青岛科技大学半导体总复习.doc

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。

第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。

1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。

1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。

试求：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。

题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。

其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。

如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。

1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。

温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。

反之，温度降低，将导致禁带变宽。

因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。

1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。

空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。

1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。

一概念1半导体分类：(1)晶体半导体:元素半导体，化合物半导体；(2)非晶体半导体(3)有机半导体2晶体的定义和分类:(1)由周期排列的原子构成的物体，具有一定熔点的固体，称为晶体。

(2)单晶体，多晶体单晶体是个凸多面体，围成这个凸多面体的面是光滑的，称为晶面。

由许多小单晶(晶粒)构成的晶体，称为多晶体。

多晶体仅在各晶粒内原子才有序排列，不同晶粒内的原子排列是不同的。

3半导体发展的四大阶段：第一阶段：现象的观察第二阶段：理论指导第三阶段：晶体管诞生第四阶段：集成电路出现4固体物质的微观粒子排列：固体物质是由大量的原子、分子或离子按照一定方式排列而成的，这种微观粒子的排列方式称为固体的微结构。

5长程有序：在晶体中尺寸为微米量级的小晶粒内部，原子的排列是有序的。

在晶体内部呈现的这种原子的有序排列，称为长程有序。

6晶体的基本性质：(1)•周期性(Periodicity )(2)・对称性(Symmetry )(3)•各向异性(Anisotropy )(4)•最小内能性(5)•晶格振动(Lattice Vibration )7解理：晶体具有沿某一个或数个晶面发生劈裂的特征，这种特征称为晶体的解理。

解理的晶面，称为解理面。

8原胞：这些平行六面体形状的、代表晶体结构中最小的重复单元，称为固体物理学原胞，简称为原胞。

9品胞：品胞(Unit Cell)能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。

其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又最小者特称“单位晶胞”，但亦常简称晶胞。

10原子晶体的特点：a导电性能差；b熔点高；c硬度高；d热膨胀系数小。

11金属晶体的特点：导电性能良好；导热性能良好；不同金属存在接触电势差；延展性能良好。

12晶体的对称元素：对称元素包括对称面(或镜面)、对称中心(或反演中心)、旋转轴和旋转反演轴。

13电子填充遵循的原理与规则：电子在各壳层上的填充，遵循能量最小原理、泡利不相容原理和洪特规则。

半导体制造工艺期末考试重点复习资料1、三种重要的微波器件：转移型电子晶体管、碰撞电离雪崩渡越时间二极管、MESFET。

2、晶锭获得均匀的掺杂分布：较高拉晶速率和较低旋转速率、不断向熔融液中加高纯度多晶硅，维持熔融液初始掺杂浓度不变。

3、砷化镓单晶：p型半导体掺杂材料镉和锌，n型是硒、硅和锑硅：p型掺杂材料是硼，n型是磷。

4、切割决定晶片参数：晶面结晶方向、晶片厚度（晶片直径决定）、晶面倾斜度（从晶片一端到另一端厚度差异）、晶片弯曲度（晶片中心到晶片边缘的弯曲程度）。

5、晶体缺陷：点缺陷（替位杂质、填隙杂质、空位、Frenkel，研究杂质扩散和氧化工艺）、线缺陷或位错（刃型位错和螺位错，金属易在线缺陷处析出）、面缺陷（孪晶、晶粒间界和堆垛层错，晶格大面积不连续，出现在晶体生长时）、体缺陷（杂质和掺杂原子淀积形成，由于晶体固有杂质溶解度造成）。

6、最大面为主磨面，与<110>晶向垂直，其次为次磨面，指示晶向和导电类型。

7、半导体氧化方法：热氧化法、电化学阳极氧化法、等离子化学汽相淀积法。

8、晶体区别于非晶体结构：晶体结构是周期性结构，在许多分子间延展，非晶体结构完全不是周期性结构。

9、平衡浓度与在氧化物表面附近的氧化剂分压值成正比。

在1000℃和1个大气压下，干氧的浓度C0是5.2x10^16分子数/cm^3，湿氧的C0是3x10^19分子数/cm^3。

10、当表面反应时限制生长速率的主要因素时，氧化层厚度随时间呈线性变化X=B(t+)/A线性区（干氧氧化与湿氧氧化激活能为2eV,）；氧化层变厚时，氧化剂必须通过氧化层扩散，在二氧化硅界面与硅发生反应，并受扩散过程影响，氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比，生长速率为抛物线X^2=B(t+)抛物线区（干氧氧化激活能是1.24Ev,湿氧氧化是0.71eV）。

11、线性速率常数与晶体取向有关，因为速率常数与氧原子进入硅中的结合速率和硅原子表面化学键有关；抛物线速率常数与晶体取向无关，因为它量度的是氧化剂穿过一层无序的非晶二氧化硅的过程。

半导体材料复习资料绪论1.半导体的基本特性？①电阻率大体在10-3~109Ω•cm范围第一章⒈比较SiHCl3氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点？⑴三氯氢硅还原法优点：产率大，质量高，成本低，是目前国内外制备高纯硅的主要方法。

缺点：基硼、基磷量较大。

⑵硅烷法优点①除硼效果好；（硼以复盐形式留在液相中）②无腐蚀，降低污染；（无卤素及卤化氢产生）③无需还原剂，分解效率高；④制备多晶硅金属杂质含量低（SiH4的沸点低）缺点：安全性问题相图写出合金Ⅳ由0经1-2-3的变化过程第二章⒈什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：⑴分凝现象：含有杂质的晶态物质溶化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象较分凝现象。

⑵平衡分凝系数：固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。

K0=C S/C L⑶有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度C S与固体内部的杂质浓度C L0的比值定义为有效分凝系数K effK eff=C S/C L0⒉写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。

⒊分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度CS公式，并说明各个物理量的含义。

①正常凝固过程：C S=KC0(1-g)k-1C0：材料凝固前的杂质浓度K：分凝系数。

不同杂质的不同K值可以通过查表得出。

②一次区熔过程：C S=C O[1-(1-K)e-Kxl]C0：锭条的原始杂质浓度x：已区熔部分长度K:分凝系数l：熔区长度⒋说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条件。

⑴一次区熔时C S=C O[1-(1-K)e-Kxl],l→大，C S→小→提纯效果好→→l越大越好⑵极限分布时（K一定）K=Bl/（e Bl-1）A=C0BL/(e BL-1) C S（x）=Ae Bxl→大，B→小，A→大，C S→大，提纯的效果越差→→l越小越好所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到后面越接近极限分布，应该用小熔区。

双极型晶体管部分晶体管由两个 pn 结： 发射结和集电结将晶体管划分为三个区： 发射区、基区及集电区。

相应的三个电极称为发射极、基极和集电极，并用 E ，B 和 C ( 或 e ，b 和 c ) 表示。

晶体管有两种基本结构： pnp 管和 npn 管。

双极型 NPN 晶体管制造过程： 1、在 N 型衬底中扩散 P 型杂质；2、在 P 型扩散区中再扩散 N 型杂质；3、在磷氧化层上开出基区和发射区接触孔；4、蒸发金属；5、光刻金属，引出及区、发射区引线；6、制备集电极电极7、切片、封装发射效率 nEpEpEnE nEE nE J J J J J J J +=+==11γpepb nb b ne pe L n D W p D 0011+=γ可见提高 N e / N b ，降低 R □e / R □b 可提高发射效率，使γ 接近于 1。

基区输运系数 nE rB nE nC J J J J -==1*β 2*211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=nb b L W β集电区倍增因子222*211C pC nC i n q ρμμα+= 两种类型晶体管均可适用npn 晶体管共基电流放大系数 2221peb pe b b e L WL W --=ρρα共射电流放大系数22211peb pe b b e L WL W +=-=ρραβ 基区自建电场 晶体管的反向电流和击穿电压 穿通电压 U PT晶体管的基极电阻 晶体管的截止频率 f α、 f β 特征频率 f T 最高振荡频率 f m 超相移因子 高频优值 M 晶体管的大注入效应 基区电导调制效应 大注入自建电场 有效基区扩展效应 发射极电流集边效应 基区自建电场这一电场称为缓变基区的自建电场，也称内建电场，用 E b 表示。

穿通电压 U PT随着集电结反向电压的增加，集电结势垒区向两边扩展，基区有效宽度 W beff 减小。

若在集电结发生雪崩击穿前 W beff 就减小到零，即发射区与集电区之间已无中性基区，这种现象称为基区穿通，对应的电压称穿通电压。