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。計算機(jī)、移動通訊、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化、精確制導(dǎo)系統(tǒng)和衛(wèi)星航天系統(tǒng)的實現(xiàn)也都離不開微電子技術(shù)。難怪美國國防部會將微電子技術(shù)列為國防關(guān)鍵技術(shù)項目，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。 （1）溫度是粒子（分子、原子、電子等）平均動能的量度。熱量是粒子的隨機(jī)運(yùn)動、通過碰撞把動能從較高溫度的物體傳遞給較低溫度的物體的平均動能。對于熱平衡系統(tǒng)，其中無熱量的轉(zhuǎn)移。 （2）熱平衡狀態(tài)就是整個系統(tǒng)中溫度均勻的狀態(tài)；對于幾個系統(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（起伏）的現(xiàn)象。雖然處于熱平衡狀態(tài)的兩個體系之間并無凈能量的轉(zhuǎn)移；但是熱平衡是一種動態(tài)平衡。從某一個瞬間來看，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能熱量的傳遞，這就會造成熱漲落。 （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個晶系。按照晶格型式，則共有14種（因為每一個晶系可以有幾個不同的晶格型式），即14種Bravais格子。按照點群對稱性，則共有32種，即32個點群。按照空間群對稱性，則共有230種，即230個空間群。 （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，但反映了晶體的對稱性（一般，體積要大一些）。原胞中只有一個原子的晶格是簡式晶格，原胞中有一個以上原子的晶格是復(fù)式晶格。簡式晶格的熱振動只有聲學(xué)波，復(fù)式晶格的熱振動則既有聲學(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），但是最具有對稱性的一種原胞是所謂Wigner-Seitz原胞；這種原胞是由一個格點到所以的近鄰格點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，就是把一個體心立方晶胞切去8個頂角之后、所得到的14面體（有6個正方形和8個正六邊形）；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稱性。 （9）對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個正方形和8個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)中的一個代表點就表示一種狀態(tài)；由于代表點的狀態(tài)與對稱性有關(guān)，因此就常常采用與對稱性相關(guān)的符號來標(biāo)志這些代表點，例如，在Brillouin區(qū)內(nèi)部的代表點用大寫希臘字母標(biāo)志：Brillouin區(qū)中心，在<100>晶向上的代表點，在<111>晶向上的代表點；在Brillouin區(qū)邊界上的代表點用大寫英文字母標(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。即由點到X點連線上的任一個狀態(tài)都是，由點到L點連線上的任一個狀態(tài)都是。點表示的狀態(tài)的對稱性最高。 （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。 （12）Si、Ge (111)晶面上的原子分布最均勻（每個原子的周圍都有6個原子），故采用這種晶面來制作擴(kuò)散p-n結(jié)時，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)晶面上的共價鍵密度最小，故采用這種晶面來制作MOS器件時，

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（因為GaAs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)則分布的所謂生長棱：沿111晶向生長的晶體錠，有3根主要的棱；沿100晶向生長的晶體錠，有4根主要的棱。并且(111)晶體片上會

9、出現(xiàn)三角形的腐蝕坑；(100) 晶體片上會出現(xiàn)四邊形的腐蝕坑。 （15）Si、Ge等共價鍵晶體（原子半導(dǎo)體）中的點缺陷，可以存在單個的空位或者間隙原子。 但是GaAs等離子性半導(dǎo)體中的點缺陷，卻只能存在正、負(fù)離子成對的點缺陷（這樣才能保證整個晶體的電中性）。例如，正、負(fù)離子對的空位（兩個原子的空位），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（因為金屬是多晶體，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)動及其效果： 隨著溫度的升高，晶體原子的熱運(yùn)動將表現(xiàn)出不同的形式。 晶格振動 只要不是0K，原子就會不斷地在其平衡位置附近進(jìn)行熱振動（小振幅的振動），產(chǎn)生格波或者聲子，將對晶體的比熱和導(dǎo)電提供貢獻(xiàn)。并且聲子會散射載流子（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；同時聲子還會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、到測不準(zhǔn)關(guān)系的限制，則也將存在著晶格振動（稱為零點振動）。 熱膨脹在較高一些溫度時，原子熱振動的振幅增大，即使得原子的互作用勢能曲線呈現(xiàn)出不對稱性（即熱振動的非線性效應(yīng)），從而導(dǎo)致晶體體積發(fā)生膨脹。這時原子之間的化學(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)動過程中，由于能量的熱漲落，總會有一些能量較高的原子離開其平衡位置（發(fā)生價鍵的斷裂），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，晶體原子的許多化學(xué)鍵發(fā)生了斷裂，即使得長程有序的晶體轉(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。每一個格波對應(yīng)于一種簡正振動，即對應(yīng)于一種聲子；一個格波中可包含許多個聲子（聲子的數(shù)目由該格波所對應(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)表面上相鄰的兩個懸掛鍵之間互相結(jié)合成共價鍵時，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減??；而摻磷的Si在經(jīng)過熱氧化以后，Si表面附近處的磷濃度將會增高。 （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。因為晶體空位的產(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，對于Si中擴(kuò)散Au，在700oC時只需要幾分鐘即可布滿整個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）純金屬的熔點一般較高，但是其合金的熔點（共熔點）則往往較低。例如，Pb-Sn合金的最低共熔點為183oC；Au-Si合金的最低共熔點為370oC；Al-Si合金的最低共熔點為577oC；Ag-Si合金的最低共熔點為830oC。&#

17、160; （27）在半導(dǎo)體中，在有許多多數(shù)載流子漂移運(yùn)動時，處于前面的載流子對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，這時的電流即會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（即介電弛豫時間大于載流子渡越時間），才會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，這時就存在三個有效質(zhì)量（一個縱向有效質(zhì)量和兩個橫向有效質(zhì)量）。  （29）半導(dǎo)體中空穴的能量與波矢k的關(guān)系價帶頂附近的等能面：空穴處于價帶頂附近。而常見半導(dǎo)體的價帶頂附近存在兩個能帶（它們在Brillouin區(qū)中心簡并），這兩個能帶的曲率半徑不同

19、，則具有不同的有效質(zhì)量，一個能帶稱為輕空穴帶，另一個稱為重空穴帶。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能形式（以電子為例）： 勢能為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、動量確定）。 原子核

20、的中心Coulomb場：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。波函數(shù)不是平面波局域狀態(tài)（坐標(biāo)確定、動量不確定）。 晶體周期性勢場：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)（因為每一個能帶都是由許多準(zhǔn)連續(xù)的能級組成的）。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、動量也不確定）。 （27）由于晶體的有限性和晶格周期性勢場的作用，晶體電子的準(zhǔn)動量只能取有限數(shù)目的分立值，這些不同的準(zhǔn)動量在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

21、并和非簡并，可從幾個方面來分析： 凡是量子化（即呈現(xiàn)出波動性）的、不滿足準(zhǔn)經(jīng)典近似條件（de Broglie波長大于粒子間距）的載流子，常常稱為簡并載流子（或退化載流子），相應(yīng)的半導(dǎo)體就稱為簡并半導(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，則常常稱為非簡并載流子（或非退化載流子），相應(yīng)的半導(dǎo)體就稱為非簡并半導(dǎo)體（或非退化半導(dǎo)體）。   凡是遵從Fermi-Dirac統(tǒng)計發(fā)布規(guī)律的載流子，就是簡并載流子；因為這時體現(xiàn)量子效應(yīng)的Pauli原理起著限制作用，所以這種簡并標(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。 實際上，對于一個載流子系統(tǒng)而言，簡并這個概念與呈現(xiàn)量子效應(yīng)、遵從Fermi-Dirac統(tǒng)計以及幾個態(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并和非簡并： 對于非簡并載流子，因其濃度小，在一條能級上很難發(fā)生有幾個電子同時去占據(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)計分布；因此可以說，遵從Boltzmann分布函數(shù)的載流子就是非簡并載流子，相應(yīng)的半導(dǎo)體即為非簡并半導(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，則為簡并載流子，相應(yīng)的半導(dǎo)體即為簡并半導(dǎo)體；顯然，濃度很高、或者能量較低的載流子，一定是簡并載流子。 因為Fermi-Dirac分布函數(shù)在(E-EF)>>kT（對n型半導(dǎo)體）或(EF-E)>>kT（對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)體就是簡并的。 只有能量較高、或者載流子濃度較?。〒诫s濃度較低）的半導(dǎo)體，才是非簡并半導(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)簡并化。

24、60;由于提高摻雜濃度或者降低溫度時，F(xiàn)ermi能級都將向能帶邊（EC或者EV）靠近，所以簡并化的程度越高，F(xiàn)ermi能級也就越靠近能帶邊（甚至進(jìn)入到導(dǎo)帶或者價帶的內(nèi)部）；從而，也可以采用Fermi能級與能帶邊的距離來判斷是否簡并，例如對n型半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)則為：在(ECEF)>2kT時為非簡并，在0<(ECEF)2kT時為弱簡并，在(ECEF)0時為強(qiáng)簡并。 （30）本征半導(dǎo)體中的載流子本征載流子，因為它們要么是分布密度很小，要么是所處的溫度很高（則所能夠占據(jù)的能級數(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能級在禁帶中央。所以，本征半導(dǎo)體總是非簡并

25、半導(dǎo)體。 對于一般的摻雜半導(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。 當(dāng)然，半導(dǎo)體價帶中的所有價電子都是簡并的，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并的，因此，高摻雜半導(dǎo)體和低溫下的半導(dǎo)體都是簡并半導(dǎo)體。 （31）Fermi能級（EF）是Fermi-Dirac分布函數(shù)中的一個能量參量，它實際上起到了衡量能級被電子占據(jù)的幾率大小的一個

26、標(biāo)準(zhǔn)的作用：在E<EF時，f(E)>1/2；在E>EF時，f(E) <1/2；在E=EF時，f(E)=1/2。 一般，可以說，EF之上的能級基本上是空著的（例如，導(dǎo)帶即如此），EF之下的能級基本上是被電子填滿了的（例如，價帶即如此）；在EF之上、并越靠近EF（即E-EF越?。┑哪芗?，被電子所占據(jù)的幾率就越大。因此，對于n型半導(dǎo)體，因為導(dǎo)帶中有較多的電子（多數(shù)載流子），則Fermi能級EF必將靠近導(dǎo)帶底（EC），并且這時半導(dǎo)體的導(dǎo)電以電子導(dǎo)電為主；對于p型半導(dǎo)體，空穴是多數(shù)載流子，則Fermi能級EF必將靠近價帶頂（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)帶能級和價帶能級的幾率相等，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，這時的Fermi能級特稱為本征Fermi能級。 Fermi能級就是熱平衡電子系統(tǒng)的一個熱力學(xué)函數(shù)化學(xué)勢，即系統(tǒng)增、減一個電子所引起的系統(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，因此整個電子系統(tǒng)在熱平衡時也必將具有統(tǒng)一的Fermi能級。 （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。因為在熱平衡時，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常數(shù)“熱平衡條件”（即np=ni2）。 （33）當(dāng)同時摻入施主

28、和受主雜質(zhì)時，這兩種雜質(zhì)將相互抵消，使得其同時喪失了提供載流子的作用。因此，這時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τ谝粔K半導(dǎo)體，如果同時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)同時摻入施主和受主雜質(zhì)時，這兩種雜質(zhì)將相互抵消，使得其同時喪失了提供載流子的作用。因此，這時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τ谝粔K半導(dǎo)體，如果同時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)體的型號發(fā)生轉(zhuǎn)變（即由n型變?yōu)閜型，或者相反），實際上許多器件就是利用這種雜質(zhì)的補(bǔ)償來實現(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)帶或價帶，使它們成為載流子。從而施主和受主雜質(zhì)的能級分別距離導(dǎo)帶底和價帶頂都很近（即電離能很?。撬^“淺能級”。 這種淺能級的位置可以近似地采用所謂“類氫模型”來計算。對于Si中P、As、Sb的電離能分別為0.045eV、0.054eV、0.039eV；對于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，對于少數(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）。這種能級的位置不能簡單地采用類氫模型來計算。 （37）“陷阱”是存儲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，將會減小少數(shù)載流子的或者多數(shù)載流子的濃度，但是對于少數(shù)載流子壽命的影響一般不大。 （38）陷阱雜質(zhì)的能級，在能帶圖上的位置一般是比施主或受主的能級要深，但是比復(fù)合中心的能級要淺，即往往處于施主或受主的能級與復(fù)合中心能級之間。 （39）為什么雜質(zhì)（包括施主、受主、復(fù)合中心和陷阱）能級可以處在禁帶中間呢？因為雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）是被各個雜質(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，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，晶格振動散射將起主要作用，這將導(dǎo)致載流子遷移率降低。 （41）因為半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的壽命（稱為介電弛豫時間）非常短（10-14s），存

33、在的有效范圍（稱為介電屏蔽長度）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)載流子具有較長的有效存在時間壽命，以及較大的有效存在范圍擴(kuò)散長度；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）：對于非簡并半導(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)是材料的一個基本特性參數(shù)。金屬的功函數(shù)就是真空自由電子能級與其Fermi能級的差，該數(shù)值基本上是一個常數(shù)。 半導(dǎo)體電子的親和能是真空自由電子能級與導(dǎo)帶底能級的差，這也是一個不變的材料參數(shù)。半導(dǎo)體的功函數(shù)也是真空自由電子能級與其Fermi能級的差，但是半導(dǎo)體功函數(shù)與摻雜濃度和摻雜種類（型號）等有關(guān)。對于同一種半導(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?。▽τ趐型半導(dǎo)體，恰恰相反）。 （44）接觸的勢壘高度： 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，因為n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)勢壘。于是接觸勢壘高度就等于兩邊半導(dǎo)體Fermi能級的差。對于同一種半導(dǎo)體（譬如不同型號的Si，不同摻雜濃度的Si）的接觸時，也可以通過考慮載流子濃度的差別來確定勢壘高度，但是決定勢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、其勢壘高度；這時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。 對于金屬與半導(dǎo)體的接觸（形成Schottky勢壘或者歐姆接觸），與異質(zhì)結(jié)的形成一樣，也必須由它們的功函數(shù)差來確定其勢壘高度。 （45）p-n結(jié)的重要區(qū)域：p-n結(jié)主要包括三個區(qū)域，即空間電荷區(qū)和兩邊的兩個擴(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，對載流子往來兩邊的輸運(yùn)具有阻擋作用，故空間電荷區(qū)也稱為勢壘區(qū)。p-n結(jié)的勢壘區(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，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)的勢壘區(qū)是沒有載流子的耗盡層。因為空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）中存在較強(qiáng)的電場，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，即勢壘區(qū)可近似為耗盡層。 即使勢壘區(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；并且等于兩邊半導(dǎo)體Fermi能級的差，即勢壘高度EFn-EFpEg。因此，p-n結(jié)的最大正向電壓Eg/q 。對于Si p-n結(jié)，實際上在正向電壓大約為0.85V左右時，就已經(jīng)能夠很好導(dǎo)電了；電壓再大，勢壘即不再起作用，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，p-n結(jié)勢壘高度增大，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，p-n結(jié)勢壘高度降低，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，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，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：實際上就是兩邊都是強(qiáng)簡并的半導(dǎo)體所構(gòu)成的p-n結(jié)。工作時，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：實際上就是一邊是強(qiáng)簡并的半導(dǎo)體、另一邊是弱簡并的半導(dǎo)體所構(gòu)成的p-n結(jié)。工作時，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