半导体物理实验讲义

半导体物理总结-讲义(1)《半导体物理总结-讲义》是一本关于半导体物理基础知识的讲解材料，其中包括半导体的基本特性、载流子运动、PN结、场效应管等内容。

以下为该书的重点内容概述：一、半导体材料特性1. 能带结构：半导体的能带结构高于导体、低于绝缘体，因此具有介于导体和绝缘体之间的导电和绝缘特性。

2. 晶格结构：半导体具有有序、周期性的晶体结构，能够有效控制电子在晶体内的运动。

3. 掺杂：通过掺杂材料改变半导体的电子浓度，从而使其具有p型或n型半导体的特性。

二、载流子运动1. 热激发：半导体中的电子可以受到能量的激励而被激发到导带中。

热能、光能、电场或磁场都可以起到激发的作用。

2. 离子化：在电场的作用下，半导体中的电子可能与晶格原子碰撞，失去能量而被离子化。

形成的正负离子对在电场作用下会向相反方向漂移。

3. 扩散：电子或空穴在半导体中由高浓度区域向低浓度区域扩散，使浓度逐渐平均，实现电流的流动。

扩散是在没有外电场的情况下发生的。

三、PN结1. 构成：PN结由p型半导体和n型半导体组成。

2. 特性：PN结具有一定的整流特性，能够阻止电流从n型半导体流向p型半导体，但允许反向电流。

3. 工作原理：在PN结中，载流子在电场的作用下发生扩散和漂移，形成电流。

四、场效应管1. 构成：场效应管由栅、漏极和源极三部分构成。

栅极位于n型半导体上，由于n型半导体中的电子易受到电场的影响，因此在栅极上加入电信号可以控制通道的导电性。

2. 工作原理：在没有控制电压的作用下，场效应管的通道是关闭的。

当加入一定电压时，栅极上的电场可以将通道打开，使得电流得以流动。

以上为《半导体物理总结-讲义》的重点内容概述，读者可根据需要深入学习相关内容。

实验一硅的霍耳系数和电导率测量一、目的掌握测量霍耳系数和电导率的实验方法，测出硅的霍耳系数和电导率随温度变化的数据，确定硅的导电类型。

二、基本原理一块宽为a、厚为b的长方形半导体(见图1)。

若在x方向上有均匀的电流I X流过，再Z方向上加均匀磁场B z，那么在这块半导体A、B两点间（即Y方向上）产生一电位差，这种现象称为霍耳效应。

从实验中发现，在弱磁场情况下，霍耳电场E y的大小与电流密度J X和磁场强度B z成正比，即E y=RJ X B z由上式可得R=E y / J X B z (1)R称为霍耳系数。

在实验上直接测量的是霍耳电位差V H。

因为，E y=V H / aJ X=I X / ab（1）式可以写为R=V H b / I X B z (2)如果（２）式中各量所用的单位是V H－伏；I X－安培；B z－高斯；b－厘米；R－厘米3/库仑，则应该在(2)式中引入单位变换因子108，把它写成如下形式：R=( V H b /I X Bz ) * 108 (3)上式为实验中实际应用的公式。

因为电子和空穴的漂移运动是相反的，但是电荷符号也是相反的，磁场对它们的偏转作用力方向相同。

结果在边界上积累的电荷两种情况下相反，因此霍耳电场和电势差是相反的。

照这个道理可以区别电子性导电(n型)和空穴导电(P型)。

当E Y>0，为p型，E Y<0，为n型。

在霍耳效应的简单理论中，对电子和空穴混合导电的半导体，霍耳系数为：R=( pμp2-nμn2)/﹝( pμp+nμn )2 e﹞ (4)对n型半导体可简化为： R=﹣1 / ne (5)对p型半导体可简化为： R= 1 / pe (6) (4)、(5)、(6) 各式中，n和p分别表示电子和空穴浓度，μp 和μn分别为电子和空穴的迁移率。

图2给出两个硅样品霍耳系数随着温度变化的实验曲线。

样品1是n型的，样品2是p型的。

在图2中，样品1的曲线AB部分差不多是一水平线，在这一段温度范围，施主能级上的电子几乎全部跃迁到导带中去了，而本征激发是可以忽略的，因而表现出温度升高导带中电子密度不变。

半导体物理实验讲义北方工业大学信息工程学院微电子实验中心2004目录实验一激光测定硅单晶的晶向 (1)实验二霍尔系数及电阻率的测量 (6)实验三外延片和氧化层厚度的测量 (17)实验四硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示 (21)实验五椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率 (28)实验六PN结温度特性的测量 (40)实验七PN结C-V特性测试 (47)试验八半导体材料的方阻和电阻率的测量研究 (51)实验一激光测定硅单晶的晶向晶面定向就是要确定单晶体的表面与某指定的基准晶面之间的夹角。

当晶面定向仪与切片机联合使用时，可以确定单晶体某一基准晶面的法线与切片设备定向夹具轴线的夹角。

硅、锗单晶体是金刚石结构，具有各向异性。

生长速度、腐蚀速度、氧化速度、扩散系数和解理特性等都和晶体取向有关。

在半导体器件的科学研究和生产中需要一定晶向的锗、硅等单晶体，因而晶向是一个基本材料参数。

在切片工艺中沿特定晶向或偏离一定角度进行切割，可以有效地提高器件的质量和成品率。

测定晶体取向有解理法，X射线劳埃法，X射线衍射法和光学反射图象法等多种方法。

共中光学反射图象法是目前生产中广泛使用的方法，这个方法较为简便，能直接进行观测，而且在测定低指数晶面时精确度相当好。

一、实验目的本实验的目的，就是要了解光学反射图象法测定单晶晶面的原理，通过使用激光定向仪掌握测定硅单晶的(111)、(100)等晶面的定向技术。

二、实验原理光学反射图象法定向是根据单晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性来实现晶体的晶面(轴)定向的。

它的工作原理是用激光光点反射仪测定晶体表面的光反射图形的形状和位置，从而确定晶面(轴)的方向。

单晶表面经某些腐蚀液腐蚀后，在金相显微镜下会观察到许多腐蚀坑，即所谓金相腐蚀坑(或称晶向的光象小坑)。

这些腐蚀坑是由与晶格主要平面平行的小平面所组成。

它们是一些有特定晶向的晶面族，构成各具特殊对称性的腐蚀坑，这是晶体各向异性的结果。

锗、硅单晶体的{111}晶面是原子密排面，也是解理面(或称劈裂面)。

三、非平衡载流子的扩散在金属导体和一般半导体的导电中，载流子都是依靠电场的作用而形成电流。

这就是我们前面讨论过的漂移电流。

半导体中的非平衡载流子同样可以在电场作用下形成漂移电流。

例如，在半导体光敏电阻中，利用光照产生非平衡载流子来增加电导率，这就是说，非平衡载流子的作用和原来的载流子一样，都是在外加电压下产生漂移电流。

但是，非平衡载流子还可以形成另一种形式的电流，叫做扩散电流。

在很多情况下，扩散电流是非平衡载流子电流的主要形式。

扩散电流不是由于电场的推动而产生的。

扩散电流的产生是因载流子浓度不均匀而造成的扩散运动。

发生扩散的根本原因是在浓度不均匀的条件下由无规则的热运动引起的。

1、非平衡载流子的扩散定律如图所示，如果用适当波长的光均匀照射这块材料的一面，并且假定在半导体表面薄层内，光大部分被吸收。

那么在表面簿层内将产生非平衡载流子，而内部非平衡载流子却很少，即半导体表面非平衡载流子浓度比内部高，这必然会引起非平衡载流子自表面向内部扩散。

下面具体分析注入的非平衡载流子的扩散运动。

图 非平衡载流子的扩散实验发现：扩散流密度与非平衡载流子浓梯度成正比。

考虑一维情况，设非平衡载流子浓度只随x 变化，写成N(x) ，则在x 方向有浓度梯度 =dx dN 扩散流密度 dxdN D S -= 扩散流密度是指单位时间，由于扩散运动通过单位横截面积的载流子的数目(再乘以载流子电荷就可得到扩散电流密度)。

比例系数D 是描述载流子扩散能力强弱不同的一个常数，称为载流子的扩散系数，单位是厘米2／秒。

上式中的负号实际上是表明，扩散总是从高浓度向着低浓度进行的，或者说，扩散是沿浓度下降的方向进行的。

注意：电子和空穴的扩散系数在不同材料中是不同的。

而且和迁移率一样，扩散系数还随温度和材料的掺杂浓度而变化。

在载流子的扩散系数和迁移率之间存在着下列确定的比例关系（称为爱因斯坦关系）：μ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=q kT D （ 电子扩散：n n q kT D μ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= ，空穴扩散：p p q kT D μ⎪⎪⎭⎫⎝⎛= ）2、非平衡载流子的稳态扩散方程表面有恒定注入时，半导体内部各点的非平衡载流子浓度将形成稳定分布而不随时间改变，这种情况称稳定扩散。

半导体物理讲义-2第二部分半导体中的电子和空穴前面我们讨论了半导体能带结构的一些共同的基本特点。

不同的半导体材料．其能带结构不同，而且往往是各向异件的，即沿不同的被矢k方向，E ~ K关系不同。

由于问题复杂，虽然理论上发展了多种计算的力法．但还不能完全确定出电子的全部能态，尚需借助于实验帮助，采用理论和实验相结合的方法来确定半导体中电子的能态。

本节介绍最初测出载流子有效质量并据此推出半导体能带结构的回旋共振实验及硅和锗的能带结构。

因对大多数半导体，起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴，所以只给出导带底和价带顶附近的能带结构一、k空间等能面已知，一维情况下设能带极值在k=0处，则导带底附近和价带顶附近的E ~ K关系：图极值附近E ~K 关系示意图所以，如果知道m*n和m*p ，则极值附近的能带结构便可了解。

对实标的三维晶体，以kx , ky , kz为坐标轴构成k空间，k空间任―矢量代表波矢k(kx , ky , kz) 。

其中简单情况（半导体或晶体具有各向同性时）：导带低附近E ~ K关系当E(k)为某一定值时，对应于许多组不同的(kx，ky，kz)，将这些组不同的(kx，ky，kz)连接起来构成一个封闭面，在这个面上的能量值均相等，这个面称为等能量面，简称等能面。

容易看出，上式表示的等能面是一系列半径为的球面。

图 k空间球形等能面平面示意图一般情况（半导体或晶体具有各向异性的性质）：导带低附近E ~ K关系晶体有各向异性时，E(k)与k的关系沿不同的k方向不一定相同，反映出沿不同的k 方向，电子的有效质量不一定相同，而且能带极值不一定位于k＝o处。

设导带底位于k0 ,能量为E(k0)，在晶体中选择适当的坐标轴kx , ky , kz，并令m*x , m*y , m*z分别表示沿kx , ky , kz 三个方向的导带底电子的有效质量，用泰勒级数在极值k0附近展开，略去高次项，得:注意：要具体了解这些球面或椭球面的方程，最终得出能带结构，还必须知道有效质量的值。

实验3 半导体二极管伏安特性的研究世界上的物质种类繁多，但就其导电性能来说，大体上可分为导体、绝缘体和半导体三类。

某些物质，如硅、锗等，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，被称为半导体。

半导体之所以引起人们极大的兴趣，原因并不在于它具有一定的导电能力，而在于它具有许多独特的性质。

同一块半导体材料，它的导电能力在不同的条件下会有非常大的差别，比如，在很纯的半导体中掺入微量的其他杂质，它的导电性能将有成千上万倍地增加，并且可以根据掺入杂质的多少来控制半导体的导电性能。

人们正是利用半导体的这种独特的性质做出了各种各样的半导体器件。

本实验通过对常用的半导体器件—二极管特性的研究，了解PN结的特性、结构和工作原理，并测量二极管的部分参数。

【实验目的】1、了解PN结产生的机理和它的作用。

2、学习测量二极管伏安特性曲线的方法。

3、通过实验，加深对二极管单向导电特性的理解。

【仪器用具】HG61303型数字直流稳压电源、GDM-8145型数字万用表、滑线变阻器、FBZX21型电阻箱、C31-V型电压表、C31-A型电流表、FB715型物理设计性实验装置、可调电阻及导线若干、普通二极管、发光二极管、稳压二极管等【实验原理】1.电学元件的伏安特性在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。

一般以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压-电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。

对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1的直线a。

至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1的曲线b、c。

伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。

《半导体物理》讲义晶体结构晶格§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。

金刚石结构的密排面：{1，1，1} 晶面的原子都按六方形的方式排列。

第三部分 载流子输运现象一、半导体导电性 1、电导率（电阻率）实际问题中，通过半导体的电流往往是不均匀的。

不能只讲通过半导体的总电流强度而必须具体地分析电流的不均匀分布。

图1 用探针测电流 图2 集成片的电流分布（ 图1电流形成一个以探针针尖为中心、沿半径四外散开的电流分布图2从表面向内，每一层杂质浓度都不一样，通过它的电流在各层之间是不均匀的，越近表面电流越强。

）为了描述导电体内各点电流强弱的不均匀性，通常采用欧姆定律的微分形式：可从欧姆定律RVI =导出，取一个长为L ，横截面为S 的均匀导电体，当两端加电压V 时，在这样一个形状规则的均匀材料中，电流是均匀的，电流密度j 在各处是一样的。

总电流强度Sj I =同时，电场强度也是均匀的，有LE V = 则，RLESj = 得，E j ρ1=其中LRS=ρ，即材料的电阻率。

单位： 定义，ρσ1=，称为电导率。

单位：所以，欧姆定律的微分形式E j σ= 。

单位：安培／厘米2 (A/cm 2)；注意：在这里，微分形式的欧姆定律虽然是从均匀导电情况导出的，显然，它也适用于非均匀的情况。

因为对于非均匀导体，我们可以取一个小体积元，当小体积元足够小时，可以看成是均匀的。

从微分欧姆定律看出，材料的导电能力是用电导率来表示。

通过前面学习已知，一般掺杂半导体在常温范围内导电性能主要由掺杂决定。

那末，电导率和掺杂是什么关系呢?要解决这个问题，就有必要分析—下，在电场作用下载流子如何形成电流的机理。

下面我们结合N 型半导体分析这个问题。

我们应当知道，即使没有电场作用，电子也并不是静止不动的，而是象气体中分子那样，杂乱无章地进行热运动。

由于电子质量比分子小得多，所以，电子热运动的速度比气体分子要大得多。

具体说，按照热运动理论，微观粒子无规则热运动的平均动能与绝对温度T 有如下关系：平均热运动动能2*2123t n k v m kT E ==如果用V t 表示半导体中电子的平均热运动速度，T=300K, 并且代入电子质量m 。

《半导体物理实验》实验指导书广东工业大学物理与光电工程学院电子科学与技术系二０一四年九月修订目录实验一半导体的霍尔效应 (1)实验二半导体PN结的温度特性及弱电流测量 (10)实验三PN结电容的测量 (15)实验四四探针法测半导体材料电阻率及方块电阻 (22)实验五少子寿命及硅缺陷的观察 (28)实验六表面电阻和体电阻测量 (41)实验一 半导体的霍尔效应置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。

如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。

在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。

掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

【实验目的】1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。

2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的V H -I S 和V H -I M 曲线。

3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

【实验仪器】霍尔效应实验组合仪。

【实验原理】XYZ1．霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。

当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场H E 。

如图1.1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样 A-A / 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。

电场的指向取决于试样的导电类型。

对图1.1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。

即有)(P 0)()(N 0)(型型⇒>⇒<Y E Y E H H显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H eE 与洛仑兹力B v e 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故B v e eE H = (1-1)其中H E 为霍尔电场，v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

第二部分半导体中的电子和空穴一、热平衡载流子的统计分布为设计、分析半导体器件，有必要了解半导体单位体积内的载流子浓度(即载流子密度)，由前面讲述可知，本征半导体中电子和空穴的浓度大致相等。

掺加施主杂质后，电子为多数载流子的n型半导体，其空穴浓度会怎么样? P型半导体的电子浓度、空穴浓度又如何? 这里，我们以前面获取的知识为基础，以定量方式求出半导体的载流子浓度。

前面已讲过，价带、导带是电子的能级集合体。

在各级能带中，电子按照某种分布概率配置在各能级上。

那么，单位晶体中电子所能利用的能级数有几个，它们在能带中怎样分布呢? 这就需要借助统计力学的一些结论来说明，以帮助我们进一步来理解半导体。

1、电子的分布函数固体中的电子具有下述特征：1)根据泡利不相容原理．若占有同一个能级的电子数超过2个则不能有相同的能量值。

2)不能相互区别。

受此制约，能量为E的电子态(能级)被1个电子占有的概率可由下式的费米-狄拉克分布函数(或者简称费米函数)结出：这里，k为玻尔兹曼常数(k=1.38x10-23 J／K＝8.62x10-5 eV／K)，T是绝对温度[K]，EF 费米能级(费米能)。

可以看出，当能量E与费米能级EF相等时，分布函数为即电子占有率为l／2的能级称为费米能级。

左图表示了T=0K和任意温度T1、T2(T2> T1)时费米分布函数f(E)的情况。

我们注意到f(E)在E=EF时是对称的。

T=0K时，若E < EF , f(E)=1 ; 若E > EF,f(E)=0 。

这意味着比EF小的能级上全部被电子占据，比EF大的能级上全部空着(没有电子)。

图费米分布函数当温度上升，即T>0K时，电于占据比EF高的能级的概率很小，比EF低的能级上电子不存在(能级空着)的概率为1- f(E)。

这意味着EF附近的电子获得热能后，占据了比EF更高的能级，而在原处留下了空位。

当能量E 比E F 大3KT 或小3KT 时，费米分布函数中的指数项分别大于20或小于0.05。

半导体物理学讲义第⼀章半导体中的电⼦状态本章介绍：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。

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。

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。

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。

在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和⽅法。

⾃学内容。

在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构第⼀节半导体的晶格结构和结合性质本节要点1.常见半导体的3种晶体结构；2.常见半导体的2种化合键。

1. ⾦刚⽯型结构和共价键重要的半导体材料Si、Ge都属于⾦刚⽯型结构。

这种结构的特点是：每个原⼦周围都有四个最近邻的原⼦，与它形成四个共价键，组成⼀个如图1（a）所⽰的正四⾯体结构，其配位数为4。

⾦刚⽯型结构的结晶学原胞，是⽴⽅对称的晶胞如图1（b）图所⽰。

它是由两个相同原⼦的⾯⼼⽴⽅晶胞沿⽴⽅体的空间对⾓线滑移了1/4空间对⾓线长度套构成的。

⽴⽅体顶⾓和⾯⼼上的原⼦与这四个原⼦周围情况不同，所以它是由相同原⼦构成的复式晶格。

其固体物理学原胞和⾯⼼⽴⽅晶格的取法相同，但前者含两个原⼦，后者只含⼀个原⼦。

原⼦间通过共价键结合。

共价键的特点：饱和性、⽅向性。

2. 闪锌矿结构和混合键III-V族化合物半导体绝⼤多数具有闪锌矿型结构。

闪锌矿结构由两类原⼦各⾃组成的⾯⼼⽴⽅晶胞沿⽴⽅体的空间对⾓线滑移了1/4空间对⾓线长度套构成的。