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半导体物理及器件随着现代科技的不断发展，半导体技术已经成为了当今世界最具有前沿性的技术之一。
半导体器件的广泛应用已经渗透到了我们日常生活的方方面面，比如智能手机、电脑、平板等等。
那么，什么是半导体物理及器件呢？本文将从物理层面解读半导体及其相关器件的工作原理。
一、半导体物理基础半导体是指在温度较高时表现为导体，在温度较低时表现为绝缘体的物质。
半导体的电子结构与导体和绝缘体不同，它们的导电方式是通过控制外部电场，来控制内部电子的行为。
半导体材料通常由四元素组成，如硅、锗等，这些元素的原子堆积方式形成了晶格结构，其中的电子行为也受到了晶格结构的影响。
半导体中的电子行为分为自由电子和价带电子。
自由电子是指受到外部电场作用后，可以自由移动的电子。
而价带电子则是不能自由移动的电子。
当半导体受到外部电场的作用时，价带电子会被激发到导带电子中，从而形成电流。
二、半导体器件半导体器件是基于半导体材料制造的电子器件。
半导体器件主要包括二极管、场效应晶体管、晶体管等等。
这些器件的工作原理都是基于半导体物理基础的。
1. 二极管二极管是一种最基本的半导体器件，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体与N型半导体之间形成了PN结，当施加电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，从而形成电流。
当电流方向为从P型半导体流向N型半导体时，二极管可以通过电流；当电流方向为从N型半导体流向P型半导体时，二极管则不导电。
2. 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种电子管，它是由金属栅极、P型半导体和N型半导体组成。
FET的工作原理是基于电场效应的，当外加电压作用于金属栅极时，会在P型半导体和N型半导体之间形成一个电场，从而控制电子的流动。
FET有很多种类型，其中最常见的是MOSFET。
3. 晶体管晶体管是一种三端半导体器件，它由P型半导体、N型半导体和控制极组成。
晶体管的工作原理是基于PN结的反向偏压和电场效应。
当控制极施加正电压时，会在PN结中形成反向偏压，从而使电流无法通过；当控制极施加负电压时，PN结中的电子会被激发到导带中，形成电流。
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。
半导体物理与器件什么是半导体物理？半导体物理是研究半导体材料的物理性质和行为的学科。
半导体是一种电阻介于导体和绝缘体之间的材料。
在常规的物理中，导体是电流的快速传输介质，而绝缘体几乎不导电。
而半导体则具有介于两者之间的导电特性，并且可以通过控制外部电压或温度来改变其导电能力。
半导体器件的发展随着半导体物理的深入研究，人们逐渐认识到半导体材料的巨大潜力。
在上个世纪的50年代，第一个晶体管被发明。
晶体管是一种利用半导体材料特性实现放大和开关功能的器件。
它取代了以前广泛使用的真空管，成为现代电子技术的基础。
随后，各种各样的半导体器件相继发展出来，如二极管、场效应晶体管（FET）和集成电路（IC）等。
半导体器件的原理二极管二极管是最简单的半导体器件之一。
它由一个P型半导体和一个N型半导体组成。
这两个半导体通过P-N结相连接。
当施加正向电压时，P型半导体接近正极，N型半导体接近负极，电流能够流动；当施加反向电压时，P-N结会形成一个耗尽区，电流无法通过。
因此，二极管可以将交流信号转换为直流信号。
场效应晶体管（FET）场效应晶体管是一种使用电场控制电流的器件。
它由一个N型或P型半导体构成的通道和两个控制端组成。
当一个电压加到控制端时，电场会调整通道中的电荷分布，进而控制电流的流动。
FET具有高输入阻抗、低输出阻抗和较低的功耗，因此在放大和开关应用中得到广泛应用。
集成电路（IC）集成电路是将大量的电子元件，如晶体管、电阻、电容等，集成在一个芯片上的器件。
它可以实现复杂的电路功能，并具有小体积、低功耗和高可靠性等优点。
集成电路的发展推动了信息技术的快速发展，使得计算机、通信、消费电子等领域得到了革命性的变革。
半导体器件在现代技术中的应用半导体器件在现代技术中起着举足轻重的作用。
它们广泛应用于各种领域，如通信、信息技术、能源和医疗等。
通信半导体器件在通信领域中起到关键作用。
光纤通信、移动通信、卫星通信等都是基于半导体器件的技术实现的。
半导体物理与器件课后练习题含答案1. 简答题1.1 什么是p型半导体？答案： p型半导体是指通过加入掺杂物（如硼、铝等）使得原本的n型半导体中含有空穴，从而形成的半导体材料。
具有p型性质的半导体材料被称为p型半导体。
1.2 什么是n型半导体？答案： n型半导体是指通过加入掺杂物（如磷、锑等）使得原本的p型半导体中含有更多的自由电子，从而形成的半导体材料。
具有n型性质的半导体材料被称为n型半导体。
1.3 什么是pn结？答案： pn结是指将p型半导体和n型半导体直接接触形成的结构。
在pn结的界面处，p型半导体中的空穴和n型半导体中的自由电子会相互扩散，形成空间电荷区，从而形成一定的电场。
当外加正向电压时，电子和空穴在空间电荷区中相遇，从而发生复合并产生少量电流；而当外加反向电压时，电场反向，空间电荷区扩大，从而形成一个高电阻的结，电流几乎无法通过。
2. 计算题2.1 若硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，电子迁移率为1350 cm²/Vs，电离能为1.12 eV，则硅片的载流子浓度为多少？解题过程：根据硅片的掺杂浓度为1e16/cm³，可以判断硅片的类型为n型半导体。
因此易知载流子为自由电子。
根据电离能为1.12 eV，可以推算出自由电子的有效密度为：n = N * exp(-Eg / (2kT)) = 6.23e9/cm³其中，N为硅的密度，k为玻尔兹曼常数（1.38e-23 J/K），T为温度（假定为室温300K），Eg为硅的带隙（1.12 eV）。
因此，载流子浓度为1e16 + 6.23e9 ≈ 1e16 /cm³。
2.2 假设有一n+/p结的二极管，其中n+区的掺杂浓度为1e19/cm³，p区的掺杂浓度为1e16/cm³，假设该二极管在正向电压下的漏电流为1nA，求该二极管的有效面积。
解题过程：由于该二极管的正向电压下漏电流为1nA，因此可以利用肖特基方程计算出它的开启电压：I = I0 * (exp(qV / (nkT)) - 1)其中，I0为饱和漏电流（假定为0），q为电子电荷量，V为电压，n为调制系数（一般为1），k为玻尔兹曼常数，T为温度。
半导体物理与器件工作岗位半导体物理与器件是一个涉及半导体材料、器件设计与制造的领域。
这个领域的工作岗位非常丰富，可以在学术研究机构、半导体行业的研发部门、制造厂商等多个领域从事相关工作。
在这个领域工作，需要具备一定的物理基础知识和工程实践经验，同时也需要不断学习和跟进行业的最新发展。
工作岗位一般可以分为几个方向，包括材料研究与制备、器件设计与仿真、器件加工与制造、测试与验证等。
1.材料研究与制备:这个方向的工作主要关注半导体材料的研究与制备。
工作内容包括材料性质的表征、材料的纯化与生长、材料的结构与性能调控等。
这个方向需要具备扎实的材料科学知识，熟悉各种材料表征和制备技术，并能够解决材料相关的问题。
2.器件设计与仿真:这个方向的工作主要关注半导体器件的设计与仿真。
工作内容包括器件的结构设计、电路仿真与优化、性能参数的提升等。
这个方向需要具备深入的电子学知识和设备物理学知识，熟练使用器件仿真软件和设计工具，并能够解决设计与仿真过程中的问题。
3.器件加工与制造:这个方向的工作主要关注半导体器件的加工与制造。
工作内容包括工艺流程的制定与改进、设备操作与维护、工艺参数的调控等。
这个方向需要具备工程学背景和丰富的实践经验，熟悉半导体制造工艺和设备，能够解决加工与制造过程中的问题。
4.测试与验证:这个方向的工作主要关注半导体器件的测试与验证。
工作内容包括测试方法的研究与开发、测试数据的分析与处理、器件性能的验证等。
这个方向需要具备电子学知识和测试技术的实践经验，熟悉各种测试设备和测试方法，并能够解决测试与验证过程中的问题。
在半导体物理与器件领域工作，需要具备扎实的物理学基础知识，熟悉半导体物理学的理论和方法，并能够将其应用到具体的工程实践中。
同时，也需要关注行业的最新进展，不断学习和提升自己的专业能力，以适应快速发展的半导体行业。
总的来说，半导体物理与器件领域的工作岗位非常广泛，从材料研究到器件制造，涵盖了整个半导体产业链的各个环节。
半导体物理1、半导体的五大基本特性答：(1)负电阻温度系数：温度升高，电阻减小。
(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。
(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。
(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。
(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。
2、简述肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷的异同之处。
答：（1）共同点：都是热缺陷（本征缺陷）。
（2）不同点：弗伦克尔缺陷：空位和间隙原子成对出现，晶体体积不发生改变；肖特基缺陷：正离子和负离子空位成比例出现，伴随体积的增加而增加，并且只形成空位而无间隙原子。
3、什么是施主杂质？什么是受主杂质？以Si为例说明。
答：Ⅴ族元素在硅中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质；Ⅲ族元素在硅中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质。
4、什么是本征激发？什么是本征半导体？本征半导体的特征是什么？答: （1）电子从价带直接向导带激发，成为导带电子的过程就是本征激发。
（2）完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。
（3）电子浓度等于空穴浓度，载流子少，导电性差，温度稳定性差。
5、在半导体中掺入杂质的作用：掺入杂质可以改变半导体的导电性能，半导体中杂质对电阻的影响非常大。
掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生杂质能级，使得电阻大大下降，从而导电性大大提升。
6、阐述深能级杂质的特点。
答：（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大；（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。
7、浅能级杂质和深能级杂质对半导体性质的影响是什么？答：深能级杂质主要是产生复合中心，缩短少数载流子的寿命；浅能级杂质主要是提供载流子，能够改变半导体的导电性，决定半导体的导电类型。
这两种杂质都能散射载流子，使迁移率减小。
8、解释费米能级及其物理意义。
答：（1）费米能级是半导体中大量电子构成的热力学系统的化学势。
（2）费米能级的意义：在各种温度下，在该能级上的一个状态被电子占据的几率正好是1/2。
代表了电子的填充能级高低。
（当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统增加一个电子所引起的系统自由能的变化，等于系统的化学能。
）9、阐述影响本征半导体载流子浓度的主要因素。
答：①禁带宽度：在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大；②温度：对于给定的半导体材料，其本征载流子浓度随温度升高而迅速增加；③载流子的有效质量。
10、为什么器件正常工作大多在饱和电离区？答：温度太低，载流子浓度随温度变化很大，或浓度太低，无法形成明确的PN结，不足以使器件正常或稳定工作。
温度太高，本征激发掩盖了杂质电离，使半导体载流子浓度不稳定，且导电类型不明确，所以温度太高时PN结作用消失，器件无法实现原来设计的功能。
而在饱和电离区，半导体的载流子浓度基本与温度无关，此时可以正常工作。
因此要使器件正常工作，一般要使器件工作在饱和电离区。
11、为什么能带能级可以允许两个电子占据而杂质能级最多容纳一个电子？答：当一个电子被杂质或缺陷的缺陷中心的束缚态俘获后，该束缚态或陷阱能级就消失了。
也就是说，对于第二个电子看来这些能级是不存在的，所以第二个电子不可能被俘获。
12、为什么在半导体中空穴迁移率一般比电子迁移率低？答：首先迁移率指的是单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。
导电电子是在导带中，它们是脱离共价键的束缚在半导体中自由运动的电子，而导电空穴是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价带间运动时所产生的电流，显然，在相同电场作用下，两者的平均漂移速度不会相同，而且导带电子平均漂移速度要大些，就是说电子迁移率比空穴迁移率大。
（因为空穴运动比电子困难，所以空穴的平均漂移速度小于电子。
）13、简述电离杂质散射的散射几率与温度、杂质浓度的关系。
答：P i∝N i T-3/2。
杂质浓度N i越大，载流子遭受散射的机会越多，即散射几率大。
温度越高，载流子热运动的平均速度越大，可以较快地掠过杂质离子，偏转就小，所以散射几率小。
14、简述含有一定杂质浓度的半导体中电阻率与温度的关系（以Si 为例，说明ρ-T关系）。
答：Si的电阻率与温度的变化关系可以分为三个阶段：（1）温度很低时，电阻率随温度升高而减小。
此时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，温度升高，载流子浓度增加，相应地电离杂质散射也增加，从而使得迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而减小。
（2）温度进一步升高（含室温），电阻率随温度升高而增大。
在这一温度范围内，杂质全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。
对散射起主要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而减小，导致电阻率随温度升高而增大。
（3）温度再进一步升高，电阻率随温度升高而减小。
这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而减小，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而减小。
当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。
（画图）15、计算题：对于n型硅，N D=1016/cm3，光注入非子△n=△p=1014/cm3，计算有无光照时得电导率，其中：μn=1200cm2/V·S，μp=400cm2/V·S。
解：无光照时：σ0=nqμn=N D qμn=1016×1.602×10-19×1200≈1.92（S/cm）有光照时：△n=△p=1014cm-3<<N D，为小注入σ=（n0+△n）qμn+（p0+△p）qμp=[(1016+1014)×1200+1014×400]×1.602×10-19=1.945（S/cm）16、简述半导体的迁移率与杂质浓度、温度的关系。
答：（1）杂质浓度N i的影响：①杂质浓度低，少子与多子迁移率相同；②杂质浓度变大，迁移率降低；③杂质浓度高，少子迁移率大于多子迁移率，随浓度增大差别加大。
（2）①高温时，主要是晶格散射，温度升高，迁移率减小；②低温时，主要是电离杂质散射，温度升高，迁移率增大。
17、氧化硅层在半导体器件中起什么作用？答：①对杂质扩散起掩蔽作用；②对器件表面起保护和钝化的作用；③用于器件的绝缘隔离层；④用作MOS器件的绝缘栅材料。
18、简述O、C、H对硅材料有哪些危害？答：（1）O的危害：热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等。
氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷。
（2）C的危害：①C会降低击穿电压，增加漏电流；②C会促进氧沉淀和新施主的形成；③C会抑制热施主的形成。
（3）H的作用：①H在硅中处于间隙位置，可以形成正负离子两种状态；②H在硅中形成H-O复合体；③H能促进氧的扩散和热施主的形成；④H会钝化杂质和缺陷的电活性；⑤H能钝化晶体的表面和界面。
19、简述硅的用途。
答：①高纯的单晶硅是重要的半导体材料；②是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；③用于光导纤维通信；④性能优异的硅有机化合物等。
20、锗如何从锗废料提纯成高纯锗（高纯锗的获取过程）？答：（1）锗来源稀少，通常先将各种锗废料氯化成四氯化锗；（2）制取的四氯化锗经过精馏、萃取等提纯；（3）水解生成二氧化锗，用氢气还原成高纯锗；（4）进一步区熔提纯成高纯锗。
21、简述Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的基本性质。
答：①带隙较大；②直接跃迁能带结构（光电转换效率高）；③电子迁移率高；④带隙随温度变化。
22、阐述GaAs的基本特性。
答：①高频特性，可以达到300GHz；②高温特性，在300℃可以正常工作；③高压特性，耐冲击，可靠性高；④耐酸、耐碱、耐腐蚀；⑤功率大，介电常数小，导热性能好；⑥电子漂移饱和速度快。
23、阐述LED照明的优点。
答：（1）发光效率高，节省能源；（2）耗电量小；（3）绿色环保；（4）冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少；（5）寿命长；（6）固体光源，体积小，重量轻，方向性好；（7）响应速度快，可以耐各种恶劣条件；（8）低电压，小电流。
24、相对于Si材料，GaAs具有哪些优缺点？答：（1）优点：①能量转换效率高；②电子迁移率高；③易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108Ω·cm以上；④抗辐射性能好；⑤温度系数小；⑥具有耿氏效应。
（2）缺点：①资源稀缺，价格昂贵，约为硅的10倍；②污染环境（砷化物是有毒物质）；③机械强度较弱，易碎；④制备困难（GaAs 在一定条件下易分解、易挥发）。
25、影响固溶体形成的因素有哪些？答：①质点尺寸因素；②晶体结构类型；③电价因素；④电负性。
26、形成固溶体后对晶体性质有哪些影响？答：（1）稳定晶体，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格；（3）固溶强化；（4）形成固溶体后对材料物理性质有影响：固溶体的强度与硬度往往高于各组分，而塑性则较低。
27、相比于晶体硅，非晶硅有哪些优缺点？答：（1）优点：①很好的光学性能，很大的光吸收系数；②可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的PN结和多层结构，易形成异质结；③通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学带隙；④可在较低温度下采用化学气相沉积等方法制备薄膜；⑤生产过程相对简单。
（2）缺点：①缺乏长期稳定性，处于非平衡态，所制备器件的性能会退化，比如S-W效应；②载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件，但可用于低功耗产品中。
28、画出PN结形成前后的能带图。
答：29、简述PN结形成及工作原理。
答：(1)形成过程：P型半导体和N型半导体接触→由于多子浓度差→导致多子的扩散→多子进入空间电荷区→形成内电场→内电场阻止多子扩散，促使少子漂移。
(2)工作原理：①PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。
于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。
扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。
②PN结加反向电压时，外加的反向电压有一部分降落在PN 结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。
内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。
此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。
PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。
30、内建电势差V D受哪些因素的影响？锗P-N结与硅P-N结的V D哪个大？为什么？答：(1)①温度；②施、受主杂质浓度；③禁带宽度。
