半导体C-V测量基础
吉时利仪器公司
C-V测量为人们提供了有关器件和材料特征的大量信息
通用测试
电容-电压（C-V）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是MOSCAP和MOSFET 结构。此外，利用C-V测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光伏电池、MEMS器件、有机TFT显示器、光电二极管、碳纳米管（CNT）和多种其他半导体器件。
这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。C-V测量对于产品和良率增强工程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性工程师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机制。
采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片工艺中，C-V测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件测试过程中可以利用C-V测量对阈值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。
半导体电容的半导体电容的物理特性
MOSCAP结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构（如图1所示）。尽管这类器件可以用于真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测底层工艺的一种方便的方法。
金属
二氧化硅电容计（交流信号）
P型
图1. P型衬底上形成的MOSCAP结构的C-V测量电路
图1中的金属/多晶层是电容的一极，二氧化硅是绝缘层。由于绝缘层下面的衬底是一种半导体材料，因此它本身并不是电容的另一极。实际上，其中的多数载流子是电容的另一极。物理上而言，电容C可以通过下列公式中的变量计算出来：C = A (κ/d), 其中
A是电容的面积，
κ是绝缘体的介电常数
d是两极的间距
因此，A 和κ越大，绝缘体厚度越薄，电容值就越高。通常而言，半导体电容的大小范围从几纳法到几皮法，甚至更小。
进行C-V测量时要在电容的两极加载直流偏压同时利用一个交流信号进行测量（如图1所示）。通常情况下，这类测量使用的交流频率范围从10kHz到
10MHz。所加载的偏压作为直流电压扫描驱动MOSCAP结构从累积区进入耗尽区，然后进入反型区（如图2所示）。
图2. C-V测试中获得的MOSCAP结构的直流偏压扫描
强大的直流偏压导致衬底中的多数载流子在绝缘层界面附近累积。由于它们无法穿透绝缘层，因此当电荷积累在界面附近（即d为最小值）时电容在累积区达到最大值。如图1所示。从C-V累积测量可以得到的一个基本参数就是二氧化硅的厚度tox。
当偏压降低时，多数载流子从氧化层界面被排斥开，耗尽区形成。当偏压反相时，电荷载流子远离氧化层达到最大距离，电容达到最小值（即d为最大值）。根据这时的反型区电容，可以推算出多数载流子的数量。这一基本原理同样适用于MOSFET晶体管，只是它们的物理结构和掺杂更加复杂。在偏压扫过这三个区的过程中还可以得到多种其他参数，如图2所示。利用不同的交流信号频率可以得到其他细节信息。低频可以揭示所谓的准静态特征，而高频测试则可以表现出动态性能。这两类C-V测试通常都是需要的。
基本测试配置
图3给出了基本C-V测量配置的框图。由于C-V测量实际上是在交流频率下进行的，因此待测器件（DUT）的电容可以根据下列公式计算得到：
C = / f Vac，其中
IDUT是流过DUT的交流电流幅值，
f是测试频率，
Vac是测得的交流电压的幅值和相角。
换而言之，这种测试通过加载交流电压然后测量产生的交流电流、交流电压和它们之间的阻抗相角，最终测出DUT的交流阻抗。
交流源
交流伏特计
DUT电流
交流安培计
图3. C-V测量的基本测试配置
这些测量考虑了与电容相关的串联与并联电阻，以及耗散因子（漏流）。图4给出了这类测量可以测出的主要电路变量。
z, theta：阻抗与相角
R+jX：电阻与电抗
Cp-Gp：并联电容与电导
Cs-Rs：串联电容与电阻
其中：Z=阻抗
D=耗散因子
θ=相角
R=电阻
X=电抗
G=电导
图4. C-V测量得到的主要电气变量
成功C-V测量的挑战
C-V测试配置的框图虽然看上去非常简单，但是这种测试却具有一定的挑战。一般而言，测试人员在下面几个方面会遇到麻烦：
? 低电容测量（皮法和更小的值）
? C-V测试仪器与圆片器件的连接
? 漏电容（高D）的测量
? 利用硬件和软件采集数据
? 参数提取
克服这些挑战需要仔细注意所用的技术以及合适的硬件和软件。
低电容测量。如果C较小，那么DUT的交流响应电流就较低，难以测量。但是，在较高的频率下，DUT阻抗将减小，从而电流会增大，比较容易测量。半导体电容通常非常低（低于1pF），低于很多LCR表的测量范围。即使那些声称能够测量这些小电容值的测试仪可能也会由于说明书晦涩难懂而很难判断最终的测量精度。如果无法明确给出测试仪整个量程的精度，那么用户需要因此而咨询制造商。
高D（漏）电容。半导体电容除了C值较低之外，还具有泄漏的特点。当与电容并联的等价电阻太低时就会出现这种情况。这会导致电阻性阻抗超过电容性阻抗，C值被噪声所淹没。对于具有超薄栅氧层的器件，D的值可能大于5。一般而言，随着D的增大，电容测量的精度迅速下降，因此高D是实际使用电容计的一个限制因素。同样，较高的频率有助于解决这一问题。在较高的频率下，电容性阻抗较低，使得电容电流较高，更容易进行测量。
C-V测量的互连。大多数测试环境下，DUT都是圆片上的一个测试结构：它通过探测器、探针卡适配器和开关矩阵连接C-V测试仪。即使没有开关，仍然也会使用探测器和大量的连线。在较高的频率下，必须采用特殊的校正和补偿技术。通常情况下，这是通过组合使用开路、短路或者校准器件来实现的。由于硬件、布线和补偿技术非常复杂，因此经常与C-V测试应用工程师进行交流是一个好的办法。他们擅长使用各种探测系统，克服各种互连问题。
获取有用的数据。除了上述的精度问题，C-V数据采集中实际需要考虑的因素包括测试变量的仪器量程，参数提取软件的多功能性和硬件的易用性。一般而言，C-V测试已仅限于约30V和10mA直流偏压。但是，很多应用，例如LD MOS结构的特征分析、低k夹层电介质、MEMS器件、有机TFT显示器和光电二极管，需要在较高的电压或电流下进行测试。对于这些应用，需要单独的高压直流电源和电
容计；高达400V的差分直流偏压（0到±400V）和高达300mA的电流输出是非常有用的。在C-V测试仪的HI和LO端加载差分直流偏压能够更灵活地控制DUT内的电场，这对于新型器件的研究和建模是非常有用的，例如纳米级元件。仪用软件应该包括无需用户编程可直接使用的测试例程。这些应该适用于大多数广泛使用的器件工艺和测试技术，即本文前三段中提及的有关内容。有些研究者
可能会对一些不常见的测试感兴趣，例如对MIM（金属-绝缘体-金属）型电容进行C-V和C-f扫描，测量圆片上的互连小电容，或者对双端纳米器件进行C-V扫描。利用自动绘图功能能够方便的实现参数提取（例如，如图5所示）。
图5. 利用吉时利4200-SCS进行参数提取的实例表现了半导体的掺杂特征（左边的蓝线），它与1/C2 与Vg的关系呈倒数关系（红线）。右图给出了掺杂分布，即每立方厘米的载流子数与衬底深度的函数关系。
通常，人们都希望工程技术人员和研究人员在几乎没有任何仪器使用经验或培训的情况下就能够进行C-V测量。具有直观用户界面和简单易用特征的测试系统使得这一点成为现实。其中包括简单的测试配置、序列控制和数据分析。否则，用户在掌握系统方面就要比采集和使用数据花费更多的时间。对测试系统其它考虑因素包括：
? 紧密集成的源-测量单元、数字示波器和C-V表
? 方便集成其他外部仪器
? 基于探针的高分辨率和高精度测量（直流偏压低至毫伏级，电容测量低至飞法级）
? 测试配置和库易于修改
? 提供检测/故障诊断工具帮助用户确定系统是否正常工作
作者简介
Lee Stauffer是位于美国俄亥俄州克里夫兰市的吉时利仪器公司的高级市场经理，负责面向半导体制造和研究市场的研发和支持产品。他接受过电子工程和半导体器件物理专业的正规教育，在半导体工艺和产品工程、器件特征分析和仪器设计领域具有20年的丰富经验。他的联系电话为440-248-0400，电子邮箱为lstauffer@https://www.doczj.com/doc/5a8456136.html,。
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半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：半导体材料 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业限选 学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 （三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》； 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 （四）教材：杨树人《半导体材料》 主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯
第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长（VPE） 第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD） 第三节分子束外延生长（MBE） 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料
半导体材料吸收光谱测试分析 一、实验目的 1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。 2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。 二、实验仪器及材料 紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯，玻璃基ZnO薄膜。 三、实验原理 1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律 (1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。 a．光源：钨灯或卤钨灯——可见光源，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。 b．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件 色散元件：棱镜——对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距； 光栅——衍射和干涉分出光波长等距。 c．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区；石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。 要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致） d．检测器：将光信号转变为电信号的装置。如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。 紫外可见分光光度计的工作流程如下： 0.575 光源单色器吸收池检测器显示双光束紫外可见分光光度计则为： 双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：
(2)光吸收定律 单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： x x e I I?- =α d t e I I?- =α 0(1) I0：入射光强；I x：透过厚度x的光强；I t：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。 透射率T为： d e I I T?- = =α t (2) 则 d e T d? = =?α α ln ) /1 ln( 透射光I t
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间
一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼
1.1 半导体基础知识概念归纳 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，
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
半导体材料 应用物理1001 20102444 周辉 半导体材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。这种材料在某个温度 范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。由化合物构成的半导 体材料，通常是指无机化合物半导体材料。比起元素半导体材料来它的品种更多， 应用面更广。 半导体材料结构特征主要表现在化学键上。因为化合物至少由两个元素构 成，由于它们彼此间的原子结构不同，价电子必然向其中一种元素靠近，而远离 另一种元素，这样在共价键中就有了离子性。这种离子性会影响到材料的熔点、 带隙宽度、迁移率、晶体结构等。 化合物半导体的组成规律一般服从元素周期表排列的法则。对已知的化合物 半导体材料，其组成元素在同一族内垂直变换，其结果是随着元素的金属性增大 而其带隙变小，直到成为导体。反之，随着非金属性增加而其带隙变大，直至成 为绝缘体。 类别按其构成元素的数目可分为二元、三元、四元化合物半导体材料。它 们本身还可按组成元素在元素周期表中的位置分为各族化合物，如Ⅲ—V族，I —Ⅲ—Ⅵ族等。下面介绍二元化合物，其中主要的类别为Ⅲ—v族化合物半导体 材料，Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，Ⅳ—Ⅳ族化合物半导体材料。 Ⅳ—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有格式，GeSe，GeTe， SnO ，SnS，SnSe，SnTe，Pb0，PbS，PbSe，PbTe，其中PbO，PbS，PbSe，PbTe 2 已获重要用途。
V—Ⅵ族化合物半导体材料。已发现具有半导体性质的有Bi 2O 3 ，Bi 2 S 3 ，Bi 2 Se 3 ， Bi 2Te 3 ，Sb 2 O 3 ，Sb 2 S 3 ，Sb 2 Te 3 、As 2 O 3 ，As 2 S 3 ，其中Bi 2 Te 3 ，Bi 2 Se 3 等已获实际应用。 I—Ⅵ族化合物具有半导体性质的有Cu 2 O，Cu 2 S，Ag 2 S，Ag 2 Se，Ag 2 Te等，其 中Cu 20，Cu 2 S已获应用。 三元化合物种类较多，如I—Ⅲ—Ⅵ、I—v—Ⅵ、Ⅱ—Ⅲ—Ⅵ、Ⅱ—Ⅳ—V 族等。多数具有闪锌矿、纤锌矿或黄铜矿型晶体结构，黄铜矿型结构的三元化合 物多数具有直接禁带。比较重要的三元化合物半导体有CuInSe 2，AgGaSe 2 ， CuGaSe 2，ZnSiP 2 ，CdSiP 2 ，ZnGeP 2 ，CdGaS 4 ，CdlnS 4 ，ZnlnS 4 和磁性半导体。后者 的结构为AB 2X 4 (A—Mn，Co，Fe，Ni；B—Ga，In；X—S，Se)。 四元化合物研究甚少，已知有Cu 2FeSnS 4 ，Cu 2 FeSnSe 4 ，Cu 2 FeGeS 4 等。 应用化合物及其固溶体的品种繁多，性能各异，给应用扩大了选择。在光电子方面，所有的发光二极管、激光二极管都是用化合物半导体制成的，已获工业应用的有GaAs，GaP，GaAlAs，GaAsP，InGaAsP等。用作光敏元件、光探测器、光调制器的有InAsP，CdS，CdSe，CdTe，GaAs等。一些宽禁带半导体(SiC，ZnSe等)、三元化合物具有光电子应用的潜力。GaAs是制作超高速集成电路的最主要的材料。微波器件的制作是使用GaAs，InP，GaAlAs等；红外器件则用GaAs，GaAlAs，CdTe，HgCdTe，PbSnTe等。太阳电池是使用CdS，CdTe，CulnSe2，GaAs，GaAlAs等。最早的实用“半导体”是「电晶体/ 二极体」。 一、在无线电收音机及电视机中，作为“讯号放大器用。 二、近来发展「太阳能」，也用在「光电池」中。 三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。 其中在半导体材料中硅材料应用最广,所以一般都用硅材料来集成电路,因为硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于
半导体材料的特性参数和要求有哪些? 半导体材料-特性参数 LED灯泡半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。 常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。 非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料-特性要求 LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转
第2章§2.1半导体基础知识习题 【课程考核内容】 1、半导体类型及其导电的特点， 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 1、自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：导体，绝缘体，半导体。 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等金属等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 2、半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。 2、单晶体和多晶体：日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体：不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子，同时在原来的位置中留下一个空位，称为空穴。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。本征激发后，产生一个自由电子的同时，也就产生一个空穴，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流子。所以，热激发后本征半导体将产生两种载流子，电子和空穴。 4. N型半导体(N egative)： N型半导体符号为Negative负的含义，由于电子带负电，故得此名。在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了N型半导体。N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。 5．P型半导体： P型半导体为P ositive正的含义，由于空穴带正电，故得此名。在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。 2.1.3 PN结及其单向导电性 经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。当P型半导体与N型半导体结合在一起时，在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。 2.PN结的单向导电性 (1)加正向电压PN结导通：PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时在外电场的作用之下，PN结空间电荷区变窄，耗尽层变窄，PN结正向电阻小，PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。 (2)加反向电压PN结截止 给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽，PN结反向电阻大，PN结截止。 掌握【结论】从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
我们知道，电子电路是由晶体管组成，而晶体管是由半导体制成的。所以我们在学习电子电路之前， 一定要了解半导体的一些基本知识。 这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识，它是本课程的基础，我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节，它们分别是： 1、1 半导体的基础知识 1、2 PN结 1、3 半导体三极管 1、1 半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。一:本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、2 P—N结
半导体材料能带测试及计算 对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样：
背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试： 用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。
半导体材料有哪些 半导体材料有哪些 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。 延伸 半导体材料是什么？ 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿
为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电 阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。测量方法有四探针 、三探针、扩展电阻、C-V 法及Hall 测量等。 对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。 四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。测量范围为10-3-104 防 米， 能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离 子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。 采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的 电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。这时， 需要采用三探针法、扩展电阻法等。 三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压 来获得材料电阻率的知识的。 C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的 信息，这类测量称为C-V 测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分 布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布 ，但它需将样品进行磨角。但是C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。 Hall 测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。用它来研究半导体材料导电过程或输 运现象。可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、 禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。 测量霍尔系数判断样品的导电类型，载流子浓度。范德堡法测量电阻率 原理： 一矩形半导体薄片，当沿其x 方向通有均匀 电流I （如I AB ），沿Z 方向加有均匀磁感应强 度的磁场时，则在y 方向上产生电势差（ΔV CD ）。 这种现象叫霍尔效应。所生电势差用V H 表示， 称为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场E y 。 实验表明，在弱磁场下，E y 同J （电流密度） 和B （磁场强度）成正比 E y =R H JB 式中R H 为比例系数，称为霍尔系数。 因此，将电流I 从A 点流入，B 点流出，测量C 、 D 两点电势差ΔV CD ，然后加上磁场，再测量V CD ’，得到霍尔电压V H =ΔV CD ，于是可以求出R H ：
半导体材料的发展简史 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体工业的发展具有极大的影响。如果按化学成分及内部结构，半导体材料大致可以分为以下几类：一是元素半导体材料，包括锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)、硼(B)等。20世纪50年代，锗在半导体工业中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到20世纪60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。二是化合物半导体，它是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要的有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硫化镉(CdS)等。其中砷化镓是除硅之外研究最深入、应用最广泛的半导体材料。由于砷化镓是一种直接带隙的半导体材料，并且具有禁带宽度宽、电子迁移率高的优点，因而砷化镓材料不仅可直接研制光电子器件，如发光二极管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池等，而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓(Si-GaAs)为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，具有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。氮化镓材料是近十年才成为研究热点，它是一种宽禁带半导体材料（Eg＝3.4eV），具有纤锌矿结构的氮化镓属于直接跃迁型
新型半导体材料GaN GaN的发展背景 GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 在宽禁带半导体材料中，氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展较为缓慢，但进入90年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展，GaN半导体及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。 GaN的特性 具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN 具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。在室温下，GaN 不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCL或H2气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n 型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。 很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。未掺杂载流子浓度可控制在
本科毕业论文 题目：霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 学院：物理与电子科学院 班级： 09级物理二班 姓名：闫文斐 指导教师：付仁栋职称：讲师完成日期： 2013 年 5 月 15 日
霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 摘要：简述了霍尔效应的基本原理，测量判定半导体材料的霍尔系数，确定半导体材料的导电类型、载流子浓度及迁移率。因此，霍尔效应时研究半导体性质的重要实验方法。分析了利用霍尔效应测量半导体特性参数中影响的重要副效应，给出了减小或消除这些副效应的方法，并在实验中，对实验仪器进行了一定得改进，使实验更有利于操作。 关键字：霍尔效应；半导体；副效应；载流子；改进
目录 引言 (1) 1. 霍尔效应 (2) 1.1霍尔效应的基本原理 (2) 1 .2 霍尔电势差和磁场测量 (3) 2. 实验内容 (5) 2.1 确定霍尔元件的导电类型 (5) 2.2 霍尔灵敏度、霍尔系数、载流子浓度的测量 (6) 2.3实验数据的处理 (6) 3. 误差分析 (8) 3.1主要误差及原因 (8) 3.2 消除误差的方法 (9) 4. 实验的改进 (10) 4.2 霍尔元件载流子迁移率μ和电导率σ的测量 (11) 5. 结束语 (11) 致谢 (11) 参考文献 (11)
引言 霍尔效应是电磁效应在实验中的应用的一中，这是美国的一位伟大的物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）发现的，于1879年在探索金属的导电原理时偶然发明的。将载流霍尔元件置于与其垂直的磁场B中，板内出现的磁场会与电流方向垂直，同样的，板的两边就会出现一个横向电压（如图1）。在霍尔发现的100年后，1985年德国克利青( K laus von K litzing，1943-)等研究极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍尔效应获得诺贝尔奖。1998年华裔科学家崔琦（Daniel Chee Tsui，1939-）、斯坦福大学的美国物理学家劳克林（Robert https://www.doczj.com/doc/5a8456136.html,ughlin，1950-）和哥伦比亚大学的施特默（Horst L.Stormer，1949-）在更强磁场下研究量子霍尔效应，因为发现分数量子霍尔效应而荣获诺贝尔奖。 霍尔效应原本的发现是在对金属的研究中, 但在科学发展到现在，却发现该效应在半导体中的应用更加突出, 所以在半导体的研究中一直以来提供非常重要的理论依据。本文通过霍尔效应测量，不仅判别了半导体材料的导电类型，霍尔系数、载流子浓度及迁移率和电导率等主要的半导体材料的特性参数。并在分析操作中因受各种副效应的影响，带来的测量准确度的影响，如何避免这些副效应的影响也是很必要的。因此，本文还对我们的实验元件做了很好的改进，可以通过实验测量的方法直接得到我们所需要的迁移率和电导率。
1．什么是导体、绝缘体、半导体？ 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、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、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）、砷（As）、锑（Sb）、铋（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Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。 5．什么是半绝缘半导体材料？