微電子學(xué)教案

1、微電子學(xué)教案微電子技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是隨著集成電路的發(fā)展而產(chǎn)生的。電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路等階段。1978年超大規(guī)模集成電路研制成功，標(biāo)志著電子技術(shù)正式進(jìn)入微電子時(shí)代。雖然從產(chǎn)生到現(xiàn)在還不到30年，但是微電子技術(shù)的應(yīng)用范圍之廣、發(fā)揮作用之大，使它不得不讓人刮目相看。計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通訊、宇航、原子能、海洋開發(fā)、生物工程以及工業(yè)生產(chǎn)控制等等，到處都有微電子技術(shù)的應(yīng)用?？梢哉f，微電子技術(shù)已經(jīng)完全融入了我們的生活。另一方面，在軍事領(lǐng)域，它的普及程度和所起的作用也是驚人的：作戰(zhàn)指揮、武器控制、作戰(zhàn)保障、后勤保障、軍事訓(xùn)練、人員培訓(xùn)、行政管理、軍

2、事科研等到處都有微電子技術(shù)的影子；而武器小型化智能化自動(dòng)化、精確制導(dǎo)系統(tǒng)和衛(wèi)星航天系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也都離不開微電子技術(shù)。難怪美國國防部會(huì)將微電子技術(shù)列為國防關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，花大力氣支持工業(yè)界聯(lián)合進(jìn)行科研開發(fā)呢！下面詳細(xì)的介紹該如何學(xué)好微電子知識(shí)。 （1）溫度是粒子（分子、原子、電子等）平均動(dòng)能的量度。熱量是粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、通過碰撞把動(dòng)能從較高溫度的物體傳遞給較低溫度的物體的平均動(dòng)能。對(duì)于熱平衡系統(tǒng)，其中無熱量的轉(zhuǎn)移。 （2）熱平衡狀態(tài)就是整個(gè)系統(tǒng)中溫度均勻的狀態(tài)；對(duì)于幾個(gè)系統(tǒng)而言，即是處于相同溫度的一種狀態(tài)，它們之間不存在熱量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。 （3）熱漲落是系統(tǒng)的能量或者溫度

3、發(fā)生瞬間波動(dòng)（起伏）的現(xiàn)象。雖然處于熱平衡狀態(tài)的兩個(gè)體系之間并無凈能量的轉(zhuǎn)移；但是熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。從某一個(gè)瞬間來看，由于粒子的速度有高、有低（服從Maxwell速率分布定律），則仍然存在著瞬間動(dòng)能熱量的傳遞，這就會(huì)造成熱漲落。 （4）熱噪聲又稱為Johnso npihyg kunhn及 （5）晶體結(jié)構(gòu)的種類：有七大類，即7個(gè)晶系。按照晶格型式，則共有14種（因?yàn)槊恳粋€(gè)晶系可以有幾個(gè)不同的晶格型式），即14種Bravais格子。按照點(diǎn)群對(duì)稱性，則共有32種，即32個(gè)點(diǎn)群。按照空間群對(duì)稱性，則共有230種，即230個(gè)空間群。 （6）原胞是晶體的最小重復(fù)單元，但只反映了晶體

4、的周期性；晶胞也是晶體的一種重復(fù)單元，但反映了晶體的對(duì)稱性（一般，體積要大一些）。原胞中只有一個(gè)原子的晶格是簡(jiǎn)式晶格，原胞中有一個(gè)以上原子的晶格是復(fù)式晶格。簡(jiǎn)式晶格的熱振動(dòng)只有聲學(xué)波，復(fù)式晶格的熱振動(dòng)則既有聲學(xué)波、也有光學(xué)波。 （7）晶體原胞的選取方法可以有無窮多種（體積不變），但是最具有對(duì)稱性的一種原胞是所謂Wigner-Seitz原胞；這種原胞是由一個(gè)格點(diǎn)到所以的近鄰格點(diǎn)連線的垂直平分面所構(gòu)成的一種多面體。例如，體心立方格子的Wigner-Seitz原胞，就是把一個(gè)體心立方晶胞切去8個(gè)頂角之后、所得到的14面體（有6個(gè)正方形和8個(gè)正六邊形）；Wigner-Seitz原胞的體積是其

5、晶胞體積的1/4。 （8）晶體的正格子與其倒格子具有相同的對(duì)稱性。例如，面心立方格子的倒格子是體心立方格子，體心立方格子的倒格子是面心立方格子，都具有立方晶系的對(duì)稱性。 （9）對(duì)于晶體中的電子波和格波，由于受到晶體體積的限制，則表示電子波和格波狀態(tài)的波矢，它們的取值也要受到一定的限制，即是被限制在由kx、ky、kz構(gòu)成的波矢空間的Wigner-Seitz原胞中；該原胞也就是所謂Brillouin區(qū)。 對(duì)于Si、Ge、GaAs這些由面心立方Bravais格子構(gòu)成的半導(dǎo)體而言，其Brillouin區(qū)也就是面心立方的倒格子的Wigner-Seitz原胞，因此Brillo

6、uin區(qū)的形狀就是由6個(gè)正方形和8個(gè)正六邊形包圍而成的14面體。 （10）晶體電子的狀態(tài)與晶體對(duì)稱性有關(guān)，并且由波矢k表示。波矢k被限制在Brillouin區(qū)中，Brillouin區(qū)中的一個(gè)代表點(diǎn)就表示一種狀態(tài)；由于代表點(diǎn)的狀態(tài)與對(duì)稱性有關(guān)，因此就常常采用與對(duì)稱性相關(guān)的符號(hào)來標(biāo)志這些代表點(diǎn)，例如，在Brillouin區(qū)內(nèi)部的代表點(diǎn)用大寫希臘字母標(biāo)志：Brillouin區(qū)中心，在<100>晶向上的代表點(diǎn)，在<111>晶向上的代表點(diǎn)；在Brillouin區(qū)邊界上的代表點(diǎn)用大寫英文字母標(biāo)志：在<100>晶向的邊界上（即正方形中心）X，在<111&g

7、t;晶向的邊界上（即正六邊形中心）L。即由點(diǎn)到X點(diǎn)連線上的任一個(gè)狀態(tài)都是，由點(diǎn)到L點(diǎn)連線上的任一個(gè)狀態(tài)都是。點(diǎn)表示的狀態(tài)的對(duì)稱性最高。 （11）Si、Ge是元素半導(dǎo)體，但從晶體結(jié)構(gòu)來看，其中卻有兩種原子（它們的共價(jià)鍵取向不同），因此這些半導(dǎo)體的晶格是復(fù)式晶格，則存在光學(xué)波模式的晶格振動(dòng)。 （12）Si、Ge (111)晶面上的原子分布最均勻（每個(gè)原子的周圍都有6個(gè)原子），故采用這種晶面來制作擴(kuò)散p-n結(jié)時(shí)，能夠獲得平坦的結(jié)面（以得到窄的基區(qū)寬度和較高的擊穿電壓）。 Si、Ge (100)晶面上的共價(jià)鍵密度最小，故采用這種晶面來制作MOS器件時(shí)，

8、能夠獲得較低、而可控的閾值電壓。 （13）GaAs (111)晶面的晶體片，若片子的正面是Ga原子面，則片子的背面必然是As原子面（因?yàn)镚aAs具有離子性，<111>是它的極性軸，為了保持電中性，就必然如此）；Ga原子面（又稱為A面）和As原子面（又稱為B面）的性質(zhì)不同，因此在使用時(shí)必須事先區(qū)分清楚（在Ga原子面上可以看到腐蝕坑）。 （14）Si、Ge、GaAs等立方晶系的晶體，沿著一定方向生長(zhǎng)而成的晶體錠，其外表上都呈現(xiàn)出規(guī)則分布的所謂生長(zhǎng)棱：沿111晶向生長(zhǎng)的晶體錠，有3根主要的棱；沿100晶向生長(zhǎng)的晶體錠，有4根主要的棱。并且(111)晶體片上會(huì)

9、出現(xiàn)三角形的腐蝕坑；(100) 晶體片上會(huì)出現(xiàn)四邊形的腐蝕坑。 （15）Si、Ge等共價(jià)鍵晶體（原子半導(dǎo)體）中的點(diǎn)缺陷，可以存在單個(gè)的空位或者間隙原子。 但是GaAs等離子性半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷，卻只能存在正、負(fù)離子成對(duì)的點(diǎn)缺陷（這樣才能保證整個(gè)晶體的電中性）。例如，正、負(fù)離子對(duì)的空位（兩個(gè)原子的空位），即Frenkel缺陷；或者分別帶正、負(fù)電荷的空位和間隙原子，即Schottky缺陷。 （16）半導(dǎo)體熱處理的目的：一是為了激活施主或受主雜質(zhì)（使得雜質(zhì)原子進(jìn)入替代位置，如離子注入以后的退火），二是為了消除晶體中的應(yīng)力（以避免產(chǎn)生缺陷）。 金屬熱處理

10、的目的：主要是控制其中晶粒的大小，以獲得所需要的力學(xué)特性（因?yàn)榻饘偈嵌嗑w，它的力學(xué)性質(zhì)與晶粒尺寸直接有關(guān)）。 （17）晶體原子的熱運(yùn)動(dòng)及其效果： 隨著溫度的升高，晶體原子的熱運(yùn)動(dòng)將表現(xiàn)出不同的形式。 晶格振動(dòng) 只要不是0K，原子就會(huì)不斷地在其平衡位置附近進(jìn)行熱振動(dòng)（小振幅的振動(dòng)），產(chǎn)生格波或者聲子，將對(duì)晶體的比熱和導(dǎo)電提供貢獻(xiàn)。并且聲子會(huì)散射載流子（例如，在室溫下半導(dǎo)體中載流子的遷移率主要就決定于聲子散射的作用），影響到遷移率；同時(shí)聲子還會(huì)引起絕緣體或者半導(dǎo)體的傳熱（熱導(dǎo)率最高的金剛石就是聲子傳熱的結(jié)果）。 注意，即使是在0K，由于載流子要受

11、到測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的限制，則也將存在著晶格振動(dòng)（稱為零點(diǎn)振動(dòng)）。 熱膨脹在較高一些溫度時(shí)，原子熱振動(dòng)的振幅增大，即使得原子的互作用勢(shì)能曲線呈現(xiàn)出不對(duì)稱性（即熱振動(dòng)的非線性效應(yīng)），從而導(dǎo)致晶體體積發(fā)生膨脹。這時(shí)原子之間的化學(xué)鍵仍然維持不變（即并未斷裂）。 產(chǎn)生熱缺陷晶體原子在熱運(yùn)動(dòng)過程中，由于能量的熱漲落，總會(huì)有一些能量較高的原子離開其平衡位置（發(fā)生價(jià)鍵的斷裂），這就產(chǎn)生出晶格空位和間隙原子熱缺陷。 晶體熔化當(dāng)溫度升高到某一定程度時(shí)，晶體原子的許多化學(xué)鍵發(fā)生了斷裂，即使得長(zhǎng)程有序的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛逃行虻囊后w。 （18）聲子晶格振動(dòng)呈現(xiàn)為格波的形式，格波能量的量子就

12、稱為聲子。每一個(gè)格波對(duì)應(yīng)于一種簡(jiǎn)正振動(dòng)，即對(duì)應(yīng)于一種聲子；一個(gè)格波中可包含許多個(gè)聲子（聲子的數(shù)目由該格波所對(duì)應(yīng)的能量來決定，它們遵從Bose-Einstein分布）。 （19）晶體表面原子的分布不同于體內(nèi)的三種情況： 出現(xiàn)懸掛鍵這就是產(chǎn)生本征表面態(tài)（即Tamm態(tài)）的根源； 表面重構(gòu)表面上相鄰的兩個(gè)懸掛鍵之間互相結(jié)合成共價(jià)鍵時(shí)，將使得表面原子發(fā)生微小的位移，即導(dǎo)致表面的晶格常數(shù)不同于體內(nèi)，這種情況稱為表面原子的重構(gòu)； 表面吸附例如，Si表面吸附H原子、O原子或者H2O分子的現(xiàn)象；表面通過化學(xué)吸附某些原子以后，即可適當(dāng)中和一些懸掛鍵、使表面態(tài)密度降低。

13、60;（20）相對(duì)于固態(tài)而言，液態(tài)與非晶態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是短程有序的物質(zhì)，即在原子分布上極為相似。因此，如果讓液態(tài)物質(zhì)以極快的速度冷卻而成為固體的話，則可以把液態(tài)中原子的分布狀況固定起來，即得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于液態(tài)的固體非晶態(tài)物質(zhì)。事實(shí)上，許多氧化物（如SiO2、B2O2、GO2、P2O5等）以及許多合金（如Cu66Zr33、Fe80B20、Pd80Si20等），都能夠采用這種快速冷卻的辦法來制備它們的非晶體；但是純金屬的非晶體不能采用這種方法來制備。 （21）雜質(zhì)的分凝系數(shù)就表示雜質(zhì)在兩種材料中、或者在兩種相中的溶解度不同的一種效果。 例如，雜質(zhì)在固相-液相的分凝系數(shù)就等于雜

14、質(zhì)在固相中的溶解度與雜質(zhì)在液相中的溶解度之比。金屬雜質(zhì)Al在Si中的分凝系數(shù)<1，這就意味著液相Si中的Al含量要高于固相Si中，因此當(dāng)液相Si冷卻、再結(jié)晶后，即成為了p型層。 又如，雜質(zhì)硼和磷在Si-SiO2之間的分凝系數(shù)分別為3/10和10/1。這就是說，摻硼的Si在表面通過熱氧化而形成一層SiO2以后，在表面附近處的硼濃度將會(huì)減?。欢鴵搅椎腟i在經(jīng)過熱氧化以后，Si表面附近處的磷濃度將會(huì)增高。 （2半導(dǎo)體材料的區(qū)域熔化提純技術(shù)（區(qū)熔技術(shù)）的基本依據(jù)：雜質(zhì)在固相和在液相中的溶解度不同。雜質(zhì)的分凝系數(shù)越小，就越有較多的雜質(zhì)被集中到熔區(qū)而趕走；并且為了達(dá)到雜質(zhì)的穩(wěn)態(tài)分

15、布，則區(qū)熔移動(dòng)的速度不能太快。 （23）半導(dǎo)體熱擴(kuò)散摻雜（摻入施主或者受主）的機(jī)制：一是晶體產(chǎn)生熱缺陷（主要是空位），二是雜質(zhì)原子擴(kuò)散。因?yàn)榫w空位的產(chǎn)生需要較大的能量（激活能），所以熱擴(kuò)散需要在高溫下進(jìn)行。 但是，Au、Pt等原子半徑較小的雜質(zhì)，能夠比較容易地進(jìn)入晶格間隙位置，所就不需要很高的擴(kuò)散溫度（例如，對(duì)于Si中擴(kuò)散Au，在700oC時(shí)只需要幾分鐘即可布滿整個(gè)Si片）。 （24）Si熱氧化的機(jī)制：一是Si片表面上O原子與Si原子化合而成二氧化硅膜，覆蓋在表面上；二是O原子通過已經(jīng)形成的二氧化硅膜擴(kuò)散進(jìn)入到界面、并進(jìn)一步與Si原子化合，使氧化層增厚。熱氧化速

16、度主要決定于第二個(gè)機(jī)制，即由O原子在二氧化硅中的擴(kuò)散過程決定，所以熱氧化需要較高的溫度。 （25）半導(dǎo)體離子注入摻雜的機(jī)制：高能離子直接轟擊而進(jìn)入半導(dǎo)體。因此，摻入的雜質(zhì)原子有許多是處在晶格間隙位置；為了讓這些雜質(zhì)原子進(jìn)入到替代位置（稱為雜質(zhì)的激活），也為了消除離子轟擊所產(chǎn)生的缺陷（輻照缺陷），所以在離子注入以后必須進(jìn)行退火。  （26）純金屬的熔點(diǎn)一般較高，但是其合金的熔點(diǎn)（共熔點(diǎn)）則往往較低。例如，Pb-Sn合金的最低共熔點(diǎn)為183oC；Au-Si合金的最低共熔點(diǎn)為370oC；Al-Si合金的最低共熔點(diǎn)為577oC；Ag-Si合金的最低共熔點(diǎn)為830oC。&#

17、160; （27）在半導(dǎo)體中，在有許多多數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于前面的載流子對(duì)于其后面的載流子具有排斥阻擋作用，這種作用即可認(rèn)為是在途中形成了空間電荷的緣故，空間電荷即限制著總的電流，并影響到整個(gè)的電流-電壓關(guān)系。例如當(dāng)晶體管穿通以后，將通過很大的電流，但電流并不是隨著電壓而線性增大，這時(shí)的電流即會(huì)受到空間電荷的限制。因此，只有多數(shù)載流子漂移電流，在載流子速度有限時(shí)（即介電弛豫時(shí)間大于載流子渡越時(shí)間），才會(huì)受到空間電荷的限制。     （28)  半導(dǎo)體中電子的能量與波矢k的關(guān)系 導(dǎo)帶底附近的等能面：電子

18、通常處于導(dǎo)帶底，即導(dǎo)帶的最小能量處；而導(dǎo)帶底附近的電子可看作為具有有效質(zhì)量的自由電子，即電子的能量與波矢k具有拋物線關(guān)系，這在k空間中，若導(dǎo)帶底在Brillouin區(qū)中心（像GaAs的導(dǎo)帶底），就表現(xiàn)為等能面是球面，具有各向同性的一個(gè)有效質(zhì)量。但是若導(dǎo)帶底不在Brillouin區(qū)中心（像Si的導(dǎo)帶底），則導(dǎo)帶底附近的等能面為橢球面，這時(shí)就存在三個(gè)有效質(zhì)量（一個(gè)縱向有效質(zhì)量和兩個(gè)橫向有效質(zhì)量）。  （29）半導(dǎo)體中空穴的能量與波矢k的關(guān)系價(jià)帶頂附近的等能面：空穴處于價(jià)帶頂附近。而常見半導(dǎo)體的價(jià)帶頂附近存在兩個(gè)能帶（它們?cè)贐rillouin區(qū)中心簡(jiǎn)并），這兩個(gè)能帶的曲率半徑不同

19、，則具有不同的有效質(zhì)量，一個(gè)能帶稱為輕空穴帶，另一個(gè)稱為重空穴帶。因此，空穴就存在有效質(zhì)量不同的兩種空穴載流子一種是輕空穴，另一種是重空穴。所以，在p型半導(dǎo)體中對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的載流子就是輕空穴和重空穴。 輕空穴帶的有效質(zhì)量較小，其中的空穴與自由載流子很接近，因此在價(jià)帶頂附近處，輕空穴帶的等能面可可近似為球面；但重空穴帶則否，其等能面是扭曲的等能面（遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離于球面）。 （26）微觀粒子的基本特性決定于其勢(shì)能形式（以電子為例）： 勢(shì)能為0：不受任何約束，則為自由電子（如真空中、無限遠(yuǎn)處的電子）；能量連續(xù)。波函數(shù)是平面波擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)（坐標(biāo)不確定、動(dòng)量確定）。 原子核

20、的中心Coulomb場(chǎng)：電子受到很強(qiáng)的作用，即處于束縛狀態(tài)；其能量是分立的能級(jí)。波函數(shù)不是平面波局域狀態(tài)（坐標(biāo)確定、動(dòng)量不確定）。 晶體周期性勢(shì)場(chǎng)：電子既不完全自由，也不完全受到束縛；其能量是能帶狀態(tài)，即能量準(zhǔn)連續(xù)（因?yàn)槊恳粋€(gè)能帶都是由許多準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的）。波函數(shù)是所謂Bloch函數(shù)晶體電子既不完全自由，也不完全受到束縛（坐標(biāo)不確定、動(dòng)量也不確定）。 （27）由于晶體的有限性和晶格周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，晶體電子的準(zhǔn)動(dòng)量只能取有限數(shù)目的分立值，這些不同的準(zhǔn)動(dòng)量在k空間（由kx、ky、kz構(gòu)成的空間）中的取值范圍即稱為Brillouin區(qū)。 （28）半導(dǎo)體中載流子的簡(jiǎn)

21、并和非簡(jiǎn)并，可從幾個(gè)方面來分析： 凡是量子化（即呈現(xiàn)出波動(dòng)性）的、不滿足準(zhǔn)經(jīng)典近似條件（de Broglie波長(zhǎng)大于粒子間距）的載流子，常常稱為簡(jiǎn)并載流子（或退化載流子），相應(yīng)的半導(dǎo)體就稱為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（或退化半導(dǎo)體）。凡是滿足準(zhǔn)經(jīng)典近似條件的載流子，則常常稱為非簡(jiǎn)并載流子（或非退化載流子），相應(yīng)的半導(dǎo)體就稱為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（或非退化半導(dǎo)體）。   凡是遵從Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)發(fā)布規(guī)律的載流子，就是簡(jiǎn)并載流子；因?yàn)檫@時(shí)體現(xiàn)量子效應(yīng)的Pauli原理起著限制作用，所以這種簡(jiǎn)并標(biāo)準(zhǔn)與呈現(xiàn)量子效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是一致的。 幾個(gè)狀態(tài)具有相同的能量，這

22、也體現(xiàn)了量子效應(yīng)的作用。 實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)載流子系統(tǒng)而言，簡(jiǎn)并這個(gè)概念與呈現(xiàn)量子效應(yīng)、遵從Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)以及幾個(gè)態(tài)具有相同的能量這些概念，本質(zhì)上都是一致的，它們都表征著微觀粒子所具有的量子特性。 （29）從載流子所遵從的能量分布形式來確定簡(jiǎn)并和非簡(jiǎn)并： 對(duì)于非簡(jiǎn)并載流子，因其濃度小，在一條能級(jí)上很難發(fā)生有幾個(gè)電子同時(shí)去占據(jù)的情況，則可以采用未考慮Pauli原理限制的Boltzmann分布函數(shù)來近似描述它們的統(tǒng)計(jì)分布；因此可以說，遵從Boltzmann分布函數(shù)的載流子就是非簡(jiǎn)并載流子，相應(yīng)的半導(dǎo)體即為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。相反，遵從考慮了Pauli原理限制的Fe

23、rmi-Dirac分布函數(shù)的載流子，則為簡(jiǎn)并載流子，相應(yīng)的半導(dǎo)體即為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體；顯然，濃度很高、或者能量較低的載流子，一定是簡(jiǎn)并載流子。 因?yàn)镕ermi-Dirac分布函數(shù)在(E-EF)>>kT（對(duì)n型半導(dǎo)體）或(EF-E)>>kT（對(duì)p型半導(dǎo)體）條件下，可以近似為Boltzmann分布函數(shù)。因此，也可以說：凡是滿足該條件的載流子或者半導(dǎo)體就是非簡(jiǎn)并的；相反，凡是不滿足這些條件的載流子或者半導(dǎo)體就是簡(jiǎn)并的。 只有能量較高、或者載流子濃度較小（摻雜濃度較低）的半導(dǎo)體，才是非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體；摻雜濃度越高（載流子濃度越大）、溫度越低，就越容易出現(xiàn)簡(jiǎn)并化。

24、60;由于提高摻雜濃度或者降低溫度時(shí)，F(xiàn)ermi能級(jí)都將向能帶邊（EC或者EV）靠近，所以簡(jiǎn)并化的程度越高，F(xiàn)ermi能級(jí)也就越靠近能帶邊（甚至進(jìn)入到導(dǎo)帶或者價(jià)帶的內(nèi)部）；從而，也可以采用Fermi能級(jí)與能帶邊的距離來判斷是否簡(jiǎn)并，例如對(duì)n型半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)則為：在(ECEF)>2kT時(shí)為非簡(jiǎn)并，在0<(ECEF)2kT時(shí)為弱簡(jiǎn)并，在(ECEF)0時(shí)為強(qiáng)簡(jiǎn)并。 （30）本征半導(dǎo)體中的載流子本征載流子，因?yàn)樗鼈円词欠植济芏群苄?，要么是所處的溫度很高（則所能夠占據(jù)的能級(jí)數(shù)目很多），則它們總將滿足準(zhǔn)經(jīng)典近似條件；并且本征半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)在禁帶中央。所以，本征半導(dǎo)體總是非簡(jiǎn)并

25、半導(dǎo)體。 對(duì)于一般的摻雜半導(dǎo)體，只要溫度不是太低的情況下，基本上也都是非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。因此，都可以采用準(zhǔn)經(jīng)典近似和相應(yīng)的有效質(zhì)量概念來討論載流子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)然，半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有價(jià)電子都是簡(jiǎn)并的，因其間距基本上等于晶體原胞的大小，這要比其de Broglie波長(zhǎng)小得多，故它們都是量子化的，不能當(dāng)作為經(jīng)典粒子處理。 同樣，高摻雜的、以及低溫下的半導(dǎo)體中的載流子都是簡(jiǎn)并的，因此，高摻雜半導(dǎo)體和低溫下的半導(dǎo)體都是簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。 （31）Fermi能級(jí)（EF）是Fermi-Dirac分布函數(shù)中的一個(gè)能量參量，它實(shí)際上起到了衡量能級(jí)被電子占據(jù)的幾率大小的一個(gè)

26、標(biāo)準(zhǔn)的作用：在E<EF時(shí)，f(E)>1/2；在E>EF時(shí)，f(E) <1/2；在E=EF時(shí)，f(E)=1/2。 一般，可以說，EF之上的能級(jí)基本上是空著的（例如，導(dǎo)帶即如此），EF之下的能級(jí)基本上是被電子填滿了的（例如，價(jià)帶即如此）；在EF之上、并越靠近EF（即E-EF越?。┑哪芗?jí)，被電子所占據(jù)的幾率就越大。因此，對(duì)于n型半導(dǎo)體，因?yàn)閷?dǎo)帶中有較多的電子（多數(shù)載流子），則Fermi能級(jí)EF必將靠近導(dǎo)帶底（EC），并且這時(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電以電子導(dǎo)電為主；對(duì)于p型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，則Fermi能級(jí)EF必將靠近價(jià)帶頂（EV）。當(dāng)然，如果EF處于禁帶中央，

27、即兩種載流子分別占據(jù)導(dǎo)帶能級(jí)和價(jià)帶能級(jí)的幾率相等，則兩種載流子的數(shù)量也就差不多相等，那么這就必然是本征半導(dǎo)體，這時(shí)的Fermi能級(jí)特稱為本征Fermi能級(jí)。 Fermi能級(jí)就是熱平衡電子系統(tǒng)的一個(gè)熱力學(xué)函數(shù)化學(xué)勢(shì)，即系統(tǒng)增、減一個(gè)電子所引起的系統(tǒng)自由能的變化量。由于在熱平衡狀態(tài)下系統(tǒng)具有統(tǒng)一的化學(xué)勢(shì)，因此整個(gè)電子系統(tǒng)在熱平衡時(shí)也必將具有統(tǒng)一的Fermi能級(jí)。 （32）施主和受主的摻雜濃度越高，則多數(shù)載流子濃度就越大，但少數(shù)載流子濃度就越小。因?yàn)樵跓崞胶鈺r(shí)，多數(shù)載流子濃度與少數(shù)載流子濃度的乘積總是等于一個(gè)常數(shù)“熱平衡條件”（即np=ni2）。 （33）當(dāng)同時(shí)摻入施主

28、和受主雜質(zhì)時(shí)，這兩種雜質(zhì)將相互抵消，使得其同時(shí)喪失了提供載流子的作用。因此，這時(shí)能夠提供載流子的雜質(zhì)，應(yīng)該是它們抵消以后所剩余的那些多出來的部分雜質(zhì)。這種施主和受主雜質(zhì)的抵消作用，就稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償效應(yīng)?？梢?，對(duì)于一塊半導(dǎo)體，如果同時(shí)摻入大量的施主和受主，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性不一定增強(qiáng)，相反還可能大大降低； 33）當(dāng)同時(shí)摻入施主和受主雜質(zhì)時(shí)，這兩種雜質(zhì)將相互抵消，使得其同時(shí)喪失了提供載流子的作用。因此，這時(shí)能夠提供載流子的雜質(zhì)，應(yīng)該是它們抵消以后所剩余的那些多出來的部分雜質(zhì)。這種施主和受主雜質(zhì)的抵消作用，就稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償效應(yīng)?？梢姡瑢?duì)于一塊半導(dǎo)體，如果同時(shí)摻入大量的施主和受主，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性不一定增強(qiáng)

29、，相反還可能大大降低；并且通過雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，也可以使半導(dǎo)體的型號(hào)發(fā)生轉(zhuǎn)變（即由n型變?yōu)閜型，或者相反），實(shí)際上許多器件就是利用這種雜質(zhì)的補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)各種器件結(jié)構(gòu)的。 （34）施主雜質(zhì)原子上的束縛電子和受主雜質(zhì)原子上的束縛空穴，所受到的束縛力都比較弱，因此，不大的熱運(yùn)動(dòng)能量即可把這些束縛電子或束縛空穴分別激發(fā)到導(dǎo)帶或價(jià)帶，使它們成為載流子。從而施主和受主雜質(zhì)的能級(jí)分別距離導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都很近（即電離能很小），是所謂“淺能級(jí)”。 這種淺能級(jí)的位置可以近似地采用所謂“類氫模型”來計(jì)算。對(duì)于Si中P、As、Sb的電離能分別為0.045eV、0.054eV、0.039eV；對(duì)于Si中

30、B、Al的電離能分別為0.045eV、0.067eV。因此，在室溫下，所有的施主和受主往往都是電離了的，即都能激發(fā)出載流子而對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)（這種情況稱為雜質(zhì)全電離）。 （35）“復(fù)合中心”是促進(jìn)載流子（電子和空穴）成對(duì)消失（復(fù)合）的一種雜質(zhì)或缺陷。當(dāng)復(fù)合中心的濃度增大時(shí)，對(duì)于少數(shù)載流子濃度和多數(shù)載流子濃度的影響不大，但是少數(shù)載流子壽命將會(huì)大大減短。不過，有的復(fù)合中心雜質(zhì)（例如Au），也具有一定的提供載流子的作用，因此在Si中摻入Au以后，Si的電阻率也將相應(yīng)地有所提高。 （36）復(fù)合中心雜質(zhì)上所束縛的載流子較緊，不容易激發(fā)的能帶中去，所以復(fù)合中心雜質(zhì)的能級(jí)在能帶圖上所處的位置

31、比較深（即很靠近禁帶中央）。這種能級(jí)的位置不能簡(jiǎn)單地采用類氫模型來計(jì)算。 （37）“陷阱”是存儲(chǔ)某一種載流子的雜質(zhì)或缺陷，可以是電子陷阱，也可以是空穴陷阱。當(dāng)陷阱的濃度增大時(shí)，將會(huì)減小少數(shù)載流子的或者多數(shù)載流子的濃度，但是對(duì)于少數(shù)載流子壽命的影響一般不大。 （38）陷阱雜質(zhì)的能級(jí)，在能帶圖上的位置一般是比施主或受主的能級(jí)要深，但是比復(fù)合中心的能級(jí)要淺，即往往處于施主或受主的能級(jí)與復(fù)合中心能級(jí)之間。 （39）為什么雜質(zhì)（包括施主、受主、復(fù)合中心和陷阱）能級(jí)可以處在禁帶中間呢？因?yàn)殡s質(zhì)能級(jí)上的電子（或空穴）是被各個(gè)雜質(zhì)原子所束縛著的，只出現(xiàn)在雜質(zhì)原子附近，故雜質(zhì)能級(jí)屬

32、于所謂束縛狀態(tài)；而半導(dǎo)體禁帶是不存在所謂共有化狀態(tài)（即屬于整個(gè)晶體所有的電子的能量狀態(tài)）的能量范圍，這并不排斥其中可以存在非共有化的束縛狀態(tài)。所以，在禁帶中間出現(xiàn)束縛狀態(tài)的雜質(zhì)、缺陷等能級(jí)，也是很正常的。 （40）施主、受主、復(fù)合中心、陷阱等雜質(zhì)和缺陷，還具有散射載流子的作用，是所謂散射中心。這種散射作用往往是影響低溫下載流子遷移率的重要因素（隨著溫度的升高，載流子熱運(yùn)動(dòng)速度增大，則這種散射作用減小，并導(dǎo)致載流子遷移率增大）。在較高溫度下，晶格振動(dòng)散射將起主要作用，這將導(dǎo)致載流子遷移率降低。 （41）因?yàn)榘雽?dǎo)體中多數(shù)載流子的壽命（稱為介電弛豫時(shí)間）非常短（10-14s），存

33、在的有效范圍（稱為介電屏蔽長(zhǎng)度）也非常小，故非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略。而少數(shù)載流子具有較長(zhǎng)的有效存在時(shí)間壽命，以及較大的有效存在范圍擴(kuò)散長(zhǎng)度；從而，半導(dǎo)體中的非平衡載流子往往就是指少數(shù)載流子。 （42）載流子輸運(yùn)參量之間的關(guān)系（Einstein關(guān)系）：對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，電子的擴(kuò)散系數(shù)D與遷移率m成正比，并且其比值與溫度成正比，即D/m=kT/q=(k/q)T。 金屬的電子熱導(dǎo)率k與電導(dǎo)率s之間也存在著正比關(guān)系，并且它們的比值也與溫度成正比，即韋德曼-弗蘭茲-洛倫茲定律：k/s=LT. 式中L是洛倫茲常數(shù)（L=2k2/3q2=2.44×10-8W-K

34、-2）?？梢?，Einstein關(guān)系與韋德曼-弗蘭茲-洛倫茲定律有一定的相似性。 （43）功函數(shù)是材料的一個(gè)基本特性參數(shù)。金屬的功函數(shù)就是真空自由電子能級(jí)與其Fermi能級(jí)的差，該數(shù)值基本上是一個(gè)常數(shù)。 半導(dǎo)體電子的親和能是真空自由電子能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)的差，這也是一個(gè)不變的材料參數(shù)。半導(dǎo)體的功函數(shù)也是真空自由電子能級(jí)與其Fermi能級(jí)的差，但是半導(dǎo)體功函數(shù)與摻雜濃度和摻雜種類（型號(hào)）等有關(guān)。對(duì)于同一種半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體的功函數(shù)要小于p型半導(dǎo)體的功函數(shù)；摻雜濃度越高的n型半導(dǎo)體，功函數(shù)就越小（對(duì)于p型半導(dǎo)體，恰恰相反）。 （44）接觸的勢(shì)壘高度： 不同材料（

35、甚至液體-固體，液體-液體）接觸所形成的勢(shì)壘高度，都可以根據(jù)其功函數(shù)之差來確定。 同一種半導(dǎo)體的p型材料與n型材料接觸時(shí)，因?yàn)閚型半導(dǎo)體的功函數(shù)小于p型半導(dǎo)體，所以電子將向p型一邊轉(zhuǎn)移，空穴將向n型一邊轉(zhuǎn)移，從而形成空間電荷區(qū)，即造成p-n結(jié)勢(shì)壘。于是接觸勢(shì)壘高度就等于兩邊半導(dǎo)體Fermi能級(jí)的差。對(duì)于同一種半導(dǎo)體（譬如不同型號(hào)的Si，不同摻雜濃度的Si）的接觸時(shí)，也可以通過考慮載流子濃度的差別來確定勢(shì)壘高度，但是決定勢(shì)壘高度的最基本因素還是功函數(shù)之差。n型與p型 但是，對(duì)于不同種類半導(dǎo)體的接觸（將形成“異質(zhì)結(jié)”），不管它們之間的載流子濃度差別有多大，也必須由功函數(shù)差來確定

36、其勢(shì)壘高度；這時(shí)電子就有可能從濃度較低的一邊轉(zhuǎn)移到濃度較高的一邊。 對(duì)于金屬與半導(dǎo)體的接觸（形成Schottky勢(shì)壘或者歐姆接觸），與異質(zhì)結(jié)的形成一樣，也必須由它們的功函數(shù)差來確定其勢(shì)壘高度。 （45）p-n結(jié)的重要區(qū)域：p-n結(jié)主要包括三個(gè)區(qū)域，即空間電荷區(qū)和兩邊的兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)。 空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，對(duì)載流子往來兩邊的輸運(yùn)具有阻擋作用，故空間電荷區(qū)也稱為勢(shì)壘區(qū)。p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)主要是起著控制p-n結(jié)能否導(dǎo)電的作用，即控制著是注入載流子還是抽取載流子。 擴(kuò)散區(qū)是存在少數(shù)載流子、并且是少數(shù)載流子進(jìn)行擴(kuò)散的區(qū)域；其中不存在電場(chǎng)，屬于電中性區(qū)

37、域。p-n結(jié)的擴(kuò)散區(qū)主要是起著限制通過p-n結(jié)電流大小的作用，因此常常說通過p-n結(jié)的電流主要是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流。由于擴(kuò)散電流與少數(shù)載流子的濃度梯度成正比，從而，擴(kuò)散區(qū)的狀況（厚度）對(duì)于p-n結(jié)的電流具有重要的意義。擴(kuò)散區(qū)的厚度近似為少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度（與少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命有關(guān)）。 （46）耗盡層近似認(rèn)為p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)是沒有載流子的耗盡層。因?yàn)榭臻g電荷區(qū)（勢(shì)壘區(qū)）中存在較強(qiáng)的電場(chǎng)，所以其中的載流子（多數(shù)載流子和少數(shù)載流子）往往被電場(chǎng)驅(qū)趕出去了，則留下的空間電荷主要是電離雜質(zhì)中心的電荷，即勢(shì)壘區(qū)可近似為耗盡層。 即使勢(shì)壘區(qū)不完全是耗盡層，但是其中的空間電荷也往

38、往主要是電離雜質(zhì)中心的電荷，因此摻雜濃度越高，空間電荷密度就越大。 （47）p-n結(jié)的勢(shì)壘高度決定于空間電荷區(qū)中的電荷數(shù)量，即直接關(guān)系著其中的電場(chǎng)；并且等于兩邊半導(dǎo)體Fermi能級(jí)的差，即勢(shì)壘高度EFn-EFpEg。因此，p-n結(jié)的最大正向電壓Eg/q 。對(duì)于Si p-n結(jié)，實(shí)際上在正向電壓大約為0.85V左右時(shí)，就已經(jīng)能夠很好導(dǎo)電了；電壓再大，勢(shì)壘即不再起作用，則p-n結(jié)就變成了半導(dǎo)體電阻。 （48）半導(dǎo)體摻雜濃度提高時(shí)，p-n結(jié)勢(shì)壘高度增大，則正向?qū)妷涸龃?，并且在同樣電壓下的正向電流降低?#160;（49）溫度升高時(shí)，p-n結(jié)勢(shì)壘高度降低，則正

39、向?qū)妷簻p小，并且在同樣電壓下的正向電流增大。 （50）p-n結(jié)的反向電流與正向電流一樣，都主要是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流（不是多數(shù)載流子電流，也不是漂移電流）。 半導(dǎo)體摻雜濃度提高時(shí)，半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度減小，則p-n結(jié)擴(kuò)散區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度降低，從而p-n結(jié)的反向電流減小。 溫度升高時(shí)，p-n結(jié)擴(kuò)散區(qū)中少數(shù)載流子的濃度及其梯度增大，則使得p-n結(jié)的反向電流增大。 （51）p-n結(jié)的正向伏安特性基本上是指數(shù)式的，因此正偏的p-n結(jié)可看成為一個(gè)恒壓源。這種電壓源的恒壓性能要優(yōu)越于柵極-漏極短接的MOS二極管（MOS二極管的伏安特性是拋物線式的）。 （52）p-n結(jié)的正向交流電阻小于正向直流電阻；而p-n結(jié)的反向交流電阻大于反向直流電阻。 （53）隧道二極管：實(shí)際上就是兩邊都是強(qiáng)簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體所構(gòu)成的p-n結(jié)。工作時(shí)，載流子可直接穿過禁帶而到達(dá)相同能量的狀態(tài)量子隧道效應(yīng)。正向電流由載流子的隧道電流和擴(kuò)散電流組成，正向伏安特性具有負(fù)電阻；反向電流都是隧道電流。 （54）反向二極管：實(shí)際上就是一邊是強(qiáng)簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體、另一邊是弱簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體所構(gòu)成的p-n結(jié)。工作時(shí)，正向電流是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流，反向電流是隧道電流；這