半导体常用名词定义

1、#15728.半导体物理学(semiconductor physics )半导体物理学是固体物理学的重要分支，是固体电子学的基础。半导体材料物理性质的研究最早可追溯到1833年，当时法拉第发现硫化银的电导率随温度升高而迅速增加。1873年史密斯发现光照能改变硒的电导率，1874年布朗发现硫化铅与一个探针接触时呈现整流效应。但对半导体中电子输运过程的深刻理解则归因于量子力学的创立及基于单电子理论的能带模型的建立。20世纪30年代末，莫特、达维多夫和肖特基发展了金属-半导体接触的整流理论。在此基础上肖克利、布拉顿和巴丁发明了第一个固体放大器一一点接触晶体管，并于 1956年获得诺贝尔物理学奖。这一

2、发明及其后来的结型晶体管的制作是半导体器件发展史上的划时代突破，是固体电子学时代的开始。20世纪50年代后期基尔比和诺伊斯发明了集成电路，实现了电路的微型化，引发了电子技术的革命。1958年江崎玲於奈发现了 pn结二极管中的电子隧道现象，因此而获得1973年诺贝尔物理学奖。由两种不同半导体材料直接接触构成的半导体异质结构概念是1960年前后由克罗默和阿尔弗洛夫提出的。1982年克利青(Klitzing )在超薄的异质结构中发现了基于反型层中二维电子运动的量子霍尔效应并获1985年诺贝尔物理学奖。其后崔琦和施特默在超高纯半导体材料中又发现分数量子霍尔效应。劳克林用量子流体的理论进行了解释，并与崔

3、琦、斯特默(Stormer)分享了 1998年诺贝尔物理学奖。半导体异质结构的发展产生了更快的晶体管一一高电子迁移率晶体管及性能更优良的激光器一一双异质结激光器。克罗默和阿尔弗洛夫因此获得2000年诺贝尔 物理学奖。1970年江崎玲於奈和朱兆祥首先提出超晶格的概念。它是一种人造的周期性结构，其中电子的运动在 一个方向上受到限制即电子在二维平面内运动，这种结构称为量子阱。如果电子的运动在两个维度方向上均受到 限制时，这种结构称为量子线。若电子在三个维度方向上的运动均受到限制则称为量子点。量子结构中的电子能 态具有离散的而不是连续的结构，因此载流子的分布是离散的。通过制作量子结构，不仅将材料的能带

4、变成离散 能级或子能带，甚至可以改变能带结构，把间接带隙变为直接带隙，因此将大大改善半导体器件的性能。 量子阱、 量子点激光器及正在研究的单电子晶体管都是具有量子结构的半导体器件。半导体量子结构的制备，量子效应及 量子器件的研究正成为 21世纪半导体物理及器件物理研究的主导方向，并将引起以集成电路光电子器件及光电 集成为基础的信息产业的新的革命。#15729.半导体(semiconductor )导电能力介于导体与绝缘体之间的一种材料。其能量系统分为许可能带和禁带，禁带处于价带和导带之间。半导 体的禁带宽度较窄，在室温下由热激发就可能引起显著的电离。热电离产生自由电子和自由空穴，半导体的导电

5、过程依赖于这两种载流子。在半导体中掺入杂质将大大改变其导电能力，可制得掺杂半导体。如果材料中自由电 子密度大于自由空穴密度称n型半导体，反之称为p型半导体。未掺杂、无缺陷的半导体具有相等的自由电子和 自由空穴密度称为本征半导体，而掺杂的半导体称为非本征半导体。半导体一般是晶体材料，通常由四价或平均 为四价的原子组成的类金刚石材料，硅和错是常见的单质半导体，碎化钱是最常见的化合物半导体。#15730.能带(energy band )相邻原子在组成固体时，其相应的电子能级由于原子间的相互作用而分裂，由于固体中包含的原子数很大，分离 出来的能级十分密集，形成一个在能量上准连续的分布即能带。由不同的原

6、子能级所形成的允许能带之间一般隔 着禁止能带。#15732.导带(conduction band )根据能带理论，固体中的电子态能级分裂为一系列的带，在带内能级分布是准连续的，带与带之间存在有能量间 隙。在非导体中，电子恰好填满能量较低的一系列能带，再高的各带全部都是空的，在填满的能带中尽管存在很 多电子，但并不导电。在导体中，则除了完全填满的一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，这种部分填充带中的电子可以起导电作用， 称为导带。半导体属于上述非导体的类型，但满带与空带之间的能隙比较小。 通常把半导体一系列满带中最高的能带称为价带，把半导体中一系列空带中最低的能带称为导带。#15733

7、. 价带(valence band )半导体和绝缘体中能量较低的若干能带是被电子填满的，其中能量最高的能带称为价带，价带是和原子中最外层 轨道上的价电子的能级相对应的。#15735.带隙（band gap）固体的能带结构中填充电子的最高能带与最低空能带之间的能量间隔。对半导体而言带隙宽度即禁带宽度。#15736.深能级(deep level )距导带底较远的施主能级和离价带顶较远的受主能级称为深能级。相应的杂质称为深能级杂质。深能级杂质能够 产生多次电离，每次电离相应地有一个能级，则在禁带中引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级， 又能引入受主能级。深能级杂质一般含量极少，而且能级较深

8、，它们对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级 杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质又称为复合中心。非田、V族杂质在硅、错中 往往产生深能级。硅中的金杂质，可测到二个深能级，一个是施主能级，另一为受主能级。金是典型的复合中心， 在制造高速开关器件时，常有意掺入金以提高器件的速度。#15737.准费米酢级(quasi-Fermi level )当半导体材料中存在非平衡载流子时，导带电子和价带电子在各自能带中热跃迁概率大，而处于热平衡状态；导带电子与价带电子之间，热跃迁概率小，处于不平衡状态。因此用电子准费米( Fermi)能级(Ef) n和空穴准费米 (Fermi)能级(Ef

9、)p分别描述非平衡半导体材料中电子浓度 n和空穴浓度p：底一（若F1 n = Ncektp =kt其中N、N为导带和价带的有效态密度，Ec、巳为导带底和价带顶的能量。（Ef?（Ef）p准费米能级概念的引入对 分析实际半导体器件工作原理十分重要。#15739.载流子（carrier ）指荷载电流的粒子，它们在电场作用下能作定向运动而形成电流。金属中只有电子一种载流子，在电介质中是正、负离子，半导体中有电子和空穴两种载流子。有两种载流子参与导电是半导体的一大特点。在金属和电介质中，载流子数目一般不变，在半导体中它们的数目随其中的杂质含量和外界条件（如加热、光照等）的变化而显著变化。#15740.多

10、数裁流子（majority carrier ） 半导体的电导依赖两种载流子，即导带中的电子和价带中的空穴。在掺杂半导体中，居多数的一种载流子对电导起支配作用，称为多数载流子。如 n型半导体中电子为多数载流子，p型半导体中空穴为多数载流子。#15741.少数载流子(minority carrier )同一种半导体材料中与多数载流子带相反电荷的载流子。如n型半导体中的空穴和p型半导体中的电子均为少数载流子。热平衡条件下，非简并半导体中电子浓度n与空穴浓度p满足其中ni为本征载流子浓度，Eg为禁带宽度。T为温度。因此在本征激发尚不显著的温度范围内，多数载流子浓度 可以近似认为与掺杂浓度相等，基本不随

11、温度而改变。少数载流子浓度随温度升高而迅速增加。对于同种半导体，掺杂浓度越高，少数载流子浓度越低。对于相同掺杂浓度，材料的禁带宽度Eg越大，少数载流子浓度越低。虽然热平衡少数载流子对电导的作用较小，但非平衡少数载流子对电导的作用较小，但非平衡少数载流子，如pn结正向注入的非平衡少数载流子，对器件的工作起支配作用。#15742.载流子寿命(carrier lifetime )在热平衡条件下，电子不断地由价带激发到导带，产生电子空穴对，与此同时，它们又不停地因复合而消失。平 衡时，电子与空穴的产生率等于复合率，从而使半导体中载流子的密度维持恒定。载流子间的复合使载流子逐渐 消失，这种载流子平均存在

12、的时间，就称之为载流子寿命。#15743. 非平衡载流子寿命(nonequilibrium carrier lifetime )当半导体由于外界作用注入非平衡载流子时，它处于非平衡状态。载流子间的复合使非平衡载流子逐渐消失。在注入非平衡载流子浓度不是太大的简单情况下，非平衡载流子按下列规律消失：n=(An)oexp(-t/ r)o显然,式中r即为非平衡载流子平衡平均存在的时间，通常称为非平衡载流子寿命。由于在非平衡状态下，非平衡少 子的影响起主导作用，因而 r又称为非平衡少子寿命，而1/ r表示非平衡载流子的复合率。非平衡载流子寿命 是一个结构灵敏的参数，它与材料的种类、完整性、某些杂质的含量

13、以及样品的表面状态有密切的关系。#15745.本征载流子浓度(intrinsic carrier concentration )本征半导体材料中自由电子和自由空穴的平衡浓度。#15746.空穴(hole )是指半导体中的一种载流子。半导体内部的热运动、外部光照或在半导体内掺入受主杂质，都可以使半导体的价 带失去一些电子，原来被电子填满的价带顶部出现一些空能级。在外电场和磁场作用下，这些仍留在满带中的电 子，也能够导电。满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带正电荷的准粒子的导电作用，称这 些价带中空的量子状态为空穴。 空穴带正电荷性，还具有正的有效质量。所以半导体中除了导带电子导电

14、作用外， 还有价带空穴的导电作用。#15747.有效质量(effective mass )晶体中的电子或空穴在外加电场、磁场中运动，常常可以用准经典运动规律来描述。根据晶体中电子运动加速度、 一. 一 、 . . . . . . . , .、 . . . . . . . 一 , 一 . -. . . . . . .与外力之间的关系，与经典力学牛顿第二定律相类比，引入了有效质量 m。晶体中的电子始终受到晶体势场的作 用，在有外力作用时，电子运动状态的变化是外力与晶体势场共同作用的结果。引入有效质量的意义在于，它概 括了晶体势场对电子的作用，把电子运动的加速度与外力直接联系起来，从而使分析简化。#

15、15748.载流子注入(carrier ejection )半导体通过外界作用而产生非平衡载流子的过程称作载流子注入。利用光照在半导体内引入非平衡载流子的方法称为载流子的光注入。除光照外，还可以利用电的或其他能量传递方式在半导体中注入载流子，最常用的是电的 方法，称作载流子电注入。电注入载流子现象的发现直接导致半导体放大器的发明。在不同条件下，载流子注入的数量是不同的。当注入载流子浓度与热平衡时多数载流子浓度相比很小时，多数载 流子浓度基本不变，而少数载流子浓度近似等于注入载流子浓度，这通常称作小注入情况；若注入载流子浓度可 与多数载流子浓度相比，则称作大注入情况。#15749.复合中心(re

16、combination center )半导体中某些杂质和缺陷可以促进载流子复合，对非平衡载流子寿命的长短起决定性作用，这些杂质和缺陷称为复合中心。作为复合中心的杂质与缺陷一般在禁带中引入一个或几个深能级，它们既可以俘获电子又能俘获空穴,从而促进了复合过程。对载流子复合有促进作用的杂质很多，例如硅和错中的Au, Cu, Fe, Ni, Zn以及许多其他重金属杂质都有明显的复合作用。金是一种有效的复合中心，在半导体器件中，经常引入金以降低注入载流子 寿命，提高器件的开关速度。#15750.直接复合(direct recombination )按照电子和空穴在复合时所经历的具体过程的不同，可把复合

17、分为直接复合和间接复合两类。直接复合是导带中 的电子直接落入价带与空穴复合。而间接复合则是导带中的电子首先被禁带中某一个中间能级所俘获，然后落入 价带与空穴相复合。#15751.表面复合(surface recombination )位于半导体表面禁带内的表面态 (或称表面能级)与体内深能级一样可作为复合中心， 起着对载流子的复合作用。为此，通常把半导体非平衡载流子通过表面态发生复合的过程称为表面复合。与体复合相比表面复合更为复杂， 它不仅依赖于表面复合中心浓度及体掺杂浓度，还依赖于表面势。而表面势又是对周围环境敏感的参量，所以表 面复合会因表面环境条件的变化而发生变化。半导体器件通常都要求较

18、低且稳定的表面复合速度，因此，在半导 体工艺技术上如何控制表面复合是一个非常重要的问题。#15752.辐射复合(radiative recombination )根据能量守恒原则，电子和空穴复合时应释放一定的能量， 如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合。辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式。此 外辐射复合也可以通过复合中心进行。在平衡态，载流子的产生率总与复合率相等。#15753.非辐射复合(nonradiative recombination )按照复合时释放能量的方式不同，复合可分为辐射复合和非辐射复合。以除光子辐射之外的

19、其他方式释放能量的 复合称为非辐射复合。非辐射复合中主要有多声子复合和俄歇复合。#15754.陷阱(trap )半导体中能够俘获电子或空穴的晶体缺陷或化学中心。热平衡时由缺陷或杂质引入的能级上具有一定数量的热平 衡电子，当半导体内引入非平衡载流子时，这些能级上的电子数目将发生变化，如果能级上电子数目增加则该能 级具有俘获非平衡电子能力，该能级称为电子陷阱。反之若该能级上电子数目减少则该能级具有俘获空穴的能力 称为空穴陷阱。当非平衡载流子落入陷阱后基本上不能直接发生复合，而必须首先激发到导带或价带，然后才能 通过复合中心而复合。在整个过程中，载流子从陷阱激发到导带或价带所需的平均时间比它们从导带

20、或价带发生 复合所需的平均时间长得多，因此陷阱的存在大大增加了从非平衡恢复到平衡态的弛豫时间。#15755.猝灭(quenching )激发态通过非辐射复合的途径达到弛豫。如热猝灭是通过处于发光中心激发态的电子与晶格碰撞把激发能交给晶格，产生大量的声子而无辐射地回到基态。光、电场及磁场等外界因素均可产生发光猝灭。#15756. 漂移电流(drift current )在没有电场作用时，半导体中载流子在运动中不时遭到散射作杂乱无章的热运动，并不形成电流。当有电场存在 时，使所有载流子沿电场力方向作定向运动。这种载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向 的定向运动称作漂移运动。所构成

21、的电流为漂移电流。定向运动的平均速度叫做漂移速度。在弱电场下，载流子 的漂移速度v与电场强度E成正比v= w Es。式中林是载流子迁移率，简称迁移率。它表示单位场强下载流子的平均漂移速度，单位是 吊/V s或cm2/V 迁移率数值决定于半导体能带结构、材料中杂质和缺陷对载流子的作用、以及其中原子的热运动等因素。通常在 同一种半导体中，电子的迁移率比空穴的大。迁移率是反映半导体载流子导电能力的重要参数。#15757.漂移迁移率(drift mobility )在一块均匀的半导体材料中，用局部的光脉冲照射会产生非平衡载流子，光脉冲停止后，整个非平衡载流子的“包”在电场作用下以漂移速度 v=p|E|

22、向样品一端运动，若已知电场强度|E|及脉冲电荷包漂移的距离x,可计算出迁移率w=x/(|E|t),其中t为光脉冲停止时刻与示波器探测到非平衡载流子电荷包的时间隔，这样测得的 迁移率为漂移迁移率。漂移迁移率是非平衡载流子的平均漂移速度与电场强度的绝对值之比。#15759.界面散射(interface scattering )半导体载流子沿表面层运动的表面迁移率总低于体内迁移率，这种由于沿表面层运动的载流子受到的不同于体内 的附加散射，就称之为表面散射或界面散射。界面散射机制比较复杂。例如表面粗糙度散射，是由于表面粗糙不 平整引起的散射过程，这时表面不是一个平面而是像一个被弯曲了的薄片，因此当电子

23、沿表面运动时将受到干扰，使迁移率降低。这种散射作用对薄的表面空间电荷层较明显，例如强反型层就属于这种情况。#15765.场效应(field effect )电场对半导体的影响。在电场作用下半导体中自由电子和自由空穴的平衡遭到破坏。如MOS吉构在不同的电场作用下，由于电场对半导体内载流子的吸引或排斥作用而在半导体表面附近产生载流子的积累或耗尽，通常把这种 半导体表面电导受垂直电场调制的效应称为场效应。#15766.沟道(channel )半导体中由于外加电场引起的沿长度方向的导电层。如 MOS吉构中当施加外部电场时在半导体表面形成的积累层及反型层。#15767.能带弯曲(band bending

24、 )半导体能带图表示电子在原子周期势场中处于不同能量的能级上，电子能量与其所在的半导体的静电势成正比。显然，如果半导体中静电势到处都相同，则能带是水平的，即平带状态。反之，当半导体表面存在垂直的外加电 场时，半导体中各处静电势就不同，则能带就相应地发生弯曲，称为能带弯曲。#15789.场发射(field emission )在外电场作用下，非加热的金属或半导体表面处表面势垒变窄，由于量子力量隧道效应引起的表面电子发射。在 电子器件和表面物理研究中可以应用的几个场发射阴极是鸨尖、硅尖、金刚石阴极、碳纳米管阴极及电子枪用场 发射阴极。#15790.热电子(hot electron )半导体中的电子

25、可以吸收一定能量(如光子、外电场等)而被激发，处于激发态的电子称为热电子，处于激发态 的电子可以向较低的能级跃迁，如果以光辐射的形式释放出能量，这就是半导体的发光现象。#15793.量子阱(quantum well )量子阱是一种人工设计采用外延方法生长的半导体微结构。其主要特性是电子（空穴，有时还包括光子）在空间上被限制在一个很薄的区域内运动， 该区域的厚度小于电子的德布罗意波长，电子（空穴）行为表现出二维特征量子阱结构主要用于发光器件和光电探测器件。和非量子阱结构相比，由于在量子阱中电子（空穴）相对比较集 中（有时光子也比较集中），所以有很高的量子效率，用于半导体激光器能大幅度降低阈值电流

26、密度，增加输出 功率。量子阱结构中，与量子阱层相对的还有势垒层，用以限制电子（空穴）在垂直于阱面方向上的运动。量子 阱结构通常用分子束外延或金属有机化学气相淀积方法制备。#15795.量子线（quantum wire ）量子线是一种人工微结构，其主要特性是电子（空穴）在空间上被限制在一个很细的线状区域内运动，该区域的横向尺度小于电子的德布罗意波长， 电子（空穴）行为表现出一维特征。目前量子线结构主要用于半导体激光器。 与量子阱激光器相比，量子线激光器阈值电流密度更低，输出功率更大，而且输出激光的波长随温度的变化更小。 量子线的制作分为自组装生长和微加工两类。#15796.量子点（quantum

27、 dot ）量子点是指电子（空穴）在空间上三个方向都受到限制，只能在微小空间中运动的人工微结构，该空间区域的尺 度在三个方向上都小于电子的德布罗意波长，电子（空穴）行为表现出零维特征。目前量子点结构主要用于制作 半导体激光器和纳米电子器件。在所有的量子结构激光器中，量子点激光器阈值电流密度最低，输出功率最大， 而且输出激光的波长不随温度变化。量子点的制作主要靠自组装生长。#15798.半导体超晶格(semiconductor superlattice )由一组多层薄膜周期重复排列而成的单晶。多层薄膜中各层厚度从几个到几十个原子层范围。各层的主要半导体 性质如带隙和掺杂水平可以独立地控制。多层薄

28、膜的周期可以在生长时人为控制，因而得到了人造的晶体结构即 超晶格。多层薄膜中各层的组分突变的超晶格称为组分调制超晶格；各层掺杂原子型号发生突变的超晶格称掺杂 调制超晶格。组分调制超晶格的能带图与多量子阱类似，惟一的区别是超晶格中由于势垒层厚度小于电子的德布 罗意(de Broglie )波长，相邻势阱中的电子波函数发生交叠，因而多量子阱的离散能级将展变为能带，其能带 宽度及位置与势阱深度、宽度及势垒厚度有关。超晶格具有一些普通半导体中没有发现的有用性质。#15799.共振隧道(resonance tunneling )在低偏压下相邻量子阱的相同子带间的隧道穿透。此时电子穿过一个或数个势垒而不失

29、去其相位关系。共振隧穿 发生时可以伴随声子发射过程。#15800. 单电子隧道效应(single electron tunneling effect )一个包含极少量电子，具有极小电容值的粒子称为库仑岛，其能量由电势能及电子间互作用库仑能组成，可表示为E=-QV+d/2C。当库仑岛上增加或减少一个电子时，其能量增加e2/C。单个电子进入或离开库仑岛需要 e2/C的激活能。在极低温和小偏压下，导体内的电子不具备eC的能量，故电子不能穿越库仑岛，此现象称为库仑阻塞。通过给库仑岛加栅压可以改变其电势能及总能量，在某个特定的栅压下，库仑岛总电荷Q=N丽Q=(n+1)e的最小能量是简并的，即态密度间隙消

30、失。此时，即发生单个电子隧穿库仑岛的现象，称为单电子隧穿效应。#15801.整数量子霍尔效应(integer quantum Hall effect )二维电子气系统在强磁和低温条件下的霍尔效应表现出明显的量子化性质。1980年冯克利青(VonKlitzing )等人首先观测到了量子化霍尔效应。他们测量了Si MOSFE夜型层中二维电子气系统中的电子在 15T强磁场和低于液He温度下的霍尔电压Vh,沿电流方向的电势差 力与栅压Vg的关系。当磁场垂直于反型层，磁感应强度B与沿反型层流动的电流强度I保持不变时，改变栅压 V%可改变反型层中载流子密度 ns。在正常的霍尔效应中应有 Vh 81/Vg

31、(如果ns8%),但在强磁和低温下，某些 Vg间隔内，Vh曲线出现平台，对应于平台时的 Vp最小趋近于零， 由此得到的霍尔电阻p xy=-Vh/I是量子化的，具值为PXY =用.它只与物理常数h (普朗克常数)和q有关。霍尔电阻与整数i相联系的量子化性质称整数量子霍尔效应。在 1K 以下，实验还进一步观察到i为分数的霍尔平台，即分数量子化霍尔效应。在调制掺杂的 GaAs-GaAlAs等异质结 构中也能观测到量子化霍尔效应。#15803. 量子限制效应(quantum confinement effect )微结构材料三维尺度中至少有一个维度与电子德布罗意(de Broglie )波长相当，因此

32、电子在此维度中的运动受到限制，电子态呈量子化分布，连续的能带将分解为离散的能级，当能级间距大于某些特征能量(如热运动量K; 塞曼能hco,超导能隙等)时，系统将表现出和大块样品不同的甚至是特有的性质，例如超晶格中由于能级离 散引起的带隙展宽及吸收边的蓝移。#15805. Wannier 激子(Wannier exciton )半导体吸收具有带隙能量的光子时产生的电子空穴对，在低温下没有足够的动能使它们分开，相互靠近的电子、空穴由于库仑互作用而形成的一个束缚态，很像氢原子中的质子与电子那样。Wannier激子的能量为En=-13.6 “/ 2n2, n为量子数，e为介电常数，是电子和空穴的折合有

33、效质量，它的能级在导带底以下几个毫电子伏范围，因而在半导体的基本吸收边的长波侧可看到几个清晰的激子吸收峰，对应于处在量子数n较低的一些激子状态。#15806.扩展态(extended state )非晶态材料中电子本征波函数不再是 Bloch函数，其电子本征态分为扩展态和局域态，扩展态波函数遍及整个材料，电子占据整个材料具有有限的概率。由于晶格势能的无序涨落引起的散射，扩展态电子的迁移率远小于晶体 中的共有化电子。#15808.局域态(localize state )固体材料中与特定位置相关，具有特定能量的电子态。当一个电子占据此状态时，它被束缚于具有特定能量的特定位置附近。无序固体中由于周期

34、性被破坏，将产生带尾局域态。材料中的缺陷态或施主、受主杂质上的电子态， 或强掺杂半导体中的带尾态也都是局域态。存在局域态是无序的标志。局域态电子的迁移必须通过跳跃(hopping )发生。#15809.迁移率边(mobility edge )无序系统中扩展态与带尾局域态间的能量边界。如导带扩展态与导带尾的边界Ec和价带扩展态与价带尾的边界Ec。如果把迁移率看成为电子态能量的函数，Mott提出在Ec, Ec处存在迁移率的突变。#15811. 带尾(band tail )晶态半导体由于原子排列的长程周期性，导带和价带具有清晰的边界。非晶半导体及重掺杂半导体由于原子排列 的长程周期性的破坏、晶格势能

35、的无序涨落使导带及价带向禁带中延伸形成带尾，带尾电子态是局域态。#15813. 隙态(state in gap )非晶态半导体材料能带模型中迁移率隙中的电子状态称为隙态。隙态分为两类：一类是带尾态，包括导带尾及价 带尾；另一类是与诸如悬挂键等缺陷相关联的局域态。隙态对非晶态半导体材料的光学和电学性质有重要影响。 性能优良的非晶态半导体器件要求隙态密度低的材料。#15814. 吸收(absorption )光在半导体中传播时具有衰减现象， 称为光吸收。半导体通常能强烈地吸收光能，吸收系数大约是105/cm的量级。 材料吸收辐射能量会导致电子从低能级跃迁到较高的能级。电子在带与带之间的跃迁所形成的

36、吸收过程称作本征吸收。要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度Ego当入射光频率低于V0 (或波长大于 入)时，吸收系数迅速下降，不可能发生本征吸收。这种吸收系数显著下降的特定频率v0 (或特定波长 入),称为半导体的本征吸收限。不同材料具有不同的禁带宽度，可得相当的本征吸收长波限。半导体中的光吸收主要是本征吸收。 另外，还有激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收和晶格吸收等。#15816. 吸收光谱(absorption spectrum )光在半导体材料中的吸收系数随光的频率(或波长)而变化的谱线称为吸收光谱。研究半导体本征吸收光谱可决定禁带宽度，是了解能带的复杂结构和区分直接带隙和间接

37、带隙半导体的重要依据。其他吸收光谱对研究半导体 性质也有重要意义。#15817. 光学带隙(optical band gap )非晶态半导体的本征吸收边附近的吸收曲线通常分为三个区域：价带扩展态到导带扩展态的吸收为哥指数区；价 带扩展态到导带尾的吸收为指数区；价带尾到导带尾的吸收为弱吸收区。非晶半导体的带隙没有明确的定义。定 义其光学带隙的简单方法是 国或日4,即吸收系数为103cm1或104cm1时所对应的光子能量。物理意义较明确的定 义方法是Tauc带隙，主要考虑哥指数区的带-带吸数，此时0c (hv) 8c(hv-Eg) C和丫与能带结构有关，对于 抛物线形能带结构丫取2,由(hv)2h

38、v关系曲线求得的 日称为Tauc带隙。#15818. 发光(luminescence )发光是物质的一种非热辐射的光发射。热辐射的基本特征是不随发热体的性质而改变。发光则反映材料的特征， 它是外界因素如光、电等与物质的相互作用，使物质从基态转变为激发态，激发态经过辐射跃迁过程达到弛豫而 发出的紫外、可见或红外辐射。外界作用一旦停止，发光也将结束，但有一个延续时间，比光的振动周期(10-14秒)长得多。可以根据此原理把发光与散射、反射等其他光发射区分开来。由于激发方式的不同，发光可分为光致发光、电致发光、阴极射线发光、化学发光、辐射发光等。其主要应用领 域在光源、显示器、探测器及光电子器件等方面

39、。#15819. 光致发光(photoluminescence )材料通过吸收光子产生激发态的辐射跃迁。激发过程为单光子或多光子吸收过程。光致发光包括光吸收、能量传 递、光发射等过程，这些过程与材料结构、成分及环境原子排列有关，光致发光技术是研究固体中电子过程的重 要手段。一般情况下光致发光光子的能量小于激发光子的能量(斯托克斯位移)，在特定条件下发射光子的能量 可以超过激发光子的能量(反斯托克斯位移)。日光灯是利用汞蒸气放电产生的紫外光激发涂饰在灯管壁上的发 光材料而发出可见光的。#15821.电致发光(electroluminescence )固体器件或化学电池中由于电荷流动而引起的发光现

40、象。固体器件的电致发光主要有两种类型：本征电致发光及 注入型电致发光。本征电致发光通常将发光材料与绝缘介质混合置于两极板间或将发光材料薄膜夹在两绝缘层之 间，在交变电场作用下电子场致碰撞激发或离化发光中心而引起发光。例如用ZnS薄膜制成的字符显示屏、计算机终端显示屏等。注入型电致发光器件是pn结型发光器件，是利用注入的少数载流子和多数载流子间的辐射复合而发光，如GaAs GaP GaN?不同波段的发光二极管。聚合物半导体发光器件也是注入型电致发光器件。#15822. pn 结 (p-n junction )在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如合金法、扩散法和离子注入法等）把p

41、型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有p型和n型的导电类型，在二者的交界面处就形成了pn结。pn结刚形成时，p区的多数载流子空穴向n区扩散，在n区边界附近与电子复合。p区失去空穴，在其边界附近就 剩下带负电的受主离子；同理，n区电子也向p区扩散，在其边界附近剩下带正电的施主离子。结果在 p区和n 区交界面的两侧形成带正、负电荷的区域，称为空间电荷区，也叫耗尽区（多数载流子缺乏）。空间电荷区内正、 负离子电荷总量相等，其中形成的电场方向由n区指向p区，它就是pn结的自建电场。在平衡时，自建电场的大小正好能阻止空穴和电子进一步扩散， 使空间电荷区宽度保持一定。当结上加正向电压时（即

42、p区接电源正极， n区接负极），自建电场削弱，使多数载流子（p区的空穴，n区的电子）容易通过pn结，因而电流较大，这时 pn结叫做正偏结，电流称为正向电流；当结上加反向电压时，内建电场增加，只有少数载流子（ p区的电子，n 区的空穴）易通过pn结，因而电流很小，这时pn结叫做反偏结，电流叫做反向电流。pn结具有单向导电性，这 是pn结最基本的性质之一。pn结这种整流特性是很多半导体器件和电路的核心。整流器及许多其他类型的二极 管都是只含1个pn结的器件；一般结型晶体管是 2个pn结构成的器件；晶体闸流管是含有 3个或4个pn结的 器件。#15823. 耗尽区(depletion region

43、)在半导体pn结、肖特基结、异质结中，由于界面两侧半导体原有化学势的差异导致界面附近能带弯曲，从而形成能带弯曲区域电子或空穴浓度的下降，这一界面区域在半导体物理中称为耗尽区。#15825. 缓变 pn 结(graded p-n junction )从p区到n区掺杂浓度逐渐改变的pn结，如用固态扩散工艺制造的 pn结。大多数缓变pn结数学上可作为线性 缓变结处理。通常由扩散工艺制备的 pn结为缓变pn结，但在浅扩散结或高反偏时它更接近于单边突变pn结。#15826. 突变 pn 结(abrupt p-n junction )用合金法制造的pn结，n型区中施主杂质浓度和p型区中受主杂质浓度都是均匀

44、分布的。在交界面处杂质浓度由nA (p型区)突变为 加(n型区)，具有这种杂质分布的pn结称为突变结。实际的突变结，两边的杂质浓度差很 多，通常称这种结为单边突边结(记为 p+n,或n+p)。#15827. pn 结电容 (p-n junction capacitance )pn结具有电容特性。pn结电容包括势垒电容和扩散电容两部分。pn结的耗尽层宽度随加在pn结上的电压而改变。 当pn结加正向偏压时，势垒区宽度变窄、空间电荷数量减少，相当于一部分电子和空穴“存入”势垒区。正向 偏压减小时，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这相当于一部分电子和空穴的“取出”。对于加反向偏压情况，可作类似分析。

45、pn结的势垒宽度随外加电压改变时，势垒区中电荷也随外加电压而改变，这和电容器充放电作用相似。这种pn结的电容效应称势垒电容。另外，在正偏结中，有少数非平衡载流子分别注入n区和p区的一个扩散长度范围内（称做扩散区），其密度随正向电压的增加而增加，即在两个扩散区内储存的少数非平衡载 流子的数目随pn结的正向电压而变化。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为 pn结的扩散电容。pn结电容是可变电容。势垒电容和扩散电容都随外加电压而变化。pn结电容使电压频率增高时，整流特性变差，是影响由pn结制成器件高频使用的重要因素。利用 pn结电容随外加电压非线性变化特性， 可制成变容二极

46、管，在微波信号的产生和放大等许多领域得到广泛的应用。#15828. pn 结势垒（barrier of p-n junction ）pn结的空间电荷区中，存在由n边指向p边的自建电场。因此，自然形成n区高于p区的电势差Vd。相应的电子 势能之差即能带的弯曲量qVd称为pn结的势垒高度。pn结的p区和n区的多数载流子运动时必须越过势垒才能到 达对方区域，载流子的能量低于势垒高度，就被势垒阻挡而不能前进，这个垫垒叫做pn结势垒。pn结的势垒高度与两边半导体中的杂质浓度及其分布、温度以及半导体材料的禁带宽度Eg有关。除pn结势垒外，还有金属与半导体接触的接触势垒（肖特基势垒）、半导体表面形成的表面势

47、垒等。势垒高度受外加电场的影响，当外加电 场削弱势垒区中电场时，势垒降低，载流子容易通过；外加电场加强势垒区的电场时，势垒高度升高，载流子不易通过。利用pn结势垒这一特性可制成整流、检波等多种半导体器件。#15829. pn 结击穿(electrical breakdown of p-n junction )对pn结施加的反向偏压增大到某一数值 Vbr时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为pn结击穿。发生击穿时的反向电压称为pn结的击穿电压。击穿电压与半导体材料的性质、杂质浓度及工艺过程等因素有关。pn结的击穿从机理上可分为雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿三类。前两者一般不是破坏性的，如果立即

48、降低反向电压，pn结的性能可以恢复；如果不立即降低电压，pn结就遭到破坏。pn结上施加反向电压时，如没有良好散热条件，将使结的温度上升，反向电流进一步 增大，如此反复循环，最后使 pn结发生击穿。由于热不稳定性引起的击穿，称为热电击穿，此类击穿是永久破 坏性的。pn结击穿是pn结的一个重要电学性质，击穿电压限制了pn结的工作电压，所以半导体器件对击穿电压都有一定的要求。但利用击穿现象可制造稳压二极管、雪崩二极管和隧道二极管等多种器件。#15830.雪崩击穿(avalanche breakdown )当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，因而通过势垒区的电子和空穴可以在电场作用下获得很大的动能，

49、当 能量足够大时，和晶格碰撞而使价带电子激发到导带，产生新的电子-空穴对，这种现象称为“碰撞电离”。新生的电子-空穴以及原有的电子和空穴，在电场作用下，又可重新获得足够的能量，再次和晶格碰撞而产生电子-空穴对。如此继续下去，载流子增加犹如“雪崩”的特性，称为载流子倍增效应。由于倍增效应，使反向电流迅 速增加从而发生击穿，这就是雪崩击穿的机理。雪崩击穿除与势垒区中电场有关外，还与势垒区宽度有关。势垒 区宽的易发生雪崩击穿。#15831.隧道击穿(tunnel breakdown )隧道击穿是在强电场下，由于隧道效应使大量电子从价带穿过禁带而进入导带所引起的一种击穿。因为最初是由齐纳(Zener)

50、提出的，故又称齐纳击穿。当 pn结的反向电压比较大时，势垒区能带发生倾斜，甚至可以使n区的导带底比p区的价带顶还低，使p区价带的电子有可以隧道穿过势垒到达 n区导带中去，使反向电流急剧增大， 发生隧道击穿。对于掺杂浓度比较高的情况下，势垒区薄，往往易发生隧道击穿。#15832. 金属-半导体接虫(metal-semiconductor contact )在半导体片上淀积一层金属形成紧密的接触。硅器件和集成电路中大量采用的铝-硅接触就是典型的实例。金属-半导体接触中最重要的有两类典型接触：一类是金属与半导体的没有整流作用的接触，称为欧姆接触，这种接触 与一个电阻等效；另一类是整流接触，具有类似于

51、pn结的单向导电性。上述特性是由于金属-半导体接触时，两者的功函数不同，电子可以从金属流向半导体，或半导体流入金属，从而使半导体表面形成表面势垒(又称阻挡 层)或反阻挡层所致。反阻挡层是很薄的高电导的区域，它对金属和半导体接触电阻影响很小。表面阻挡层存在使金属-半导体接触具有整流作用。在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应能级称为表面能级。表面能级 对表面势垒有很大的影响。#15833. 肖特基势垒(Schottky barrier )金属和半导体接触形成半导体表面势垒，此势垒又称肖特基势垒。#15834.欧姆接触(Ohmic contact )金属与半导体接触形成非整流的接触，即欧姆接触。

52、它不产生明显的附加阻抗，也不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。欧姆接触在实际中有很重要的应用。半导体器件一般都要利用金属电极输入或输出电流，这就要求在金属和半导体之间有良好的欧姆接触。在超高频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造的关键问题之一。制作欧姆接触最常用的方法是用重掺杂的半导体与金属接触，常常是在 n型或p型半导体上作一层重掺杂 区后再与金属接触，形成金属-n+-n或金属-p+-p结构。#15835.肖特基缺陷(Schottky defect )是一种化合物半导体中的点缺陷。在化合物MX中，在T 0K时，由于晶格热振动，能量大的原子离开原格点进入晶格间隙或进入表面，或蒸发到

53、外界，而失去原子的晶格位置即出现空缺生成空位以符号Vm (或Vx)表示。空位是化合物半导体中常见的点缺陷之一。如果对一个按化学计量比组成的化合物MX晶体，在产生Vi的同时，也产生数目相同的 V 此时产生的缺陷称肖特基缺陷，记作(Vm+VX) o空位可以是中性，也可带正电或负电。它对化 合物半导体的导电性能有较大的影响。#15836.热离子发射(thermion emission )金属或半导体表面的电子具有热运动的动能足以克服表面势垒而产生的电子发射现象。金属或半导体向真空发射 电子所需的最低能量称为逸出功或功函数，即表面势垒高度。在金属半导体接触界面同样存在热离子发射，此时 所要克服的势垒由

54、金属半导体接触势垒决定。#15837.半导体异质结(semiconductor heterojunction )组成pn结的n型区和p型区用不同的半导体材料组成时，其过渡区就称之为半导体异质结。#15838.拉曼散身(Raman scattering )拉曼散射是指入射光子与组成系统(如液体、透明玻璃、固体等)的分子间的非弹性碰撞引起的分子与光子间的 能量交换，使一部分入射光子的能量发生改变，因此其波长改变的现象。由于能量守恒，光子获得或失去的能量 应等于分子能量的改变。通过测量光子能量的改变可以检测分子能量的改变，这种改变通常与分子的转动，振动 能量及电子能量有关。#15839.霍尔效应(H

55、all effect )在半导体薄片的两端之间通以电流，如果在与薄片垂直的方向外加一磁场，则电子和空穴在洛伦兹力作用下，将 沿着与磁场方向垂直的方向移动。如沿洛伦兹力的方向设置电极，则可检测出电压(霍尔电压)。这个现象称为 霍尔效应。霍尔电场 日与电流密度Jx和磁感应强度R成正比，即Ey=RJxR,比例系数R称为霍尔系数。霍尔系数 的数值与正负和半导体的导电类型、载流子浓度、迁移率大小以及温度、样品形状等因素有关。霍尔效应是研究 半导体物理性质的一个很重要的方法，可测定载流子浓度、导电类型和霍尔迁移率。利用霍尔效应制成的电子器 件称为霍尔器件。由于霍尔器件有在静止状态下感受磁场的能力，而且构造

56、简单、小型、坚固，同时是以多数载 流子工作为主、频率响应宽、寿命长、可靠性高，所以在测量技术、自动化技术及信息处理等方面得到广泛的应 用。常用材料有硅、错和迁移率高的碑化钱、狒化锢、碑化锢等田V族化合物半导体。#15878.佩尔捷效应(Peltier effect )当两种不同的半导体或者半导体与金属相接触并接通电流时，接触面处除产生焦耳热以外，还要吸热或放热，称 为佩尔捷效应，而且这个效应是可逆的。与两个不同金属接触相比，半导体之间相接触产生的效应要大得多。通 过佩尔捷效应，使得一个接头不断吸热而产生低温，可制造温差发电器和制冷器。为了提高效率，必须选择泽贝 克系数大的半导体材料，还必须选择

57、热导率和电阻率小的材料。因此，一般常用BizTe、SBTe、BizSb等VVI族化合物半导体作温差制冷材料#15879.塞贝克效应(Seebeck effect )当两个不同的导体a和b两端相接，组成一个闭合线路，如两个接头A和B具有不同的温度，则线路中便有电流， 这种电流称为温差电流，这个环路便组成温差电偶，产生电流的电动势称为温差电动势，其数值一般只与两个接头的温度有关。这个效应是于1821年由泽贝克发现的，故称为泽贝克效应，温差电动势也称为泽贝克电动势(6)ab 示之)。定义温差电动势率 abd兔3aab = dT% ab为单位温差时的温差电动势，亦称泽贝克系数，单位为 V/K。两个不同

58、半导体也可构成闭合线路，当两个接头处温度不同时，也要产生温差电动势，而且数值比金属导体大得多。在室温附近，半导体的ab有几百pV/K,而金属的ab只在0.1与10pV/K之间。因此，半导体在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，在温差发电 方面有较广的应用。常用温差发电半导体材料有BizTe、ZnSb PbTs GeTeffi FeSi2等。#15880. 固体电子学(solid state electronics )固体电子学是随着固体器件特别是半导体 /集成电路的空前发展出现的一门新兴边缘学科，该学科主要涉及用固体电子器件实现各种复杂电子系统。#15881. 微电子学(microelect

59、ronics )是研究在固体(主要是半导体)材料上构成微小型化电子电路、子系统及系统的电子学分支学科，是当今电子学 的最重要组成部分，是信息科学、计算机科学、固体电子学、医用电子学等学科的发展基础。微电子学包括半导 体材料与器件物理、集成电路及系统的设计及制造，并与光电子学及超导电子学相互渗透。#15882.纳米电子学(nanoelectronics )以纳米尺度材料为基础的器件制备、研究和应用的电子学领域为纳米电子学。由于量子尺寸效应等量子力学机制,纳米材料和器件中电子的形态具有许多新的特征。纳米电子学是当前科学界极为重视的研究领域，被广泛认为未 来数十年将取代微电子学成为信息技术的主体，将

60、对人类的工作和生活产生革命性影响。#15883.本征半导体(intrinsic semiconductor )完全不含杂质和缺陷，仅依赖本征载流子导电的半导体材料。实际半导体不能绝对地纯净，本征半导体一般是指 导电主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。#15884. n 型半导体(n-type semiconductor )主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或 n型半导体。V族元素在硅、错中是替代式杂质，它们电离时能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。它们释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态