半导体总复习讲解
第三节 半导体
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第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一,其作用和意义不容小觑。
在此我们将深入探讨半导体的相关知识。
一、什么是半导体?
半导体是指在室温下,其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
有
时也被称为半导体晶体。
二、半导体的种类
从其晶体结构来看,半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。
三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应,能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向,因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。
2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件,如太阳能电池、发光二极管、激光器等。
3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性,制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件,如IGBT器件等。
4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。
四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中,需要更高的速度、更小的面积和功耗,因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。
2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高,需要更高效、更可靠、更节能的电子设备,因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。
3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用,半导体技术发展也将趋于多样化。
总而言之,半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着,也将成为电子行业长期的研究方向之一。
半导体物理复习归纳
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半导体物理复习归纳————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:一、半导体的电子状态1、金刚石结构(Si、Ge)Si、Ge原子组成,正四面体结构,由两个面心立方沿空间对角线互相平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构(GaAs)3-5族化合物分子构成,与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合,有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构(ZnS)与闪锌矿结构类似,以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物,但具有离子性,且离子性占优。
4、氯化钠结构(NaCl)沿棱方向平移1/2,形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动,导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子,即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。
7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用(有效质量为负说明晶格对粒子做负功)b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄,二次微商越小,有效质量越大。
8、测量有效质量的方法回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰,要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。
9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子,称为空穴。
这是一种假想的粒子,其带正电荷+q,而且具有正的有效质量m p*。
10、轻/重空穴重空穴:有效质量较大的空穴轻空穴:有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
半导体物理复习资料
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第一章 半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分:Ⅰ导体内部存在部分充满的能带,在电场作用下形成电流;Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带,在电场作用下无电流产生; Ⅲ半导体的价带是完全充满的,但与之上面靠近的能带间的能隙很小,电子易被激发到上面的能带,使这两个能带都变成部分充满,使固体导电。
2.电子的有效质量是*n m ,空穴的有效质量是*p m ;**np m m -=,电量等值反号,波矢k 与电子相同 能带底电子的有效质量是正值,能带顶电子的有效质量是负值。
能带底空穴的有效质量是负值,能带顶空穴的有效质量是正值。
3.半导体中电子所受的外力dtdkh f ⋅=的计算。
4.引进有效质量的意义: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。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.施主能级:被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E D ;施主能级很接近于导带底;受主能级:被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级E A ;受主能级很接近于价带顶。
施主能级图 受主能级图2.浅能级杂质:杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质,电离后向相应的能带提供电子或空穴。
深能级杂质:能级位于禁带中央位置附近,距离相应允带差值较大。
深能级杂质起复合中心、陷阱作用;浅能级杂质起施主、受主作用。
3.杂质的补偿作用:半导体中同时含有施主和受主杂质,施主和受主先相互抵消,剩余的杂质发生电离。
在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As )掺入Ⅳ族杂质原子(Si ),Si 为两性杂质,既可作施主,亦可作受主。
设315100.1-⨯=cm N A ,316101.1-⨯=cm N D ;则316100.1-⨯=-=cm N N n A D 由p n n i ⋅=2,可得p 值;①p n ≈时,近似认为本征半导体,i F E E =;②p n μμ=时,本征电导p n σσ=; p n >>时,杂质能级靠近导带底;第三章 半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=Tk E E E f F 0exp 11)((本征);⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=T k E E E f F 0exp 2111)((杂质);玻尔兹曼分布函数(非简并半导体) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=T k E A E f B0exp )(;2.费米能级:TF N F E ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂==μ;系统处于热平衡状态,也不对外界做功的情况下,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化,等于系统的化学势,也就是等于系统的费米能级。
半导体物理第七章总结复习_北邮分析
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第七章一、基本概念1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。
金属功函数:金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V sm D -=5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制,正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内,即空间电荷区。
表面空间电荷区=阻挡层=势垒层6.电子阻挡层:金属功函数大于N 型半导体功函数(Wm>Ws )的MS 接触中,电子从半导体表面逸出到金属,分布在金属表层,金属表面带负电。
半导体表面出现电离施主,分布在一定厚度表面层内,半导体表面带正电。
电场从半导体指向金属。
取半导体内电位为参考,从半导体内到表面,能带向上弯曲,即形成表面势垒,在势垒区,空间电荷主要有带正电的施主离子组成,电子浓度比体内小得多,因此是是一个高阻区域,称为阻挡层。
【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】7.电子反阻挡层:金属功函数小于N 型半导体功函数(Wm<Ws )的MS 接触,电子从金属流向半导体,半导体表面带负电,金属表面带正电,电场方向指向半导体。
从半导体内到表面,能带下弯曲,半导体表面电子浓度比体内高(N 型反阻挡层)。
8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度:s m s D W W qV qV -=-=9.表面势垒宽度:10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位,半导体表面的势能Vs 。
11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态,对应的能级称为表面能级。
表面态一般分为施主型和受主型两种。
若能级被电子占据时呈中性,施放电子后呈正电性,成为施主型表面态;若能级空着的时候为电中性,接收电子后带负电,则成为受主型表面态。
期末复习 半导体材料知识讲解
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半导体材料的分类(按化学组成分类)
• 无机物半导体
– 元素半导体:(Ge, Si) – 化合物半导体
• 三、五族GaAs • 二、六族
• 有机物半导体
6
能带理论(区别三者导电性)
• 金属中,由于组成金属的原子中的价电子占据的 能带是部分占满的,所以金属是良好的导体。
• 半导体由于禁带宽度比较小,在温度升高或有光 照时,价带顶部的电子会得到能量激发到导带中 去,这样在导带中就有自由电子,在价带中就相 应的缺少电子,等效为带有正电子的空穴,电子 和空穴同时参与导电,使得半导体具有一定的导 电性能。
• 一般对于绝缘体,禁带宽度较大,在温度升高或 有光照时,能够得到能量而跃迁到导带的电子很 少,因此绝缘体的导电性能很差。
7
半导体结构类型
• 金刚石结构(Si/Ge):同种元素的两套面心 立方格子沿对角线平移1/4套构而成
• 闪锌矿(三、五族化合物如GaAs):两种元 素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套 构而成
效应
12
作业
• 1.什么是分凝现象?平衡分凝系数?有效分凝系 数?
• 2.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。
• 3.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。
• 4.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。
半导体材料
期末复习
2
考试题型
• 填空30分,每空一分 • 判断题10分,每题一分 • 名词解释20分,每题4分 • 问答题40分,6个题目 • AB卷
3
半导体材料概述
• 从电学性质上讲(主要指电阻率)
– 绝缘体1012—1022 Ω.cm – 半导体10-6—1012 Ω.cm – 良导体≤10-6Ω.cm – 正温度系数(对电导率而言) – 负温度系数(对电阻率而言) – 导体????
半导体工艺复习精华
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一.名词解释:①.CZ 直拉法:是用包括熔炉,拉晶机械装置(籽晶夹具,旋转机械装置),环境控制装置的拉晶机进行结晶。
多晶硅放入坩埚中,熔炉加热到超过硅的熔点,将一个适当晶向的籽晶放置在籽晶夹具中,悬于坩埚之上,将籽晶夹具插入熔融液中,虽然籽晶将会部分融化,但其未融化的籽晶顶部将会接触熔融液的表面、将籽晶慢慢拉起,熔融液在固体液体的表面逐渐冷却,从而产生很大的晶体即从熔融硅中生长单晶硅的基本技术称为直拉法。
②.硅的区熔(float-zone )法:在单晶生长过程中持续不断的向熔融液中添加高纯度的多晶硅,使得熔融液初始的掺杂浓度维持不变的基本技术称为硅的区熔(float-zone )法。
③.分凝系数:硅中的杂质平衡密度与二氧化硅中的杂质平衡密度的比值定义为分凝系数K 。
④.有效分凝系数:固体界面附近的平衡掺杂浓度Cs 与远离界面处熔融液中掺杂浓度的比值Se l C k C。
⑤.Bridgman 法:用于晶体生长用的材料装在圆柱型的坩埚中,缓慢地下降,并通过一个具有一定温度梯度的加热炉,炉温控制在略高于材料的熔点附近。
根据材料的性质加热器件可 以选用电阻炉或高频炉。
在通过加热区域时,坩埚中的材料被熔融,当坩埚持续下降时,坩埚底部的温度先下降到熔点以下,并开始结晶,晶体随坩埚下降而持续长大。
⑥.光学光刻:光刻就是将掩膜上的几何图形转移到涂在半导体晶片表面的敏光薄层材料上的工艺过程。
⑦.替位式扩散:在高温下晶格原子在格点平衡位置附近震动,基质原子有一定的几率获得足够的能量脱离晶格格点而成为间隙原子因而产生一个空位,这样邻近的杂质原子就可以移到该空位这种扩散机制称为替代式扩散(空位扩散)。
⑧.填隙式扩散:如果间隙杂质原子从一个位置运动到另一个位置而并不占据格点这种机制称为填隙式扩散。
⑨.本征扩散:在杂质原子往半导体中进行热扩散时,如果杂质原子的浓度小于热扩散温度下半导体中的本征载流子浓度,则杂质原子的扩散系数为常数,这种扩散就称为本征扩散。
半导体复习提纲
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第一章半导体中的电子(diànzǐ)状态1半导体的三种(sān zhǒnɡ)结构:金刚石型(硅和锗)闪锌矿型(Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料(cáiliào)以及部分Ⅱ-Ⅵ族化合物如GaAs, InP, AlAs ,纤矿型(Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体ZnS、ZnSe、CdS、CdSe).结晶学原胞是立方(lìfāng)对称的晶胞。
2电子(diànzǐ)共有化运动:当原子相互接近形成晶体时,不同原子的内外各电子壳层出现交叠,电子可由一个原子转移到相邻的原子,因此,电子可以在整个晶体中运动,称为电子的共有化运动。
由于内外壳层交叠程度很不相同,所以,只有最外层电子的共有化运动才显著。
3有效质量:将晶体中电子的加速度与外加的作用力联系起来,并且包含了晶体中的内力作用效果。
有效质量的物理意义:把晶体周期性势场的作用概括到电子的有效质量中去,使得在引入有效质量之后,就可把运动复杂的晶体电子看作为简单的自由电子。
有效质量的正负与位置有关。
大小由共有化运动的强弱有关。
引入有效质量的用处:使讨论晶体电子运动时,问题变得很简单,否则几乎不可能。
4回旋共振就是当半导体中的载流子在一定的恒定磁场和高频电场同时作用下会发生抗磁共振的现象。
该方法可直接测量出半导体中载流子的有效质量,并从而可求得能带极值附近的能带结构。
(母的)要样品纯度更高,在低温。
5直接带隙半导体材料:导带最小值(导带底)和满带最大值相应于相同的波矢k0间接带隙半导体材料:导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中不同位置 . 硅、锗与砷化镓的区别:硅锗为间接带隙半导体;砷化镓是直接带隙半导体。
砷化镓的禁带宽度大,E。
-1.43eV,宽于硅,更宽于锗,因此砷化镓半导体器件能在远高于硅半导体器件工作温度、更高于锗半导体器件工作温度的450℃下正常工作;其pn结的反向电压高,反向饱和电流低,适用于制作大功率半导体器件;能够引入深能级的杂质,制成体电阻率比锗和硅高出三个数量级以上的集成电路衬底。
半导体物理导论复习资料
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半导体物理导论复习资料半导体物理导论复习资料半导体物理是现代电子学的基础,理解半导体物理的原理对于电子工程师和科学家来说至关重要。
本文将回顾半导体物理的一些重要概念和原理,帮助读者复习和加深对这一领域的理解。
1. 半导体的基本特性半导体是介于导体和绝缘体之间的材料,具有一些独特的物理特性。
首先,半导体的电导率介于导体和绝缘体之间,这意味着它既可以传导电流,又可以阻止电流的流动。
其次,半导体的电导率可以通过控制外界条件(如温度、施加电场等)来调节,这使得半导体具有可调控性和可变性。
2. 禁带和载流子半导体中的电子和空穴是半导体中的两种载流子。
禁带是指半导体中的能带结构,它将电子的能级分成导带和价带。
导带是电子能量较高的能级,而价带是电子能量较低的能级。
禁带宽度是导带和价带之间的能量差,决定了半导体的导电性能。
3. pn结和二极管pn结是由n型半导体和p型半导体结合而成的。
n型半导体中的电子浓度较高,p型半导体中的空穴浓度较高。
当两者结合时,电子和空穴会发生复合,形成一个耗尽层。
耗尽层中没有可自由移动的载流子,因此形成了一个电势垒。
这个电势垒可以阻止电流的流动,从而实现了二极管的整流功能。
4. 势垒高度和反向击穿势垒高度是指pn结中电势垒的高度,它决定了二极管的导电性能。
当外加电压使势垒高度增加时,二极管的导电性能会减弱。
反向击穿是指当外加电压超过一定值时,势垒高度会被突破,电流会快速增加。
这种现象可以用来制作稳压二极管和击穿二极管等电子元件。
5. MOSFET和CMOS技术MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的缩写,是现代集成电路中最常用的晶体管结构。
MOSFET的导电性能可以通过调节栅极电压来控制,因此具有高度可调控性和低功耗特性。
CMOS技术是一种基于MOSFET的集成电路制造技术,被广泛应用于数字电路和微处理器的制造。
6. 光电效应和光电器件光电效应是指当光照射到半导体材料上时,会激发出电子和空穴,产生电流。
《半导体复习提纲》PPT课件
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② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
➢MOSFET的阈值电压与哪些因素有关? 固定氧化层电荷,功函数差,栅极材料,氧化层厚度,衬底偏 压,沉底掺杂。 ➢半导体存储器的详细分类是怎样的?日常使用的U盘属于哪种 类型的存储器,画出其基本单元的结构示意图,并简要说明其 工作原理。 详细分类:挥发性—动态随机存储器和静态随机存储器。
非挥发性—电源关闭时保留信息。U盘属于非挥发性 的画快出闪不存同储偏器压。下,金属与n型半导体接触的能带图。
➢MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型?强反型的判 据是什么? MOS的沟道是强反型,判断依据是表面耗尽区的宽度将达到最大 值。 ➢实际MOS二极管中哪些因素导致其偏离理想情况? 固定氧化层电荷,扩散电流,界面陷阱,功函数差,反向漏电流, 杂质分布,迁移率等。 ➢当VG大于VT且保持不变时,画出增强型MOSFET的I-V曲线,并 画出在线性区、非线性区和饱和区时的沟道形状。
② 漂移:在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动。 扩散:载流子从高浓度的区域移往低浓度的区域的运动。
③ 量子隧穿:两个隔离的半导体样品彼此接近时,势垒高qV0 等于电子亲和力qχ,当距离足够小,即使电子的能量远小于 势垒高,在左边半导体的电子亦可能会跨过势垒输运,并移 至右边的半导体。这个过程称为隧穿。
半导体物理总复习
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f外 m a
* n
(3)电子的有效质量与晶体的能带结构有关
h2 m 2 d E dk 2
* n
利用有效质量可以对半导体的能带结构进 行研究 (4)有效质量可以通过回旋共振实验测得,并 椐此推出半导体的能带结构
4.空穴:空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的
少数空量子态,这少量的空穴总是处于能带顶附近。是价
高温本征激发区
n0= p0=ni
EF=Ei
费米能级仍用前面的公式得到EF=Ei
例题1 (同类型题103页1题)
导出能量在Ec和Ec+kT之间时,导带上的有效状 态总数(状态数/cm3)的表达式, 是任意常数。
例题2
(a)在热平衡条件下,温度T大于0K,电子能量位于费米 能级时,电子态的占有几率是多少?
n p 中处于准平衡分布,可以有各自的费米能级 E F 和E F
称为准费米能级,准费米能级分离的程度,即
n p 的大小,反映了与平衡态分离的程度 EF EF
4. 解释载流子的产生和复合,直接复合,间接复合,复合率
产 生:电子和空穴被形成的过程,如电子从价带跃迁到导 带,或 电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从 杂质能级跃迁到价带的过程 复 合:电子和空穴被湮灭或消失的过程
MIN
0
所以布里渊区边界为
k (2n 1)
a
(n=0,1,2……)
1.能带宽度为
E(k ) MAX E (k ) MIN
2 2 ma 2
2电子在波矢k状态的速度
1 dE 1 v (sin ka sin 2ka) dk ma 4
3、电子的有效质量 能带底部
半导体物理复习
半导体制造复习要点-仅供参考
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一、光刻胶是一种有机化合物,它受紫外线曝光后在显影液中的溶解度发生显著变化。
光刻胶的目的1. 做硅片上的图形模版(从掩膜版转移到硅片上的图形)2. 在后续工艺中,保护下面的材料(例如刻蚀或离子注入)什么是光刻中常见的驻波效应?如何解决?在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。
光刻胶在显影后,在侧壁会产生波浪状的不平整的现象叫驻波效应解决:应用抗反射涂层(ARC)可以完全消除驻波图形。
典型的光刻工艺主要有哪几步?简述各步骤的作用。
气相成底膜—涂胶→前烘→对准与曝光→曝光后烘烤→显影→坚膜→显影检查目的:增强硅片和光刻胶的粘附性。
③软烘(Soft bake):目的是去除光刻胶中的溶剂。
软烘提高了粘附性,提升了光刻胶的均匀性,在刻蚀中得到了更好的线宽控制。
④对准和曝光(Alignment and exposure):掩膜版与涂胶后硅片上的正确位置对准。
一旦对准,将掩膜版和硅片曝光,把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。
对准和曝光的重要质量指标是线宽分辨率、套准精度、颗粒和缺陷。
⑤曝光后烘培(PEB):作用:① 减少驻波效应;② 激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影。
⑥显影(Develop):① 显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分;② 从掩膜版转移图形到光刻胶上⑦坚膜烘培(Hard bake):作用:①完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂; ②提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力; ③进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性; ④减少驻波效应⑧显影检查(Develop inspect):显影后检查来确定光刻胶图形的质量。
检查的目的:找出光刻胶有质量问题的硅片,描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。
二、刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。
刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形.刻蚀通常分为介质刻蚀、硅刻蚀和金属刻蚀。
干法刻蚀和湿法刻蚀干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,与硅片发生物理或化学反应,从而去掉曝露的表面材料。
半导体物理期末考复习材料解读
![半导体物理期末考复习材料解读](https://img.taocdn.com/s3/m/d6a3306c804d2b160b4ec0ba.png)
第一章 半导体中的电子状态1.元素半导体 硅 和 锗 都是 金刚石 结构 。
2.结构上,金刚石结构由 两套面心立方格子 沿其立方体对角线位移 1/4 的长度套构而成的,3.在四面体结构的共价晶体中,四个共价键是 sp3杂化 。
4.第III 族元素铝、镓、铟和第V 族元素磷、砷、锑组成的 III-V 族化合物 。
也是正四面体结构,四个共价键也是sp3杂化,但具有一定程度的离子性。
是 闪锌矿 结构。
5. ZnS 、GeS 、ZnSe 和GeSe 等 Ⅱ-Ⅵ族化合物 都可以 闪锌矿型 和 纤锌矿型 两种方式结晶,也是以 正四面体结构 为基础构成的,四个混合共价键也是 sp3 杂化,也有一定程度的离子性。
6. Ge 、Si 的禁带宽度具有 负温度系数 。
禁带宽度E g 随温度增加而减小( 负温度系数特性 )7.半导体与导体的最大差别: 半导体的电子和空穴均参与导电 。
半导体与绝缘体的最大差别: 在通常温度下,半导体已具有一定的导电能力 。
8.有效质量的意义半导体中的电子在外场作用下运动时,外力并不是电子受力的总和,电子一方面受到外电场力的作用,另一方面还和内部的原子、电子相互作用着。
电子的加速度应该是 半导体内部势场 和 外电场作用 的综合效果。
为了简化问题,借助有效质量来描述电子加速时内部受到的阻力。
引入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,可以不涉及到半导体内部势场的作用。
有效质量可以通过实验直接测得。
有效质量的大小取决于 晶体内电子与电子周围环境 的作用。
电子有效质量的意义是什么?它与能带有什么关系?答:有效质量概括了晶体中电子的质量以及内部周期势场对电子的作用,引入有效质量后,晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动来描述。
有效质量与电子所处的状态有关,与能带结构有关:(1)、有效质量反比于能谱曲线的曲率:(2)、有效质量是k 的函数,在能带底附近为正值,能带顶附近为负值。
半导体器件基础总复习
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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。
半导体物理学期末总复习
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Si原子的能级
▪ 电子的能级是量子化的
n=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
n=1
H
2个电子
Si
原子的能级的分裂
▪ 孤立原子的能级 4个原子能级的分裂
原子的能级的分裂
▪ 原子能级分裂为能带
半导体的能带结构
导带 Eg
价带
价带:0K条件下被电子填充的能量的能带 导带:0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙:导带底与价带顶之间的能量差
热平衡状态
▪ 在一定温度下,载流子的产生和载流子的复 合建立起一动态平衡,这时的载流子称为热 平衡载流子。
▪ 半导体的热平衡状态受温度影响,某一特定 温度对应某一特定的热平衡状态。
▪ 半导体的导电性受温度影响剧烈。
态密度的概念
▪ 能带中能量 E 附近每单位能量间隔内的量子态
数。 ▪ 能带中能量为 E (E dE)无限小的能量间隔内
半导体物理学
一.半导体中的电子状态 二.半导体中杂质和缺陷能级 三.半导体中载流子的统计分布 四.半导体的导电性 五.非平衡载流子 六.pn结 七.金属和半导体的接触 八.半导体表面与MIS结构 九.半导体的光学性质和光电与发光现象
晶体结构
▪ 半导体的晶格结构和结合性质 ▪ 半导体中的电子状态和能带 ▪ 半导体中的电子运动和有效质量 ▪ 本征半导体的导电机构 ▪ 空穴 ▪ 回旋共振 ▪ 硅和锗的能带结构 ▪ III-V族化合物半导体的能带结构 ▪ II-VI族化合物半导体的能带结构
k0T
k0T
k0T
k0T
玻尔兹曼分布函数
▪ 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数 描写(绝大多数电子分布在导带底);价带中 的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写 (绝大多数空穴分布在价带顶)
半导体加工工艺(复习整理)
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一、半导体衬底1、硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料2、硅的性能:屈服强度7x109 N/m2 弹性模量 1.9x1011 N/m2 密度2.3 g/cm3热导率 1.57 Wcm-1°C-1 热膨胀系数2.33x10-6 °C-1 电阻率(P) n-型 1 - 50 Ω.cm 电阻率(Sb) n-型0.005 -10Ω.cm 电阻率(B) p-Si 0.005 -50 Ω.cm 少子寿命30 -300 μs 氧5 -25 ppm 碳 1 - 5 ppm 缺陷<500 cm-2 直径Up to 200 mm 重金属杂质< 1 ppb3、硅的纯化SiO2+2C◊Si(冶金级)+2CO、Si+3HCl SiHCl3+H2、2SiHCl3(蒸馏后的)+2H2 2Si(电子级)+6HCl4、直拉法单晶生长(p19):多晶硅放在坩埚中,加热到1420oC将硅熔化,将已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔出。
硅锭旋转速度20r/min 坩埚旋转速度10r/min 提升速度:1.4mm/min (φ100mm) 掺杂P、B、Sb、As5、芯片直径增大, 均匀性问题越来越突出6、区熔法晶体生长(p28):主要用于制备高纯度硅或无氧硅。
生长方法:多晶硅锭放置在一个单晶籽晶上,多晶硅锭由一个外部的射频线圈加热,使得硅锭局部熔化,随着线圈和熔融区的上移,单晶籽晶上就会往上生长单晶。
特点:电阻率高、无杂质沾污、机械强度小,尺寸小。
7、二、热氧化1、SiO2的基本特性:热SiO2是无定形的、良好的电绝缘材料、高击穿电场、稳定和可重复的Si/SiO2界面、硅表面的生长基本是保形的、杂质阻挡特性好、硅和SiO2的腐蚀选择特性好。
2、热氧化原理:反应方程:Si(固体)+O2(气体)-->SiO23、含Cl氧化:氧化过程中加入少量的HCl 或TCE(三氯乙烯):减少金属沾污、改进Si/SiO2界面性能(P70)4、氧化中消耗硅的厚度:1umSI被氧化——>2.17umSIO25、热氧化的影响因素:温度、气氛(干氧、水汽、HCl)、压力、晶向、掺杂6、高压氧化:对给定的氧化速率,压力增加,温度可降低;温度不变的情况下,氧化时间可缩短7、氧化层的缺陷:表面缺陷:斑点、白雾、发花、裂纹体内缺陷:针孔、氧化层错8、氧化诱生堆垛层错:三、扩散1、掺杂在半导体生产中的作用:形成PN结;形成电阻;形成欧姆接触;形成双极形的基区、发射区、集电区,MOS管的源、漏区和对多晶硅掺杂;形成电桥作互连线2、扩散的定义:在高温下,杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料,并形成一定的杂质分布,从而改变导电类型或杂质浓度。
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4种基本器件结构。
• 金属-半导体接触:整流接触,欧姆接触。金半场效应晶体管 (MESFET):整流接触,栅极;欧姆接触,漏极、源极。 • p-n结:半导体器件的关键结构,其理论模型是半导体器件物 理的基础;p-n-p双极型晶体管。 • 异质结:由两种不同半导体材料形成的;高速器件、光电器 件的关键构成。 • 金属-氧化物-半导体结构 (MOS):可制作MOSFET, MOS结构,栅极;p-n结,漏极、源极。
• 漂移运动(小电场E)、漂移速度、扩散运动。 1 1 1 • 影响迁移率的两种重要散射机制: L I (1)晶格散射,(2)杂质(电离杂质)散射 • 一般情况下,同一半导体材料中,μn>μp,主要是由于通常电 子有效质量小于空穴有效质量。 1 n型半导体 1 p型半导体 1 . 电阻率 1 q nn p p qp p qnn • 爱因斯坦关系式 • 浓度梯度与电场(低电场)同时存在,总传导电流密度
第 1章
• 立方晶系基本的晶体结构(每个晶胞中所含的原子数)
– 简立方(1=8*1/8)、体心立方(2=8*1/8+1)、面心立方(4=1/2*6+1) – 金刚石晶格结构(Si)(8) – 闪锌矿晶格结构(GaAs)(8)
• 密勒指数的求解。 • 一般同一种半导体材料的导带电子有效质量小于价带空穴有 效质量。
kT N A N D Vbi ln 2 q ni
• p-n结外加偏压,耗尽区宽度、内建电场、内建电势的变化。
• 反偏,主要考虑耗尽层势垒电容。正偏,除了势垒电容,还 要考虑扩散电容。 2 s Vbi V qN BW Em • 单边突变结: W qN B s
}
IB
电子电流 电子流
• 共基电流增益 α0
发射区 ( P )
基区 (n)
集电区 ( P )
IE
}I EP
I En
}I CP
ICn I BB
IC
空穴电流 和空穴流
图4.5 基极电流有三个:IBB、IEn及Icn。IBB=IEp-Icp, ICn=ICBO。
I E I Ep I En
IC ICp ICn
I B I E IC I En I EpICp ICn
dn dp J cond J n J p qn nE qDn q pE qD p p dx dx
第 2章
• 复合的概念;复合类型:( 1 )按复合过程释放能量的方式 来分,(2)按是否通过复合中心进行复合来分。 p p 净复合率 U n n 0 稳态时:GL U p • 学会应用连续性方程进行计算。 • 热离化发射过程、隧穿过程、强电场效应。
• 本征半导体,本征载流子浓度ni,本征费米能级Ei。室温下, 本征半导体的费米能级Ei相当靠近禁带的中央。 • 非本征半导体,施主、受主(杂质种类判断),杂质能级、n 型半导体、p型半导体、多子、少子概念。 • 非简并半导体:电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带中 有效态密度,即EF至少比EV高3kT,或比EC低3kT的半导体。 • 室温下,完全电离,非本征半导体中多子浓度为杂质浓度。
• 对于Si和GaAs:击穿电压小于约 4Eg/q时,击穿机制归因于隧 穿效应;击穿电压超过 6Eg/q,击穿机制归因于雪崩倍增;电 压在4Eg/q和6Eg/q之间,击穿则为雪崩倍增和隧穿二者的混合。 • 理想异质结的形成,必须选择晶格匹配的半导体材料。 • 热平衡时,异质结能带图。
第 4章
• 双极型器件:电子与空穴皆参与导通,由两个相邻的互作用 的p-n结组成,其结构可为p-n-p或n-p-n。
• p-n结理想电流-电压特性的假设:4个假设,扩散长度。
• 反偏,耗尽区内主要考虑产生 -复合中的产生电流;而正偏时, 耗尽区内则主要考虑复合电流。 • Si和GaAsp-n结测量的正向特性。更高电流区域,电流随正向 电压增加的速率较为缓慢。与串联电阻和大注入效应有关。
• p-n结击穿机制:隧道效应和雪崩倍增。对大部分二极管,雪 崩击穿限制反向偏压上限,也限制双极型晶体管集电极电压 和 MOSFET漏极电压。隧穿只发生在高掺杂浓度的半导体中。
NC EC EF kT ln NT ln N A
热平衡情况下,无论对于本征还是非本征半导体,该 式都成立,称为质量作用定律。
• 施主与受主同时存在,由较高浓度杂质决定半导体传导类型。 • 费米能级调整以保持电中性,即总负电荷(包括导带电子和受 主离子)=总正电荷(包括价带空穴和施主离子)。
• n-p-n晶体管与p-n-p晶体管的电流方向和电压极性都相反。
• 发射区的掺杂浓度远比集电区大;基区的浓度比发射区低, 但高于集电区浓度。基区宽度最窄,远小于少子扩散长度。
• 右 图 为 一 理 想 p-n-p 晶 体管在放大模式下的各 电流成分。设耗尽区中 无产生-复合电流,则 由发射区注入的空穴将 构成最大的电流成分。
第 3章
• p-n结:由p型半导体和n型半导体接触形成的结。 • 整流性:只容许电流流经单一方向。 • p-n结的形成过程(空间电荷、内建电场、内建电势)。
• 热平衡时,p-n结能带图。热平衡时,整个样品上的费米能 级是常数(亦即与x无关)。
• 热平衡,p型和n型中性区总静电势差即内建电势Vbi(方向)
• 直接带隙半导体(GaAs)cf. 间接带隙半导体( Si、Ge )。
• 热平衡状态:恒温下的稳定状态,且无任何外来干扰(如照 光、压力或电场)。载流子浓度不变,热扰动,动态平衡。 近似条件下导带电子浓度为 EC EF n NC exp kT 价带中的空穴浓度为 EF EV p NV exp kT