半導(dǎo)體物理器件

半導(dǎo)體物理1、半導(dǎo)體的五大基本特性答：(1)負(fù)電阻溫度系數(shù)：溫度升高，電阻減小。(2)光電導(dǎo)效應(yīng)：由輻射引發(fā)的被照射材料的電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。(3)整流效應(yīng)：加正向電壓時(shí)，導(dǎo)通；加反向電壓時(shí)，不導(dǎo)通。(4)光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體和金屬接觸時(shí)，在光照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。(5)霍爾效應(yīng)：通有電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的作用，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。2、簡(jiǎn)述肖特基缺點(diǎn)和弗倫克爾缺點(diǎn)的異同之處。答：（1）共同點(diǎn)：都是熱缺點(diǎn)（本征缺點(diǎn)）。（2）不同點(diǎn)：弗倫克爾缺點(diǎn)：空位和間隙原子成對(duì)出現(xiàn)，晶體體積不發(fā)生變化；肖特基缺點(diǎn)：正離子和負(fù)離子空位成比例出現(xiàn)，隨著體積的增加而增加，并且只形成空位而無間隙原子。3、什么是施主雜質(zhì)？什么是受主雜質(zhì)？以Si為例闡明。答：Ⅴ族元素在硅中電離時(shí)能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱這類雜質(zhì)為施主雜質(zhì)；Ⅲ族元素在硅中電離時(shí)能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱這類雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。4、什么是本征激發(fā)？什么是本征半導(dǎo)體？本征半導(dǎo)體的特性是什么？答:（1）電子從價(jià)帶直接向?qū)Ъぐl(fā)，成為導(dǎo)帶電子的過程就是本征激發(fā)。（2）完全不含雜質(zhì)且無晶格缺點(diǎn)的純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。（3）電子濃度等于空穴濃度，載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差。5、在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)的作用：摻入雜質(zhì)能夠變化半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，半導(dǎo)體中雜質(zhì)對(duì)電阻的影響非常大。摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢(shì)場(chǎng)受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí)，使得電阻大大下降，從而導(dǎo)電性大大提高。6、敘述深能級(jí)雜質(zhì)的特點(diǎn)。答：（1）不容易電離，對(duì)載流子濃度影響不大；（2）普通會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí)，甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)，也產(chǎn)生受主能級(jí)；能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命減少。7、淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響是什么？答：深能級(jí)雜質(zhì)重要是產(chǎn)生復(fù)合中心，縮短少數(shù)載流子的壽命；淺能級(jí)雜質(zhì)重要是提供載流子，能夠變化半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，決定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。這兩種雜質(zhì)都能散射載流子，使遷移率減小。8、解釋費(fèi)米能級(jí)及其物理意義。答：（1）費(fèi)米能級(jí)是半導(dǎo)體中大量電子構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)。（2）費(fèi)米能級(jí)的意義：在多個(gè)溫度下，在該能級(jí)上的一種狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率正好是1/2。代表了電子的填充能級(jí)高低。（當(dāng)系統(tǒng)處在熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外界做功的狀況下，系統(tǒng)增加一種電子所引發(fā)的系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)能。）9、敘述影響本征半導(dǎo)體載流子濃度的重要因素。答：①禁帶寬度：在一定溫度下，禁帶寬度越窄的半導(dǎo)體，本征載流子濃度越大；②溫度：對(duì)于給定的半導(dǎo)體材料，其本征載流子濃度隨溫度升高而快速增加；③載流子的有效質(zhì)量。10、為什么器件正常工作大多在飽和電離區(qū)？答：溫度太低，載流子濃度隨溫度變化很大，或濃度太低，無法形成明確的PN結(jié)，局限性以使器件正?；蚍€(wěn)定工作。溫度太高，本征激發(fā)掩蓋了雜質(zhì)電離，使半導(dǎo)體載流子濃度不穩(wěn)定，且導(dǎo)電類型不明確，因此溫度太高時(shí)PN結(jié)作用消失，器件無法實(shí)現(xiàn)原來設(shè)計(jì)的功效。而在飽和電離區(qū)，半導(dǎo)體的載流子濃度基本與溫度無關(guān)，此時(shí)能夠正常工作。因此要使器件正常工作，普通要使器件工作在飽和電離區(qū)。11、為什么能帶能級(jí)能夠允許兩個(gè)電子占據(jù)而雜質(zhì)能級(jí)最多容納一種電子？答：當(dāng)一種電子被雜質(zhì)或缺點(diǎn)的缺點(diǎn)中心的束縛態(tài)俘獲后，該束縛態(tài)或陷阱能級(jí)就消失了。也就是說，對(duì)于第二個(gè)電子看來這些能級(jí)是不存在的，因此第二個(gè)電子不可能被俘獲。12、為什么在半導(dǎo)體中空穴遷移率普通比電子遷移率低？答：首先遷移率指的是單位電場(chǎng)強(qiáng)度下所產(chǎn)生的載流子平均漂移速度。導(dǎo)電電子是在導(dǎo)帶中，它們是脫離共價(jià)鍵的束縛在半導(dǎo)體中自由運(yùn)動(dòng)的電子，而導(dǎo)電空穴是在價(jià)帶中，空穴電流事實(shí)上是代表了共價(jià)鍵上的電子在價(jià)帶間運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流，顯然，在相似電場(chǎng)作用下，兩者的平均漂移速度不會(huì)相似，并且導(dǎo)帶電子平均漂移速度要大些，就是說電子遷移率比空穴遷移率大。（由于空穴運(yùn)動(dòng)比電子困難，因此空穴的平均漂移速度不大于電子。）13、簡(jiǎn)述電離雜質(zhì)散射的散射幾率與溫度、雜質(zhì)濃度的關(guān)系。答：Pi∝NiT-3/2。雜質(zhì)濃度Ni越大，載流子遭受散射的機(jī)會(huì)越多，即散射幾率大。溫度越高，載流子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度越大，能夠較快地擦過雜質(zhì)離子，偏轉(zhuǎn)就小，因此散射幾率小。14、簡(jiǎn)述含有一定雜質(zhì)濃度的半導(dǎo)體中電阻率與溫度的關(guān)系（以Si為例，闡明ρ-T關(guān)系）。答：Si的電阻率與溫度的變化關(guān)系能夠分為三個(gè)階段：（1）溫度很低時(shí)，電阻率隨溫度升高而減小。此時(shí)本征激發(fā)極弱，能夠無視；載流子重要來源于雜質(zhì)電離，溫度升高，載流子濃度增加，對(duì)應(yīng)地電離雜質(zhì)散射也增加，從而使得遷移率隨溫度升高而增大，造成電阻率隨溫度升高而減小。（2）溫度進(jìn)一步升高（含室溫），電阻率隨溫度升高而增大。在這一溫度范疇內(nèi)，雜質(zhì)全部電離，同時(shí)本征激發(fā)尚不明顯，故載流子濃度基本沒有變化。對(duì)散射起重要作用的是晶格散射，遷移率隨溫度升高而減小，造成電阻率隨溫度升高而增大。（3）溫度再進(jìn)一步升高，電阻率隨溫度升高而減小。這時(shí)本征激發(fā)越來越多，即使遷移率隨溫度升高而減小，但是本征載流子增加很快，其影響大大超出了遷移率減少對(duì)電阻率的影響，造成電阻率隨溫度升高而減小。固然，溫度超出器件的最高工作溫度時(shí)，器件已經(jīng)不能正常工作了。（畫圖）15、計(jì)算題：對(duì)于n型硅，ND=1016/cm3，光注入非子△n=△p=1014/cm3，計(jì)算有無光照時(shí)得電導(dǎo)率，其中：μn=1200cm2/V·S，μp=400cm2/V·S。解：無光照時(shí)：σ0=nqμn=NDqμn=1016×1.602×10-19×1200≈1.92（S/cm）有光照時(shí)：△n=△p=1014cm-3<<ND，為小注入σ=（n0+△n）qμn+（p0+△p）qμp=[(1016+1014)×1200+1014×400]×1.602×10-19=1.945（S/cm）16、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體的遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系。答：（1）雜質(zhì)濃度Ni的影響：①雜質(zhì)濃度低，少子與多子遷移率相似；②雜質(zhì)濃度變大，遷移率減少；③雜質(zhì)濃度高，少子遷移率不不大于多子遷移率，隨濃度增大差別加大。（2）①高溫時(shí)，重要是晶格散射，溫度升高，遷移率減小；②低溫時(shí)，重要是電離雜質(zhì)散射，溫度升高，遷移率增大。17、氧化硅層在半導(dǎo)體器件中起什么作用？答：①對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散起掩蔽作用；②對(duì)器件表面起保護(hù)和鈍化的作用；③用于器件的絕緣隔離層；④用作MOS器件的絕緣柵材料。18、簡(jiǎn)述O、C、H對(duì)硅材料有哪些危害？答：（1）O的危害：熱解決過程中，過飽和間隙氧會(huì)在晶體中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺點(diǎn)等。氧沉淀過大會(huì)造成硅片翹曲，并引入二次缺點(diǎn)。（2）C的危害：①C會(huì)減少擊穿電壓，增加漏電流；②C會(huì)增進(jìn)氧沉淀和新施主的形成；③C會(huì)克制熱施主的形成。（3）H的作用：①H在硅中處在間隙位置，能夠形成正負(fù)離子兩種狀態(tài)；②H在硅中形成H-O復(fù)合體；③H能增進(jìn)氧的擴(kuò)散和熱施主的形成；④H會(huì)鈍化雜質(zhì)和缺點(diǎn)的電活性；⑤H能鈍化晶體的表面和界面。19、簡(jiǎn)述硅的用途。答：①高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料；②是金屬陶瓷、宇宙航行的重要材料；③用于光導(dǎo)纖維通信；④性能優(yōu)秀的硅有機(jī)化合物等。20、鍺如何從鍺廢料提純成高純鍺（高純鍺的獲取過程）？答：（1）鍺來源稀少，普通先將多個(gè)鍺廢料氯化成四氯化鍺；（2）制取的四氯化鍺通過精餾、萃取等提純；（3）水解生成二氧化鍺，用氫氣還原成高純鍺；（4）進(jìn)一步區(qū)熔提純成高純鍺。21、簡(jiǎn)述Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的基本性質(zhì)。答：①帶隙較大；②直接躍遷能帶構(gòu)造（光電轉(zhuǎn)換效率高）；③電子遷移率高；④帶隙隨溫度變化。22、敘述GaAs的基本特性。答：①高頻特性，能夠達(dá)成300GHz；②高溫特性，在300℃能夠正常工作；③高壓特性，耐沖擊，可靠性高；④耐酸、耐堿、耐腐蝕；⑤功率大，介電常數(shù)小，導(dǎo)熱性能好；⑥電子漂移飽和速度快。23、敘述LED照明的優(yōu)點(diǎn)。答：（1）發(fā)光效率高，節(jié)省能源；（2）耗電量?。唬?）綠色環(huán)保；（4）冷光源，不易破碎，沒有電磁干擾，產(chǎn)生廢物少；（5）壽命長；（6）固體光源，體積小，重量輕，方向性好；（7）響應(yīng)速度快，能夠耐多個(gè)惡劣條件；（8）低電壓，小電流。24、相對(duì)于Si材料，GaAs含有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？答：（1）優(yōu)點(diǎn)：①能量轉(zhuǎn)換效率高；②電子遷移率高；③易于制成非摻雜的半絕緣體單晶材料，其電阻率可達(dá)108Ω·cm以上；④抗輻射性能好；⑤溫度系數(shù)??；⑥含有耿氏效應(yīng)。（2）缺點(diǎn)：①資源稀缺，價(jià)格昂貴，約為硅的10倍；②污染環(huán)境（砷化物是有毒物質(zhì)）；③機(jī)械強(qiáng)度較弱，易碎；④制備困難（GaAs在一定條件下易分解、易揮發(fā)）。25、影響固溶體形成的因素有哪些？答：①質(zhì)點(diǎn)尺寸因素；②晶體構(gòu)造類型；③電價(jià)因素；④電負(fù)性。26、形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)有哪些影響？答：（1）穩(wěn)定晶體，制止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生；（2）活化晶格；（3）固溶強(qiáng)化；（4）形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)有影響：固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組分，而塑性則較低。27、相比于晶體硅，非晶硅有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？答：（1）優(yōu)點(diǎn)：①較好的光學(xué)性能，很大的光吸取系數(shù)；②可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，也能制備高質(zhì)量的PN結(jié)和多層構(gòu)造，易形成異質(zhì)結(jié)；③通過組分控制，可在相稱寬的范疇內(nèi)控制光學(xué)帶隙；④可在較低溫度下采用化學(xué)氣相沉積等辦法制備薄膜；⑤生產(chǎn)過程相對(duì)簡(jiǎn)樸。（2）缺點(diǎn)：①缺少長久穩(wěn)定性，處在非平衡態(tài)，所制備器件的性能會(huì)退化，例如S-W效應(yīng)；②載流子遷移率低，不利于制備高頻高速器件，但可用于低功耗產(chǎn)品中。28、畫出PN結(jié)形成前后的能帶圖。答：29、簡(jiǎn)述PN結(jié)形成及工作原理。答：(1)形成過程：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸→由于多子濃度差→造成多子的擴(kuò)散→多子進(jìn)入空間電荷區(qū)→形成內(nèi)電場(chǎng)→內(nèi)電場(chǎng)制止多子擴(kuò)散，促使少子漂移。(2)工作原理：①PN結(jié)加正向電壓時(shí)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的妨礙削弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)不不大于漂移電流，可無視漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。②PN結(jié)加反向電壓時(shí)，

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相似，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的妨礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成的漂移電流不不大于擴(kuò)散電流，可無視擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，含有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，含有很小的反向漂移電流。由此能夠得出結(jié)論：PN結(jié)含有單向?qū)щ娦浴?0、內(nèi)建電勢(shì)差VD受哪些因素的影響？鍺P-N結(jié)與硅P-N結(jié)的VD哪個(gè)大？為什么？答：(1)①溫度；②施、受主雜質(zhì)濃度；③禁帶寬度。(2)硅P-N結(jié)VD大。因素：Si的禁帶寬度比Ge大，Si的載流子比Ge少，即Si的ni小，因此硅P-N結(jié)的VD大。31、簡(jiǎn)述熱電現(xiàn)象及其三種親密有關(guān)的效應(yīng)。答：（1）熱電效應(yīng)是電流引發(fā)的可逆熱效應(yīng)和溫差引發(fā)的電效應(yīng)的總稱。（2）三種效應(yīng)：①塞貝克效應(yīng)：在兩種