半导体基础知识
物质是由原子和分子组成的，而大量的原子（或分子）周期性重复排列就形成了固态晶体。半导体就是一种很典型的晶体或从晶体学就是一种点阵结构。原子处于晶格的格点上，且在格点上围绕在一个平衡位置作热振动。原子又由原子核和核外电子组成。核外电子又在不同的壳层上绕原子核转动。如果能够写出半导体中所有相互作用的原子核和电子系统的确定方程式，并求其出其解，便可一了解半导体的很多物理性质。但是这是一个很复杂的多体问题。不可能求出其格解。很多时候是用很接近的方法――――单电子近似模型，而来研究半导体中电子的能量付态。所谓单电子近似是假设每个平均势场中运动，该势场是具有与晶格周期相同的周期性势场。用单电子近似法研究晶体中电子状态的理论称为能带论。更简单地讲这种单电子近似发是研究原子核固定运动的模式下，大量的外层电子的运动行为，也可以说这是整个半导体理论研究的内容。研究对象主要是目前工艺成熟而被广泛应用的材料。必须说明的是，这里所讨论不设及原子内层电子轨道的跃迁的电子运动行为，而着重指外层电子的能量状态变化及电子行为，特别是当硅单晶（相当半导体材料）挤入少量杂质，原来表现出半导体很多持有的性质。电学的、光学的、热学的、磁学的性质，利用这些性质可以作出许许多多的半导体的零件。
1：半导体中的电子状态和能
先看一下一个孤立原子的电子状态，这样的原子最简单的是氢原子。氢原子核外只有一个电子，即由一个原子核和一个核外电子组成。原子在原子核的势场作用下运动，量子力学表明这样的电子只能处于一个特定的运动状态，每一个运功动状态可以用量子数n，角量子数l,磁量子数mo及自旋量子数ms来表示。子数n的量子状态具有能量为Eu= - (moq4/8ε 2 h2)*(1/n2) = - 13.6 (1/n2) eV
其中mo 电子质量 q 电子电量
为其它介电常数
h 普朗克常数ε
量子数可为 n＝1，2，3，4，5，6，……分别为离子一,二,三,四
电子壳层依次为 K,L,M,N
角量子数 l=0,1,2,3,……(n-1) n 表示各壳层,用s,p,d,f表示
=0, +1, + 2,…… +l, (2l+1)
磁量子数 m
l
= +1/2,-1/2.
自施量子 m
s
当不计自旋时,每一个不同的n值有由上式所规定的每个能级有n2个量子状态与之对应,是表H.。例如硅原子有14个电子，分别处于1s2,2s2,2p6,3s2,3p2电子状态。这是由包里不相容原理确定的。原理指出，原子中四个量子数n,l,ml,ms都为某一数相对的某一量子状态、最外层只能容纳一个电子。原子的电子首先填充最低能量状态，然后填充较多的能量
状态，组成壳外结构。电子分别在一系列的壳层上，自由电子脱离了壳层结构，他们能量连续变化的。
2．半导体中的电子状态和能带
晶体单电子近似认为晶体中某个带电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的，它的周期与晶格周期相同。例如，对于准晶格表示晶格中位置为x处于的势能为
V
(x) = V
(x+na)
n为整数，a为晶格常数
用薛定谔方城，根据布洛赫定理，操用一些近似方法可以写出一个晶格周期相同的周期函数Ux(x) = ux(x+na)。这反映了电子完全再局付一个原子上，而可以从晶胞中某一点自由地运动到其它晶胞中的对应点。因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子在晶体中的公有化运动。组成晶体的原子的外层电子公有化运动较强。其行为与自由电子相似称为准自由电子，而内层电子的公有化运动较弱，其行为孤立原子的电子相似。
能带论是对电子能量状态的描述。
如果把电子状态分为两种状态，一种是处于满带位置，如果电子都是处于满带位置，这时所有的能量级都被占满，这时在外电场的作用下，满带中的电子行不成电流对导电没有贡献。通常原子的内层电子都占满带的能级。因而内层电子对导电师妹有贡献的。另一种是能带对于被电子部分占满的能带在外电场作用下电子可以从外电场吸收能量跃迁到未被电子依据的能级中去。形成电流起导电的作用，通常称能带为导带，这种能带是原子中价电子所占据的能带。金属中的价电子占据的能带都是部价电子，这就是金属为什么能导电的原因。导电带和能带之间还有一个禁带，这是电子从低带跃迁到导带必须具备的能量。对半导体这个能宽度约为1eU左右，对与在通常温度下有不少电子被激发到导带里去，具有一定的导电能力，绝缘体的禁带宽度较大。一般情况低带的电子不易被激发到导带中。所以绝缘体不导电。而金属不受到外界温度的影响，总是在半满带，金属带电性能好。2．实际的半导体
理想的半导体是不纯在的，实际的半导体总是存在偏理想情况的各种复杂现象。首先原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点上，而是在其平衡位置附近振动；其次，半导体并不是存的而是含有杂质；第三，实际的半导体并不是完整无缺的，而是在各种晶格缺陷，这就是说在半导体的某些领域原子的周期性排列被破坏形成各种缺陷，这种缺陷分为三类：①点缺陷空位（空位团）间隙原子；②线缺陷为位错；③面缺陷为层错晶粒界等。在半导体掺入杂质以后，杂质在半导体中有两种可能的位置。一种是替代式，即杂质原子替代了原有半导体原子的位置，比为在硅晶体的格点上放入一个硼原子或磷原子（一般在硅中Ⅲ，Ⅴ族元素多位替代式）。一种是填隙式，小原子半径即在原子间隙出填入一个杂
质原子，也可能在晶体缺陷出填入一些杂质原子。替位式杂质原子一般与硅原子的半径大小相当。对于间隙式原子一般要比硅的半径要小一些。实际证明，极微量的杂质和缺陷能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生绝对的影响。例如在硅中按105个硅原子掺入一个硼原子计算硅晶体的电导率在室温下将增加103倍。硅单晶体中103/cm2以上的位错缺陷对硅平面器件的晶质产生严重的影响。理论分析认为，由于杂质和缺陷的存在，会使严格按晶格周期排列的原所产生周期性的势场受到破坏，在某带中引入允许电子具有的能量状态―――能级。由于杂质和缺陷能够在禁带中引入能级，才使它们对半导体性质产生决定性的影响。
1>．施主杂质与施主能级，受主杂质与受主能级
这里主要以硅为例，在硅在硅晶体掺入磷后，磷原子作为替位式杂质掺入占用一个硅原子位置。如图:磷原子有5个正电荷，外面有5个电子，它与周围的硅原子共用4个电子后还多余一个电子。半导体是不带电的。半导体受热或激发接受未来的能量以后。“多余”的电子被P+束缚的能量比较弱，很容易挣脱出来，导电电子在晶体中运动，这一个称为施主电离。此时磷原子在晶体中形成了一个带正电的（q+）中心。电子脱离磷原子的能很少。
△E
D =0.044电子伏特，比硅的禁带宽度Eg=1.12电子伏特很多。从能带图可以看到，△E
D
就是施主杂质中的电离能。施主杂质的能级禁带中里带底△E
D
处。
在上述过程中。如果掺入的元素不是磷而是硼。硼也是替位式杂质，此时硼原子必须和周围的硅晶体中许多一个空隙带正电子与前相似，空隙电子硅晶体中的能自由运动的导电空隙而硼原子成了一个接受电子带负电（q-）的负中心。这时硼被称为受主杂质式p型杂质。受主杂质在未电离时是电性的称为态式中心态。电离形成负电中心称为受主离化态。
△E
A
称为电离能。
不是施主杂质海光受主杂质它们的电离能都很小，一般晶格热振动的能量就可以使它们全部离化（电离）必须注意的是受主电离过程实际是也是电子的运动是低带中电子得到能
量△E
A
后跃迁到主能级和束缚化受主上的空隙复合。并在价带有产生一个新的可以自由运动的导电空隙。同时又形成一个不可移动的受主离子。如图：
2>．杂质的补偿
在掺杂质硅中,往往不只一种杂质。同时又在施主与受主一般情况下，硅的本征电离浓度很小，可以忽略不计。施主（磷）杂质和受主（硼）杂质在常温已基本全部电离。因此这一个施主杂质可以提供一个电子给受主杂质，而受主杂质提供一个空隙给受主。其结果是一个施主抵消调一个受主，最后施主杂质过剩，材料成n型（电子导电），受主过剩成p 型(空隙导电)如果两种杂质数量差不多，本征型。当然这样情况是补偿很大造成的。这样的材料没有大用处。可表为：
N
A > N
D
p型 N
A
- N
D
≈ N
A
N
D > N
A
n型 N
D
- N
A
≈ N
D
N
A > N
D
补偿的本征型
N
D /N
A
x100% p 型补偿度
N
D /N
A
x100% h 型补偿度
3>．浮能级杂质
硅材料中往往会有一些重金属杂质，它们的能级处于禁带的中部。（它们不是Ⅲ、Ⅴ族的杂质）为：Hg , Cu , Ag , Ge，它们能级有如下特点。
①这些列Ⅲ、Ⅴ族的杂质的金属杂质的施主能级带较远，受主杂质能级离级带也较远，通常不易电离。对硅的导电类型和载流子在度上产生变大影响。但是对载流子的复合态比电能级的（Ⅲ、Ⅴ族）强，故这些杂质又称为复合中心。全是一个很典型的复合中心。
②这些浮能级杂质能产生多次电离，在硅中引入相应的能级，有的杂质即能引入施主能级又能引入受主能级，这与杂质原子的电子层结构，原子大小以及杂质半导体晶格中的位置等因素决定。目前还没有一个定型的理论加以证明。
4>．缺陷和错位的能级
在一定的温度下晶格原子不仅仅平衡位置作振动运动，而且有一部分原子有足够的能量克服周围的原子时它的束缚跑到晶格原子件去，形成间隙原子，而原来的位置形成一个空位，这样的缺陷称为特基克缺陷。当然空位和间隙不断产生，又不断复合是一个动态的平衡过程，因而间隙要多一些，前面载流子的概念间隙可为其四周提供电子是施主型缺陷。空位成接受电子型的受主杂质。
位错在晶体中实际是一根晶格变形的管道。尺寸比空位要大的多。错位管道有时可能沉积杂质。根据沉积杂质的不同而性质各异。但从晶体结处杂质。位错的能级是浮能级受主能级，在硅晶体中具有施主与受主的作用。
3．半导体的导电性
这里主要讨论载流子在外电场作用下的漂移振动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随杂质浓度和温度的变化规律。
1>．在外电场作用下半导体中的载流子就要发生定向运动这种运动又叫做漂移运功动。因为受到半导体中各种散射机构的影响，载流子不会无限加速，这种漂移运动遵从酸化定律。半导体的导电率σ＝nqu
n 为载流子的浓度
q 为电子电量
u 为载流子的迁移率
σ＝1/ρ即半导体的电阻率与电导率互为倒数
因为半导体两端加上电场后，电子与空隙两种载流子同时参与导电，两种载流子漂移运动方向相反。但形成电流都是（沿着电场方向），电流密度应为两种电流总和，即
J = Jn + J
D = (n qμ
n
+ρqμ
p
)
在场强不太大时仍遵循欧姆定律率，电导率为σ= n qμ
n +ρqμ
p
一般情况下，对于n型半导体n>>p，有σ= n qμ
n
对于p型半导体p>>n,有σ=ρqμ
p
对于本征半导体σ
i =n
i
q(μ
n
+μ
p
)
一般情况下μ
n >μ
p
μ
n
约为μ
p
的三倍。
这里必须说明半导体的载流子在外电场作用下的漂移运动受到很大因素的影响。
①.受到电离杂质的散射。半导体中杂质电离后，在晶体中形成一库仑场（正电中心与负电中心）这个库仑场对载流子起散射作用。
②.晶格热振动的散热，晶体原子总是在格点的平衡位置作热振动，对载流子的漂移起阻碍作用。
③.载流子电离在导电过程中也是随载流子的浓度和温度变化的。
平均自由时间―――载流子作漂移运动时两次碰撞之间的时间不能加速运动，这个时间叫平均自由实际时间。
当杂质浓度较低时迁移率随温度的升高而降低，且对于补偿材料，迁移率与两种杂质的总浓度有关，这从散射机构上讲是可以理解的。
2>．电阻率及其与杂质浓度与温度的关系。
半导体的电阻率可以方便快捷地用旧证法来见证，实际工作中内场电阻率来讨论问题。在弱电场强下，半导体导电遵从欧姆定律。电导率与电阻率无为倒数。
ρ＝1/（n qμn+ρqμp）
n型半导体 n>>ρ,有ρ＝1/ n qμ
n
p型半导体ρ>> n，有ρ＝1/ρqμ
p
对于本征半导体：ρ
i ＝1/n
i
q（μ
n
+μ
p
）
在300k时，本征硅的电阻率约为23万ΩCM。即2.3x105ΩCM电子率决定载流子的浓度和迁移率，两者都与杂质的浓度和温度有关，所有半导体的电阻率也与杂质浓度和温度有关。
再问度300k时，电阻率和杂质浓度的关系曲线如图：这是曲线适用掺水补偿或低补偿的硅材料，由图可见，在轻掺杂时（杂质浓度106～1018cm3）时，如果认为室温杂质浓度以
全部电离，载流子浓度接近杂质浓度。n = N
D ，D=N
A
而迁移率随杂质变化不大，亦可以认
为是常数。电阻率与杂质浓度曲线比关系，杂质浓度越高，电阻率越小，在实际上近似一条直线，杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因有二。一是杂质,没有完全电离,载流子浓度不带表杂质浓度.二是迁移率随杂质浓度的增加显著下降。
电阻率随温度变化比较快，对掺杂的半导体里面有两种情况，激发的载流子，一种是本征激发的载流子。它在高温时才能显示它的特性。一种是杂质提供的载流子在常温下基本上被全部电离，电阻率随温度的变化曲线如下图所示。
AB 段，温度较低，本征激发可以忽略。载流子主要由杂质电离提供。它随温度升高而增加，散射主要由杂质电离提供决定，迁移率也随温度升高而增大，电阻率随温度升高而增大。
BC 段，温度继续升高时，杂质已全部电离，本征激发也不十分明显，载流子不遂翁大变化，晶格热振动上升为主要杂质，迁移率随温度升高而降低，所以电阻率随温度升高而增大。
C 段，随着温度继续的升高，本征激发增加，大量本征载流子产生远远超过迁移率域，对载流子的影响，这时本征激发为矛盾的主要方面。杂质半导体的电阻率随温度的升高而急剧下降，表现出同本征半导体的相似特性，这点为半导体工作的最高温度。
4 ．非平衡载流子
处于热平衡的半导体在一定的温度下，载流子的浓度是一定的，对于掺杂质导体，本征激发的载流子的载流子可以忽略。在器件使用温度，认为半导体中的两种类型杂质（一般的半导体中总是存在两种类型杂质）。P 型杂质和N 型杂质基本上全部电离成电子和空隙两种载流子。如果n 0>p 0称为n 型半导体，则n 0为多数载流子。p 0为少数载流子。如果p 0> n 0称p 型半导体，则p 0为多数载流子。n 0为少数载流子。平衡是相对的如果平衡态的半导体受到外界作用破坏了平衡态。半导体状态发生了偏离。处于非平衡态的载流子浓度从n 0 n 0＋△n 0 ，p 0 p 0＋△p 0时，△n 0,△p 0为非载流子。如果是n 型半导体，△n 0为非平衡多
数载流子。△p 0为非平衡少数载流子。若为p 型半导体。△p 0为非平衡多数载流子，△n 0为非平衡少数载流子。用光照和其它方法使半导体的内部产生不平衡载流子叫做非平衡载流子的注入。光注入时
△ p 0＝△n 0
一般情况下，△p 0与△n 0较多故载流子较弱。
对于n 型半导体 △n 0《n 0, △p 0《n 0
对于p 型半导体 △p 0《p 0, △n 0《p 0
满足这一条的叫做子注入。这种注入可以是光、电或别的其它什么形式。注入时，非平衡载流子比多数载流子要下很多，而比少数载流子又大很多。它的影响就是显得十分重要。
通常所说的非平衡载流子就是指的非平衡少数载流子，就是这个非平衡载流子给半导体带来很多特殊的性质。
如图所示线路光照时由掺非平衡载流子产生必然引起附加电导率。
△ λ＝△n q μn +△ρq μp ＝△ρq （μn +μp ）
R 的电阻比r （拜天地电阻大的很多）大很多，无论使光照。通常半导体的电流I 是恒定的，半导体上的电压U=Ir 电导率λ0光照时产生附加导电率，△λ小注入时，λ0＋△λ≈λ0。电阻率改为：
△ρ＝（1/λ）－（1/λ0）≈（－△λ）/λ
20， 电阻该为△r=(△ρl)/s=［-l/(s λ2
0)］*△λ。
所以△ζ∝△λ。 △U=I △r ―――△U ∝△λ,△U ∝△P 。
所以示波器观察到的电压下降的变化就反映了非平衡少数载流子的变化。
上述实际表明，△p 是描述随时间作指数衰减的，就是说光照停止后即不是立刻消失，而是要持续一段时间。它们不导带和形带内有一个或几个生成时间。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η表示。由于对非平衡多数载流子，少数非平衡载流子的作用处于主导地位。因而少数非平衡载流子的寿命又称少子寿命。显然1/η就表示单位时间内非平衡载流子复合的几率，△p/η就是代表电子与空隙在单位时间体积内的复合率。
d ［△p (t)］/ d t =－△p （t ）/η。
由于η是恒定的， △p （t ）＝－Ce （-t/η）
应用初始条件， t ＝0时，△p （0）＝（△p ）0
及 △p （t ）＝（△p ）0e （-t/η）
所以非平衡载流子的平均生成时间。
t 平均 =∫∞
0d ［△p (t)］/∫∞0d ［p (t)］∫∞0＋e （-t/η）d t /∫∞0e （-t/η）d t ＝η。
通常寿命η是用实际方法测试的。前面所说的方法加直流电导法，是测量少子寿命的基本方法，也是一种标准方法。由于注入不同，实测方法不同就形成少子寿命测量的不同方法，高频电导论是目前使用最广泛的一种方法。光谱法是由半导体的电磁效应原理，测量半导体段寿命的方法，还有扩散长度法，双脉冲法及漂移法等。
s , p-n 结
p-n 结理论是半导体器件的基本理论，因为我们不作器件，主要是作半导体材料，这里我们只对p-n 结论作一些基本了解，将来对一些硅器件的功能可更容易一些。
p-n 结就选ρ将均匀的n 型半导体和p 型半导体结合在一起，具体说把一块n 型硅和一块p 型硅结合在一起。在两者的交界面就形成了p-n 型结，制作p-n 结的方法很多，合金
法（合金二极管）扩散法（平面器件）离子注入法等。
现在来考虑如图所示的两块型号不同的半导体结合在一起实在结合处的载流子的行为。
当两块型号不同的半导体结合时，N型号的点子多，空隙少，而P型的空隙多电子少，但是他们内部的电荷都是平衡的，或者说是中性的。当他们结合成P—N结时，由于它们之间存在浓度提督，导致了空隙从P区扩散到N区，电子从N区扩散到P区。对于P型空隙离开后，留下了不可懂得带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持中性，因而在P—N结附近成了一个带负电的电荷区。同理在P—N结附近N区了一个由电离施主构成的正电荷区。通常把P—N结附近的这些电离施主和电离受主带的电荷称之为空间电荷，谈们所存在的区域称之为空间电荷区，空间电荷区中的这些电荷产生了从N区直向P区的，即从正电荷指向负电荷的电场称之为内建电场，在内建电场作用下载流子做漂移运动，这与它们各自的扩散运动的方向相反，因此内建电场又起着阻碍电子和空隙扩散的作用，随着扩散运动的继续进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷驱逐舰扩张，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强，在其他外力作用下，载流子的扩散与漂移过程逐渐达到平衡。从N区到达P区有多少电子在自建场的作用下，同时必有多少电子从P区回到N区，因而电子的扩散流和漂移流，大小相等，方向相反，而互相抵消因此没有电流过P—N结，或者说通过P—N结的净电流为零，这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不会继续扩展，保持一定的度，保持一定的内建场，这样的P—N结称之为平衡P—N结。
研究与实际测试证明，P—N结像一个载流子的势叠区域，定向电荷区也教势叠区。当然这个势叠区两边存在电势差，就是自建电场的电势，它的大小与P—N结两边的掺杂浓度有关，温度和材料的势带宽度有关。
在P—N结两端加上外电场，如果外电场的方向有削弱自建场的作用，P—N结就有电流通过，这就是P—N结的单项导电性或者叫做整流特性。
5.半导体的光学性质和光学效应
半导体总是由原子组成的，原子处于晶格的格点上，原子是由原子、核外电子、壳层拼成。特别不饱和的外层电子的电子状态对半导体的性质极大的影响，当半导体被光照时，吸收光子的能量发生能级跃迁。电子状态发生变化，半导体性质也发生很大变化。根据半导体的不同性质可作出很多不同的器件和很多用途。
1〉光照时，半导体的电子吸收光子的能量由断带直接跃迁到导带，而在断代中留下一个空隙，形成一个电子—空隙对，这种由于电子由带与带之间的跃迁形成的吸收过程称之为本征吸收。要发生本征吸收光子的触发必须大于禁带宽度。一般情况下半导体里的杂质也可以吸收光子，光照到半导体时里面的杂质中的电子也吸光子能的能量跃到导带。空隙可以细能量跃迁到断带，这种吸收称为杂质吸收。氧和碳是作为一种杂质存在与半导体中，
在光照下他们同样吸收光子，当然它们是吸收特定波长的光子。如果在两个完全相同的光路上放置两个不同的硅片，（但几何尺寸一样）因为对于红外光来说一定的波长对硅是“透明”的势可以穿过的，在两个光路上穿透硅片的、特定波长的红外光硅片对它们表现出不同的吸收稀疏。通过比较和计算可以算出待测样片中氧（或碳）的含量。（一为待样品，一为无氧的标准样品）
2〉半导体的光电导
半导体受光激发后，电导率显著增加，这时：
Δδ=g(Δnμn+Δpμp)
Δδ/δ0=(Δnμn+Δpμp)/(n0μn+β0μp)
=(1+Ь)Δn/Ьn
0+p
此式说明光电导高的光敏电阻因该n
0、p
在较小，用光电导的性质可以制成光敏电阻。
一般制作光敏电阻的材料电阻率比较高。（较小的n
0与p
）
在非平衡少数载流子中讲过利用光激发后非平衡少数载流子的衰减特性，可以用仪器测得少子寿命。当然这都是指标注入的情况。
3〉半导体的光生伏特效应—太阳能电池
当光垂直照射到P—N结时，较浅光子降入到P—N结甚至深入到P—N结内部。能量大余禁带宽度的光，由于本征吸收在结的两端产生电子—空隙对。在光激发下多数载流子浓度改变很小，Δn或Δp与少数载流子相比是很所以少数载流子浓度改变很大应再P 值内。电子浓度增加在n内空隙浓度增加由于在P—N结区内存在较强的内建电场，其方向时n区直向P区，结两边的光生少数载流子受该场的作用，各向相反的方向运动，P区的电子穿过P—N结进入n区，n区的空隙穿过P—N结进入P区，使P端电势升高，n端电势降低，结的两端形成了光生电动势，这就是P—N结的光生电动势，或者叫做光生伏特效应。由于光照产生的载流子向各自相反的方向运动而在P—N结内部形成了n区指向P区的光生电流。由于光照在P—N结两端产生电动势相当于在P—N结两端加上正向电压。如果将P —N结两端短路，回路就有电流产生，只要光照不停止就会有源源不断的电流通过回路，P —N结就相当于一个电源—基太阳能电池，这就是太阳能电池把光能转变成电能的简单原理。当然光越强，产生的光生载流子就越多。硅片的转换效率越高，太阳能发电效果就越显著。
4〉半导体发光
半导体在光照条件下可以把光能转变成电能，相应的半导体也可以将电能转换成光能。用电能把电子激达到激发态，处于激发态的电子在跃迁到底能状态，放出光子，这就是半导体发光。
产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡态，即在半导体内部需要某种激发过程存在，通过非平衡态载流子复合，才能触发其发光。激发方式很多，由电阻发光，光敏发光和阴极发光等。
P—N结的电阻发光基本上可以这样理解，当P—N结通过正向电压时，势叠便降低，势叠区内建电场便减弱，这样继续发生载流子的扩散，即电子由n区进入P区，空隙由P 区进入n区，进入P区的电子和进入n区的空隙确是非平衡少数在六字。在实际的P—N 结中长度远远大于势叠宽度，电子和空隙通过势叠区时，复合而消失的机率很小，继续向扩散区扩散，因而在正向偏压下P—N结势叠区和扩散区注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子与多数载流子不断复合而发光，这就是P—N结诸如发光的基本原理。常用GaAs 发光二极管就是利用GaAsP—N结制成的。通过注入，还可以利用
6.半导体的热电效应
把金属的一端接入高温区，一端放入低温区就会产生温差电动势，回路接通后就会有温差电流产生。半导体在相同情况下可以获得比金属打得多的温差电动势，在热能与电能的转换效率，因而在温差发电，温差制冷上获得了广泛的应用。
1〉霍尔效应
将两块不同的导体两端接触组成一个闭合回路，如果两个接触点的温度不一样，在回路中就会产生温差电流，在两接触点就会产生温差电动势。对与半导体来说这个效应更为明显，利用这个原理我们可以利用温差电动势所产生的温差电流的方向来判别半导体的导电类型，硅单晶导电类型测试仪就是利用这个原理制成的。
2〉半导体的效应
两种不同半导体或者半导体与金属接触使出产生，换药吸热和放热，这就是效应。这个效应是可逆的，如果与金属相比，两块半岛接触时产生的效应要打得多。所以利用现象，可以制成半导体致冷器—半导体致冷。
3〉当流过有温度梯度的半导体时，半导体中会产生吸收或放出热量。当电流正向流动时，空隙反之，系数为零。半导体致冷器经常是联用波尔帖效应和汤姆逊效应。
7.半导体的磁电和压电效应
1〉霍尔效应
通有电流的半导体放在均匀的磁场中，当磁场与电厂方向垂直时，半导体中的载流子将在垂直于这两个方向（电厂与此场）的方向偏转。偏转的方向是遵循右手定则，载流子所受的力就是罗伦磁力。利用这个原理可以测定硅材料的补偿度，就是测硅晶体的n型杂质和P型杂质的绝对数量。
2〉与霍尔效应雷斯在垂直于电流方向上，加以均匀磁场时，在外家电场方向上，电流强度降低，表现出半导体电阻增大的现象。
3〉电磁电效应
当少子寿命很低时，不能用互接方法测量
8.压阻效应
对半导体施加应力时晶格产生形变发生变化，因而材料的电阻率也要发生变化，这种应力的变化引起的电阻率的变化现象称作压阻效应。利用这种性质，可用半导体材料作压力传感器。如应变计、亚敏二极管、亚敏晶体管等。
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。 电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞
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,
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
第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；
一、半导体基本知识 太阳电池是用半导体材料硅做成的。容易导电的是导体，不易导电的是绝缘体，即不像导体那样容易导电又不像绝缘体那样不容易导电的物体叫半导体，譬如：锗、硅、砷化缘等。 世界上的物体都是由原子构成的，从原子排列的形式来看，可以把物体分成2大类，晶体和非晶体。晶体通常都有特殊的外形，它内部的原子按照一定的规律整齐地排列着；非晶体内部原子排列乱七八糟，没有规则；大多数半导体都是晶体。半导体材料硅是原子共价晶体，在晶体中，相邻原子之间是以共用电子结合起来的。硅是第四族元素，硅原子的电子层结构为2、8、4，它的最外层的四个电子是价电子。因此每个硅原子又分别与相邻的四个原子形成四个共价键，每个共价键都是相邻的两个原子分别提供一个价电子所组成的。 如果硅晶体纯度很高，不含别的杂质元素，而且晶体结构很完美，没有缺陷，这种半导体叫本征半导体，而且是单晶体。而多晶体是由许多小晶粒聚合起来组成的，每一晶体又由许多原子构成。原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列，各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。但在一块晶体中，各个晶粒的取向（方向）彼此不同，晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列，所以总的来看，原子的排列是杂乱无章的，这样的晶体，我们叫它多晶体。 半导体有很特别的性质：导电能力在不同的情况下会有非常大的差别。光照、温度变化、适当掺杂都会使半导体的导电能力显著增强，尤其利用掺杂的方法可以制造出五花八门的半导体器件。但掺杂是有选择的，只有加入一定种类和数量的杂质才能符合我们的要求。 我们重点看一下硼和磷这两种杂质元素。硼是第三族主族元素，硼原子的电子层结构为2、3，由于硼原子的最外电子层只有三个电子，比硅原子缺少一个最外层电子，因此当硼原子的三个最外层价电子与周围最邻近的三个硅原子的价电子结合成共价键时，在与第四个最邻近的硅原子方向留下一个空位。这个空位叫空穴，它可以接受从邻近硅原子上跳来的电子，形成电子的流动，参与导电。硼原子在硅晶体中起着接受电子的作用，所以叫硼原子为受主型杂质。掺有受主型杂质的半导体，其导电率主要是由空穴决定的，这种半导体又叫空穴型或P型半导体。 磷是周期表中第五族元素，磷原子的电子层结构为2、8、5，它的最外层的五个电子是价电子。由于磷原子比硅原子多一个最外层电子，因此当磷原子的四个价电子与周围最邻近的四个硅原子的价电子形成共价键后，还剩余一个价电子。这个价电子很容易成为晶体中的自由电子参与导电。磷原子在硅晶体中起施放电子的作用，所以叫磷原子为施主型杂质。掺有施主型杂质的半导体，其导电率主要是由电子决定的，这种半导体又叫电子型半导体或n型半导体。 二、扩散基本知识 我们知道，太阳能电池的心脏是一个PN结。我们需要强调指出，PN结是不能简单地用两
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，
半导体基础知识（详细篇） 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 Ω·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显着变化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显着增加。二极管、三极管属于此类。 本征半导体 1.本征半导体——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%，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。 ? 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，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示： 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 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。
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k 关系决定。 1.4本征半导体 既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
第一章半导体基础知识 〖本章主要内容〗 本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。 首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗 本章分为4讲，每讲2学时。 第一讲常用半导体器件 一、主要内容 1、半导体及其导电性能 根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。 2、本征半导体的结构及其导电性能 本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。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”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。 3、半导体的本征激发与复合现象 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）。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。 在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。 4、半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。
GAS 系 统 基 础 知 识
概述 HOOK-UP专业认知 一、厂务系统HOOK UP定义 HOOK UP 乃是藉由连接以传输UTILITIES使机台达到预期的功能。HOOK UP是将厂务提供的UTILITIES ( 如水,电,气,化学品等),经由预留之UTILITIES连接点( PORT OR STICK),藉由管路及电缆线连接至机台及其附属设备( SUBUNITS)。 机台使用这些UTILITIES,达成其所被付予的制程需求并将机台使用后,所产生之可回收水或废弃物( 如废水,废气等),经由管路连接至系统预留接点,再传送到厂务回收系统或废水废气处理系统。HOOK UP 项目主要包括∶CAD，MOVE IN ，CORE DRILL，SEISMIC ，VACUU，GAS，CHEMICAL， D.I ,PCW,CW,EXHAUST,ELECTRIC, DRAIN. 二、GAS HOOK-UP专业知识的基本认识 在半导体厂，所谓气体管路的Hook-up（配管衔接）以Buck Gas （一般性气体如CDA、GN2、PN2、PO2、PHE、PAR、H2等）而言，自供气源之气体存贮槽出口点经主管线（Main Piping）至次主管线（Sub-Main Piping）之Take Off点称为一次配（SP1
Hook-up），自Take Off出口点至机台（Tool）或设备（Equipment）的入口点，谓之二次配（SP2 Hook-up）。以Specialty Gas（特殊性气体如：腐蚀性、毒性、易燃性、加热气体等之气体）而言其供气源为气柜（Gas Cabinet）。自G/C出口点至VMB（Valve Mainfold Box.多功能阀箱）或VMP（Valve Mainfold Panel多功能阀盘）之一次测（Primary）入口点，称为一次配（SP1 Hook-up），由VMB或VMP Stick之二次侧（Secondary）出口点至机台入口点谓之二次配（SP2 Hook-up）。
半导体基础知识和半导 体器件工艺 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的
热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。
外延基础知识 一、基本概念 能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带） 直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。 间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体：Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷 杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质 缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子 线缺陷：如位错 面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE：氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE：分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD设备 1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85年）。 国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。 技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计：Vecco:高速旋转 Aixtron:气浮式旋转
半导体的基础知识 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是由半导体材料制造而成的。为了能够更好的了解半导体器件的性能，有必要先了解一些半导体材料的基本性质。 1.物质的分类 自然界有很多不同种类的物质。这些物质按照导电性强弱来分类，大致可以分为三类：导体、半导体和绝缘体。导体是很容易导电的物质，例如铜和铝等等；绝缘体是几乎不能导电的物质，比如塑料、橡胶、玻璃等；而半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间的这样一类物质。常用的半导体材料有硅、锗等。其中，硅是目前最常用的一种半导体材料。 2.半导体导电的特性 半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同以外，它还具有不同于其他物质的特点。例如：当半导体受到外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变化；在纯净的半导体中加入某种特定的微量杂质，其导电能力也会有显著的增加。 这些特点说明，半导体导电的机制一定和导体、绝缘体不同。为了更好的理解这些特点，就必须了解半导体的结构。 3.半导体的内部结构 在电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅和锗，它们都是四价元素；半导体内部的原子具有严格的晶体结构，原子之间形成有序的排列，每个硅原子周围和四个相邻的硅原子以共价键相连接，形成共价键的这一对电子就称为“价电子”。通常情况下，共价键对价电子的束缚能力很强，绝大多数价电子被束缚在共价键中而不能自由移动，所以半导体的导电性能较差。在绝对零度下，纯净的半导体内部所有的价电子都被共价键所束缚，在半导体内部没有可以自由导电的带电粒子，所以此时半导体是没有导电能力的；在本征激发时，半导体才会具有导电能力。 下面，我们来学习什么是本征激发。 4.本征激发 首先来学习几个概念。 （1）本征半导体：我们把结构完整、完全纯净的半导体晶体称为本征半导体。 （2）激发：半导体晶体内部共价键中的价电子由于获得足够的能量而挣脱掉共价键的束缚成为自由电子的过程称为“激发”。 （3）载流子：可以自由移动的带电粒子称为“载流子”。 本征激发的物理过程： 在绝对零度和没有外界激发的条件下，由于每个原子的外围电子都被共价键所束缚，所以对电流的形成没有作用。但是，半导体内共价键的价电子绝缘体中束缚的那么紧，在室温下，一些价电子就会获得足够的热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象就称为“本征激发”。 当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子以后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做“空穴”。空穴的出现时半导体区别于导体的一个重要特点。由于共价键中出现了空穴，在外电场或其他能量作用下，临近的价电子就可以填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，其他电子又可以转移到这个空位上，这样就相当于出现的电荷的迁移。因此在分析半导体导电过程的时候，用空穴的运动来代替共价键中电子的运动更为方便，在这里可以把空穴看成是一个带正电的粒子，可以和自由电子一样参与导电。因此空穴也是半导体中的一种载流子。 总结一下本征激发的过程：T↑→价电子获得足够能量→挣脱共价键束缚→自由电子↑→空穴↑结论：在本征半导体内，本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，是电子-空穴对，且载流子的数量与温度等外界条件有关。 5.杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为两种：N型杂质半导体和P型杂质半导体。
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？
1.1半导体基础知识 一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 1. 在P 型半导体中如果掺入足够量的五价元素，可将其改型为N 型半导体。 （ ） 2. 因为N 型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ） 3. PN 结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ） 4. P 型半导体中只有一种载流子----空穴。（ ） 5. N 型半导体中只有一种载流子----电子。（ ） 6. 本征半导体中两种载流子的浓度相等。（ ） 7. PN 结具有单向导电性。（ ） 8. 本征半导体中载流子的浓度随温度的升高而减少。（ ）错 二、选择正确答案填入空内。 1. PN 结加正向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 D.不能确定 2. PN 结加反向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 D.不能确定 3. 设PN 结的端电压为U ，则PN 的电流方程是 。 A. I S e U B. T U U I e S C. T U U I e S -1 D. )1e (S －T U U I 4. 在本征半导体中加入 元素可形成N 型半导体。 A. 四价 B. 五价 C. 三价 D. 二价 5. 在本征半导体中加入 元素可形成P 型半导体。 A. 五价 B. 四价 C. 三价 D. 二价 6. 当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小 D.不一定 7. 当温度降低时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不变 C. 减小 D.不一定 8. 杂质半导体中 的浓度受温度的影响较大。 A.多子 B. 少子 C. 电子 D.空穴 9. N 型半导体中电子的浓度 空穴的浓度。 A.大于 B. 等于 C. 小于 D.大于或等于 10. 本征半导体中电子的浓度 空穴的浓度。 A.大于 B. 大于或等于 C. 小于 D.等于 三、填空题 1. 纯净的具有晶体结构的半导体称为 半导体。 2. 不同于导体导电，半导体内部有 和 共同参与导电。 3. P 型半导体中的多子为 。 4. PN 结的形成过程中，由于浓度差而引起的载流子的运动称为 运动；在 内电场力的作用下，少子进行 运动。上述两种运动达到 平衡时，PN 结形成。 5. PN 结外加 电压时处于导通状态，PN 结外加 电压时处于截止状态， 此即PN 结的 性。
第一章半导体的基础知识 一、填空题 1、物质按导电能力的强弱可分为、和三大类。 2、电子技术的核心是半导体，它的三个特性是：、、 3、半导体中存在着两种载流子，其中带正电的载流子叫做，带负电的 载流子叫做；N型半导体中多数载流子是，P型半导体中的多数载流子是。 4、PN结具有性能，即：加电压时PN结导通，加电压时PN结 截止。 5、二极管的主要特性是具有。二极管外加正向电压超过死区电压以后，正向电 流会，这时二极管处于状态。 6、晶体二极管的伏安特性可简单理解为正向，反向的特性。导通后， 硅管的管压降约为，锗管约为。 7、整流电路将交流电变为直流电，滤波电路将直流电变为 的直流电。 8、整流电路按整流相数，可分为与两种；按被整流后输出电压（或电 流）的波形分，又可分为与两种。 9、把脉动直流电变成比较平滑直流电的过程称为。 10、电容滤波电路中的电容具有对交流电的阻抗，对直流电的阻抗的特性， 整流后的脉动直流电中的交流分量由电容，只剩下直流分量加到负载的两端。 二、选择题 1、稳压管（） A、是二极管 B、不是二极管 C、是特殊二极管 2、稳压管电路如图1—1所示，稳压管的稳压值为（） A、6.3V B、0.7V C、7V D、14V 3、稳压管稳压电路如图1—2所示，其中U Z1=7V、U Z2=3V，该电路输出电压为（） A、0.7V B、1.4V C、3V D、7V 4、NPN型和PNP型晶体管的区别是（） A、由两种不同材料硅和锗制成的 B、掺入杂质元素不同 C、P区和N区的位置不同 5、三极管的I CEO大，说明其（） A、工作电流大 B、击穿电压高 C、寿命长 D、热稳定性差 6、用直流电压表测得放大电路中某晶体管电极1、2、3的电位各为V1=2V，V2=6V， V3=2.7V,m则（） A、1为e 2为b 3为c B、1为e 2为c 3为b C、1为b 2为e 3为c D、1为b 2为c 3为e
1半导体中的电子状态 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动有效质量 1半导体中E与K的关系 2半导体中电子的平均速度 3半导体中电子的加速度 1.4半导体的导电机构空穴 1硅和锗的导带结构 对于硅，由公式讨论后可得： I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰 II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰 III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰 IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰 2硅和锗的价带结构 重空穴比轻空穴有较强的各向异性。 2半导体中杂质和缺陷能级 缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等 1.替位式杂质间隙式杂质
2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。 3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。 4.杂质的补偿作用 5.深能级杂质： ⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。 ⑵这些深能级杂质能产生多次电离。 6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。 肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。 空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。 3半导体中载流子的分布统计 电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。 一、状态密度 状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。 首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。 导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。 二、费米能级和载流子的统计分布
一、半导体物理知识大纲 核心知识单元A：半导体电子状态与能级（课程基础——掌握物理概念与物理 过程、是后面知识的基础） →半导体中的电子状态（第1章） →半导体中的杂质和缺陷能级（第2章） 核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的 计算方法） →半导体中载流子的统计分布（第3章） →半导体的导电性（第4章） →非平衡载流子（第5章） 核心知识单元C：半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理 效应、分析其产生的物理机理、掌握具 体的应用） →半导体光学性质（第10章） →半导体热电性质（第11章） →半导体磁和压阻效应（第12章）
二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态 本章各节内容提要： 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握） 在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握） 在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握） 在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可） 在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征） 在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征） 本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型 结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在 该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体 能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带， 上能带称为导带，下能带称为价带 ②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体 呈现弱导电性。 ③导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band）.禁带宽度取决于晶体 种类、晶体结构及温度。 ④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。 4、晶体中电子运动状态的数学描述：自由电子的运动状态：对于波矢为k的运动状态，自 由电子的能量E，动量p，速度v均有确定的数值。因此，波矢k可用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标志自由电子的不同状态，自由电子的E和k的关系曲线呈抛物线形状，是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。晶体中的电子运动：服从布洛赫定理：晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。这个波函数称为布洛赫波函数。求解薛定谔方程，得到电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的K值范围称为布里渊区。