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標(biāo) 題：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
日期：2007/5/23 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng)	【字體：】

1．什么是導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體？
　　容易導(dǎo)電的物質(zhì)叫導(dǎo)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(dǎo)體。
　　不容易導(dǎo)電的物質(zhì)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(dǎo)體是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。如：硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等。半導(dǎo)體大體上可以分為兩類，即本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體，這里的純凈包括兩個(gè)意思，一是指半導(dǎo)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(guī)律的。本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)是導(dǎo)電能力極弱，且隨溫度變化導(dǎo)電能力有顯著變化。雜質(zhì)半導(dǎo)體是指人為地在本征半導(dǎo)體中摻入微量其他元素（稱雜質(zhì)）所形成的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩類：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。
2．半導(dǎo)體材料的特征有哪些？
　　（1）導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。
　　（2）當(dāng)其純度較高時(shí)，電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為正值，隨溫度升高電導(dǎo)率增大；金屬導(dǎo)體則相反，電導(dǎo)率的溫度系數(shù)為負(fù)值。
　　（3）有兩種載流子參加導(dǎo)電，具有兩種導(dǎo)電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導(dǎo)體材料，既可形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。
　　（4）晶體的各向異性。
3．簡述N型半導(dǎo)體。
　　常溫下半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能主要由雜質(zhì)來決定。當(dāng)半導(dǎo)體中摻有施主雜質(zhì)時(shí)，主要靠施主提供電子導(dǎo)電，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體。
　　例如：硅中摻有Ⅴ族元素雜質(zhì)磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）時(shí)，稱為N型半導(dǎo)體。
4．簡述P型半導(dǎo)體。
　　當(dāng)半導(dǎo)體中摻有受主雜質(zhì)時(shí)，主要靠受主提供空穴導(dǎo)電，這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體。
　　例如：硅中摻有Ⅲ族元素雜質(zhì)硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）時(shí)，稱為P型半導(dǎo)體。
5．什么是半絕緣半導(dǎo)體材料？
　　定義電阻率大于107Ω*cm的半導(dǎo)體材料稱為半絕緣半導(dǎo)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(jīng)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(gè)不同的方向按一定的周期有規(guī)則地排列，并沿一致的晶體學(xué)取向所堆垛起來的遠(yuǎn)程有序的晶體。
　　多晶則是有多個(gè)單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學(xué)取向彼此不同，其周期性與規(guī)則性也在此處受到破壞。
7．常用半導(dǎo)體材料的晶體生長方向有幾種？
　　我們實(shí)際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現(xiàn)出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結(jié)構(gòu)，常用半導(dǎo)體材料的晶體生長方向是<111>和<100>。
　　規(guī)定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。
8．什么是電導(dǎo)率和電阻率？
　　所有材料的電導(dǎo)率（σ）可用下式表達(dá)：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(dǎo)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(jié)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(dǎo)體另一邊是P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，這時(shí)N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子就要向P型半導(dǎo)體一邊滲透擴(kuò)散。結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)一邊的薄層A中有一部分電子擴(kuò)散到P型區(qū)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(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層B中有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結(jié)果使薄層B帶有負(fù)電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負(fù)電）。A、B間便產(chǎn)生了一個(gè)電場，這個(gè)帶電的薄層A和B，叫做PN結(jié)，又叫做阻擋層。
　　當(dāng)P型區(qū)域接到電池的正極，N型區(qū)域接到電池的負(fù)極時(shí)，漂移和擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，在PN結(jié)中流過的電流很大（這種接法稱為正向連接）。這時(shí)，電池在PN結(jié)中所產(chǎn)生的電場的方向恰好與PN結(jié)原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結(jié)電場強(qiáng)，這兩個(gè)電場疊加后電場是由P型區(qū)域指向N型區(qū)域的。因此，PN結(jié)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(dāng)P型區(qū)域接到電池的負(fù)極，N型區(qū)域接到電池的正極時(shí)，在PN結(jié)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(jié)中所產(chǎn)生的電場方向是由N型區(qū)指向P型區(qū)，也即與原先在PN結(jié)中存在的電場方向是一致的。這兩個(gè)電場疊加的結(jié)果，加強(qiáng)了電場阻止多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，阻擋層的厚度比原來增大，原來漂移和擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡也被破壞了，漂移電流大于擴(kuò)散電流，正是這個(gè)電流造成反向漏電流。PN結(jié)的這種性質(zhì)叫做單向?qū)щ娦浴?
10．何謂PN結(jié)的擊穿特性？
　　對PN結(jié)施加的反向偏壓增大到某一數(shù)值時(shí)，反向電流突然開始迅速增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿。發(fā)生擊穿時(shí)的反向偏壓稱為擊穿電壓，以VB表示。擊穿現(xiàn)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(shù)目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機(jī)構(gòu)：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(fù)的和不可恢復(fù)的擊穿兩類。熱電擊穿屬于后一類情況，它將造成PN結(jié)的永久性損壞，在器件應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬于可恢復(fù)性的，即撤掉電壓后，在PN結(jié)內(nèi)沒有物理損傷。
11．試述什么是光電二極管。
　　當(dāng)光照到PN結(jié)上時(shí)，光能被吸收進(jìn)入晶格，使電子的能級(jí)提高，這就導(dǎo)致某些電子脫離它們的原子，因此產(chǎn)生了自由電子與空穴。在光電導(dǎo)光電二極管中，在PN結(jié)上加一反向電壓，由光能在結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結(jié)形成電流，電流從負(fù)載電阻流出產(chǎn)生了輸出信號(hào)。光的強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時(shí)，電流只有PN結(jié)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(dǎo)體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實(shí)際上的歐姆接觸幾乎都是采用金屬-N+N半導(dǎo)體或金屬-P+P半導(dǎo)體的形式制成的。在這種接觸中，金屬與重?fù)诫s的半導(dǎo)體區(qū)接觸，接觸界面附近存在大量的復(fù)合中心，而且電流通過接觸時(shí)的壓降也往往小到可以不計(jì)。
　　制造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導(dǎo)體的施主或受主元素，而且在半導(dǎo)體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導(dǎo)體中形成金屬-N+或金屬-P+區(qū)。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(dǎo)體中先擴(kuò)散形成重?fù)诫s區(qū)，然后使金屬與半導(dǎo)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(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要因素。摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)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(dǎo)率就越高。遷移率大小不僅關(guān)系著導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且直接決定載流子運(yùn)動(dòng)的快慢。它對半導(dǎo)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(zhì)散射的影響。載流子的遷移率與晶體質(zhì)量有關(guān)，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(gè)均勻?qū)w的電阻R正比于導(dǎo)體的長度L，反比于導(dǎo)體的截面積S。如果這個(gè)導(dǎo)體是一個(gè)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(gè)薄層的電阻與（L/W）成正比，比例系數(shù)為（ρ/d）。這個(gè)比例系數(shù)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(hào)Ω/□表示。從上式可以看出，當(dāng)L=W時(shí)有R= R□，這時(shí)R□表示一個(gè)正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關(guān)，這就是取名方塊電阻的原因。
15．什么是晶體缺陷？
　　晶體內(nèi)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(qū)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(dǎo)體材料的使用性影響很大，在大多數(shù)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(shù)之一。
晶體缺陷的分類：
　　（1）點(diǎn)缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構(gòu)成的復(fù)合體。
　　（2）線缺陷，呈線狀排列，如位錯(cuò)就是這種缺陷。
　　（3）面缺陷，呈面狀，如晶界、堆垛層錯(cuò)、相界等。
　　（4）體缺陷，如空洞、夾雜物、雜質(zhì)沉淀物等。
　　（5）微缺陷，幾何尺寸在微米級(jí)或更小，如點(diǎn)缺陷聚集物、微沉淀物等。
16．什么是錯(cuò)位？
　　當(dāng)一種固體材料受到外力時(shí)就會(huì)發(fā)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(cuò)就是由范性形變造成的，它可以使晶體內(nèi)的一原子或離子脫離規(guī)則的周期排列而位移一段距離，位移區(qū)與非位移區(qū)交界處必有原子的錯(cuò)位，這樣產(chǎn)生線缺陷稱為位錯(cuò)。
17．什么是層錯(cuò)？
　　簡單的說，層錯(cuò)是在密排晶面上缺少或多余一層原子而構(gòu)成的缺陷，層錯(cuò)是一種“面缺陷”。層錯(cuò)也是硅晶體中常見的一種缺陷，層錯(cuò)對器件制備工藝以及成品性能都可以發(fā)生較大的影響。生產(chǎn)中最熟悉的是硅外延片中的層錯(cuò)。在硅外延生長時(shí)，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(cuò)，以致嚴(yán)重的破壞了晶體的完整性。通過研究發(fā)現(xiàn)，外延片中的層錯(cuò)主要起源于生長外延層的襯底晶體的表面。根據(jù)這個(gè)原因，不僅找到了克服層錯(cuò)大量產(chǎn)生的途徑，而且發(fā)現(xiàn)利用層錯(cuò)測量外延層的厚度的方法。
18．材料的常用表征參數(shù)有哪些？
　　電學(xué)參數(shù)、化學(xué)純度、晶體學(xué)參數(shù)、幾何尺寸。
　　電學(xué)參數(shù)包括電阻率、導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率、少數(shù)載流子壽命、電阻率均勻性等。
　　化學(xué)純度是指材料的本底純度。
　　晶體學(xué)參數(shù)有晶向、位錯(cuò)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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