实验指导书
院系：机电工程学院
专业：微电子
课程：半导体物理与器件编者：孙玮
目录
实验一四探针法测量半导体电阻率和方块电阻 (1)
实验二半导体非平衡少子寿命测试 (10)
实验一 四探针法测量半导体电阻率
一、实验目的：
硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有着十分密切的关系，半导体电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多，如三探针法、电容—电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中还广泛用来测量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。
本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素和改进措施。
二、实验内容：
1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率；
2. 对同一样品，测量五个不同的点，由此求出单晶断面电阻率不均匀度；
三、实验原理与方法：
1．半导体材料电阻率的测量
将四根探针加在待测半导体材料样品表面，由外面两根探针接恒流源，电流为I ，由中间两根探针测电压，从而求出材料的电阻率，它在很大程度上消除了探针的接触势垒及注入效应对测量的影响。
设样品为半无穷大，若样品的电阻率ρ均匀，引入点电流源的探针其电流强度为I ，则所产生的电力线具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1.1所示。在以r 为半径的半球面上，电流密度j 的分布是均匀的。
2
2r I
j π=
(1-1） 若E 为r 处的电场强度，则
图1.1
2
2r I j E πρ
ρ=
= (1-2） 由电场强度和电位梯度以及球面对称关系，则
dr
d E ?-
= dr r I Edr d 2
2πρ
?-
=-= 取r 为无穷远处的电位为零，则
???
∞∞
-
=-=r
r
r r dr I Edr d 2)
(0
2πρ??
r
I
r πρ?2)(=
(1-3） (1-3）式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为r 的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离r 处的点的电势的贡献。
对图1.2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是点电流源，由(1-3)式可知，2和3探针的电位为：
)1
1(224
122r r I -=πρ? (1-4） )11(234
133r r I -=
πρ? (1-5） 探针2、3的电位差为：
)1111(234
1324123223r r r r I V +--=
-=πρ?? (1-6） 由此可得出样品的电阻率为：
134
13241223)1
111(2-+--=
r r r r I V πρ (1-7） 上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。我们只需测出流过1、4探针的电流I 以及2、3探针间的电位差23V ，代入四根探针的间距，就可以求出该样品的电阻率ρ。
图1.2
实际测量中，最常用的是直线型四探针，即四根探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，如图1.3所示。
设S r r r ===342312，则有
I
V 232πρ=
(1-8） 式(1-8）就是常见的直线四探针（等间距）测量电阻率的公式，这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距，这样才能使该式具有足够的精确度。如果被测样品不是半无穷大，而是厚度，横向尺寸一定，进一步的分析表明，在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数0B 即可，此时：
I
V B S 23
02πρ=
(1-9)
修正系数0B 与样品的尺寸及所处条件的关系见表1.1和表1.2。
另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d 比探针间距小很多，
而横向尺寸为无穷大的样品，如图1.4所示。这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似为圆柱面高为d 任一等位面的半径设为r ，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易
得出当S r r r ===342312时，极薄样品的电阻率为：
I
V
d I V d
23235324.4)2
ln (
==π
ρ (1-10） 上式说明，对于极薄样品，在等间距探针情况下、探针间距和测量结果无关，电阻率和被测样品的厚度d 成正比。
图1.4
图1.3
表1.1 四探针平行于样品边缘的修正系数
I
V
B S 02πρ=
L/S S/d 0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0
0.0 2.000 1.9661 1.8764 1.5198 1.1890 1.0379 1.0029 1.0004 0.1 2.002 1.97 1.88 1.52 1.19 1.040 1.004 1.0017 0.2 2.015 1.93 1.89 1.53 1.20 1.052 1.014 1.0094 0.5 2.188 2.15 2.05 1.70 1.35 1.176 1.109 1.0977 1.0 3.009 2.97 2.87 2.45 1.98 1.667 1.534 1.512 2.0
5.560
5.49
5.34 4.61 3.72 3.104 2.838 2.795 5.0 13.863 13.72
13.32
11.51
9.28
3.744
7.078
6.699
10.0
27.726
27.43
26.71
23.03
18.56
15.49
14.156
13.938
说明：样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界平行，距离为L ，
除样品厚度及该边界外，其余周界均为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
同样需要注意的是当片状样品不满足极薄样品的条件时，仍需按(1-9)式计算电阻率ρ。其修正系数0B 列在表1.3中。
表1.2 四探针垂直于样品边缘的修正系数
I
V
B S 02πρ=
L/S S/d 0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 ∞ 0.0 1.4500 1.3330 1.2555 1.1333 1.0595 1.0194 1.0028 1.0005 1.0000 0.1 1.4501 1.3331 1.2556 1.1335 1.0597 1.0193 1.0035 1.0015 1.0009 0.2 1.4519 1.3352 1.2579 1.1364 1.0637 1.0255 1.0107 1.0084 1.0070 0.5 1.5285 1.4163 1.3476 1.2307 1.1648 1.1263 1.1029 1.0967 1.0939 1.0 2.0335 1.9256 1.8526 1.7294 1.6380 1.5690 1.5225 1.5102 1.5045 2.0 3.7236 3.5660 3.4486 3.2262 3.0470 2.9090 2.8160 2.7913 2.7799 5.0 9.2815 8.8943 8.6025 8.0472 7.5991 7.2542 7.0216 6.9600 6.9315 10.0
18.5630
17.7836
17.2050
16.0944
15.1983
14.5083
14.0431
13.9199
13.8629
说明：样品为片状单晶，四探针针尖所连成的直线与样品一个边界垂直，探针与该边界的最近距
离为L ，除样品厚度及该边界外，其余周界为无穷远，样品周围为绝缘介质包围。
表1.3 薄样品的修正系数
I
V
B S 02πρ=
s/d 0B
s/d 0B
s/d 0B
0.1 1.0009 0.6 1.1512 1.2 1.7329 0.2 1.0070 0.7 1.2225 1.4 1.909 0.3 1.0227 0.8 1.3062 1.6 2.2410 0.4 1.0511 0.9 1.4008 1.8 2.5083 0.5 1.0939 1.0 1.5045
2.0 2.7799
2.5
3.4674
说明：样品为片状单晶，除样品厚度外，样品尺寸相对探针间距为无穷大，
四探针垂直于样品表面测试，或垂直于样品侧面测试。
2．扩散层的薄层电阻测量
四探针法在半导体工艺中还普遍用来测量扩散层的薄层电阻，由于反向PN 结的隔离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深j x )远小于探针间距S ，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率又称方块电阻，其定义就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，见1.5图，单位为Ω/□。所以：
j
j s x x l l R ρ
ρ
=
?= (1-11） 因此有： I
V x R j s 235324.4==ρ
(1-12）
实际的扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分，因此，需要进行修正，修正后的公式为：
I
V B R s 23
= (1-13) 式中0B 见表1.4和3.5。
图1.5
表1.4 单面扩散样品薄层电阻修正系数
I V B R s 0
= j x I
V B 0
=ρ 5.0 x j s b 圆 长 方 形 1=b a 2=b a 3=b a 4≥b a 1.0 0.9988 0.9994 1.25 1.2467 1.2248 1.5 1.4788 1.4893 1.4893 1.75 1.7196 1.7238 1.7238 2.0 1.9454 1.9475 1.9475 2.5 2.3532 2.3541 2.3541 3.0 2.2662 2.4575 2.7000 2.7005 2.7005 4.0 2.9289 3.1137 3.2246 3.2248 3.2248 5.0 3.3625 3.5098 3.5749 3.3750 3.5750 7.5 3.9273 4.0095 4.0361 4.0352 4.0362 10.0 4.1716 4.2209 4.2357 4.2357 4.2357 15.0 4.3646 4.3882 4.3947 4.3947 4.3947 20.0 4.4364 4.4516 4.4553 4.4553 4.4553 40.0 4.5076 4.5120 4.5129 4.5129 4.5129 ∞ 4.5324 4.5324 4.5324 4.5321 4.5321 说明：四探针的中心点在样品的中心 表1.5 双面扩散样品薄层电阻修正系数 I V B R s 0= 5.0 x j 2 d x j < j x I V B 0 =ρ s d b )(+ 圆 长 方 形 1=++d b d a 2=++d b d a 3=++d b d a 4≥++d b d a 1.0 1.9976 1.9497 1.25 2.3741 2.3550 1.5 2.9575 2.7113 2.7010 1.75 3.1596 2.9953 2.9887 2.0 3.3381 3.2295 3.2248 2.5 3.6408 3.5778 3.5751 3.0 4.5324 4.9124 3.8543 3.8127 3.8109 4.0 4.5324 4.6477 4.1113 4.0899 4.0388 5.0 4.5324 4.5790 4.2504 4.6232 4.2356 7.5 4.5324 4.5415 4.4008 4.3946 4.3943 10.0 4.5324 4.5353 4.4571 4.4536 4.4535 15.0 4.5324 4.5329 4.4985 4.4969 4.4969 20.0 4.5324 4.5326 4.5132 4.5124 4.5124 40.0 4.5324 4.5325 4.5275 4.5273 4.5273 ∞ 4.5324 4.5324 4.5324 4.5234 4.5324 说明：四探针的中心点在样品的中心 四、实验条件： 本实验的测试装置主要由四探针头和RT-8型四探针测深仪组成。测试要求四探针头的导电性能必须好，且质硬耐磨。针尖的曲率半径25-50μm ，四根探针要固定且等距排列在一条直线上，其间距通常为1mm ，探针与被测样品间的压力一般为20牛顿左右。 五、实验步骤： 1. 接好测量线路； 2. 将被测样品表面用金钢砂研磨(指单晶硅样品)，冲洗干净后，再用酒精棉球擦洗 干净，晾干，这样处理后就可以获得新鲜磨毛的测试平面，以使探针和样品实现较好的欧姆接触，当样品与室温相同后方可开始测量。注意：操作过程中保持样品的清洁，不要用手触摸样品表面； 3. 放置样品于测试台,操作探针台压下四探针头,使样品接通电流； 4. 估计测试样品的测量范围，确定测试的电流量程； 5. 根据四种测试类别各自的测试电流公式得出测试电流值； 7. 在选择电流状态下调节主机电位器使测试电流为计算出的电流； 8.切换到电阻测量状态，根据不同测试类别，获得电阻率、方块电阻、电阻值。 六、实验注意事项： 1.为增加表面复合，减少少子寿命及避免少子注入，被测表面需粗磨或喷砂处理； 2.对高阻材料及光敏材料，由于光电导及光压效应会严重影响电阻率的测量，这时测量应在暗室进行； 3.电流要选择适当，电流太小影响电压检测精度，电流太大会引起发热或非平衡载流子注入； 4.半导体材料的电阻率受温度的影响十分敏感，因此，必须在样品达到热平衡情况下进行测量并记录测量温度； 5.由于正向探针有少子注入及探针移动的存在，所以在测量中总是进行正反两个电流方向的测量，然后取其平均以减小误差。 七、实验报告要求： 1. 对所给样品测量五个不同的点，计算(修正)当I=1mA时的电阻率ρ； 2. 对样品进行不同电流但测量点相同情况下的测量，计算(修正)同点电流不同时的电阻率ρ； 3. 对上述情况计算方块电阻值 实验二半导体非平衡少子寿命测试 一、实验目的： 熟悉半导体中非平衡载流子的产生、消失原理及特性，掌握用非平衡载流子寿命测试仪和示波器观测、测试寿命的方法。 二、实验内容： 1.了解非平衡少子寿命测试仪和示波器的工作原理及使用方法。 2.测试不同起始浓度下非平衡少子寿命，比较实验观测到的少子寿命曲线的区别。检验实验的重复性及稳定性。 3.改变示波器的实验参量设置，观察实验参量设置对少子寿命曲线的影响，学会对实验观测到的曲线进行选取的有效方法。 三、实验原理与方法： 1. 热平衡态和热平衡载流子 热平衡态：没有外界作用，半导体材料有统一费米能级，和确定的载流子浓度。热平衡时，电子和空穴的产生率等于复合率。 2.非平衡态和非平衡载流子 1）如果对半导体施加外界作用，半导体材料的载流子浓度对热平衡态下的载流子浓度发生偏离，这时材料所处的状态为非平衡状态。 2）非平衡载流子的引入方法有光注入和电注入。根据注入程度的不同，又分为小注入和大注入，通常我们只研究小注入的情况。 3）半导体中载流子随时间变化的过程，称为弛豫过程，如下图2-1所示 3. 非平衡载流子的平均生存时间τ称为非平衡载流子的寿命。 ，此时停止光以一块n 型半导体为例，在t=0 时刻，非平衡载流子浓度为(ΔP) 照，非平衡载流子浓度随时间衰减ΔP(t)= (ΔP) e-t/τ，则寿命标志着非平衡载流子浓 度衰减至起始值的1/e倍时所经历的时间，如图2-2所示。 图2-1 弛豫过程图2-2 少子寿命 四、实验条件： 本实验的测试装置主要由LT-2型单晶少子寿命测深仪和示波器组成。少子寿命测深仪根据国际通用的高频光电导衰退法的原理设计，备有红外光源，测试灵敏度较高。 五、实验步骤： 1. 接通电源，用高频连接线将少子寿命测深仪的信号输出与示波器的Y输入接替，开机并预热15分钟； 2. 将清洁处理后的样品置于电极上，检波电压出现； 3．截图红外发光管工作电源，调整电压； 4. 调整示波器电平、释抑时间内同步及调整各有关参数，是输出光电导信号波形稳定，并尽量与屏幕标准指数曲线吻合； 5. 观测波形并记录有关数据。 七、实验报告要求： 1. 了解少子寿命测试实验原理，学习使用实验仪器； 2. 如何处理光电导信号衰减波形偏离指数曲线的情况？ 3. 实验中测得的不同光强下少子寿命的数值对比、分析。面板上各开关的作用，并且查阅手册了解被测管的各参数，便于在调节图示仪的有关旋钮时，保证使Icm,Pcm,Vcm不超器件的允许值。 2）对被测管施加电压，电流和功率时，必须从低量程慢变。 3）将集电极电压降为零后才能插拔管子和进行集电极峰值电压选择。 4）进行测试前，注意各开关旋钮的位置是否恰当，功耗限制电阻选择是否合适。 七、实验报告要求(思考题)： 1）如何用万用表判断三极管的类型及管脚？并从结构上说明判别的依据。 2）“功耗电阻”在测试中起什么作用？应根据什么来选取？ 3）为保证测试管的安全，在测试中应注意哪些事项？ 4）从晶体管结构、材料、器件原理及工艺方面对各种失效器件的原因进行分析。 矿压测试技术实验指导书 学号： 班级： 姓名： 安徽理工大学 能源与安全学院采矿工程实验室 实验一常用矿山压力仪器原理及使用方法 第一部分观测岩层移动的部分仪器 ☆深基点钻孔多点位移计 一、结构简介 深基点钻孔多点位移计是监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间，围岩内部变形随时间变化情况的一种仪器。 深基点钻孔多点位移包括孔内固定装置、孔中连接钢丝绳、孔口测读装置组成。每套位移计内有5~6个测点。其结构及其安装如图1所示。 二、安装方法 1.在巷道两帮及顶板各钻出φ32的钻孔。 2.将带有连接钢丝绳的孔内固定装置，由远及近分别用安装圆管将其推至所要求的深度。(每个钻孔布置5~6个测点，分别为；6m、5m、4m、3m、2m、lm或12m、10m、8m、6m、4m、2m)。 3.将孔口测读装置，用水泥药圈或木条固定在孔口。 4。拉紧每个测点的钢丝绳，将孔口测读装置上的测尺推至l00mm左右的位置后，由螺丝将钢丝绳与测尺固定在一起。 三、测试方法 安装后先读出每个测点的初读数，以后每次读得的数值与初读数之差，即为测点的位移值。当读数将到零刻度时，松开螺丝，使测尺再回到l00mm左右的位置，重新读出初读数。 ☆顶板离层指示仪 一、结构简介： 顶板离层指示仪是监测顶板锚杆范围内及锚固范围外离层值大小的一种监测仪器，在顶板钻孔中布置两个测点，一个在围岩深部稳定处，一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及锚杆端部围岩与巷道顶板表面间的相对位移值。顶板离层指示仪由孔内固定装置、测量钢丝绳及孔口显示装置组成如图1所示。 二、安装方法： 1.在巷道顶板钻出φ32的钻孔，孔深由要求而定。 2.将带有长钢丝绳的孔内固定装置用安装杆推到所要求的位置；抽出安装杆后再将带有短钢丝绳的孔内固定装置推到所要求的位置。 3.将孔口显示装置用木条固定在孔口(在显示装置与钻孔间要留有钢丝绳运动的间隙)。 4.将钢丝绳拉紧后，用螺丝将其分别与孔口显示装置中的圆管相连接，且使其显示读数超过零刻度线。 三、测读方法： 孔口测读装置上所显示的颜色，反映出顶板离层的范围及所处状态，显示数值表示顶板的离层量。☆DY—82型顶板动态仪 一、用途 DY-82型顶板动态仪是一种机械式高灵敏位移计。用于监测顶底板移近量、移近速度，进行采场“初次来压”和“周期来压”的预报，探测超前支撑压力高 峰位置，监测顶板活动及其它相对位移的测量。 二、技术特征 (1)灵敏度(mm) 0.01 (2)精度(％) 粗读±1,微读±2.5 (3)量程(mm) 0～200 (4)使用高度(mm) 1000～3000 三、原理、结构 其结构和安装见图。仪器的核心部件是齿条6、指针8 以及与指针相连的齿轮、微读数刻线盘9、齿条下端带有读 数横刻线的游标和粗读数刻度管11。 当动态仪安装在顶底板之间时，依靠压力弹簧7产生的 弹力而站立。安好后记下读数(初读数)并由手表读出时间。 粗读数由游标10的横刻线在刻度管11上的位置读出，每小 格2毫米，每大格(标有“1”、“22'’等)为10毫米，微读数 由指针8在刻线盘9的位置读出，每小格为0.01毫米(共200 小格，对应2毫米)。粗读数加微读数即为此时刻的读数。当 顶底板移近时，通过压杆3压缩压力弹簧7，推动齿条6下 移，带动齿轮，齿轮带动指针8顺时针方向旋转，顶底板每 移近0.01毫米，指针转过1小格；同时齿条下端游标随齿条 下移，读数增大。后次读数减去前次读数，即为这段时间内的顶底板移近量。除以经过的时间，即得 土木工程学院 《混凝土结构设计基本原理》实验指导书 及实验报告 适用专业：土木工程周淼 编 班级：：学 号： 理工大学 2018 年9 月 实验一钢筋混凝土梁受弯性能试验 一、实验目的 1.了解适筋梁的受力过程和破坏特征； 2.验证钢筋混凝土受弯构件正截面强度理论和计算公式； 3.掌握钢筋混凝土受弯构件的实验方法及荷载、应变、挠度、裂缝宽度等数据的测试技术 和有关仪器的使用方法； 4.培养学生对钢筋混凝土基本构件的初步实验分析能力。 二、基本原理当梁中纵向受力钢筋的配筋率适中时，梁正截面受弯破坏过程表现为典型的三个阶段：第一阶段——弹性阶段（I阶段）：当荷载较小时，混凝土梁如同两种弹性材料组成的组合梁，梁截面的应力呈线性分布，卸载后几乎无残余变形。当梁受拉区混凝土的最大拉应力达到混凝土的抗拉强度，且最大的混凝土拉应变超过混凝土的极限受拉应变时，在纯弯段某一薄弱截面出现首条垂直裂缝。梁开裂标志着第一阶段的结束。此时，梁纯弯段截面承担的弯矩M cr称为开裂弯矩。第二阶段——带裂缝工作阶段（II阶段）：梁开裂后，裂缝处混凝土退出工作，钢筋应力急增，且通过粘结力向未开裂的混凝土传递拉应力，使得梁中继续出现拉裂缝。压区混凝土中压应力也由线性分布转化为非线性分布。当受拉钢筋屈服时标志着第二阶段的结束。此时梁纯弯段截面承担的弯矩M y称为屈服弯矩。第三阶段——破坏阶段（III阶段）：钢筋屈服后，在很小的荷载增量下，梁会产生很大的变形。裂缝的高度和宽度进一步发展，中和轴不断上移，压区混凝土应力分布曲线渐趋丰满。当受压区混凝土的最大压应变达到混凝土的极限压应变时，压区混凝土压碎，梁正截面受弯破坏。此时，梁承担的弯矩M u 称为极限弯矩。适筋梁的破坏始于纵筋屈服，终于混凝土压碎。整个过程要经历相当大的变形，破坏前有明显的预兆。这种破坏称为适筋破坏，属于延性破坏。 三、试验装置 西安电子科技大学2018考研大纲：半导体 物理与器件物 出国留学考研网为大家提供西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础，更多考研资讯请关注我们网站的更新! 西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础 “半导体物理与器件物理”(801) 一、 总体要求 “半导体物理与器件物理”(801)由半导体物理、半导体器件物理二部分组成，半导体物理占60%(90分)、器件物理占40%(60分)。 “半导体物理”要求学生熟练掌握半导体的相关基础理论，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律。重点掌握半导体中的电子状态和带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子等相关知识、基本概念及相关理论，掌握半导体中载流子浓度计算、电阻(导)率计算以及运用连续性方程解决载流子浓度随时间或位置的变化及其分布规律等。 “器件物理”要求学生掌握MOSFET器件物理的基本理 论和基本的分析方法，使学生具备基本的器件分析、求解、应用能力。要求掌握MOS基本结构和电容电压特性;MESFET器件的基本工作原理;MOSFET器件的频率特性;MOSFET器件中的非理想效应;MOSFET器件按比例缩小理论;阈值电压的影响因素;MOSFET的击穿特性;掌握器件特性的基本分析方法。 “半导体物理与器件物理”(801)研究生入学考试是所学知识的总结性考试，考试水平应达到或超过本科专业相应的课程要求水平。 二、 各部分复习要点 ●“半导体物理”部分各章复习要点 (一)半导体中的电子状态 1.复习内容 半导体晶体结构与化学键性质，半导体中电子状态与能带，电子的运动与有效质量，空穴，回旋共振，元素半导体和典型化合物半导体的能带结构。 2.具体要求 半导体中的电子状态和能带 半导体中电子的运动和有效质量 本征半导体的导电机构 实验指导书 院系：机电工程学院 专业：微电子 课程：半导体物理与器件编者：孙玮 目录 实验一四探针法测量半导体电阻率和方块电阻 (1) 实验二半导体非平衡少子寿命测试 (10) 实验一 四探针法测量半导体电阻率 一、实验目的： 硅单晶的电阻率与半导体器件的性能有着十分密切的关系，半导体电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多，如三探针法、电容—电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用，其主要优点在于设备简单，操作方便，精确度高，对样品的几何尺寸无严格要求。四探针法除了用来测量半导体材料的电阻率以外，在半导体器件生产中还广泛用来测量扩散层薄层电阻，以判断扩散层质量是否符合设计要求。因此，薄层电阻是工艺中最常需要检测的工艺参数之一。 本实验的目的是掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法，针对不同几何尺寸的样品，掌握其修正方法；了解影响电阻率测量的各种因素和改进措施。 二、实验内容： 1. 对所给的各种样品分别测量其电阻率； 2. 对同一样品，测量五个不同的点，由此求出单晶断面电阻率不均匀度； 三、实验原理与方法： 1．半导体材料电阻率的测量 将四根探针加在待测半导体材料样品表面，由外面两根探针接恒流源，电流为I ，由中间两根探针测电压，从而求出材料的电阻率，它在很大程度上消除了探针的接触势垒及注入效应对测量的影响。 设样品为半无穷大，若样品的电阻率ρ均匀，引入点电流源的探针其电流强度为I ，则所产生的电力线具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1.1所示。在以r 为半径的半球面上，电流密度j 的分布是均匀的。 2 2r I j π= (1-1） 若E 为r 处的电场强度，则 图1.1 土工实验指导书及实验报告编写毕守一 安徽水利水电职业技术学院 二OO九年五月 目录 实验一试样制备 实验二含水率试验 实验三密度试验 实验四液限和塑限试验 实验五颗粒分析试验 实验六固结试验 实验七直接剪切试验 实验八击实试验 土工试验复习题 实验一试样制备 一、概述 试样的制备是获得正确的试验成果的前提，为保证试验成果的可靠性以及试验数据的可比性，应具备一个统一的试样制备方法和程序。 试样的制备可分为原状土的试样制备和扰动土的试样制备。对于原状土的试样制备主要包括土样的开启、描述、切取等程序；而扰动土的制备程序则主要包括风干、碾散、过筛、分样和贮存等预备程序以及击实等制备程序，这些程序步骤的正确与否，都会直接影响到试验成果的可靠性，因此，试样的制备是土工试验工作的首要质量要素。 二、仪器设备 试样制备所需的主要仪器设备，包括： （1）孔径0.5mm、2mm和5mm的细筛； （2）孔径0.075mm的洗筛； （3）称量10kg、最小分度值5g的台秤； （4）称量5000g、最小分度值1g和称量200g、最小分度值0.01g的天平； （5）不锈钢环刀（内径61.8mm、高20mm；内径79.8mm、高20mm或内径61.8mm、高40mm）； （6）击样器：包括活塞、导筒和环刀； （7）其他：切土刀、钢丝锯、碎土工具、烘箱、保湿器、喷水设备、凡士林等。 三、试样制备 （一）原状土试样的制备步骤 1、将土样筒按标明的上下方向放置，剥去蜡封和胶带，开启土样筒取土样。 2、检查土样结构，若土样已扰动，则不应作为制备力学性质试验的试样。 3、根据试验要求确定环刀尺寸，并在环刀内壁涂一薄层凡士林，然后刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，同时用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削直至土样高出环刀，制样时不得扰动土样。 4、采用钢丝锯或切土刀平整环刀两端土样，然后擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。 5、切削试样时，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物、裂缝和均匀性进行描述。 6、从切削的余土中取代表性试样，供测定含水率以及颗粒分析、界限含水率等试验之用。 尼尔曼第三版半导体物理与器件小结+重要术语解释+知识点+复 习题 第一章固体晶体结构 (3) 小结 (3) 重要术语解释 (3) 知识点 (3) 复习题 (3) 第二章量子力学初步 (4) 小结 (4) 重要术语解释 (4) 第三章固体量子理论初步 (4) 小结 (4) 重要术语解释 (4) 知识点 (5) 复习题 (5) 第四章平衡半导体 (6) 小结 (6) 重要术语解释 (6) 知识点 (6) 复习题 (7) 第五章载流子运输现象 (7) 小结 (7) 重要术语解释 (8) 知识点 (8) 复习题 (8) 第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (8) 小结 (8) 重要术语解释 (9) 知识点 (9) 复习题 (10) 第七章pn结 (10) 小结 (10) 重要术语解释 (10) 知识点 (11) 复习题 (11) 第八章pn结二极管 (11) 小结 (11) 重要术语解释 (12) 知识点 (12) 复习题 (13) 第九章金属半导体和半导体异质结 (13) 小结 (13) 重要术语解释 (13) 知识点 (14) 复习题 (14) 第十章双极晶体管 (14) 小结 (14) 重要术语解释 (15) 知识点 (16) 复习题 (16) 第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (16) 小结 (16) 重要术语解释 (17) 知识点 (18) 复习题 (18) 第十二章金属-氧化物-半导体场效应管：概念的深入 (18) 小结 (19) 重要术语解释 (19) 知识点 (19) 复习题 (20) 第一章固体晶体结构 小结 1.硅是最普遍的半导体材料。 2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。晶胞是晶体 中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。 3.硅具有金刚石晶体结构。原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。 二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。 4.引用米勒系数来描述晶面。这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。密勒 系数也可以用来描述晶向。 5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。少量可控的替位杂 质有益于改变半导体的特性。 6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。体生长生成了基础半导体材料，即 衬底。外延生长可以用来控制半导体的表面特性。大多数半导体器件是在外延层上制作的。 重要术语解释 1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。 2.共价键：共享价电子的原子间键合。 3.金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个 四面体组态。 4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。 5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。 大学物理实验报告霍尔效应 一、实验名称：霍尔效应原理及其应用二、实验目的：1、了解霍尔效应产生原理；2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；3、学习用霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分布；4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。 三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)四、实验原理：1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样品A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1) 因为，，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。 根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(霍尔电压的正负)判断样品的导电类型。判别的方法是按图1 所示的和的方向(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)2、霍尔效应中的副效应及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。 (1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。 可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。 若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔 北京邮电大学世纪学院 实验、实习、课程设计报告撰写格式与要求 （试行） 一、实验报告格式要求 1、有实验教学手册，按手册要求填写，若无则采用统一实验报告封面。 2、报告一律用钢笔书写或打印，打印要求用A4纸；页边距要求如下：页边距上下各为2.5厘米，左右边距各为2.5厘米；行间距取固定值（设置值为20磅）；字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）。 3、统一采用国家标准所规定的单位与符号，要求文字书写工整，不得潦草；作图规范，不得随手勾画。 4、实验报告中的实验原始记录，须经实验指导教师签字或登记。 二、实习报告、课程设计报告格式要求 1、采用统一的封面。 2、根据教学大纲的要求手写或打印，手写一律用钢笔书写，统一采用国家标准所规定的单位与符号，要求文字书写工整，不得潦草；作图规范，不得随手勾画。打印要求用A4纸；页边距要求如下：页边距上下各为2.5厘米，左右边距各为2.5厘米；行间距取固定值（设置值为20磅）；字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）。 三、报告内容要求 1、实验报告内容包括：实验目的、实验原理、实验仪器设备、实验操作过程、原始数据、实验结果分析、实验心得等方面内容。 2、实习报告内容包括：实习题目、实习任务与要求、实习具体实施情况（附上图表、原始数据等）、实习个人总结等内容。 3、课程设计报告或说明书内容包括：课程设计任务与要求、总体方案、方案设计与分析、所需仪器设备与元器件、设计实现与调试、收获体会、参考资料等方面内容。 北京邮电大学世纪学院 教务处 2009-8 实验报告 课程名称计算机绘图（CAD） 实验项目AutoCAD二维绘图实验 专业班级 姓名学号 指导教师实验成绩 2016年11月日 课程实习报告 HUNAN UNIVERSITY 题目：半导体物理与器件 学生姓名：周强强 学生学号：20100820225 专业班级：通信二班 完成日期：2012.12.22 运行结果截图： 2.2 函数(),cos(2/)V x t x t πλω=-也是经典波动方程的解。令03x λ≤≤，请在同一坐标中 绘出x 的函数(),V x t 在不同情况下的图形。 (1)0;(2)0.25;(3)0.5;(4)0.75;(5)t t t t t ωωπωπωπωπ =====。 3.27根据式（3.79），绘制出0.2()0.2F E E eV -≤-≤范围内，不同温度条件下的费米-狄拉克概率函数：()200,()300,()400a T K b T K c T K ===。 4.3 画出a （）硅，b （）锗，c （）砷化镓在温度范围200600K T K ≤≤内的本征载流子浓度曲线 （采用对数坐标）。 4.46 已知锗的掺杂浓度为15 3a =310 cm N -?，d =0N 。画出费米能级相对于本征费米能级的位 置随温度变化 200600)K T K ≤≤（的曲线。 5.20硅中有效状态密度为 19 3/2c 2.8 10()300T N =? 193/2 1..0410() 300 T N ν=? 设迁移率为 3/2 n =1350300T μ-?? ? ?? 3/2 =480300T ρμ-?? ? ?? 设禁带宽带为g =1.12V E e ，且不随温度变化。画出200600K T K ≤≤范围内，本征电导率随绝对温度T 变化的关系曲线。 《流体力学》课程实验指导书袁守利编 汽车工程学院 2005年9月 前言 1.实验总体目标、任务与要求 1)学生在学习了《流体力学》基本理论的基础上，通过伯努利方程实验、动量方程实 验，实现对基本理论的验证。 2）通过实验，使学生对水柱（水银柱）、U型压差计、毕托管、孔板流量计、文丘里流量计等流体力学常用的测压、测流量装置的结构、原理和使用有基本认识。 2.适用专业 热能与动力工程 3.先修课程 《流体力学》相关章节。 4.实验项目与学时分配 5. 实验改革与特色 根据实验内容和现有实验条件，在实验过程中，采取学生自己动手和教师演示相结合的方法，力求达到较好的实验效果。 实验一伯努利方程实验 1．观察流体流经实验管段时的能量转化关系，了解特定截面上的总水头、测压管水头、压强水头、速度水头和位置水头间的关系，从而加深对伯努利方程的理解和认识。 2．掌握各种水头的测试方法和压强的测试方法。 3．掌握流量、流速的测量方法，了解毕托管测速的原理。 二、实验条件 伯努利方程实验仪 三、实验原理 1．实验装置： 图一伯努利方程实验台 1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.电源 4.溢流管 5.整流栅 6.溢流板 7.定压水箱 8.实验 细管9. 实验粗管10.测压管11.调节阀12.接水箱13.量杯14回水管15.实验桌 2.工作原理 定压水箱7靠溢流来维持其恒定的水位，在水箱下部装接水平放置的实验细管8，水经实验细管以恒定流流出，并通过调节阀11调节其出水流量。通过布置在实验管四个截面上的四组测压孔及测压管，可以测量到相应截面上的各种水头的大小，从而可以分析管路中恒定流动的各种能量形式、大小及相互转化关系。各个测量截面上的一组测压管都相当于一组毕托管，所以也可以用来测管中某点的流速。 电测流量装置由回水箱、计量水箱和电测流量装置（由浮子、光栅计量尺和光电子 半导体物理与器件公式以及参数 KT =0.0259ev N c =2.8?1019N v =1.04?1019 SI 材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的n i =1.5?1010 Ge 材料的n i =2.4?1013 GaAs 材料的n i =1.8?106 介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达到电中性的时间，ρ(t )=ρ(0)e ?(t /τd )，其中τd =?σ，最终通过证明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。 E F 热平衡状态下半导体的费米能级，E Fi 本征半导体的费米能级，重新定义的E Fn 是存在过剩载流子时的准费米能级。 准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。 n 0+?n =n i exp (E Fn ?E Fi kT )p 0+?p =n i exp [?(E Fp ?E Fi )kT ] 用这两组公式求解问题。 通过计算可知，电子的准费米能级高于E Fi ，空穴的准费米能级低于E Fi ，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。 过剩载流子的寿命： 半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。 GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。 固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。 空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。原胞就是可以通过重复排列形成晶体的最小晶胞。三维晶体中每一个等效的格点都可以采用矢量表示为r=pa?+qb?+sc?，其中矢量a?，b?，c?称为晶格常数。晶体中三种结构，简立方、体心立方、面心立方。 原子体密度=每晶胞的原子数每晶胞的体积 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 题目利用Matlab模拟点电荷电场的分布姓名xxxx 学号xxxxxxxxxx 班级电气xxxx班 任课老师xxxx 实验日期2010-10 电磁场理论 实验一 ——利用Matlab 模拟点电荷电场的分布 一．实验目的： 1．熟悉单个点电荷及一对点电荷的电场分布情况； 2．学会使用Matlab 进行数值计算，并绘出相应的图形； 二．实验原理： 根据库伦定律：在真空中，两个静止点电荷之间的作用力与这两个电荷的电量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向在两个电荷的连线上，两电荷同号为斥力，异号为吸力，它们之间的力F 满足： R R Q Q k F ? 212 = (式1) 由电场强度E 的定义可知： R R kQ E ? 2 = (式2) 对于点电荷，根据场论基础中的定义，有势场E 的势函数为 R kQ U = (式3) 而 U E -?= (式4) 在Matlab 中，由以上公式算出各点的电势U ，电场强度E 后，可以用Matlab 自带的库函数绘出相应电荷的电场分布情况。 三．实验内容： 1. 单个点电荷 点电荷的平面电力线和等势线 真空中点电荷的场强大小是E=kq /r^2 ,其中k 为静电力恒量, q 为电量, r 为点电荷到场点P(x,y)的距离。电场呈球对称分布, 取电量q> 0, 电力线是以电荷为起点的射线簇。以无穷远处为零势点, 点电荷的电势为U=kq /r,当U 取 常数时, 此式就是等势面方程.等势面是以电荷为中心以r 为半径的球面。 平面电力线的画法 在平面上, 电力线是等角分布的射线簇, 用MATLAB 画射线簇很简单。取射线的半径为( 都取国际制单位) r0=, 不同的角度用向量表示( 单位为弧度) th=linspace(0,2*pi,13)。射线簇的终点的直角坐标为: [x,y]=pol2cart(th,r0)。插入x 的起始坐标x=[x; *x].同样插入y 的起始坐标, y=[y; *y], x 和y 都是二维数组, 每一列是一条射线的起始和终止坐标。用二维画线命令plot(x,y)就画出所有电力线。 平面等势线的画法 在过电荷的截面上, 等势线就是以电荷为中心的圆簇, 用MATLAB 画等势 线更加简单。静电力常量为k=9e9, 电量可取为q=1e- 9; 最大的等势线的半径应该比射线的半径小一点 r0=。其电势为u0=k8q /r0。如果从外到里取7 条等势线, 最里面的等势线的电势是最外面的3 倍, 那么各条线的电势用向量表示为: u=linspace(1,3,7)*u0。从- r0 到r0 取偶数个点, 例如100 个点, 使最中心点的坐标绕过0, 各点的坐标可用向量表示: x=linspace(- r0,r0,100), 在直角坐标系中可形成网格坐标: [X,Y]=meshgrid(x)。各点到原点的距离为: r=sqrt(X.^2+Y.^2), 在乘方时, 乘方号前面要加点, 表示对变量中的元素进行乘方计算。各点的电势为U=k8q. /r, 在进行除法运算时, 除号前面也要加点, 同样表示对变量中的元素进行除法运算。用等高线命令即可画出等势线 contour(X,Y,U,u), 在画等势线后一般会把电力线擦除, 在画等势线之前插入如下命令hold on 就行了。平面电力线和等势线如图1, 其中插入了标题等等。越靠近点电荷的中心, 电势越高, 电场强度越大, 电力线和等势线也越密。 9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图： 电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 附常规npn截面图 造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图： 由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图： 电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区， 试验一 单晶硅少子寿命测试 一．试验目的 1．了解半导体非平衡少子寿命的概念和重要性。 2．掌握高频光电导衰减法测量寿命的基本原理。 3．学会“DSY-Ⅱ硅单晶寿命仪”的使用。 二．实验原理 1．非平衡载流子的注入 我们知道，处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度使一定的。这种处于平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 对非简并半导体来说，有2 0exp()g o o c v i E n p N N n k T =- = 如果对半导体施加外界作用（光注入或者电注入），破坏热平衡条件，则半导体处于非平衡状态，其载流子浓度不再是o n 、o p ，而是存在过剩载流子n ?、p ?，称为非平衡载流子。 当外界作用消失后，注入的非平衡载流子不能一直存在下去，最后，载流子浓度恢复导平衡时的值，半导体又回到平衡态，这个过程即是非平衡载流子的复合。但非平衡载流子不是立刻全部消失，而有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长，有的短。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用τ表示。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的更重要，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。 假定一束光在n 型半导体内部均匀地产生非平衡载流子n ?、p ?，且n p ?=?。在t ＝0时，突然光照停止，p ?将随时间变化。单位时间内非平衡载流子浓度的减少应为()d p t dt ?，它 是由复合引起的，因此应当等于非平衡载流子的复合率。 即 ()() d p t p t dt τ ??=- 。 小住入时，τ为恒量，与()p t ?无关， ()t p t Ce τ -∴?=。 设t ＝0时，0(0)()p p ?=?，则0()C p =?， 0()()t p t p e τ -∴?=?。 这就是非平衡载流子浓度随渐渐按指数衰减的规律。利用上式可求出非平衡载流子平均生存时间t 就是τ。 ()/()/t t t td p t d p t te dt de dt τ τ τ- - ∞∞ ∞∞= ??= =? ?? ? 所以寿命标志着非平衡载流子浓度减少导原值1/e 所经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。 2．高频光电导衰减法 非平衡载流子寿命公式： 本征载流子浓度公式： 本征半导体：晶体中不含有杂质原子的材料 半导体功函数：指真空电子能级E 0与半导体的费米能级E f 之差 电子>(<)空穴为n(p)型半导体，掺入的是施主(受主)杂质原子。 Pn 结击穿的的两种机制：齐纳效应和雪崩效应 载流子的迁移率 扩散系数 爱因斯坦关系式 两种扩散机制：晶格扩散，电离杂质扩散 迁移率受掺杂浓度和温度的影响 金属导电是由于自由电子；半导体则是因为自由电子和空穴；绝缘体没有自由移动的带电粒子，其不导电。 空间电荷区：冶金结两侧由于n 区内施主电离和p 区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。 存储时间：当pn 结二极管由正偏变为反偏是，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳定值变为零所用的时间。 费米能级：是指绝对零度时，电子填充最高能级的能量位置。 准费米能级：在非平衡状度下，由于导带和介质在总体上处于非平衡，不能用统一的费米能级来描述电子和空穴按能级分布的问题，但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级成为准费米能级。 肖特基接触：指金属与半导体接触时，在界面处的能带弯曲，形成肖特基势垒，该势垒导放大的界面电阻值。 非本征半导体：将掺入了定量的特定杂质原子，从而将热平衡状态电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的材料定义为非本征半导体。 简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n 型）或价带中（p 型）的半导体。 直接带隙半导体：导带边和价带边处于k 空间相同点的半导体。 电子有效质量：并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例常熟。 雪崩击穿：由空间电荷区内电子或空穴与原子电子碰撞而产生电子--空穴对时，创建较大反偏pn 结电流的过程 1、什么是单边突变结？为什么pn 结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？ ①冶金结一侧的掺杂浓度大于另一侧的掺杂浓度的pn 结；②由于pn 结空间电荷区p 区的受主离子所带负电荷与N 区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带点离子不能自由移动的，所以空间电荷区内的低掺杂一侧，其带点离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度 。 2、为什么随着掺杂弄得的增大，击穿电压反而下降？ 随着掺杂浓度的增大，杂质原子之间彼此靠的很近而发生相互影响，分离能级就会扩展成微带，会使原奶的导带往下移，造成禁带宽度变宽，不如外加电压时，能带的倾斜处隧长度Δx 变得更短，当Δx 短到一定程度，当加微小电压时，就会使p 区价带中电子通过隧道效应通过禁带而到达N 区导带，是的反响电流急剧增大而发生隧道击穿，所以。。。。。。 3、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。 对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主导作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体相比较影响并不大，所以这时随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加下，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。 对于一般掺杂半导体，由于杂质浓度低，电离杂子散射基本可以忽略，其主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越小。 4、漂移运动和扩散运动有什么不同？对于非简并半导体而言，迁移率和扩散系数之间满足什么关系？ 漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均，导致载流子从浓度高的地方向浓度低的地方定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力是载流子的分布引起的。 关系为：T k D 0 //εμ= 5、什么叫统计分布函数？并说明麦克斯韦-玻尔兹曼、玻色-爱因斯坦、费米狄拉克分布函数的区别？ 描述大量粒子的分部规律的函数。 ①麦克--滋曼分布函数：经典离子，粒子可区分，而且每个能态多容纳的粒子数没有限制。 ②波色--斯坦分部函数：光子，粒子不可区分，每个能态所能容纳的粒子数没有限制。 ③费米狄拉克分布函数：晶体中的电子，粒子不可分辨，而且每个量子态，只允许一个粒子。 6、画出肖特基二极管和pn 结二极管的正偏特性曲线；并说明它们之间的差别。 两个重要的区别：反向饱和电流密度的数量级，开关特性； 两种器件的电流输运机构不同：pn 结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射越过内建电势差而形成的。 肖特基二极管的有效开启电压低于pn 结二极管的有效开启电压。 7、（a ）5个电子处于3个宽度都为a=12A °的三维无限深势阱中，假设质量为自由电子质量，求T=0k 时费米能级（b ）对于13个电子呢？ 解：对于三维无限深势阱 对于5个电子状态，对应nxnynz=221=122包含一个电子和空穴的状态 ev E F 349.2)122(261.022=++?= 对于13个电子……=323=233 ev E F 5.742)323(261.0222=++?= 8、T=300k 时，硅的实验测定值为p 0=2×104cm -3,Na=7*1015cm -3, (a)因为P 0测试技术实验指导书及实验报告2006级用汇总
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