北京科技研究生半导体材料导论复习题

1、半导体材料有哪些特征？答：半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。

（1）在室温下，它的电导率在103~10-9S/cm之间，S为西门子，电导单位，S=1/ρ（Ω. cm) ；一般金属为107~104S/cm，而绝缘体则<10-10，最低可达10-17。

同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。

（2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。

（3）有两种载流子参加导电。

一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。

而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。

在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。

2、简述半导体材料的分类。

答：对半导体材料可从不同的角度进行分类例如：根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体；根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体；根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体，但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。

3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。

答：由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。

固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。

固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。

4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。

答：s = nem其中：n为载流子浓度，单位为个/cm3;e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。

m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s；电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。

5、简述霍尔效应。

答：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。

6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。

答：按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。

根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。

在禁带里，是不允许有电子存在的。

禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。

在电场作用下，成为载流子。

因此，导体载流子的浓度很大。

对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。

但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。

绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。

半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。

因此，绝缘体的载流子的浓度很小。

导电性能很弱。

实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少。

所以，在一般情况下，可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。

但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。

7、什么是本征半导体和杂质半导体？答：当半导体主要是靠热激发产生载流子时，导电称为本征导电，这种半导体称为本征半导体，其特点是自由电子数等于空穴数。

另一种导电机制是靠电活性杂质形成的载流子导电，这种导电称为杂质导电，这种半导体称为杂质半导体。

8、什么是施主杂质和受主杂质？答：施主杂质：以杂质导电为主的、能向导带贡献电子的杂质，称为施主杂质。

对IV族元素半导体而言，V族元素就是施主杂质。

受主杂质：从价带俘获电子，而在价带形成空穴的杂质称为受主杂质。

对IV族素半导体而言，III族元素就是受主杂质。

9、简述材料的载流子浓度与温度的关系。

答：以n型为例，I为高温区，这时本征激发的载流子浓度超过杂质所提供的载流子浓度。

II为中温区，为杂质载流子的饱和区，因为杂质的电离能比禁带宽度小得多，因此在相当大的温度范围内杂质全部电离，在此温度范围内，载流子浓度无变化。

III区是在温度相当低时，本征激发的载流子与杂质激发的载流子都随温度下降而减少所出现的载流子浓度与温度的关系。

10、简述材料的载流子的迁移率与温度的关系。

答：在低温段，以电离杂质散射为主，由于载流子运动与电离杂质的静电场相互作用的结果，迁移率随温度上升而增大；在高温区，则晶格散射起主导作用，随温度升高，晶格振动的振幅增大，对载流子的运动的散射作用就增强，因此迁移率变低。

迁移率的最大时的温度，也就是从电离杂质散射转变到晶格散射的温度，取决于电离杂质含量，杂质含量愈高，其转变温度也愈高。

11、简述pn结原理。

答：当这两块半导体结合成一个整体时，p 型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非无休止的，因为这种扩散打破了边界附近的电中性，空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势场（电场），或称扩散电势。

这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平衡的电势用V扩表示，这就构成pn结。

12、何为肖特基结和肖特基势垒？答：一块n型半导体与金属相接触，一般半导体的逸出功比金属小，这样半导体中的电子就流入金属，达到平衡后形成势垒，称肖特基势垒，由此形成的结为肖特基结。

13、简述异质结形成的原理。

答：两种不同半导体材料所组成的结构为异质结，例如，材料A生长在材料B上，在A与B的交界处就形成了异质结。

异质结的材料A与B可以是同一导电类型的，即pp或nn，称同型异质结；也可以是不同导电类型的，即pn或np，称异型异质结。

14、简述量子阱的结构和形成的条件。

答：量子阱：如果半导体材料A与B组成多层异质结，A被夹在B之间，且A的导带E cA低于B的E cB，A的价带顶E vA高于B的E vB。

当A层的厚度小至可以与量子力学中电子的德布罗意波长（~10nm）相当时，就形成量子阱。

15、简述超晶格的种类。

答：超晶格种类：每种材料层的厚度通常为晶格常数的2~20倍。

而周期数可以作到几十、几百甚至上千层。

如果周期较多，由于电子波函数的耦合，使原来的各单量子阱的能级展宽成能带。

超晶格材料可分为组分超晶格、掺杂超晶格、复型超晶格、应变层超晶格、短周期超晶格、非晶超晶格等。

16、何为热电效应？塞贝克效应和帕尔贴效应？答：热电效应:是由温差引起的电效应（塞贝克效应）和由电流引起的可逆热效应（帕尔贴效应）的总称，因此也称之为温差电效应。

1821 年，德国人塞贝克（Seebeck）发现在锑与铜相接触所形成的回路中，如果一个接触点与另一个接触点的温度不同，就会产生电动势，此即塞贝克效应。

1834年，法国人帕尔帖（Peltier）发现当电流通过两种金属的接点时，往一个方向使触点放热，换成相反方向，则使触点吸热，此现象称为波尔帖效应。

17、何为光电导？答：既然光子可形成本征激发，那么所形成的电子--空穴对就增大了材料的电导率，这种现象就称为光电导。

18、何为本底纯度？答：在材料中杂质的行为多种多样，而所需要的杂质的种类很少，却要求有准确的含量。

所以可行的办法是先把半导体材料进行提纯，把其中所有的杂质降到一定的水平，使材料获得较高的本底纯度，然后再掺入所需的杂质。

19、详述缺陷的种类和内容。

答：晶体缺陷通常可分为：（1）点缺陷这主要是单个原子之间的变化，如空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它们构成的复合体。

（2）线缺陷呈线状排列，例如位错就是这类缺陷。

（3）面缺陷呈面状，在另一个方向上尺寸较小，如晶界、堆垛层错、相界等。

（4）体缺陷如空洞、夹杂物、杂质沉淀物等。

（5）微缺陷几何尺寸在微米级或更小，如点缺陷的聚集物、微沉积物等。

缺陷如按其形成过程，可分为原生缺陷（在晶体制备过程中所引入的缺陷）和二次缺陷（在晶体加工过程，包括器件制备过程所引入的缺陷）。

20、电导率的测量法。

答：电阻率为电导率的倒数，用W.cm（欧姆.厘米）作单位。

测量电阻率可用四探针法、两探针法。

也可以直接切成矩形样品测其电阻，再用尺寸换算。

在测量电阻率均匀性时，也可用上述方法。

但在测量微观电阻率不均匀性时，因要求其分辨率达mm级，故采用扩展电阻法及电子束感应电流（EBIC）法等。

21、如何测定半导体材料的导电类型？答：测量导电类型一般使用热探针法。

将一个热探针和一个冷探针放在半导体材料上，保持一定距离，因热端的多数载流子的扩散速度比冷端快，因此产生电位差，这电位差的正负取决于多数载流子带正电荷还是带负电荷，从此可测出材料是n型还是p型。

22、纯度的本征方法有哪几种？各有何优缺点？答：材料的纯度可分为目的纯度与整体纯度两种。

◆目的纯度是指对某种（些）特定杂质的含量要严格低于某些数值，而对其他杂质的含量则要求较宽的情况下的纯度。

整体纯度是指要控制材料中所有的或绝大部分杂质的情况。

◆表征整体纯度是一般用（1-SXi）×100% 来表示，其中Xi为分析所得各杂质的含量。

◆得到的结果可简化为若干个”9”，因为“9“的英文是nine, ”9”常用”N “ 来表示。

例如杂质总含量为0.00035%，用上式计算得99.99965，称为5个“9” 或5N纯度。

◆这种表征方法的缺点是，对同一个对象而言，分析的杂质种类愈多，则SXi的值愈大，其表征纯度愈低，如果漏掉一个含量高的杂质，那它的表征数值不能确切地反映其真实的纯度。

◆为了弥补这一缺点，常常在用上述方法标出其纯度的同时，说明分析了哪些元素及其含量。

◆因此要较全面地表征一些高纯元素，既要标出各种杂质的分析结果，即几个“9”，又要列出其RRR值。

23、提纯的方法有哪些？答：用于半导体材料的提纯方法较多，可分为两大类：⏹一类是有其他物质参加化学反应的，称为化学提纯。

化学提纯的方法有电解法、萃取法、化合物精馏法、络合物法、化学吸附法等。

⏹另一类是不改变其化学主成分而直接进行提纯的，称为物理提纯。

物理提纯的方法有真空蒸发法、区熔法、直拉单晶法等。

24、何为分凝现象和分凝系数？答：如果在A熔体中存在着微量的B杂质，并且它们在固体的状况下是形成固溶体，则在冷却析晶时，微量的B 杂质将有一部分凝入固相中，但杂质在晶体中的浓度和在熔体中的浓度是不一样的，在熔体中B的浓度是C L,在晶体中B的浓度是C s。