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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。
半导体物理器件名词解释．．．．1 光电效应；在光的照射下，电路中产生电流或电流变化。
分两类，一是光照下能使物体电阻值改变称“内阻效应”或光导效应，二是在光照下能够产生一定的方向的电动势，称‘阻挡层光电效应’或光伏效应。
2 压阻效应；对半导体施加应力时，出产生变形外，能带结构也要发生变化，因而，半导体的发生改变，这种由于应力的作用使电阻率发生改变的现象。
3 热电效应；把热能转换成电能的过程，其中最重要的是温差电现象。
4 单晶体；在三维空间里由全同结构也要发生单元，无间隙的周期的排列这中无限的重复的结构遍及整个晶体称单晶。
5 非晶体；在三维空间中只是短程序或者就是无序的排列结构的晶体。
6多晶体；由多个单晶体构成的晶体。
7晶胞：由于晶体是由全部结构单元周期性地、无间隙地无限重复构成的，而研究晶体时研究最简结构称晶胞。
原胞；由于晶体是由全同结构单元，周期性地无间隙无限重复构成的而研究晶体时研究最简结构或非最简结构单元称初基晶8 格点；研究晶体中原子，分子或离子的排列，把这些粒子的重心作为一个几何点。
9 空间点阵；晶体中有无限多个在空间按一定规律分布的格点。
10 晶列直线上一定有无数个格点，这样的直线称晶列。
11 晶格；在空间点阵中，不同的三个晶列族分空间为无数格子称晶格。
12 晶面；通过不在同一晶列的三个格点作一平面在这平面上必须包含无数个格点这样的平面叫做晶面。
13 点阵常数；在晶体中选三个互不平行的特定的晶列方向为晶轴，以晶轴上两相邻的格点见得距离为单位，这单位称为点阵常数14 晶向指数的，每个方向则用三个最小整数u v w来表示记为【u v w】表示晶向的这组数据称为晶向指数。
15面间距：在晶体中的同一族晶面中，相邻两晶面的距离称为面间距。
16面密度：在晶体中单位面积中的原子数称为面密度，单位面积中的化学键数称为键密度。
17晶格缺陷周期性的、无限重复的由规则性的排列，但在自然界的晶体物质不会有那么完美的结构，晶格排列中的任何不规则的地方，就是晶格的缺陷。
18弗兰克缺陷：在晶体中总有少数部分原子会脱离正常的晶格点，而跑到晶格空隙中，成为自间隙原子，这种作用又使得原先的晶格上没有任何原子占据成为晶格的空位，这样一对间隙与空位称为弗兰克缺陷。
19肖特基缺陷：当晶格原子扩散到晶体最外层时，这使得晶格中仅残留空位而没有自间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。
20位错：当晶体中的晶格缺陷沿着一条直线对称时，这种缺陷称为位错。
1 位错包括（刃位错）（螺旋位错）和（位错环）21非平衡运动：当位错的运动需要借助原子及晶格原位运动时，称为非平衡运动。
22晶界：是两个或多个不同结晶方向是的单晶交界处，晶界是可以弯曲的，但在热平衡状态下，为了减少晶界的能量，他们通常是平面状的。
晶体是由全同结构单元周期地、无间隙地无重复构成的23 电子公有化运动：晶体原子的内壳层由于基本上没有重叠，电子依然围绕原子核运动，而外壳层发生能级重叠，电子不再局限于一个原子，而可从一个原子壳层转到相邻的另一个原子壳层上去，并可以从邻近的原子再转移到更远的原子上去，像这种的电子可以在整个晶体中运动，为晶体内所有原子共有的现象。
24电子的量子态；电子围绕原子核作着特定的运动这一系列特定的运动状态称电子的量子态。
25禁带；允带之间没有电子的运动的区域。
26满带；在能量低的能带中填满电子的能带。
27导带；能带图中最高的全空或半空，电子没有填满的能带。
28电子导电；当外加电场时，电子向着电场相反的方向运动，形成电流，电子没有填满的能带。
29空穴导电；空穴朝着电场的方向运动同样刑场电流。
30 本征半导体；没有掺杂的半导体，纯净的半导体。
31非征半导体；掺杂杂质的半导体，加入杂质原子控制半导体性质的导体。
32掺杂；为了增加半导体中的载流子浓度，将一定数量的杂质原子掺入半导体。
33 杂质电离区；在低温度下，电子首先从施主能级激发到导带或空穴由受主能级激发到价带随温度的升高，载流子浓度不断增大，当达到一定浓度时，杂质达到饱和电离的温度。
34非本征区；本征激发的载流子浓度依然较低半导体的载流子浓度保持基本恒定，主要由电离的杂质浓度决定。
35 本征区；当温度继续升高，本征激发的载流子大量增加，此时的载流子浓度由电离的杂质浓度和本征载流子浓度共同决定的温度区域。
36辐射复合；载流子复合时，发射光子产生发光的现象。
也称发光复合。
37非辐射复合；载流子复合时，发射离子将能量传递给晶格，产生热能现象。
38 俄歇复合；载流子复合时，将能量传递给其他载流子，增加它们的能量现象。
39 非平衡载流子的寿命；载流子浓度减少到原值e 分之1所经历的时间。
0 内建电场从N型半导体向P型半导体指向的电场。
41点缺陷：又由本质原子产生的自由间隙原子和空穴，由杂质原子产生的间隙原子和提位原子，包括了弗兰克缺陷和肖基特缺陷。
42线缺陷：当晶体中的晶格缺陷是沿着一条直线对称时的缺陷称为位错。
包括位错、螺旋位错和位错环43复合中心：半导体中的杂质和缺陷既可能引人载流子又可能引人深能级，研究表面，深能级又促进载流子复合的作用，把这些促进载流子复合的杂质和缺陷。
44p-n结的制备方法包括合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法。
45太阳能级硅多晶硅的制取工艺包括真空挥发、利用化学反应、造渣除杂和定向凝固。
46p-n结的基本特征电流电压特性、电容特性、隧道特性、雪崩效应、开关效应、光伏效应。
47本征吸除工艺：由于位错等缺陷有吸附杂质特别是金属杂质的作用，工艺上常用生成氧沉淀来吸附杂质，使器件制作区域为洁净区以提高器件的成品率和品质，这种工艺称为内吸杂或本征吸除工艺。
48固态加料法：直接将固态多晶硅原料加入石英坩埚内，加入的多晶硅原料可使用棒状多晶、块状多晶、颗粒多晶三种形态。
49铸造多晶硅：是利用铸造技术定向制备硅多晶体，现在统称为me-si。
50浇铸法：在一个坩埚内将硅料熔化，然后将熔硅注入另一个经过预热的坩埚冷却，通过控制冷却速率，采用定向凝固技术制备大颗粒的铸造多晶硅。
51直接熔融定向凝固法：简称直熔法，即在坩埚内直接将多晶硅熔化，然后通过通过坩埚底部的热交换等方式。
使熔体冷却，采用定向凝固技术制造多晶硅，所以，也有人称这种方法为热交换，简称HEM法。
52吸杂技术：指在硅片的内部或背面有意造成各种晶体缺陷，以吸引金属杂质在这些缺陷处沉淀，从而在器件所在的近表面区域形成一个无杂质、无缺陷的洁净区。
53带状硅材料：又称为带硅材料或硅带材料，是一种正在发展的新型太阳能电池硅材料。
它是利用不同的技术，直接在硅熔体中生长出带状的多晶硅材料。
4应力控制液面保持一定的冷却温度梯度，这是因为带硅的冷却速率都提高。
55边缘稳定性：是指生产出的带状硅的宽度应严格一致。
56多晶硅薄膜：是指生长在不同非硅衬底材料上的晶体薄膜，它是由众多大小不一且晶向不同的细小硅晶粒组成的，直径一般为几百纳米到几十微米。
切片规定厚度的切片。
58载具：用以承载硅片的载体。
59研磨操作：主要是控制磨盘速度与施于磨盘上的压力求出施压的情况60晶体的熔化：温度升高，晶体内原子的热运动增加，晶格结构被破坏，而由固态变成液态或非晶体，这一过程叫晶体的熔化。
凝固：与熔化相反的过程叫凝固，也叫结晶，即由液态向固态晶体转化。
熔化热：晶体熔化时吸收的热量叫熔化热或熔解热。
结晶潜热：晶体结晶时放出的热量。
61自发成核：由于液体过冷，自发生成晶核。
62非自发晶核：借助于外来固态物质的帮助，如在籽晶、埚壁、液体中的非溶性杂质等产生的晶核，称为非自发晶核。
63二维晶核：由于熔体系统能量的涨落，，某一定数量的液相原子差不多同时落在平滑界面上的邻近区域，形成一个具有单原子厚度d并有一定宽度的平面原子集团，称为二维晶核。
晶核临界半径：根据热力学分析，二维晶核必须超过某个临界值才能稳定，称为晶核临界半径。
64填充法：这种方法是在原料棒接近圆锥体的部位钻一个小洞，把掺杂原料填塞在小洞里，依靠分凝效应使杂质在单晶的轴向分布趋于均匀。
这种方法较适用于分凝系数较小的杂质。
气相掺杂法：这种方法是将易挥发的ph3N型或b2h6P 型气体直接吹入熔区内；分凝现象称为分凝。
平衡分凝系数k：固体中的杂质溶度c3与液体中杂质溶度c1之比定义为平衡分凝系数。
65热施主：热施主是双施主，即可提供2个电子，其能级位置在导带下0.006-0.07ev和0.013-0.015ev。
新施主：热施主在550-850度热处理，还会生成与氧有关的施主，，被称为“新施主”。
施主-能增加电子溶度的杂子原子n型掺杂受主-能增加空穴溶度的杂质原子p型掺杂66线缺陷-指位错，包括刃位错，螺旋位错，混合位错。
n型材料-主要依靠导带中的电子导电的半导体，参有施主的材料p型材料-主要依靠价带中的空穴导电的半导体，参有受主的材料67本征激发-电子从热震动的晶格中吸收能量从价带跃迁导带，即从低能态跃迁到高能态，形成自由的导带电子和价带空穴。
68载流子的复合-外界没有光、电、磁等作用时，在一定温度下，从低能态跃迁到高能态的载流子会产生相反的运动，即从高能态向低能态跃进，同时释放一定能量，称为载流子的复合合金法-指在一种半导体晶体上设置金属或半导体元素，通过加温等工艺形成？扩散法-指在n型或p型半导体材料中，利用扩散工艺掺入相反型号的半导体，从而构成p-n结。
离子注入法：将n型或p型掺杂剂的离子束在静电场中加速，注入p型或n型半导体表面区域，在表面形成与基本型号相反的半导体，从而形成p-n结69薄膜生长法-在n型或p型半导体材料表面，通过气相、液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的半导体薄膜，在两者的界面处形成p-n结。
70正向电流-对空穴而言，在正向电压作用下，从p型半导体扩散到n型半导体，电流通过，电流基本随电压呈指数上升。
击穿电压-当反向电压大于一定数值时，电流急剧增大，p-n结被击穿。
71功函数外自由空间所需做的功。
72金属-半导体接触：在半导体晶片上淀积一层金属，形成的紧密接触。
73肖特基接触在晶体中总有少部分原子会脱离正常的晶格点而跑到晶格间隙中，成为自间隙原子。
这种作用又使得原先的晶格点上没有任何原子占据，成为晶格的空位。
这样一对自间隙原子与空位，称为弗兰克缺陷。
当晶格原子扩散到晶体最外层时，这使得晶格中仅残留空位而没有自间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。
74、欧姆接触：以肖特基接触为基础制成的二极管，简称SBD。
而很小的电阻，且具有线性和对称的电流-电压关系的金属。
75半导体接触-半导体的表面势垒与半导体P-N 结相似，内建电场所产生的势垒。
76电子高电导区（反阻挡层）：金属和半导体接触后，在界面附近的金属一侧形成了很薄的高密度空穴层，半导体一侧形成了一定厚度的电子积累区域，从而形成一个具有电子高电导率的空间电荷区。
