半导体物理器件

半导体物理

1、半导体的五大基本特性

答：(1)负电阻温度系数：温度升高，电阻减小。

(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。

(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。

(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。

(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电

流和磁场的方向产生电动势的现象。

2、简述肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷的异同之处。

答：（1）共同点：都是热缺陷（本征缺陷）。

（2）不同点：弗伦克尔缺陷：空位和间隙原子成对出现，晶体体积不发生改变；肖特基缺陷：正离子和负离子空位成比例出现，伴随体积的增加而增加，并且只形成空位而无间隙原子。

3、什么是施主杂质？什么是受主杂质？以Si为例说明。

答：Ⅴ族元素在硅中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质；Ⅲ族元素在硅中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质。

4、什么是本征激发？什么是本征半导体？本征半导体的特征是什么？

答: （1）电子从价带直接向导带激发，成为导带电子的过程就是本征激发。

（2）完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

（3）电子浓度等于空穴浓度，载流子少，导电性差，温度稳定性差。

5、在半导体中掺入杂质的作用：掺入杂质可以改变半导体的导电性能，半导体中杂质对电阻的影响非常大。掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生杂质能级，使得电阻大大下降，从而导电性大大提升。

6、阐述深能级杂质的特点。

答：（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大；

（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；

（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。

7、浅能级杂质和深能级杂质对半导体性质的影响是什么？

答：深能级杂质主要是产生复合中心，缩短少数载流子的寿命；

浅能级杂质主要是提供载流子，能够改变半导体的导电性，决定半导体的导电类型。

这两种杂质都能散射载流子，使迁移率减小。

8、解释费米能级及其物理意义。

答：（1）费米能级是半导体中大量电子构成的热力学系统的化学势。

（2）费米能级的意义：在各种温度下，在该能级上的一个状态被电子占据的几率正好是1/2。代表了电子的填充能级高低。（当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统增加一个电子所引起的系统自由能的变化，等于系统的化学能。）

9、阐述影响本征半导体载流子浓度的主要因素。

答：①禁带宽度：在一定温度下，禁带宽度越窄的半导体，本征载流子浓度越大；②温度：对于给定的半导体材料，其本征载流子浓度随温度升高而迅速增加；③载流子的有效质量。

10、为什么器件正常工作大多在饱和电离区？

答：温度太低，载流子浓度随温度变化很大，或浓度太低，无法形成明确的PN结，不足以使器件正常或稳定工作。温度太高，本征激发掩盖了杂质电离，使半导体载流子浓度不稳定，且导电类型不明确，所以温度太高时PN结作用消失，器件无法实现原来设计的功能。而在饱和电离区，半导体的载流子浓度基本与温度无关，此时可以正常工作。因此要使器件正常工作，一般要使器件工作在饱和电离区。11、为什么能带能级可以允许两个电子占据而杂质能级最多容纳一个电子？

答：当一个电子被杂质或缺陷的缺陷中心的束缚态俘获后，该束缚态或陷阱能级就消失了。也就是说，对于第二个电子看来这些能级是不存在的，所以第二个电子不可能被俘获。

12、为什么在半导体中空穴迁移率一般比电子迁移率低？

答：首先迁移率指的是单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。导电电子是在导带中，它们是脱离共价键的束缚在半导体中自由运动的电子，而导电空穴是在价带中，空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价带间运动时所产生的电流，显然，在相同电场作用下，两者的平均漂移速度不会相同，而且导带电子平均漂移速度要大些，

就是说电子迁移率比空穴迁移率大。（因为空穴运动比电子困难，所以空穴的平均漂移速度小于电子。）

13、简述电离杂质散射的散射几率与温度、杂质浓度的关系。

答：P i∝N i T-3/2。杂质浓度N i越大，载流子遭受散射的机会越多，即散射几率大。温度越高，载流子热运动的平均速度越大，可以较快地掠过杂质离子，偏转就小，所以散射几率小。

14、简述含有一定杂质浓度的半导体中电阻率与温度的关系（以Si 为例，说明ρ-T关系）。

答：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减小。此时本征激发极弱，可以忽略；载流子主要来源于杂质电离，温度升高，载流子浓度增加，相应地电离杂质散射也增加，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减小。

（2）温度进一步升高（含室温），电阻率随温度升高而增大。在这一温度范围内，杂质全部电离，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减小，导致电阻率随温度升高而增大。

（3）温度再进一步升高，电阻率随温度升高而减小。这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而减小，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减小。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。（画图）

15、计算题：对于n型硅，N D=1016/cm3，光注入非子△n=△p=1014/cm3，计算有无光照时得电导率，其中：μn=1200cm2/V·S，μp=400cm2/V·S。解：无光照时：σ0=nqμn=N D qμn=1016×1.602×10-19×1200≈1.92（S/cm）

有光照时：△n=△p=1014cm-3<

σ=（n0+△n）qμn+（p0+△p）qμp

=[(1016+1014)×1200+1014×400]×1.602×10-19

=1.945（S/cm）

16、简述半导体的迁移率与杂质浓度、温度的关系。

答：（1）杂质浓度N i的影响：①杂质浓度低，少子与多子迁移率相同；②杂质浓度变大，迁移率降低；③杂质浓度高，少子迁移率大于多子迁移率，随浓度增大差别加大。

（2）①高温时，主要是晶格散射，温度升高，迁移率减小；

②低温时，主要是电离杂质散射，温度升高，迁移率增大。

17、氧化硅层在半导体器件中起什么作用？

答：①对杂质扩散起掩蔽作用；②对器件表面起保护和钝化的作用；

③用于器件的绝缘隔离层；④用作MOS器件的绝缘栅材料。

18、简述O、C、H对硅材料有哪些危害？

答：（1）O的危害：热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等。氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷。

（2）C的危害：①C会降低击穿电压，增加漏电流；②C会促进