B带有负电这样就在N型和P型两种不同类型半导体的交界面两侧形成了带电薄层A和B（其中A带正电，B带负电）A、B间便产生了一个电场，这个带电的薄层A和B,叫做PN结，又叫做阻挡层当P型区域接到电池的正极，N型区域接到电池的负极时，漂移和扩散的动态平衡被破坏，在PN结中流过的电流很大（这种接法称为正向连接）这时，电池在PN结中所产生的电场的方向恰好与PN结原来存在的电场方向相反，而且外加电场比PN结电场强，这两个电场叠加后电场是由P型区域指向N型区域的因此，PN结中原先存在的电场被削弱了，阻挡层的厚度减小了，所以正向电流将随着外加正向电压的增加而迅速地上升当P型区域接到电池的负极，N型区域接到电池的正极时，在PN结中流过的电流很小（这种接法称为反向连接）这是由于外加电压在PN结中所产生的电场方向是由N型区指向P型区，也即与原先在PN结中存在的电场方向是一致的这两个电场叠加的结果，加强了电场阻止多数载流子的扩散运动，此时，阻挡层的厚度比原来增大，原来漂移和扩散的动态平衡也被破坏了，漂移电流大于扩散电流，正是这个电流造成反向漏电流PN结的这种性质叫做单向导电性

10.何谓PN结的击穿特性？对PN结施加的反向偏压增大到某一数值时，反向电流突然开始迅速增大，这种现象称为PN结击穿发生击穿时的反向偏压称为击穿电压，以表示击穿现象中，电流增大基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于VB载流子数目的增加到目前为止，基本上有三种击穿机构热电击穿、雪崩击穿和隧道击穿从击穿的后果来看，可以分为物理上可恢复的和不可恢复的击穿两类热电击穿属于后一类情况，它将造成PN结的永久性损坏，在器件应用时应尽量避免发生此类击穿雪崩击穿和隧道击穿属于可恢复性的，即撤掉电压后，在PN结内没有物理损伤

11.试述什么是光电二极管当光照到PN结上时，光能被吸收进入晶格，使电子的能级提高，这就导致某些电子脱离它们的原子，因此产生了自由电子与空穴在光电导光电二极管中，在PN结上加一反向电压，由光能在结构附近产生了电子与空穴，它们被电场吸引从相反的方向穿过结形成电流，电流从负载电阻流出产生了输出信号光的强度越高，产生的空穴与自由电子就越多，电流也就越大没有光时，电流只有PN结的小的反向漏电流,这种电流称为暗电流

12.何谓欧姆接触？金属与半导体间没有整流作用的接触称为欧姆接触实际上的欧姆接触几乎都是采用金属・N+N半导体或金属.p+p半导体的形式制成的在这种接触中，金属与重掺杂的半导体区接触，接触界面附近存在大量的复合中心，而且电流通过接触时的压降也往往小到可以不计，制造欧姆接触的方法有两种如果金属本身是半导体的施主或受主元素，而且在半导体中有高的固溶度，就用合金法直接在半导体中形成金属-N+或金属-P+区如果金属本身不是施主或受主元素，可在金属中掺入施主或受主元素，用合金法形成欧姆接触另一种方法是在半导体中先扩散形成重掺杂区，然后使金属与半导体接触，形成欧姆接触

13.迁移率表示什么？迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要因素掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂的浓度，另一方面取决于迁移率的大小同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的电导率就越高迁移率大小不仅关系着导电能力的强弱，而且直接决定载流子运动的快慢它对半导体器件工作速度有直接的影响不同的材料，电子和空穴的迁移率是不同的载流子的迁移率是随温度而变化的这对器件的使用性能有。