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：由辐射引发的被照射材料的电导率变化的现象。(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、简述肖特基缺点和弗伦克尔缺点的异同之处。答：（1）共同点：都是热缺点（本征缺点）。（2）不同点：弗伦克尔缺点：空位和间隙原子成对出现，晶体体积不发生变化；肖特基缺点：正离子和负离子空位成比例出现，随着体积的增加而增加，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为例阐明。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，称这类杂质为施主杂质；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，称这类杂质为受主杂质。4、什么是本征激发？什么是本征半导体？本征半导体的特性是什么？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点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：掺入杂质能够变化半导体的导电性能，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，从而导电性大大提高。6、叙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）普通会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；能起到复合中心作用，使少数载流子寿命减少。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：深能级杂质重要是产生复合中心，缩短少数载流子的寿命；浅能级杂质重要是提供载流子，能够变化半导体的导电性，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：在多个温度下，在该能级上的一种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。（当系统处在热平衡状态，也不对外界做功的状况下，系统增加一种电子所引发的系统自由能的变化，等于系统的化学能。）9、叙述影响本征半导体载流子浓度的重要因素。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快速增加；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，局限性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，因此温度太高时PN结作用消失，器件无法实现原来设计的功效。而在饱和电离区，半导体的载流子浓度基本与温度无关，此时能够正常工作。因此要使器件正常工作，普通要使器件工作在饱和电离区。11、为什么能带能级能够允许两个电子占据而杂质能级最多容纳一种电子？答：当一种电子被杂质或缺点的缺点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，因此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普通比电子迁移率低？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，空穴电流事实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，在相似电场作用下，两者的平均漂移速度不会相似，并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。（由于空穴运动比电子困难，因此空穴的平均漂移速度不大于电子。）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：Pi∝NiT-3/2。杂质浓度Ni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，能够较快地擦过杂质离子，偏转就小，因此散射几率小。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，阐明ρ-T关系）。答：Si的电阻率与温度的变化关系能够分为三个阶段：（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，能够无视；载流子重要来源于杂质电离，温度升高，载流子浓度增加，对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，造成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。在这一温度范畴内，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。对散射起重要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而减小，造成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，即使迁移率随温度升高而减小，但是本征载流子增加很快，其影响大大超出了迁移率减少对电阻率的影响，造成电阻率随温度升高而减小。固然，温度超出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，ND=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=NDqμn=1016×1.602×10-19×1200≈1.92（S/cm）有光照时：△n=△p=1014cm-3<<ND，为小注入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Ni的影响：①杂质浓度低，少子与多子迁移率相似；②杂质浓度变大，迁移率减少；③杂质浓度高，少子迁移率不不大于多子迁移率，随浓度增大差别加大。（2）①高温时，重要是晶格散射，温度升高，迁移率减小；②低温时，重要是电离杂质散射，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：热解决过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺点等。氧沉淀过大会造成硅片翘曲，并引入二次缺点。（2）C的危害：①C会减少击穿电压，增加漏电流；②C会增进氧沉淀和新施主的形成；③C会克制热施主的形成。（3）H的作用：①H在硅中处在间隙位置，能够形成正负离子两种状态；②H在硅中形成H-O复合体；③H能增进氧的扩散和热施主的形成；④H会钝化杂质和缺点的电活性；⑤H能钝化晶体的表面和界面。19、简述硅的用途。答：①高纯的单晶硅是重要的半导体材料；②是金属陶瓷、宇宙航行的重要材料；③用于光导纤维通信；④性能优秀的硅有机化合物等。20、锗如何从锗废料提纯成高纯锗（高纯锗的获取过程）？答：（1）锗来源稀少，普通先将多个锗废料氯化成四氯化锗；（2）制取的四氯化锗通过精馏、萃取等提纯；（3）水解生成二氧化锗，用氢气还原成高纯锗；（4）进一步区熔提纯成高纯锗。21、简述Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的基本性质。答：①带隙较大；②直接跃迁能带构造（光电转换效率高）；③电子迁移率高；④带隙随温度变化。22、叙述GaAs的基本特性。答：①高频特性，能够达成300GHz；②高温特性，在300℃能够正常工作；③高压特性，耐冲击，可靠性高；④耐酸、耐碱、耐腐蚀；⑤功率大，介电常数小，导热性能好；⑥电子漂移饱和速度快。23、叙述LED照明的优点。答：（1）发光效率高，节省能源；（2）耗电量小；（3）绿色环保；（4）冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少；（5）寿命长；（6）固体光源，体积小，重量轻，方向性好；（7）响应速度快，能够耐多个恶劣条件；（8）低电压，小电流。24、相对于Si材料，GaAs含有哪些优缺点？答：（1）优点：①能量转换效率高；②电子迁移率高；③易于制成非掺杂的半绝缘体单晶材料，其电阻率可达108Ω·cm以上；④抗辐射性能好；⑤温度系数小；⑥含有耿氏效应。（2）缺点：①资源稀缺，价格昂贵，约为硅的10倍；②污染环境（砷化物是有毒物质）；③机械强度较弱，易碎；④制备困难（GaAs在一定条件下易分解、易挥发）。25、影响固溶体形成的因素有哪些？答：①质点尺寸因素；②晶体构造类型；③电价因素；④电负性。26、形成固溶体后对晶体性质有哪些影响？答：（1）稳定晶体，制止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格；（3）固溶强化；（4）形成固溶体后对材料物理性质有影响：固溶体的强度与硬度往往高于各组分，而塑性则较低。27、相比于晶体硅，非晶硅有哪些优缺点？答：（1）优点：①较好的光学性能，很大的光吸取系数；②可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的PN结和多层构造，易形成异质结；③通过组分控制，可在相称宽的范畴内控制光学带隙；④可在较低温度下采用化学气相沉积等办法制备薄膜；⑤生产过程相对简朴。（2）缺点：①缺少长久稳定性，处在非平衡态，所制备器件的性能会退化，例如S-W效应；②载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件，但可用于低功耗产品中。28、画出PN结形成前后的能带图。答：29、简述PN结形成及工作原理。答：(1)形成过程：P型半导体和N型半导体接触→由于多子浓度差→造成多子的扩散→多子进入空间电荷区→形成内电场→内电场制止多子扩散，促使少子漂移。(2)工作原理：①PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的妨碍削弱，扩散电流加大。扩散电流远不不大于漂移电流，可无视漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。②PN结加反向电压时，

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相似，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的妨碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流不不大于扩散电流，可无视扩散电流，PN结呈现高阻性。PN结加正向电压时，呈现低电阻，含有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，含有很小的反向漂移电流。由此能够得出结论：PN结含有单向导电性。30、内建电势差VD受哪些因素的影响？锗P-N结与硅P-N结的VD哪个大？为什么？答：(1)①温度；②施、受主杂质浓度；③禁带宽度。(2)硅P-N结VD大。因素：Si的禁带宽度比Ge大，Si的载流子比Ge少，即Si的ni小，因此硅P-N结的VD大。31、简述热电现象及其三种亲密有关的效应。答：（1）热电效应是电流引发的可逆热效应和温差引发的电效应的总称。（2）三种效应：①塞贝克效应：在两种