半導體基礎知識
http://www.dcyhziu.cn 2007/5/23 源自:中華職工學習網 【字體：
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1．什么是導體、絕緣體、半導體？
容易導電的物質叫導體，如：金屬、石墨、人體、大地以及各種酸、堿、鹽的水溶液等都是導體。
不容易導電的物質叫做絕緣體，如：橡膠、塑料、玻璃、云母、陶瓷、純水、油、空氣等都是絕緣體。
所謂半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。如：硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等。半導體大體上可以分為兩類，即本征半導體和雜質半導體。本征半導體是指純凈的半導體，這里的純凈包括兩個意思，一是指半導體材料中只含有一種元素的原子；二是指原子與原子之間的排列是有一定規律的。本征半導體的特點是導電能力極弱，且隨溫度變化導電能力有顯著變化。雜質半導體是指人為地在本征半導體中摻入微量其他元素（稱雜質）所形成的半導體。雜質半導體有兩類：N型半導體和P型半導體。
2．半導體材料的特征有哪些？
（1）導電能力介于導體和絕緣體之間。
（2）當其純度較高時，電導率的溫度系數為正值，隨溫度升高電導率增大；金屬導體則相反，電導率的溫度系數為負值。
（3）有兩種載流子參加導電，具有兩種導電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導體材料，既可形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。
（4）晶體的各向異性。
3．簡述N型半導體。
常溫下半導體的導電性能主要由雜質來決定。當半導體中摻有施主雜質時，主要靠施主提供電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做N型半導體。
例如：硅中摻有Ⅴ族元素雜質磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）時，稱為N型半導體。
4．簡述P型半導體。
當半導體中摻有受主雜質時，主要靠受主提供空穴導電，這種依靠空穴導電的半導體叫做P型半導體。
例如：硅中摻有Ⅲ族元素雜質硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）時，稱為P型半導體。
5．什么是半絕緣半導體材料？
定義電阻率大于107Ω*cm的半導體材料稱為半絕緣半導體材料。
如：摻Cr的砷化鎵，非摻雜的砷化鎵為半絕緣砷化鎵材料。
摻Fe的磷化銦，非摻雜的磷化銦經退火為半絕緣磷化銦材料。
6．什么是單晶、多晶？
單晶是原子或離子沿著三個不同的方向按一定的周期有規則地排列，并沿一致的晶體學取向所堆垛起來的遠程有序的晶體。
多晶則是有多個單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學取向彼此不同，其周期性與規則性也在此處受到破壞。
7．常用半導體材料的晶體生長方向有幾種？
我們實際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結構，常用半導體材料的晶體生長方向是<111>和<100>。
規定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。
8．什么是電導率和電阻率？
所有材料的電導率（σ）可用下式表達：σ=neμ
其中n為載流子濃度，單位為cm-3；e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；μ為載流子的遷移率，單位為cm2/V*s；電導率單位為S/cm（S為西門子）。 電阻率ρ=1/σ，單位為Ω*cm
9．PN結是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工藝的方法，把一邊是N型半導體另一邊是P型半導體結合在一起，這時N型半導體中的多數載流子電子就要向P型半導體一邊滲透擴散。結果是N型區域中鄰近P型區一邊的薄層A中有一部分電子擴散到P型區域中去了，如圖2-6所示（圖略）。薄層A中因失去了這一部分電子 而帶有正電。同樣，P型區域中鄰近N型區域一邊的薄層B中有一部分空穴擴散到N型區域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結果使薄層B帶有負電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導體的交界面兩側形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負電）。A、B間便產生了一個電場，這個帶電的薄層A和B，叫做PN結，又叫做阻擋層。
當P型區域接到電池的正極，N型區域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態平衡被破壞，在PN結中流過的電流很大（這種接法稱為正向連接）。這時，電池在PN結中所產生的電場的方向恰好與PN結原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結電場強，這兩個電場疊加后電場是由P型區域指向N型區域的。因此，PN結中原先存在的電場被削弱了，阻擋層的厚度減小了，所以正向電流將隨著外加正向電壓的增加而迅速地上升。
當P型區域接到電池的負極，N型區域接到電池的正極時，在PN結中流過的電流很小（這種接法稱為反向連接）。這是由于外加電壓在PN結中所產生的電場方向是由N型區指向P型區，也即與原先在PN結中存在的電場方向是一致的。這兩個電場疊加的結果，加強了電場阻止多數載流子的擴散運動，此時，阻擋層的厚度比原來增大，原來漂移和擴散的動態平衡也被破壞了，漂移電流大于擴散電流，正是這個電流造成反向漏電流。PN結的這種性質叫做單向導電性。
10．何謂PN結的擊穿特性？
對PN結施加的反向偏壓增大到某一數值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現象稱為PN結擊穿。發生擊穿時的反向偏壓稱為擊穿電壓，以VB表示。擊穿現象中，電流增大基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機構：熱電擊穿、雪崩擊穿和隧道擊穿。從擊穿的后果來看，可以分為物理上可恢復的和不可恢復的擊穿兩類。熱電擊穿屬于后一類情況，它將造成PN結的永久性損壞，在器件應用時應盡量避免發生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬于可恢復性的，即撤掉電壓后，在PN結內沒有物理損傷。
11．試述什么是光電二極管。
當光照到PN結上時，光能被吸收進入晶格，使電子的能級提高，這就導致某些電子脫離它們的原子，因此產生了自由電子與空穴。在光電導光電二極管中，在PN結上加一反向電壓，由光能在結構附近產生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結形成電流，電流從負載電阻流出產生了輸出信號。光的強度越高，產生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時，電流只有PN結的小的反向漏電流，這種電流稱為暗電流。
12．何謂歐姆接觸？
金屬與半導體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實際上的歐姆接觸幾乎都是采用金屬-N+N半導體或金屬-P+P半導體的形式制成的。在這種接觸中，金屬與重摻雜的半導體區接觸，接觸界面附近存在大量的復合中心，而且電流通過接觸時的壓降也往往小到可以不計。
制造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導體的施主或受主元素，而且在半導體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導體中形成金屬-N+或金屬-P+區。如果金屬本身不是施主或受主元素，可在金屬中摻入施主或受主元素，用合金法形成歐姆接觸。另一種方法是在半導體中先擴散形成重摻雜區，然后使金屬與半導體接觸，形成歐姆接觸。
13．遷移率表示什么？
遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要因素。摻雜半導體的電導率一方面取決于摻雜的濃度，另一方面取決于遷移率的大小。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，材料的電導率就越高。遷移率大小不僅關系著導電能力的強弱，而且直接決定載流子運動的快慢。它對半導體器件工作速度有直接的影響。不同的材料，電子和空穴的遷移率是不同的。載流子的遷移率是隨溫度而變化的。這對器件的使用性能有直接的影響。載流子的遷移率受晶體散射和電離雜質散射的影響。載流子的遷移率與晶體質量有關，晶體完整性好，載流子的遷移率高。
14．什么是方塊電阻？
我們知道一個均勻導體的電阻R正比于導體的長度L，反比于導體的截面積S。如果這個導體是一個寬為W、厚度為d的薄層，則R=ρL/dW=（ρ/d）（L/W）
可以看出，這樣一個薄層的電阻與（L/W）成正比，比例系數為（ρ/d）。這個比例系數就叫做方塊電阻，用R□表示：R□=ρ/d R= R□（L/W）
R□的單位為歐姆，通常用符號Ω/□表示。從上式可以看出，當L=W時有R= R□，這時R□表示一個正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關，這就是取名方塊電阻的原因。
15．什么是晶體缺陷？
晶體內的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。晶體缺陷對半導體材料的使用性影響很大，在大多數情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制備過程中都要盡量排除缺陷或降低其密度。晶體缺陷的控制是材料制備的重要技術之一。
晶體缺陷的分類：
（1）點缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構成的復合體。
（2）線缺陷，呈線狀排列，如位錯就是這種缺陷。
（3）面缺陷，呈面狀，如晶界、堆垛層錯、相界等。
（4）體缺陷，如空洞、夾雜物、雜質沉淀物等。
（5）微缺陷，幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷聚集物、微沉淀物等。
16．什么是錯位？
當一種固體材料受到外力時就會發生形變，如果外力消失后，形變也隨著消失，這種形變稱為彈性形變；如果外力消失后，形變不消失。則稱為范性形變。位錯就是由范性形變造成的，它可以使晶體內的一原子或離子脫離規則的周期排列而位移一段距離，位移區與非位移區交界處必有原子的錯位，這樣產生線缺陷稱為位錯。
17．什么是層錯？
簡單的說，層錯是在密排晶面上缺少或多余一層原子而構成的缺陷，層錯是一種“面缺陷”。層錯也是硅晶體中常見的一種缺陷，層錯對器件制備工藝以及成品性能都可以發生較大的影響。生產中最熟悉的是硅外延片中的層錯。在硅外延生長時，如果不采取特殊的措施，生長出的外延層中將含有大量的層錯，以致嚴重的破壞了晶體的完整性。通過研究發現，外延片中的層錯主要起源于生長外延層的襯底晶體的表面。根據這個原因，不僅找到了克服層錯大量產生的途徑，而且發現利用層錯測量外延層的厚度的方法。
18．材料的常用表征參數有哪些？
電學參數、化學純度、晶體學參數、幾何尺寸。
電學參數包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數載流子壽命、電阻率均勻性等。
化學純度是指材料的本底純度。
晶體學參數有晶向、位錯密度。
幾何尺寸包括直徑、晶片的厚度、彎曲度、翹曲度、平行度和拋光片的平坦度等
容易導電的物質叫導體，如：金屬、石墨、人體、大地以及各種酸、堿、鹽的水溶液等都是導體。
不容易導電的物質叫做絕緣體，如：橡膠、塑料、玻璃、云母、陶瓷、純水、油、空氣等都是絕緣體。
所謂半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。如：硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等。半導體大體上可以分為兩類，即本征半導體和雜質半導體。本征半導體是指純凈的半導體，這里的純凈包括兩個意思，一是指半導體材料中只含有一種元素的原子；二是指原子與原子之間的排列是有一定規律的。本征半導體的特點是導電能力極弱，且隨溫度變化導電能力有顯著變化。雜質半導體是指人為地在本征半導體中摻入微量其他元素（稱雜質）所形成的半導體。雜質半導體有兩類：N型半導體和P型半導體。
2．半導體材料的特征有哪些？
（1）導電能力介于導體和絕緣體之間。
（2）當其純度較高時，電導率的溫度系數為正值，隨溫度升高電導率增大；金屬導體則相反，電導率的溫度系數為負值。
（3）有兩種載流子參加導電，具有兩種導電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導體材料，既可形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。
（4）晶體的各向異性。
3．簡述N型半導體。
常溫下半導體的導電性能主要由雜質來決定。當半導體中摻有施主雜質時，主要靠施主提供電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做N型半導體。
例如：硅中摻有Ⅴ族元素雜質磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）時，稱為N型半導體。
4．簡述P型半導體。
當半導體中摻有受主雜質時，主要靠受主提供空穴導電，這種依靠空穴導電的半導體叫做P型半導體。
例如：硅中摻有Ⅲ族元素雜質硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）時，稱為P型半導體。
5．什么是半絕緣半導體材料？
定義電阻率大于107Ω*cm的半導體材料稱為半絕緣半導體材料。
如：摻Cr的砷化鎵，非摻雜的砷化鎵為半絕緣砷化鎵材料。
摻Fe的磷化銦，非摻雜的磷化銦經退火為半絕緣磷化銦材料。
6．什么是單晶、多晶？
單晶是原子或離子沿著三個不同的方向按一定的周期有規則地排列，并沿一致的晶體學取向所堆垛起來的遠程有序的晶體。
多晶則是有多個單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學取向彼此不同，其周期性與規則性也在此處受到破壞。
7．常用半導體材料的晶體生長方向有幾種？
我們實際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結構，常用半導體材料的晶體生長方向是<111>和<100>。
規定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。
8．什么是電導率和電阻率？
所有材料的電導率（σ）可用下式表達：σ=neμ
其中n為載流子濃度，單位為cm-3；e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；μ為載流子的遷移率，單位為cm2/V*s；電導率單位為S/cm（S為西門子）。 電阻率ρ=1/σ，單位為Ω*cm
9．PN結是如何形成的？它具有什么特性？
如果用工藝的方法，把一邊是N型半導體另一邊是P型半導體結合在一起，這時N型半導體中的多數載流子電子就要向P型半導體一邊滲透擴散。結果是N型區域中鄰近P型區一邊的薄層A中有一部分電子擴散到P型區域中去了，如圖2-6所示（圖略）。薄層A中因失去了這一部分電子 而帶有正電。同樣，P型區域中鄰近N型區域一邊的薄層B中有一部分空穴擴散到N型區域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結果使薄層B帶有負電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導體的交界面兩側形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負電）。A、B間便產生了一個電場，這個帶電的薄層A和B，叫做PN結，又叫做阻擋層。
當P型區域接到電池的正極，N型區域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態平衡被破壞，在PN結中流過的電流很大（這種接法稱為正向連接）。這時，電池在PN結中所產生的電場的方向恰好與PN結原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結電場強，這兩個電場疊加后電場是由P型區域指向N型區域的。因此，PN結中原先存在的電場被削弱了，阻擋層的厚度減小了，所以正向電流將隨著外加正向電壓的增加而迅速地上升。
當P型區域接到電池的負極，N型區域接到電池的正極時，在PN結中流過的電流很小（這種接法稱為反向連接）。這是由于外加電壓在PN結中所產生的電場方向是由N型區指向P型區，也即與原先在PN結中存在的電場方向是一致的。這兩個電場疊加的結果，加強了電場阻止多數載流子的擴散運動，此時，阻擋層的厚度比原來增大，原來漂移和擴散的動態平衡也被破壞了，漂移電流大于擴散電流，正是這個電流造成反向漏電流。PN結的這種性質叫做單向導電性。
10．何謂PN結的擊穿特性？
對PN結施加的反向偏壓增大到某一數值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現象稱為PN結擊穿。發生擊穿時的反向偏壓稱為擊穿電壓，以VB表示。擊穿現象中，電流增大基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機構：熱電擊穿、雪崩擊穿和隧道擊穿。從擊穿的后果來看，可以分為物理上可恢復的和不可恢復的擊穿兩類。熱電擊穿屬于后一類情況，它將造成PN結的永久性損壞，在器件應用時應盡量避免發生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬于可恢復性的，即撤掉電壓后，在PN結內沒有物理損傷。
11．試述什么是光電二極管。
當光照到PN結上時，光能被吸收進入晶格，使電子的能級提高，這就導致某些電子脫離它們的原子，因此產生了自由電子與空穴。在光電導光電二極管中，在PN結上加一反向電壓，由光能在結構附近產生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結形成電流，電流從負載電阻流出產生了輸出信號。光的強度越高，產生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時，電流只有PN結的小的反向漏電流，這種電流稱為暗電流。
12．何謂歐姆接觸？
金屬與半導體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實際上的歐姆接觸幾乎都是采用金屬-N+N半導體或金屬-P+P半導體的形式制成的。在這種接觸中，金屬與重摻雜的半導體區接觸，接觸界面附近存在大量的復合中心，而且電流通過接觸時的壓降也往往小到可以不計。
制造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導體的施主或受主元素，而且在半導體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導體中形成金屬-N+或金屬-P+區。如果金屬本身不是施主或受主元素，可在金屬中摻入施主或受主元素，用合金法形成歐姆接觸。另一種方法是在半導體中先擴散形成重摻雜區，然后使金屬與半導體接觸，形成歐姆接觸。
13．遷移率表示什么？
遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要因素。摻雜半導體的電導率一方面取決于摻雜的濃度，另一方面取決于遷移率的大小。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，材料的電導率就越高。遷移率大小不僅關系著導電能力的強弱，而且直接決定載流子運動的快慢。它對半導體器件工作速度有直接的影響。不同的材料，電子和空穴的遷移率是不同的。載流子的遷移率是隨溫度而變化的。這對器件的使用性能有直接的影響。載流子的遷移率受晶體散射和電離雜質散射的影響。載流子的遷移率與晶體質量有關，晶體完整性好，載流子的遷移率高。
14．什么是方塊電阻？
我們知道一個均勻導體的電阻R正比于導體的長度L，反比于導體的截面積S。如果這個導體是一個寬為W、厚度為d的薄層，則R=ρL/dW=（ρ/d）（L/W）
可以看出，這樣一個薄層的電阻與（L/W）成正比，比例系數為（ρ/d）。這個比例系數就叫做方塊電阻，用R□表示：R□=ρ/d R= R□（L/W）
R□的單位為歐姆，通常用符號Ω/□表示。從上式可以看出，當L=W時有R= R□，這時R□表示一個正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關，這就是取名方塊電阻的原因。
15．什么是晶體缺陷？
晶體內的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。晶體缺陷對半導體材料的使用性影響很大，在大多數情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制備過程中都要盡量排除缺陷或降低其密度。晶體缺陷的控制是材料制備的重要技術之一。
晶體缺陷的分類：
（1）點缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構成的復合體。
（2）線缺陷，呈線狀排列，如位錯就是這種缺陷。
（3）面缺陷，呈面狀，如晶界、堆垛層錯、相界等。
（4）體缺陷，如空洞、夾雜物、雜質沉淀物等。
（5）微缺陷，幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷聚集物、微沉淀物等。
16．什么是錯位？
當一種固體材料受到外力時就會發生形變，如果外力消失后，形變也隨著消失，這種形變稱為彈性形變；如果外力消失后，形變不消失。則稱為范性形變。位錯就是由范性形變造成的，它可以使晶體內的一原子或離子脫離規則的周期排列而位移一段距離，位移區與非位移區交界處必有原子的錯位，這樣產生線缺陷稱為位錯。
17．什么是層錯？
簡單的說，層錯是在密排晶面上缺少或多余一層原子而構成的缺陷，層錯是一種“面缺陷”。層錯也是硅晶體中常見的一種缺陷，層錯對器件制備工藝以及成品性能都可以發生較大的影響。生產中最熟悉的是硅外延片中的層錯。在硅外延生長時，如果不采取特殊的措施，生長出的外延層中將含有大量的層錯，以致嚴重的破壞了晶體的完整性。通過研究發現，外延片中的層錯主要起源于生長外延層的襯底晶體的表面。根據這個原因，不僅找到了克服層錯大量產生的途徑，而且發現利用層錯測量外延層的厚度的方法。
18．材料的常用表征參數有哪些？
電學參數、化學純度、晶體學參數、幾何尺寸。
電學參數包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數載流子壽命、電阻率均勻性等。
化學純度是指材料的本底純度。
晶體學參數有晶向、位錯密度。
幾何尺寸包括直徑、晶片的厚度、彎曲度、翹曲度、平行度和拋光片的平坦度等
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