半導體基礎知識
http://m.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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(qū)域中鄰近P型區(qū)一邊的薄層A中有一部分電子擴散到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中有一部分空穴擴散到N型區(qū)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(qū)域接到電池的正極，N型區(qū)域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態(tài)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(qū)域指向N型區(qū)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(qū)域接到電池的負極，N型區(qū)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(qū)指向P型區(qū)，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(tài)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(fā)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(fā)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(qū)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(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體中先擴散形成重摻雜區(qū)，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(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(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(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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(qū)域中鄰近P型區(qū)一邊的薄層A中有一部分電子擴散到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中有一部分空穴擴散到N型區(qū)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(qū)域接到電池的正極，N型區(qū)域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態(tài)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(qū)域指向N型區(qū)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(qū)域接到電池的負極，N型區(qū)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(qū)指向P型區(qū)，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(tài)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(fā)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(fā)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(qū)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(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體中先擴散形成重摻雜區(qū)，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(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(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(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(fā)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(fā)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(fā)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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