半导体α谱仪
实验目的
1．了解α谱仪的工作原理及其特性。
2．掌握应用谱仪测量α粒子能谱的方法。
3．测定241Am核素的α衰变的相对强度。
内容
1．调整谱仪参量，测量不同偏压下的α粒子能量，并确定探测器的工作偏压。
2．测定谱仪的能量分辨率，并进行能量刻度。
3．测量未知α源的能谱，并确定α粒子能量。
原理
半导体α谱仪的组成如图1所示。
金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄层金（100-2000
A），接近金膜的那一
层硅具有P型硅的特性，这种方式形成的PN结靠近表面层，结区即为探测粒子的灵敏区。探测器工作加反向偏压。α粒子在灵敏区内损失能量转变为与其能量成正比的电脉冲信号，经放大并由多道分析器测出幅度的分布，从而给出带电粒子的能谱。偏置放大器的作用是当多道分析器的道数不够用时，利用它切割、展宽脉冲幅度，以利于脉冲幅度的精确分析。为了提高谱仪的能量分辨率，探测器要放在真空室中。另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用过程中，应有光屏蔽措施。
金硅面垒型半导体α谱仪具有能量分辨率高、能量线性范围宽、脉冲上升时间快、体积小和价格便宜等优点，在α粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。
带电粒子进入灵敏区，损失能量产生电子空穴对。形成一对电子空穴所需的能量w，与半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量无关。对于硅，在300K时，w为3.62eV，77K时为3.76eV。对于锗，在77K时w为2.96eV。若灵敏区的厚度大于入射
粒子在硅中的射程，则带电粒子的能量E 全部损失在其中，产生的总电荷量Q 等于e w E )/(。w E /为产生的电子空穴对数，e 为电子电量。由于外加偏压，灵敏区的电场强度很大，产生的电子空穴对全部被收集，最后在两极形成电荷脉冲。通常在半导体探测器设备中使用电荷灵敏前置放大器。它的输出信号与输入到放大器的电荷量成正比。
探测器的结电容d C 是探测器偏压的函数，如果核辐射在探测器中产生电荷量为Q ，那么探测器输出脉冲幅度是d C Q /。因此，由于探测器偏压的微小变化所造成的d C 变化将影响输出脉冲的幅度。事实上，电源电压的变化就可以产生偏压近种微小变化。此外，根据被测粒子的射程调节探测器的灵敏区厚度时，也往往需要改变探测器的偏压。要减少这些变化对输出脉冲幅度的影响，前级放大器对半导体探测器系统的性能越着重要的作用。图2表示典型探测器的等效电路和前置放大器的第一级。其中一K 是放大器的开环增益，f C 是反馈电容，1C 是放大器的总输入电容，它等于'',C C C d +是放大器插件电缆等寄生电容。前置放大器的输入信号是d C Q /，它的等到效输入电容近似等于f KC ，只要1C KC f >>，那么前置放大器的输出电压为 f f C Q C K C KQ V -=++-=)1(10 （ 1 ）
这样一来，由于选用了电荷灵敏放大器作为前级放大器，它的输出信号与输入电荷Q 成正比，而与探测器的结电容d C 无关。
1. 确定半导体探测器偏压
对N 型硅，探测器灵敏区的厚度n d 和结
电容d C 与探测器偏压V 的关系如下：
)()(5.02
`1m V d n n μρ≈
（ 2 ） )/()(101.222
14cm F V C n d μμρ-?= （
3 ）
其中n ρ为材料电阻率（)cm ?Ω。因灵敏区的厚度和结电容的大小决定于外加偏压，所以偏压的选择首先要使入射粒子的能量全部损耗在灵敏区中和由它所产生的电荷完全被收集，电子空穴复合和陷落的影响可以忽略。其次还需考虑到探测器的结电容对前置放大器来说还起着噪声的作用。电荷灵敏放大器的噪声水平随外接电容的增加而增加，探测器的结电容就相当它的外接电容。因此提高偏压降低结电容可以相当它的外接电容。因此提高偏压降低电容可以相当地减少噪声，增加值号幅度，提高信噪比，从而改善探测器的能量分辨率。从上述两点来看，要求偏压加得高一点，但是偏压过高，探测器的漏电流也增大而使分辨率变坏。因此为了得到最佳能量分辨率，探测器的偏压应选择最佳范围。实验上最佳能量分辨率可通过测量不同偏压下的α谱线求得。如图3所示。并由此实验数据，分别作出一组峰位和能量分辨率对应不同偏压的曲线如图4、图5。分析以上结果，确定出探测器最佳偏压值。
2. α谱仪的能量刻度和能量分辨率
谱仪的能量刻度就是确定α粒子能量与脉冲幅度大小以谱线峰位在多道分析器中的道址表示。α谱仪系统的能量刻度有两
种方法：
（1） 用一个239Pu 、241Am 、244Cm 混合的α刻
度源，已知各核素α粒子的能量，测出该能量
在多道分析器上所对应的道址，作能量对应道址
的刻度曲线，并表示为：
E Gd E +=
（ 4 ） E 为α粒子能量（keV ）。d 为对应E 谱峰
所在道址（道）。G 是直线斜率（keV/每道），称
为刻度常数。0E 是直线截距（keV ）。它表示
由于α粒子穿过探测器金层表面所损失的能
量。
（2） 一个已知能量的单能α源，配合线性良好的精密脉冲发生器来作能量刻度。这是在α源种类较少的实验条件下常用的方法。
一般谱仪的能量刻度线性可达0.1%左右。
在与能量刻度相同的测量条件下（如偏压、放大倍数、几何条件等），测量求知能量α谱。根据能量刻度曲线就可以确定α粒子的能量。常用α谱仪的刻度源能量可查核素常用表。
α谱仪的能量分辨率也用谱线的半宽度FWHM 表示。FWHM 是谱线峰最大计数一半处的宽度，以keV 表示。在实用
中，谱仪的能量分辨率还用能量
展宽的相对百分比表示。例如本
实验采用金硅面垒探测器，灵敏
面积为502m m ，测得241Am 源
的5.48MeV 的α粒子谱线宽度
为17keV(0.3%)。
半导体探测器的突出优点
是它的能量分辨率高，影响能量
分辨率的主要因素有①产生电
子空穴对数和能量损失的统计
涨落)(n E ?；②探测器噪声
)(D E ?；③电子学噪声，主要是前置放大器的噪声)(c E ?；④探测器的窗厚和放射源的厚度引起能量不均匀性所造成的能量展宽)(s E ?。实验测出谱线的展宽E ?是由以上因素所造成影响的总和，表示为
()2/1222S
e D n E E E E E ?+?+?+?=? （ 5 ） 3. 用偏置放大器来扩宽能谱,测量241Am 的α衰变相对强度
在实际应用中,常常需要降低系统的G 值。由于半导体探测器的能量分辨率比较高，一般可达千分之几。当多道分析器的道数不够时，道宽对α能谱测量的影响就很大。例如，若实验使用的多道分析器为256道，对于6MeV 的峰位于满道址刻度情况下，得到最小G 值为25keV/每道。如果我们要观察能量相差只有50keV 的两个α峰（例如241Am ），而这两个峰位的间隔只有2道，因而在谱形上不能将两个峰分开，这就需要降低系统的刻度常数G 值。在图1的实验装置中增加一个偏置放大器，它的作用是将输入脉冲切割一定阈值后，将超过阈部分再放大，然后送入到低道数的多道分析器中去分析，使得我们感兴趣的那一部分能谱得到展宽，这样就把原来不能分开的几个谱峰分开了。
241Am 的衰变图如图6，其衰变时放出的α粒子有五种能量。
由实验测出241Am 的α谱如图7。直接由多道脉冲分析器求出第i 个能量峰的总计数i S 。由总的衰变率∑=i i S
S γ，求出241Am 各个能量α粒子的相对强度
51,/-==i S S i i γα。
装置
简易α谱仪全套，FH1903，1台；
精密脉冲放大器，FH1013，1个；
1024道脉冲幅度分析器，FH451，1台；
示波器、机械泵，各一台；
金硅面垒探测器，GM-8-Ⅲ-A ，1块；
放射源：239Pu 、241Am 、244Cm 混合刻度源，一个；
210Po 、239Pu 、241Am 电沉积α源各一各。
步骤
1． 连接仪器如图1，将α源（210
Po ）放入真空室、抽真空，调整谱仪工作参数，
用示波器测量脉冲幅度随偏压变化的范围。并测量抽真空与不抽真空条件下输出波形的变化。
2． 选择多道分析器的参量，测量α谱，改变偏压为5、10、30、60、100、120
伏分别测量不同偏压下的α谱线，确定最佳偏压值。
3． 测量239Pu 、241Am 、244Cm 混合α刻度源的能谱。作出能量刻度曲线，用最小二
乘法直线拟合，求出G 和E o 。并利用241Am 谱峰的半宽度，确定谱仪的能量分
辨率（keV ）。在同样测量条件下测出未知α源的能谱。
4． 用一个已知能量为5.48MeV 的241Am α源和精密脉冲发生器来作谱仪能量刻
度。
所有实验曲线半宽度以上各点的相对误差要求小于5%。 思考题
1． 解释脉冲幅度和分辨率随偏压变化曲线的特征，并说明选择探测器偏压应考
虑哪些因素。
2． 设脉冲输出幅度为6伏，探测器的能量分辨率为0.3%，试述应如何选择多道
分析器的参数（分析范围、所用道数和道宽）？
3． 用脉冲发生器模拟不同能量α粒子时，为什么不能关闭偏压电源？
4． 如何用脉冲发生器和一个已知能量的α源对α谱仪作能量刻度？（提示：了
解脉冲发生器“标准校正”旋钮的作用）。
5． 为了研究影响谱仪能量分辨率的主要因素，根据
22222s e D n E E E E E ?+?+?+?=?，如何从实验上分别测出探测器及电子学
噪声对谱线所造成的展宽？
参 考 资 料
[1] 复旦大学、清华大学、北京大学合编，原子核物理实验方法（上册），p160-174，原子能出版社，1981年。
[2] 核素图表编制组编，核素常用数据表，p154，原子能出版社，1977年。
[3] 陈恒良等，原子能科学技术，2，118（1977）。
高等半导体物理 课程内容（前置课程：量子力学，固体物理） 第一章能带理论，半导体中的电子态 第二章半导体中的电输运 第三章半导体中的光学性质 第四章超晶格，量子阱 前言：半导体理论和器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论（里程碑） 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管，带来了现代电子技术的革命，同时也促进了半导体物理研究的蓬勃发展。从那以后的几十年间，无论在半导体物理研究方面，还是半导体器件应用方面都有了飞速的发展。 1954半导体有效质量理论的提出，这是半导体理论的一个重大发展，它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构，给出了研究浅能级、激子、磁能级等的理论方法，促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念的提出，使得固体能带的计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交的性质，用一个赝势代替真实的原子势，得到了一个固体中价电子态满足的方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体的比较精确的能带结构。 1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出，Esaki (江歧), Tsu （朱兆祥）
* 超高真空表面能谱分析技术相继出现，开始了对半导体表面、界面物理的研究 1971 第一个超晶格Al x Ga 1-x As/GaAs 制备，标志着半导体材料的发展开始进入人 工设计的新时代。 1980 德国的Von Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高的Al x Ga 1-x As/GaAs异质结中发现了分数量子 Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克效应，以及由激子吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线性效应，为设计新一代光双稳器件提供了重要的依据。 1990 英国的Canham首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光，使人们看到了全硅光电子集成技术的新曙光。 近年来，各国科学家将选择生成超薄层外延技术和精细束加工技术密切结合起来，研制量子线与量子点及其光电器件，预期能发现一些新的物理现象和得到更好的器件性能。在器件长度小于电子平均自由程的所谓介观系统中，电子输运不再遵循通常的欧姆定律，电子运动完全由它的波动性质决定。人们发现电子输运的Aharonov-Bohm振荡，电子波的相干振荡以及量子点的库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象的发现产生新的器件设计思想，促进新一代半导体器件的发展。 半导体材料分类： ?元素半导体， Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 10-12/cm3 ,
半导体特性分析实验（PN结I-V特性测试） 在微电子和固态电子学领域，半导体PN结几乎是构成一切有源器件以及像二极管一些无源器件的最基本单元。本实验的目的是了解PN结的基本I-V特性，包括有非线性、整流性质，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。 一、实验目的 了解PN结的基本特性，掌握PN结的伏安特性，学习曲线拟合方法，求出波尔兹曼常数。 二、实验内容 测试未封装PN结的I-V特性曲线，进行曲线拟合，求出波尔兹曼常数。三、仪器设备 4200-SCS半导体特性测试系统，二极管，探针台 四、实验原理 1、PN结的伏安特性 在半导体材料中，P型区域与N型区域的交界处附近会形成一个特殊的区域，这个区域叫PN结。PN结是半导体器件的核心，检测半导体器件实际上就是通过外部引脚测量内部PN结。PN结具有三个重要参数：单向导电；正向导通压降；反向击穿电压，它们是判断PN结好坏、识别无标识的半导体器件类型和各引脚电极的主要依据。二极管就是一个单独封装的PN结。在未封装前检测PN结，进行实时监控，可以更及时迅速发现质量问题，减少浪费。 单向导电：当给PN结施加正向电压时，即正极（连接到P区）接正、负极接负（联结到N区）接负。PN结呈现为导通状态，有正向电流流过，并且该电流将随着正向电压的增加，急剧增大。当给PN结施加相反的电压时，二极管呈现为截止状态，只有少量的穿透电流I BO（μA级以下）流过。 正向导通压降：PN结上加上正向电压导通后，会保持一个相对固定的端电压VF，VF称为“正向导通压降”，其数值依选用的半导体基材不同而有别，锗半导体约为0.3V；硅半导体约为0.7V。
反向击穿电压：当给PN 结施加的反向电压值达到其所能承受的极限值（反向击穿电压VZ ，大小因不同的PN 结有别）时，二极管呈现为导通状态，且在允许的反向电流范围内，其端电压会基本保持为VZ ，即PN 结反向击穿后具有“稳压特性”。 这些参数都可以在伏安特性曲线也就是PN 结的I-V 特性曲线上可以得到。在直角坐标系中，如果以PN 结的端电压V 为横坐标，电流I 为纵坐标，得到一条曲线，该曲线就被称为PN 结的伏安特性曲线，见图1。从图中可以看到，在给二极管加上的正向电压数值必须大于Vr 时才可以导通，Vr 称为死区电压。 图 1 2、由PN 结的伏安特性拟合波尔兹曼常数 从固体理论可知，理想的PN 结的正向电流-电压关系满足下式 1T k eU exp [I I B 0???? ?????= （1） 其中，I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流（与半导体的性质和掺杂有关），U 是加在PN 结上的正向电压，T 为绝对温度，k B 为波尔兹曼常数，e 为基本电荷。常温下，38T k /e B ≈，()1T k /eU exp B >>，则（1）式可以近似写成 ??? ?????=T k eU exp I I B 0 （2） 在常温下，PN 结的正向电流随正向电压按e 指数规律变化。测量得到了PN 结的伏安特性以及温度T 后，可以利用基本电荷值，求得波尔兹曼常数k B 。将式 （2）两边取对数，即可得到
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
太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师
实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，（处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E 1，这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。）是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大， ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
半导体物理 实 验 指 导 书 信息工程学院电子科学与技术教研室 2009
目录 实验一：霍尔效应 (1) 实验二：四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻 (6) 实验三：椭偏法测薄膜厚度和折射率 (9) 附录A:《RTS-8型双电测四探针测试仪用户手册》 (11) 附录B:《WJZ/WJZ-Ⅱ型多功能激光椭圆偏振仪使用手册》 (30)
实验一 霍尔效应 一、实验目的 1. 了解霍尔器材对材料要求的知识； 2. 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I V ~曲线； 3. 学会确定试样的导电类型，载流子浓度以及电导率。 二、仪器设备 QS-H 型霍尔效应实验组合仪 三、实验原理 1. 导体材料霍尔系数的确定 由霍尔电压H V 与磁感应强度B 的关系，B I d R V S H H =知，只要测出H V 以及知道S I 、B 和d ，可计算出霍尔系数 B I d V R S H H = （1） 2. 导体材料导电类型的确定 若实验中能测出S I 、B 的方向，就可判断H V 的正负，决定霍尔系数的正负，从而判断出半导体的导电类型。当0 半导体物理知识点总结 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。 第一章习题 1.设晶格常数为a 的一维晶格,导带极小值附近能量E c (k)与价带极大值附近 能量E V (k)分别为: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1==π (1)禁带宽度; （2） 导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064 30382324 30)(2320212102 2 20 202 02022210 1202==-==<-===-== >=+== =-+ηηηηηηηη因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC ===η s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3)()()4(6 )3(25104300222* 11-===?=-=-=?=-==ηηηηη所以：准动量的定义： 2、 晶格常数为0、25nm 的一维晶格,当外加102V/m,107 V/m 的电场时,试分别计 算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η s a t s a t 13719282 1911027.810106.1) 0(1027.810106.1) 0(----?=??--= ??=??-- =?π πηη 补充题1 分别计算Si(100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度(提示:先 画出各晶面内原子的位置与分布图) Si 在(100),(110)与(111)面上的原子分布如图1所示: (a)(100)晶面 (b)(110)晶面 高等半导体物理 课程内容(前置课程: 量子力学,固体物理) 第一章能带理论,半导体中得电子态 第二章半导体中得电输运 第三章半导体中得光学性质 第四章超晶格,量子阱 前言:半导体理论与器件发展史 1926 Bloch 定理 1931 Wilson 固体能带论(里程碑) 1948 Bardeen, Brattain and Shokley 发明晶体管,带来了现代电子技术得革命,同时也促进了半导体物理研究得蓬勃发展。从那以后得几十年间,无论在半导体物理研究方面,还就是半导体器件应用方面都有了飞速得发展。 1954半导体有效质量理论得提出,这就是半导体理论得一个重大发展,它定量地描述了半导体导带与价带边附近细致得能带结构,给出了研究浅能级、激子、磁能级等得理论方法,促进了当时得回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子吸收等实验研究。 1958 集成电路问世 1959 赝势概念得提出,使得固体能带得计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交得性质,用一个赝势代替真实得原子势,得到了一个固体中价电子态满足得方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体得比较精确得能带结构。1962 半导体激光器发明 1968 硅MOS器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产 1970 * 超晶格概念提出,Esaki (江歧), Tsu (朱兆祥) * 超高真空表面能谱分析技术相继出现,开始了对半导体表面、界面物理得研究 1971 第一个超晶格Al x Ga1x As/GaAs 制备,标志着半导体材料得发展开始进入人工设计得新时代。 1980 德国得V on Klitzing发现了整数量子Hall 效应——标准电阻 1982 崔崎等人在电子迁移率极高得Al x Ga1x As/GaAs异质结中发现了分数量子Hall 效应 1984 Miller等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移得量子限制斯塔克效应,以及由激子吸收系数或折射率变化引起得激子光学非线性效应,为设计新一代光双稳器件提供了重要得依据。 1990 英国得Canham首次在室温下观测到多孔硅得可见光光致发光,使人们瞧到了全硅光电子集成技术得新曙光。近年来,各国科学家将选择生成超薄层外延技术与精细束加工技术密切结合起来,研制量子线与量子点及其光电器件,预期能发现一些新得物理现象与得到更好得器件性能。在器件长度小于电子平均自由程得所谓介观系统中,电子输运不再遵循通常得欧姆定律,电子运动完全由它得波动性质决定。人们发现电子输运得AharonovBohm振荡,电子波得相干振荡以及量子点得库仑阻塞现象等。以上这些新材料、新物理现象得发现产生新得器件设计思想,促进新一代半导体器件得发展。 半导体材料分类: ?元素半导体, Si, Ge IV 族金刚石结构 Purity 10N9, Impurity concentration 1012/cm3 , Dislocation densities <103 /cm3 Size 20 inches (50 cm) in diameter P V 族 S, Te, Se VI 族 ?二元化合物, 1.IIIV族化合物: GaAS系列,闪锌矿结构, 电荷转移 GaAs, 1、47 eV InAs 0、36 eV GaP, 2、23 eV GaSb, 0、68 eV GaN, 3、3 eV BN 4、6 eV AlN 3、8 eV 半導體的基本特性 自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。 電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。 1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應 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 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。 4200-SCS半导体特性分析系统- 集成前沿的脉冲能力和精密DC测量，用于65nm节点及更小尺寸 Document Actions 型号：4200-SCS 主要特点及优点 直观的、点击式Windows?操作环境 独特的远端前置放大器，将SMU的分辨率扩展至0.1fA 新的脉冲和脉冲I-V能力用于先进半导体测试 新的示波器卡提供集成的示波器和脉冲测量功能 内置PC提供快速的测试设置、强大的数据分析、制图与打印、以及测试结果的大容量存储 独特的浏览器风格的软件界面，根据器件的类型来安排测试，可以执行多项测试并提供测试序列与循环控制功能 内置stress/measure、looping和数据分析用于点击式可靠性测试，包括五个符合JEDEC 的范例测试 支持多种LCR表、吉时利开关矩阵配置与吉时利3400系列和安捷伦81110脉冲发生器等多种外围设备 包括驱动软件，支持Cascade Microtech Summit12K 系列、 Karl Suss PA-200和PA-300、micromanipulator 的8860 自动和手动探针台 先进半导体支持包括吉时利提供的IC-CAP器件建模包驱动程序并支持Cadence BSIM ProPlus/Virtuoso 和Silvaco UTMOST器件建模工具 容易使用的4200-SCS型半导体特性分析系统用于实验室级的器件直流参数测试、实时绘图与分析，具有高精度和亚fA级的分辨率。它提供了最先进的系统集成能力，包括完整的嵌入式PC 机，Windows NT操作系统与大容量存储器。其自动记录、点击式接口加速并简化了获取数据的过程，这样用户可以更快地开始分析测试结果。更多特性使stress-measure能力适合广泛的可靠性测试。 相关应用 半导体器件 片上参数测试 晶圆级可靠性 封装器件特性分析 C-V/I-V 特性分析，需选件4200-590高频C-V分析器 高K栅电荷俘获 受自加热效应影响的器件和材料的等温测试 Charge pumping用于MOSFET器件的界面态密度分析 电阻性的或电容性的MEM驱动器特性分析 光电子器件 半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 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 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 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。 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（a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 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）。如图所示。 二．硅的基本性质 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。 性质符号单位硅（Si） 原子序数Z 14 原子量M 原子密度个/cm3 ×1022 晶体结构金刚石型 晶格常数 a ? 熔点Tm ℃1420 密度(固/液) ρg/ cm3 介电常数ε0 个/ cm3×1010本征载流子浓度n i 本征电阻率ρi Ω·cm ×105 第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。 2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量 3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？ 答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。 5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同； 答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。在外电F作用下，电子的波失K不断改变，f=h(dk/dt),其变化率与外力成正比，因为电子的速度与k有关，既然k状态不断变化，则电子的速度必然不断变化。 7.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系，为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度? 答：沿不同的晶向，能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带，这个时候的能量就是最小能量，也就是禁带宽度。 1.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述? 答：空穴是一个假想带正电的粒子，在外加电场中，空穴在价带中的跃迁类比当水池中气泡从水池底部上升时，气泡上升相当于同体积的水随气泡的上升而下降。把气泡比作空穴，下降的水比作电子，因为在出现空穴的价带中，能量较低的电子经激发可以填充空穴，而填充了空穴的电子又留下了一个空穴。因此，空穴在电场中运动，实质是价带中多电子系统在电场中运动的另一种描述。因为人们发现，描述气泡上升比描述因气泡上升而水下降更为方便。所以在半导体的价带中，人们的注意力集中于空穴而不是电子。 2.有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍.这两块晶体价带中的能级数是否相等，彼此有何联系？ 答：相等，没任何关系 3.为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变磁场方向时只能观察到一个共振吸收峰。答：各向同性。 5.典型半导体的带隙。 一般把禁带宽度等于或者大于2.3ev的半导体材料归类为宽禁带半导体，主要包括金刚石，SiC，GaN,金刚石等。26族禁带较宽，46族的比较小，如碲化铅，硒化铅（0.3ev），35族的砷化镓（1.4ev）。 第二章 1.说明杂质能级以及电离能的物理意义。为什么受主、施主能级分别位于价带之上或导带之下,而且电离能的数值较小？答：被杂质束缚的电子或空穴的能量状态称为杂质能级，电子脱离杂质的原子的束缚成为导电电子的过程成为杂质电离，使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量成为杂质电离能。杂质能级离价带或导带都很近，所以电离能数值小。 2.纯锗,硅中掺入III或Ⅴ族元素后,为什么使半导体电学性能有很大的改变？杂质半导体(p型或n型)应用很广,但为什么我们很强调对半导体材料的提纯? 答：因为掺入III或Ⅴ族后，杂质产生了电离，使得到导带中得电子或价带中得空穴增多，增强了半导体的导电能力。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决定性的影响，，当然，也严重影响着半导体器件的质量。 4.何谓深能级杂质，它们电离以后有什么特点？答：杂质电离能大，施主能级远离导带底，受主能级远离价带顶。特点：能够产生多次电离，每一次电离相应的有一个能级。 第一章晶体结构晶格 §1晶格相关的基本概念 1.晶体：原子周期排列，有周期性的物质。 2.晶体结构：原子排列的具体形式。 3.晶格：典型单元重复排列构成晶格。 4.晶胞：重复性的周期单元。 5.晶体学晶胞：反映晶格对称性质的最小单元。 6.晶格常数：晶体学晶胞各个边的实际长度。 7.简单晶格&复式晶格：原胞中包含一个原子的为简单晶格，两个或者两个以上的称为复 式晶格。 8.布拉伐格子：体现晶体周期性的格子称为布拉伐格子。（布拉伐格子的每个格点对应一 个原胞，简单晶格的晶格本身和布拉伐格子完全相同；复式晶格每种等价原子都构成和布拉伐格子相同的格子。） 9.基失：以原胞共顶点三个边做成三个矢量，α1，α2，α3，并以其中一个格点为原点， 则布拉伐格子的格点可以表示为αL=L1α1 +L2α2 +L3α3 。把α1，α2，α3 称为基矢。 10.平移对称性：整个晶体按9中定义的矢量αL 平移，晶格与自身重合，这种特性称为平 移对称性。（在晶体中，一般的物理量都具有平移对称性） 11.晶向&晶向指数：参考教材。（要理解） 12.晶面&晶面指数：参考教材。（要理解） 立方晶系中，若晶向指数和晶面指数相同则互相垂直。 §2金刚石结构，类金刚石结构（闪锌矿结构） 金刚石结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶格，它是由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成。常见的半导体中Ge，Si，α-Sn（灰锡）都属于这种晶格。 金刚石结构的特点：每个原子都有四个最邻近原子，它们总是处在一个正四面体的顶点上。（每个原子所具有的最邻近原子的数目称为配位数） 每两个邻近原子都沿一个<1,1,1,>方向， 处于四面体顶点的两个原子连线沿一个<1,1,0>方向， 四面体不共顶点两个棱中点连线沿一个<1,0,0,>方向。 4200-SCS 半导体特性分析系统 主要特点及优点: ? 直观的、点击式Windows 操作环境 ? 独特的远端前置放大器，将SMU的分辨率扩展至0.1fA ? 内置PC提供快速的测试设置、强大的数据分析、制图与打印、以及测试结果的大容量存储 ? 独特的浏览器风格的软件界面，根据器件的类型来安排测试，可以执行多项测试并提供测试序列与循环控制功能 ? 支持Keithley590 型与Agilent 4284 型C-V 仪、Keithley 开关矩阵与Agilent 81110 脉冲发生器等多种外围设备 ? 硬件由Keithley 交互式测试环境（KITE）来控制 ? 用户测试模块功能，可用于外接仪表控制与测试平台集成，是KITE功能的扩充? 包括驱动软件，支持Cascade Microtech Summit12K 系列、Karl Suss PA-200、micromanipulator 的8860 自动和手动探针台 容易使用的4200-SCS型半导体特性分析系统用于实验室级的器件直流参数测试、实时绘图与分析，具有高精度和亚fA级的分辨率。它提供了最先进的系统集成能力，包括完整的嵌入式PC机，Windows NT操作系统与大容量存储器。其自动记录、点击式接口加速并简化了获取数据的过程，这样用户可以更快地开始分析测试结果。4200-SCS 提供了很大的灵活性，其硬件选项包括开关矩阵、Keithley 与Agilent C-V 仪以及脉冲发生器等多种选择。 4200-SCS为模块化结构配置非常灵活。系统最多可支持八个源－测量单元，包括最多四个具有1A/20W能力的大功率SMU。远端前置放大器选件4200-PA，可以有效地减少长电缆所贡献的噪声，且使SMU扩大五个小电流量程，使其测量能力扩展到0.1fA。前置放大器模块同系统有机地组合成一体，从使用者看来，相当于扩充了SMU的测量分辨率。 *欲了解更详细信息（英文）-您可以在搜索栏中输入型号的号码进行查询。 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半导体物理知识点总结
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