第四章习题及答案 1. 300K时，Ge的本征电阻率为47Ωcm，如电子和空穴迁移率分别为 3900cm2/( V.S)和1900cm2/( V.S)。试求Ge 的载流子浓度。解：在本征情况下，n=p=ni,由ρ=1/σ= 47?1.602?10 -19 1nqu n +pqu = p 1niq(un+up)cm -3 知 ni= ρq(un+up) = ?(3900+1900) =2.29?10 13 2. 试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/( V.S)和500cm2/( V.S)。当掺入百万分之一的As后，设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征Si的电导率增大了多少倍？ 解：300K时，un=1350cm2/(V?S),up=500cm2/(V?S)，查表3-2或图3-7可知，室温下Si的本征载流子浓度约为ni=1.0?1010cm-3。本征情况下， σ=nqun+pqu p =niq(un+up)=1?10 10 ?1.602?10 18 -19 ?(1350+500)=3.0?10 12 -6
S/cm 金钢石结构一个原胞内的等效原子个数为8?+6?的晶格常数为0.543102nm，则其原子密度为 +4=8个，查看附录B知Si。 8 (0.543102?10 11000000 -7 ) 3 =5?10 22 cm -3 掺入百万分之一的As,杂质的浓度为ND=5?1022? =5?10 16 cm -3 ，杂质全 2 ND>>ni，部电离后，这种情况下，查图4-14（a）可知其多子的迁移率为800 cm/( V.S) σ≈NDqun=5?10 ''16 ?1.602?10 -19 ?800=6.4S/cm 比本征情况下增大了 σσ ' = 6.43?10 -6 =2.1?10倍
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 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 1.2 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 1.3 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。 1.4 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1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 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1.1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1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 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。
半导体物理第四章习题 答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第四篇 题解-半导体的导电性 刘诺 编 4-1、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。 解：对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主体作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体的相比较，影响并不大，所以这时侯随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加后，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。对一般掺杂半导体，由于杂质浓度较低，电离杂质散射基本可以忽略，起主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越低。 4-2、何谓迁移率影响迁移率的主要因素有哪些 解：迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。 4-3、试定性分析Si 的电阻率与温度的变化关系。 解：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降低。因为这时本征激发极弱，可以 忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子浓度逐步增加，相应地电离杂质散射也随之增加，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降低。 （2） 温度进一步增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范 围内，杂质已经全部电离，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降低，导致电阻率随温度升高而升高。 （3） 温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越 多，虽然迁移率随温度升高而降低，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降低。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。 4-4、证明当μn ≠μp ，且电子浓度p n i n n μμ/0=，空穴浓度n p i n p μμ/0=时半导体的电导率有最小值，并推导min σ的表达式。 证明：
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。
第四章 离子注入与快速热处理 1.下图为一个典型的离子注入系统。 （1）给出1-6数字标识部分的名称，简述其作用。 （2）阐述部件2的工作原理。 答：（1）1：离子源，用于产生注入用的离子； 2：分析磁块，用于将分选所需的离子； 3：加速器，使离子获得所需能量； 4：中性束闸与中性束阱，使中性原子束因直线前进不能达到靶室； 5：X & Y 扫描板，使离子在整个靶片上均匀注入； 6：法拉第杯，收集束流测量注入剂量。 （2）由离子源引出的离子流含有各种成分，其中大多数是电离的，离子束进入一个低压腔体内，该腔体内的磁场方向垂直于离子束的速度方向，利用磁场对荷质比不同的离子产生的偏转作用大小不同，偏转半径由公式： 决定。最后在特定半径位置采用一个狭缝，可以将所需的离子分离出来。 2.离子在靶内运动时，损失能量可分为核阻滞和电子阻滞，解释什么是核阻滞、电子阻滞？两种阻滞本领与注入离子能量具体有何关系？ 答：核阻滞即核碰撞，是注入离子与靶原子核之间的相互碰撞。因两者质量是同一数量级，一次碰撞可以损失很多能量，且可能发生大角度散射，使靶原子核离开原来的晶格位置，留下空位，形成缺陷。 电子阻滞即电子碰撞，是注入离子与靶内自由电子以及束缚电子之间的相互碰撞。因离子质量比电子质量大很多，每次碰撞损失的能量很少，且都是小角度散射，且方向随机，故经多次散射，离子运动方向基本不变。 在一级近似下，核阻滞本领与能量无关；电子阻滞本领与能量的平方根成正比。 1 2 3 4 5 6
3.什么是离子注入横向效应？同等能量注入时，As和B哪种横向效应更大？为什么？ 答：离子注入的横向效应是指，注入过程中，除了垂直方向外，离子还向横向掩膜下部分进行移动，导致实际注入区域大于掩膜窗口的效应。 B的横向效应更大，因为在能量一定的情况下，轻离子比重离子的射程要深且标准差更大。 4.热退火用于消除离子注入造成的损伤，温度要低于杂质热扩散的温度，然而，杂质纵向分布仍会出现高斯展宽与拖尾现象，解释其原因。 答：离子注入后会对晶格造成简单晶格损伤和非晶层形成；损伤晶体空位密度要大于非损伤晶体，且存在大量间隙原子核其他缺陷，使扩散系数增大，扩散效应增强；故虽然热退火温度低于热扩散温度，但杂质的扩散也是非常明显的，出现高斯展宽与拖尾现象。 5.什么是离子注入中常发生的沟道效应（Channeling）和临界角？怎样避免沟道效应？ 答：沟道效应，即当离子入射方向平行于主晶轴时，将很少受到核碰撞，离子将沿沟道运动，注入深度很深。由于沟道效应，使注入离子浓度的分布产生很长的拖尾；对于轻原子注入到重原子靶内是，拖尾效应尤其明显。 临界角是用来衡量注入是否会发生沟道效应的一个阈值量，当离子的速度矢量与主要晶轴方向的夹角比临界角大得多的时候，则很少发生沟道效应。临界角可用下式表示： 6.什么是固相外延（SPE）及固相外延中存在的问题？ 答：固相外延是指半导体单晶上的非晶层在低于该材料的熔点或共晶点温度下外延再结晶的过程。热退火的过程就是一个固相外延的过程。 高剂量注入会导致稳定的位错环，非晶区在经过热退火固相外延后，位错环的最大浓度会位于非晶和晶体硅的界面处，这样的界面缺陷称为射程末端缺陷。若位错环位于PN结耗尽区附近，会产生大的漏电流，位错环与金属杂质结合时更严重。因此，选择的退火过程应当能够产生足够的杂质扩散，使位错环处于高掺杂区，同时又被阻挡在器件工作时的耗尽区之外。 7.离子注入在半导体工艺中有哪些常见应用？ 答：阱注入、VT调整注入，轻掺杂漏极（LDD），源漏离子注入，形成SOI结构。 8.简述RTP设备的工作原理，相对于传统高温炉管它有什么优势？ 答：RTP设备是利用加热灯管通过热辐射的方式选择性加热硅片，使得硅片在极短的时间内达到目标温度并稳定维持一段时间。相对于传统高温炉管，RTP设备热处理时间短，热预算小，冷壁工艺减少硅片污染。 9.简述RTP在集成电路制造中的常见应用。 答：RTP常用于退火后损失修复、杂质的快速热激活、介质的快速热加工、硅化物和接触的形成等。 10.采用无定形掩膜的情况下进行注入，若掩膜/衬底界面的杂质浓度减少至峰值
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
半导体-金属导体平面界面结构导电性能的维度效应 宋太伟邹杏田璆璐 2017年3月 上海日岳新能源有限公司上海陆亿新能源有限公司上海建冶研发中心 内容摘要： 半导体-金属材料结构界面或其它由2种不同材料组成的复合材料结构界面，一般存在明显的微观扩散结势垒构造，这种扩散结对复合材料的导电性等物理性能产生明显影响。我们发现这种半导体-金属组合结构材料的导电性与半导体和金属导体的几何结构存在明显的关联效应，尤其是在体型半导体平面表面镀上金属薄膜的材料结构，表现出清晰的导电性等物理性能与材料几何结构维度的关联关系，这种材料的导电性呈现明显的二极管效应。我们用时空结构几何理论对此现象分别作了理论阐明。这种普遍存在的由半导体和金属材料的维度差异引起的复合材料的二极管效应，其理论价值与在光电工程领域的应用价值极大。 1 引言 两种不同材料的接触面，一般会产生接触势垒。由具有一定导电性能的两种材料依次排列组成的复合材料结构，由于不同材料导电电子的平均约束势能不同，在两种材料的接触界面附近，微观上呈非均衡的载流子扩散形态及电位梯度。界面附近导电电子低约束势能的材料呈现一定的正电性，相应的另一种导电电子高约束势能的材料界面附近呈现一定的负电性，复合材料内部这种不同材料界面附近的微观构造形态，是一种接触电位势垒，可称为电位势结，平面薄膜结构形态的也称为“量子泵”[3]。就导电性能来讲，这种内部界面构造，都有一定程度的二极管效应。半导体PN结是典型的界面电位势结构造形态。 我们在开发研制高效多结层硅基太阳能电池的过程中，发现不同材料界面附近的微观电位势结构造形态，对复合材料的导电性能的影响，存在明显的维度关联关系或者说尺度关联关系，也就是说，复合材料内部界面电位势结产生的二极管效应大小，与两种材料的几何维度构造明显关联，两种不同材料典型的几何维度形态结构组合是3维-2维、3维-1维、3维-0维、2维-1维、2维-0维等，见示意图1。我们重点对半导体硅晶体为3维、金属或非金属为2维薄膜的3-2维界面构造材料（示意图1中的a结构），就其光电性能变化进行了详细的实验与分析研究，使用的实验仪器设备主要包括真空镀膜系统、氙灯、单色仪、i-v曲线源表、椭圆偏振仪、显微镜等。我们运用简单的时空结构几何[1][2]模型，对3维-2维界面
常用术语翻译 active region 有源区 2.active ponent有源器件 3.Anneal退火 4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积 5.BEOL（生产线）后端工序 6.BiCMOS双极CMOS 7.bonding wire 焊线，引线 8.BPSG 硼磷硅玻璃 9.channel length沟道长度 10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积 11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化 12.damascene 大马士革工艺 13.deposition淀积 14.diffusion 扩散 15.dopant concentration掺杂浓度 16.dry oxidation 干法氧化 17.epitaxial layer 外延层 18.etch rate 刻蚀速率 19.fabrication制造 20.gate oxide 栅氧化硅 21.IC reliability 集成电路可靠性 22.interlayer dielectric 层间介质（ILD） 23.ion implanter 离子注入机 24.magnetron sputtering 磁控溅射 25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积 26.pc board 印刷电路板 27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD 28.polish 抛光 29.RF sputtering 射频溅射 30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI）
复习思考题与自测题 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，dk ,其变化 f h dt 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
第一篇 习题 半导体中的电子状态 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？试定性说 明之。 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。 1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。 1-5、某一维晶体的电子能带为 [])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --= 其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。求： （1） 能带宽度； （2） 能带底和能带顶的有效质量。 第一篇 题解 半导体中的电子状态 诺 编 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、解：空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下： A、荷正电：+q； B、空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）； C、E P=-E n D、m P*=-m n*。 1-4、解： （1）Ge、Si: a）Eg (Si：0K) = 1.21eV；Eg (Ge：0K) = 1.170eV； b）间接能隙结构 c）禁带宽度E g随温度增加而减小； （2）GaAs： a）E g（300K） 第二篇习题-半导体中的杂质和缺陷能级 诺编 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？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。
第一章 2、列出20世纪上半叶对半导体产业发展做出贡献的4种不同产业。P２ 答：真空管电子学、无线电通信、机械制表机及固体物理. 3、什么时间、什么地点、由谁发明了固体晶体管?P3 答：1947年１2月16日在贝尔电话实验室由威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿发明了固体晶体管. 5、列出5个集成时代,指出每个时代的时间段，并给出每个时代每个芯片上的元件数.P4 ６、什么是硅片？什么是衬底?什么是芯片? 答:芯片也称为管芯（单数和复数芯片或集成电路），硅圆片通常被称为衬底 8、列出集成电路制造的5个重要步骤，简要描述每个步骤.Ｐ4 1０、列出提高微芯片制造技术相关的三个重要趋势，简要描述每个趋势.P8 11、什么是芯片的关键尺寸？这种尺寸为何重要?P9 13、什么是摩尔定律？它预测了什么？这个定律正确吗？P10 14、自1947年以来靠什么因素使芯片价格降低？给出这种变化的两个原因. 16、描述硅片技师和设备技师的职责。P1６ 第三章 1１.解释ｐn结反偏时发生的情况。P45 答：导致通过二极管的电流很小，甚至没有电流. １2.解释ｐn结正偏时发生的情况.P45 答：将一正偏施加于pn结，电路中n区电子从偏压电源负极被排斥。多余的电子从负极注入到充满空穴的p区,使n区中留下电子的空穴。同时,ｐ区的空穴从偏压电源正极被排斥。由偏压电源正极提供的空穴中和由偏压电源负极提供的电子。空穴和电子在结区复合以及克服势垒电压大大的减小了阻止电流的行为。只要偏压对二极管能维持一个固定的空穴和电子注入,电流就将持续的通过电路. １3.双极晶体管有多少个电极、结和类型?电极的名称分别是什么？类型名称分别是什么？Ｐ46 答:有三电极和两个ｐn结、两种类型。电极名称:发射极、基极、集电极.类型名称：ｐnp、ｎpn. 1６.BJT是什么类型的放大器器件？它是怎么根据能量要求影响它的应用的？P４７ 答：驱动电流的电流放大器件.发射极和集电极都是n型的重掺杂,比如砷或磷。基极是p型杂质硼的轻掺杂。基极载流子减少，基极吸引的电流将明显地比集电极吸引的电流小。这种差别说明了晶体管从输入到输出电流的增益。晶体管能线性地将小的输入信号放大几百倍来驱动输出器件。 1８．双极技术有什么显著特征?双极技术的最大缺陷是什么？P48 答：高速、耐久性、功率控制能力。缺陷:功耗高。 19。场效应晶体管（ＦEＴ）有什么优点？P４9 答：利于提高集成度和节省电能。 22.FET的最大优势是什么？Ｐ49 答：低电压和低功耗。 2５.ＦEＴ的两种基本类型是什么？他们之间的主要区别是什么？Ｐ５0 答：结型（JＦET)和金属-氧化物型（MOSFET)半导体。区别是:MOSFET作为场效应晶体管输入端的栅极由一层薄介质与晶体管的其他两极绝缘.JFET的栅极实际上同晶体管其他电极形成物理的ｐn结。 ２6.MOSFET有哪两种类型？它们怎么区分?Ｐ50 答：ｎMOS(ｎ沟道）和ｐMOS(ｐ沟道）。每种类型可由各自器件的多数载流子来区分。 第四章 1。列举得到半导体级硅的三个步骤.半导体级硅有多纯？P6４ ４.描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片?Ｐ６5 ９．为什么要用单晶进行硅片制造？Ｐ67 14。什么是CZ单晶生长法？P68 ２2。为什么要用区熔法生长硅晶体?P71 ２３。描述区熔法。P７1 ２5.给出更大直径硅片的三大好处。Ｐ72 26。什么是晶体缺陷？P73 37.在直径为20０ｍm及以上硅片中切片是怎么进行的？P77 41。为什么要对硅片表面进行化学机械平坦化?P７8 43。列举硅片的７种质量要求。P７9 第五章 1．什么是物质的四种形态？试分别描述之。Ｐ87 ６．描述三种温标,哪一种是科学工作中最常用的温标？P ８９ 8。给出真空的定义。什么是最常用的真空单位，它是怎么定义的？P9１ ９.给出冷凝和蒸发的定义。吸收和吸附之间有什么不同？Ｐ91－92 １１．给出升华和凝华的定义。P9２ 13．什么是表面张力？P93 14。给出材料的热膨胀系数Ｐ9４。 20。什么是酸?列出在硅片厂中常用的三种酸。P9５21．什么是碱？列出在硅片厂中常用的三种碱。Ｐ96 ２３．什么是溶剂？列出在硅片厂中常用的三种溶剂。P97 24。描述在硅片厂中使用的去离子水的概念.Ｐ97 31．什么是处理特殊气体所面临的最大挑战?P99 3８．描述三种特殊气体并分别举例。P10１
第四章 半导体的导电性 引言 前几章介绍了半导体的一些基本概念和载流子的统计分布，还没有涉及到载流子的运动规律。本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，以及弱电场情况下电导率的统计理论和强电场情况下的效应，并介绍热载流子的概念。 §载流子的漂移运动和迁移率 一、欧姆定律 1.金属：V I R = （） l R s ρ=（） 单位：m Ω?和cm Ω? 1 = σρ （） 单位：/m S 和/cm S 2.半导体： 电流密度：通过垂直于电流方向的单位面积的电流，J=I s ??（） 单位：/m A 和/cm A 电场强度：= V l ε（）单位：/m V 和/cm V 均匀导体：J= I s （） 所以，J==I V l s Rs Rs εεσ==（） 上式表示半导体的欧姆定律，把通过导体某一点的电流密度和改点的电导率及电场强度直接联系起来，称为欧姆定律的微分形式。 二、漂移速度和迁移率 有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿电场反方向作定向运动构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 电子的平均漂移速度为d v ，则其大小与电场强度成正比： d v με=（）其中，μ称为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，单位是
m 2 /V·s 或cm 2 /V·s。由于电子带负电，其d v 与E 反向，但μ习惯上只取正值， 即d v με = （） d J nqv =- 三、 半导体的电导率和迁移率 型半导体：n p ，0n n q σμ=（） 型半导体：p n ，0p p q σμ=（） 3.本征半导体：i n p n ==，()i n p n q σμμ=+（） 4.一般半导体：n p nq pq σμμ=+（） §载流子的散射 一、载流子散射的概念 在有外加电场时，载流子在电场力的作用下作加速运动，漂移速度应该不断增大，由式： d J nqv =-可知，电流密度将无限增大。但是由式：J σε=可知，电流密度应该是恒定的。 因此，二者互相矛盾。 （一）没有外电场作用时 在一定温度下： 半导体内部的大量载流子永不停息地做无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动； } d v με =(4.110) J nq με=-(4.111) nq σμ=-电导率与迁移率之间的关系 实际中，存在破坏周期性势场的作用因素：杂质、缺陷、晶格热振动等。 一块均匀半导体，两端加以电压，在其内部形 成电场。 电子和空穴漂移运动的方向不同，但形成的电 流都是沿着电场方向的。 半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导 电的总和。
半导体物理习题
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第一章 1．试定性说明Ｇｅ、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 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。 2．试指出空穴的主要特征。 解：空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态,是准粒子。主要特征如下：Ａ、荷正电:q +;Ｂ、空穴浓度表示 为p （电子浓度表示为n );C 、n p E E -=;Ｄ、* *n p m m -=。 3.简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。 解:(1) Ｇｅ、Si: a ）Eg (Ｓi ：0Ｋ) ＝ 1．21eV ；Eg (Ｇe:0K) = 1.1７０ｅＶ; ｂ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； （2) GaAs: a)E ｇ(300K ）= 1.4２８ｅＶ,Eg （０K) ＝ 1.５２2e Ｖ; b)直接能隙结构; c)Eg 负温度系数特性: ｄE g ／dT = -3．9５×10-４ｅＶ/K; 4.试述有效质量的意义 解：有效质量概括了半导体的内部势场的作用,使得在解决半导体的电子自外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用,特别是*m 可以直接由实验测定，因而可以方便解决电子的运动规律。 5．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量)(k E c 和价带极大值附近能量)(k E v 分别为: 0212022)(3)(m k k m k k E c -+= ,0 2 2021236)(m k m k k E v -= 0m 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1==π。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; （4） 价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 解:(1）导带：由0) (2320 1202=-+m k k m k 得:143k k = 又因为0382320202022 2>=+=m m m dk E d c 所以：在k k 43 =处，c E 取最小值 价带:060 2=-=m k dk dE v 得：k ＝0 又因为060 2 2 2<-=m dk E d v 所以：0=k 处，v E 取最大值
Chapter 3 3、1 If were to increase, the bandgap energy would decrease and the material would begin to behave less like a semiconductor and more like a metal、 If were to decrease, the bandgap energy would increase and the material would begin to behave more like an insulator、 _______________________________________ 3、2 Schrodinger's wave equation is: Assume the solution is of the form: Region I: 、 Substituting the assumed solution into the wave equation, we obtain: which bees This equation may be written as Setting for region I, the equation bees: where Q、E、D、 In Region II, 、 Assume the same form of the solution: Substituting into Schrodinger's wave equation, we find: This equation can be written as: Setting for region II, this equation bees where again Q、E、D、 _______________________________________ 3、3 We have Assume the solution is of the form: The first derivative is and the second derivative bees Substituting these equations into the differential equation, we find bining terms, we obtain We find that Q、E、D、 For the differential equation in and the proposed solution, the procedure is exactly the same as above、 _______________________________________ 3、4 We have the solutions for and for 、 The first boundary condition is which yields The second boundary condition is which yields The third boundary condition is which yields
半导体的导电性 1载流子的漂移运动和迁移率 欧姆定律 电流密度 指通过垂直于电流方向的单位面积的电流 漂移速度和迁移率 1.有外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向作定向运动构成电 流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。 2.当导体内部电场E恒定时，电子应具有一个恒定不变的平均漂移速度v_d。电场强度增大时， 电流密度J也相应地增大，因而，平均漂移速度v_d也随着电场强度E的增大而增大，反之亦 然。 3.电子的迁移率μ的大小反映了载流子在外电场的作用下，载流子运动能力的强弱。 半导体的电导率和迁移率 1.半导体的导电作用是电子导电和空穴导电的总和。 2.导电的电子是在导带中，它们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子；而导电的空穴 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键间运动时所产生的电流。 3.在相同电场作用下，导带电子平均漂移速度>价带空穴平均漂移速度，就是说，电子迁移率>空 穴迁移率。 2载流子的散射 载流子散射的概念 1.在一定温度下，半导体内部的大量载流子即使没有电场作用，它们也不是静止不动的，而是永 不停息地作着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动。 2.载流子无规则热运动与热振动着的晶格原子、电离了的杂质离子发生碰撞，速度方向发生改 变，即电子波在传播时遭到了散射。 3.自由载流子，实际上只在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平 均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。 4.存在外电场时，一方面载流子受到电场力的作用，作定向漂移运动；另一方面载流子仍不断地 遭到散射，使运动方向不断发生改变。→运动方向和速度大小不断变化→漂移速度不能无限地积累→加速运动只在两次散射之间存在→平均漂移速度 半导体的主要散射机构 散射原因：周期性势场被破坏而存在附加势场。
第4章 半导体的导电性 2.试计算本征Si 在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm 2/V s 和500 cm 2/V s 。当掺入百万分之一的As 后，设杂质全部电离，试计算其电导率。掺杂后的电导率比本征Si 的电导率增大了多少倍 解：将室温下Si 的本征载流子密度1010 /cm 3 及题设电子和空穴的迁移率代入电导率公式 ()i i n p n q σμμ=+ 即得： 101961.510 1.610(1350500) 4.4410 s/cm i σ--=????+=?； 已知室温硅的原子密度为5 1022 /cm 3 ，掺入1ppm 的砷，则砷浓度 22616351010510 cm D N --=??=? 在此等掺杂情况下可忽略少子对材料电导率的贡献，只考虑多子的贡献。这时，电子密度n 0因杂质全部电离而等于N D ；电子迁移率考虑到电离杂质的散射而有所下降，查表4-14知n-Si 中电子迁移率在施主浓度为51016 /cm 3 时已下降为800 cm 2 /V s 。于是得 1619510 1.610800 6.4 s cm n nq σμ-==????=/ 该掺杂硅与本征硅电导率之比 8 66.4 1.44104.4410 i σσ-==?? 即百万分之一的砷杂质使硅的电导率增大了亿倍 5. 500g 的Si 单晶中掺有 10-5g 的B ，设杂质全部电离，求其电阻率。 （硅单晶的密度为2.33g/cm 3 ，B 原子量为）。 解：为求电阻率须先求杂质浓度。设掺入Si 中的B 原子总数为Z ，则由1原子质量单位= 10-24 g 算 得 618 24 4.510 2.51010.8 1.6610 Z --?==???个 500克Si 单晶的体积为3500 214.6 cm 2.33 V = =，于是知B 的浓度 ∴18 16-32.510 1.1610 cm 214.6 A Z N V ?== =? 室温下硅中此等浓度的B 杂质应已完全电离，查表4-14知相应的空穴迁移率为400 cm 2/V s 。 故 1619 11 1.35cm 1.1610 1.610400 A p N q ρμ-= ==Ω?????
半导体物理答案 一、填空 1．纯净半导体Si中掺V族元素的杂质，当杂质电离时释放。这种杂质称杂质；相应的半导体称型半导体。 2．当半导体中载流子浓度的分布不均匀时，载流子将做运动；在半导体存在外加电压情况下，载流子将做运动。 3．n o p o=n i2标志着半导体处于状态，当半导体掺入的杂质含量改变时，乘积n o p o 改变否？；当温度变化时，n o p o改变否？。 4．非平衡载流子通过而消失，叫做寿命τ，寿命τ与在中的位置密切相关，对于强p型和强n型材料，小注入时寿命τn 为，寿命τp为。 5．是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量，是反映有浓度梯度时载流子运动难易程度的物理量，联系两者的关系式是，称为关系式。 6．半导体中的载流子主要受到两种散射，它们分别是和 。前者在下起主要作用，后者在 下起主要作用。 7．半导体中浅能级杂质的主要作用是；深能级杂质所起的主要作用。 8．对n型半导体，如果以E F和E C的相对位置作为衡量简并化与非简并化的标准，那末，为非简并条件；为弱简并条件；为简并条件。 12．当P-N结施加反向偏压增大到某一数值时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为，其种类为：、和。 13．指出下图各表示的是什么类型半导体？ 14．当半导体中载流子浓度存在浓度梯度时，载流子将做运动；半导体存在电势差时，载流子将做运动，其运动速度正比于，比例系数称为。 15．np>n i2意味着半导体处于状态，其中n= ； p 。这时半导体中载流子存在净复合还是净产生？。16．半导体中浅能级杂质的主要作用是增强载流子的浓度；深能级杂质所起的主要作用增强载流子的复合。 17．非平衡载流子通过而消失，叫做寿命τ，寿命τ与在中的位置密切相关，当寿命τ趋向最小。
微电子期末复习
集成电路发展历史：1947年。贝尔实验室，点接触晶体管，1956年诺贝尔物理奖。 1948年 W. Shockley 提出结型晶体管概念 1950年第一只NPN结型晶体管 1959年第一个集成电路 集成电路--将多个电子元件（晶体管、二极管、电容、电阻、电抗等）集成到（硅）衬底上。 集成电路的制造步骤：1硅片制备2硅芯片制造（重点）3硅片测试/拣选4装配与 封装5终测 关键尺寸(CD)：集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。它是衡量集成 电路设计和制造水平的重要尺度，关键尺寸越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好。 摩尔定律：Moore 定律是在1965 年由INTEL公司的Gordon Moore 提出的， 其内容是：硅集成电路按照4 年为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%，IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。 单晶硅：单晶硅，也称硅单晶，具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向 具有不同的性质，是一种良好的半导材料。 1用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成 2纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等 3半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅 多晶硅：1：多晶硅硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂 2：主要用做半导体的原料，是制做单晶硅的主要原料，可作各种晶体管、整流二极管、可控硅、太阳能电池、集成电路、电子计算机芯片以及红外探测器等。非晶硅：非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，
也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点。 单晶硅的制备方法主要有：1：CZ法（直拉法） 2：悬浮区熔法（CF法） 其本质都是把熔融硅冷却成硅晶体 CZ法： 1：CZ法生长单晶硅把熔化的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭,85%以上的单晶硅是采用CZ法生长,籽晶为所需晶向的单晶硅。 直拉法目的：实现均匀掺杂和复制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，限制杂质 引入； 关键参数：拉伸速率和晶体旋转速度。 直拉法长单晶硅工艺过程:引晶，收颈，放肩，等径生长，收尾，冷却，晶 棒 直拉法（CZ法）生长单晶的特点： 优点：1:所生长的单晶的直径较大、成本相对较低 2:通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制电阻率径向均匀性 缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧碳杂质， 不易生长高电阻率单晶。 改进直拉生长法-磁控直拉技术：原理：在CZ法生长单晶的基础上对坩埚 内的熔体施加磁场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而，除磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。 优点：1. 减少温度波动2. 减轻熔硅与坩埚作用3. 使粘滞层厚度增大；4. 降 低了缺陷密度和氧含量 硅单晶掺杂： 1. 在拉制单晶的过程中，在熔体中加入一定量的掺杂剂，就可以对单晶进行掺杂。对于硅来说，常用的P型掺杂剂是硼（B），而N型掺杂剂则是磷（P）。 2. 在掺杂过程中，晶体中的杂质浓度与熔体中的杂质浓度会有差异，用分凝系数（Segregation Coefficient）来表示k0=Cs/Cl，其中Cs和Cl分别是固