半导体物理之名词解释

1、半导体物理之名词解释1 .迁移率参考答案：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速 度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。 迁移率的 表达式为：=生 m可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移 率的因素。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效 质量）、温度和各种散射机构。n =neu + peep2 .过剩载流子参考答案：在非平衡状态下，载流子的分布函数和浓度将与 热平衡时的情形不同。非平衡状态下的载流子称 为非平衡载流子。将非平衡载流子浓度超过热平 衡时浓度的部分，称为过剩载流子。非平衡过剩载流子浓度：in=n-no,Ap = p-po,且满足

2、电中性条件：加=加。可以产生过剩载流子的外界 影响包括光照（光注入）、外加电压（电注入） 等。对于注入情形，通过光照或外加电压（如碰撞电 离）产生过剩载流子：np>n2,对于抽取情形，通 过外加电压使得载流子浓度减小：np< n2。3 . n型半导体、p型半导体N型半导体：也称为电子型半导体.N型半导体 即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 N型半导体. 在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子， 主要靠自由电子导电.自由电子主要由杂质原子 提供，空穴由热激发形成.掺入的杂质越多，多子 （自由电子）的

3、浓度就越高，导电性能就越强.P型半导体：也称为空穴型半导体.P型半导体即 空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体.在P 型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要 靠空穴导电.空穴主要由杂质原子提供，自由电子 由热激发形成.掺入的杂质越多，多子（空穴）的 浓度就越高，导电性能就越强.4 .能带当N个原子处于孤立状态时，相距较远时，它 们的能级是简并的，当N个原子相接近形成晶体 时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。当 N很大时，分裂能级可看作是准连续的，形成能 带。5 .能带理论这是讨论晶体（包括金属、绝缘

4、体和半导体的晶 体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理 论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在 一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理 论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原 子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子 波函数反对称而带来的交换作用，是一种晶体周 期性的势场。能带理论就是认为晶体中的电子是 在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电 子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共 有化电子的本征态波函数是 Bloch函数形式， 能量是由准连续能级构成的许多能带。6 .有效质量7 .回旋共振8 .空穴空穴是未被电子占据的空量子态，代表价带顶附 近的电子激发到导带后留下的

5、价带空状态， 是一 种为讨论方便而假设的粒子。9 .深能级半导体中的深能级杂质原子对其价电子的束缚 比较紧，则其产生的能级在半导体能带中位于禁 带较深处（即比较靠近禁带中央），故称为深能 级杂质。杂质电离能大，施主能级远离导带底， 受主能级远离价带顶。深能级杂质有三个基本 特点：一、是不容易电离，对载流子浓度影响不大。二、是一般会产生多重能级，甚至既产生施主能 级也产生受主能级。三、是能起到复合中心作用，使少数载流子寿命 降低四、是深能级杂质电离后变为带电中心，对载流 子起散射作用，使载流子迁移率减小，导电性 能下降。10 .激子在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空 的导带上去，则在价带

6、内产生一个空穴，而在导 带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。 空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引 互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚 在一起，这样形成的复合体称为激子。11 .有效能态密度对导带中不同能级上所有的电子，看作是处于导 带底Ec,密度为Nc的能级上。这里的Nc就是 电子有效能态密度，对于价带中的空穴同理。12 .费米能级费米能级标志电子填充能级的水平。费米能级位 于禁带之中（即位于价带之上，导带之下），费 米能级是量子态是否被电子占据的分界线。在热 力学温度0K时，能量高于费米能级的量子态基 本是空的，能量低于费米能级的量子态基本上全 部被电子所占据。对于N型

7、半导体费米能级在禁带中央以上；掺 杂浓度越大，费米能级离禁带中央越远，越靠近 导带底部对于P型半导体费米能级在禁带中央以下；掺杂 浓度越大，费米能级离禁带中央越远，越靠近价 带顶部13 .费米分布费米分布：“e)=f表示能量为E的能级被电子占据 e 1的几率，而1-f(E)表示能级被空穴占据的几率。14 .声学波、光学波声学波：基元的整体运动。光学波：非共价键性化合物基元中原子的相对运动。声学波：频率较低，接近声波频率。光学波：1频率较高，与红外光频率相近。2有偶极矩，可与光波相互作用。15 .散射机制(1)载流子散射的原因：只要是破坏晶格周期 性势场，(即能够产生附加势场的因素)， 就都是散

8、射载流子的根源。(2)散射分为：晶格振动散射，杂质电离散射，还有等能 谷散射，中性杂质散射，位错散射等。(3)杂质电离散射半导体电离的施主或受主杂质是带电的离 子，在他们周围有库伦势场，当载流子从 离子周围通过时，由于库伦势场的作用， 载流子会被散射。3电离杂质散射P*NT”( N是电离杂质浓 度)，随着温度升高，散射几率变小。(4)使用条件：低温时比较重要(5)晶格振动散射横声学波和横光学波不起作用。只有长波起作用长声学纵波：因为纵长声学波会使晶体产 生体变一一原子分布发生疏密变化，则将导致禁 带宽度随之发生变化，即能带极值在晶体中出现 波动，从而使得载流子的势能发生了改变， 即产 生了周期

9、性势场之外的附加势场一一称为形变 势，所以就将散射载流子。P工m*T2 , ac长光学纵波：对于极性晶体（如碎化钱） 中的载流子，纵长光学波散射作用较大，因为这 种格波在晶体中会产生局部的极化电场一一附 加势场。使用条件：高温时比较重要16 .间接复合电子和空穴通过禁带中的能级（复合中心）复合。复合中心指的是晶体中的一些杂质或缺陷， 他们 在禁带中引入离导带底和价带顶都比较远的局 域化能级，即复合中心能级。在间接复合过程中， 电子跃迁到负荷中心能级。然后再跃迁到价带的 空状态，使电子和空穴成对消失。换一种说法是 复合中心从导带俘获一个电子，再从价带俘获一 个空穴，完成电子与空穴的复合。17 .

10、爱因斯坦关系18 .连续性方程19 .扩散长度公式：空穴的扩散长度Lp = ,D77含义：Lp是空穴在一边扩散一边复合过程中其浓度减 少到1/e时所扩散的距离。它标志着非平衡载流子深入样品的平均距离。扩散长 度与非平衡少子的扩散系数和寿命有关系。20 .热载流子在强电场作用下，半导体中载流子的平均动能显 著超过热平衡载流子的平均动能。这种被显著加 热了的载流子称为热载流子。有关现象通常称热 电子现象。所谓热载流子，是指比零电场下的载流子具有更 高平均动能的载流子。零电场下，载流子通过吸 收和发射声子与晶格交换能量，并与之处于热平 衡状态，其温度与晶格温度相等。在有电场的作 用存在时，载流子可以

11、从电场直接获取能量， 而 晶格却不能。晶格只能借助载流子从电场间接获 取能量，就从电场获取并积累能量又将能量传递 给晶格的稳定之后，载流子的平均动能将高于晶 格的平均动能，自然也高于其本身在零电场下的 动能，成为热载流子。对于MO镭件，由于沟道存在热载流子，将引起 陷阱（氧化层陷阱、界面陷阱）产生，导致器件特 性的退化。表现为漏电流减少，跨导减小，及阈 值电压漂移等。21 .耗尽近似在空间电荷中，与电离杂质浓度相比，自由载流 子浓度可以忽略，这称为耗尽近似。22 .载流子寿命是指非平衡载流子中非平衡电子衰减到原来数值的 1/e所需的时间。载流子的寿命与复合率有关，复合率越大， 寿命越短。23

12、.扩散系数定义在单位时间内通过单位面积的载流子数目为扩散流密度S. 则其中D就是扩散系数，N是载流子密度。扩散系数与半导体中的密度差异有关。24 .陷阱效应 杂质能级积累非平衡载流子的作用就称为陷阱 效应。陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的 杂质或缺陷能级Et中，使在Et上的电子或空穴 的填充情况比热平衡时有较大的变化，从引起 nwAp,（如何没有陷阱存在时，杂质半导体中 产生非平衡载流子的AnMAp,如果存在陷阱， 一部分非平衡载流子就会落入陷阱之中， 仅仅是 落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中，并没 有复合，从而使得np）这种效应对瞬态 过程的影响很重要。【间接复合效应是指非平衡载

13、流子通过位于禁 带中特别是位于禁带中央的杂质或缺陷能级 Et而逐渐消失的效应，Et的存在可能大大促进 载流子的复合；止匕外，最有效的复合中心在禁带中央，而最有效的陷阱能级在 费米能级附近。一般来说，所有的杂质或缺陷能级都有某种程度的陷阱效应，而且陷阱 效应是否成立还与一定的外界条件有关。】25 .平均自由程与扩散长度有何不同？平均自 由时间与非平衡载流子的寿命又有何不同？平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离。它们的不同之处 在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩散系数和材料的寿命来决定。平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的

14、自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有 关，散射越弱，平均自由时间越长；后者 由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。26 .杂质的扩散有哪两种类型间隙式扩散和替位式扩散【Na、K、Fe、Cu、Au在半导体中为间隙式 杂质，扩散系数要比替位式杂质大67个数量 级，掺入它们会污染器件，导致器件无法使用。】27 .雪崩击穿、齐纳击穿以及，掺杂浓度和禁带宽度对他们的影响齐纳击穿：在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很 小，不大的反向电压就可在耗尽层形成很强的电 场，而直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束 缚，产生电子一空穴对，致使电流急剧增大，这 种击穿称为齐纳击穿。也称

15、为隧道击穿。齐纳击 穿是暂时性的，可以恢复。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。雪崩击穿：材料掺杂浓度较低的PN吉中，当PN 结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增 强。这样通过空间电荷区的电子和空穴， 就会在 电场作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行 的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞， 通 过这样的碰撞可使束缚在共价键中的价电子碰 撞出来，产生自由电子-空穴对。新产生的载流 子在电场作用下撞出其他价电子，又产生新的自 由电子和空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中 的载流子的数量雪崩式地增加，流过 PN结的电 流就急剧增大击穿PN结，这种碰撞电离导致击 穿称为雪崩击穿，也称为电

16、子雪崩现象。雪崩击穿有正温度系数。而齐纳击穿有负温度系 数。可以利用这一点减小温漂。28 .说明肖特基二极管与PN结二极管电流输运 机制的不同点；这种输运机制的不同，对 器件性能有何影响。肖特基二极管和PN结二极管具有类似的电 流一电压关系，即它们都具有单向导电性；但前 者又具有区别于后者的一下显著特点：首先，就载流子的运动形式而言，PN结正 向导通时，由n区注入p区的电子或由p区注入n 区的空穴，都是少数载流子，它们先形成一定的 积累，然后靠扩散运动形成电流。这样引起电荷 存储效应，严重影响pn结的高频性能。而肖特 基二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多 数载

17、流子器件，不存在电荷存储效应。因此，肖特基二极管比pn结二极管有更好的高 频特性。其次，对于同样的使用电流，肖特基二极管 比pn结二极管具有更低的正向导通电压，一般 为0.3V左右。正因为有以上特点，肖特基二极管在高速集 成电路、微波技术等多领域都有很重要的应用。29 .欧姆接触欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗， 而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生 显著的改变。是金属-半导体接触的非整流接触，具有线 性和对称的电流-电压关系，无整流特性；电阻 很低，压降很小，且在结两边都能形成电流，不 会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的 变化。欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：(1)金属与半

18、导体间有低的势率高度 (Barrier Height)(2)半导体有高浓度的杂质掺入(N叁 10EXP12 cm-3)1半导体表面薄层形成高掺杂，使半导体与金属 接触时形成很薄的表面耗尽层以至发生隧道效 应，具有较小的接触电阻；2 .半导体表面做粗糙，形成大量的复合中心，使 表面耗尽区的复合成为控制电流的主要机构，降低接触电阻；3 .选择使用低势垒欧姆接触。30 .热电子发射效应热电子发射效应：载流子具有足够的热能 时，电荷流过势垒的过程。对Ge、Si、GaAs等 有较高载流子迁移率的半导体，它们的肖特基势 垒电流输运机构主要是多数载流子的热发射。特基二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数

19、载流子进入金属形成的。这种电流的载流子靠的 就是热电子发射。31 .镜像力降低效应又称肖特基效应，金属与半导体接触时由于功函 数的不同，在系统达到热平衡之后，在半导体表 面区域产生净电荷。这种净电荷会在金属感应形 成镜像电荷，二者形成镜像力，这种镜像力作用 引起肖特基势垒降低的现象。32 .表面态半导体表面由于体内周期场的终止形成不饱 和键以及不可避免的沾污，在表面处引起局域化 的电子状态。表面态可以是施主型，也可以是受 主型。理想表面是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子 或分子的半无限晶体表面（即晶体的自由表面）。 当一块半导体突然被中止时，表面理想的周期性

20、 晶格发生中断，从而导致禁带中出现电子态（能 级），该电子态称为表面态（Tamm state）33 .亲和势真空能级与导带底能量差，即。导带底电子逸出 体外所需要的最小能量。34 .表面势金属与半导体接触，由于其功函数的不同，发生 电子转移，从而产生接触电势差。当金属与半导 体紧密接触（间距减小到原子间距）时，整个接 触电势差全部降落在半导体表面，形成表面空间 电荷区，使能带发生弯曲，引起半导体表面和内 部之间存在电势差，即表面势。35 .肖特基势垒（高度）金属-半导体结中从金属到半导体的势垒。36 .高表面态密度钉扎 若n型半导体表面存在受主型表面态，它们将从 半导体体内夺取电子而带负电，使

21、半导体表面形 成正的空间电荷区即电子势垒。当半导体表面态 密度很大时，表面势的变化引起表面态上的电子 数目的变化比势垒区中电子数目的变化大很多 倍，屏蔽了与金属接触的影响，使半导体内的势 垒高度与金属功函数几乎无关，完全由表面态为 电中性时的费米能级位置决定，这时的势垒高度 被称为高表面态密度钉扎。37 .简并半导体简并半导体(degenerate semiconductor)是杂质半导体的一种，它具有较高的掺杂浓度，因 而它表现得更接近金属。导带中量子态被电子占 据(或价带中量子态被空穴占据)的概率比较大， 必须考虑泡利不相容原理的限制。这时玻耳兹曼 分布函数不再适用，而必须应用费米分布函数

22、来 分析能带中的载流子统计分布问题。这种情况称 为载流子简并化，发生载流子简并化的半导体称 为简并半导体。载流子浓度很高温度较低 有效质量m*较小。Ec-Ef<=0 简并0V Ec-Ef<=2.3KT 弱简并Ec-Ef>2.3KT 非简并38 .半导体激光器工作原理39 .电导-霍尔效应联合测量法利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来确 定半导体的导电类型和载流子浓度。通过测量 霍尔系数与电导率随温度的变化，可以确定半导 体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率的温度系数 等基本参数。霍尔效应是一种电流磁效应(如图 1)。当半导体样品通以电流Is,并加一 垂直于电流的磁场B,则在样

23、品两侧产生一横向电势差 Uh,这种现象称为 霍尔 效应”，Uh称为霍尔电压，RhIsBUh =-Y-(1)则:(2)二 UHdRh叫做霍尔系数，d为样品厚度。对于P型半导体样品，RH = q1p（3）式中q为空穴电荷电量，p为半导体载流子空穴浓度。对于n型半导体样品，RH = U（4）式中为n电子电荷电量。对于电子、空穴混合导电的情况，在计算 Rh时应同时考虑两种载流子在磁 场偏转下偏转的效果。对于球形等能面的半导体材料，可以证明：2、A（p-nb）RH =2q（P nb） n式中b =下丁 ,即、即分别为电子和仝穴的迁移率，A为作尔因子，A的大 p小与散射机理及能带结构有关。从霍尔系数的表达

24、式可以看出：由 Rh的符号可以判断载流子的型，正为 P 型，负为N型。由Rh的大小可确定载流子浓度，还可以结合测得的电导率算出 如下的霍尔迁移率四四二|Rh|(T (8)对于P型半导体 四=四，对于N型半导体 阳二卬霍尔系数Rh可以在实验中测量出来，表达式为RH =U h dIsB(9)式中Uh、Is、d, B分别为霍尔电势、样品电流、样品厚度和磁感应强度。单位 分别为伏特（V）、安培（A）,米（m）和特斯拉（T）。但为与文献数据相对应, 一般所取单位为Uh伏（V）、Is毫安（mA）、d厘米（cm）、B高斯（Gs） 则霍尔系数Rh的单位为厘米3/库仑（cm%）。但实际测量时，往往伴随着各种热磁

25、效应所产生的电位叠加在测量值 Uh上, 引起测量误差。为了消除热磁效应带来的测量误差，可采用改变流过样品的电 流方向及磁场方向予以消除。2 .霍尔系数与温度的关系Rh与载流子浓度之间有反比关系，当温度不变时，载流子浓度不变，Rh不变，而当温度改变时，载流子浓度发生，Rh也随之变化。实验可得|Rh |随温度T变化的曲线。3 .半导体电导率在半导体中若有两种载流子同时存在，其电导率b为(r=qpu+qnun(10)实验中电导率6可由下式计算出(r=I/ p =Il/Ud(11)式中为p电阻率，I为流过样品的电流，U> l分别为两测量点间的电压降和长 度，a为样品宽度，d为样品厚度。40 .霍

26、尔效应载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏 转，电子或空穴在极板上聚集，从而在两极板之 间出现电势差的效应叫做霍尔效应。41 .电子亲和能电子亲和能是指真空的自由电子能级与导带底 能级之间的能量差，也就是把导带底的电子拿出 到真空去而变成自由电子所需要的能量。电子亲和能有如下特点：(1)大多数元素原子的第一电子亲和能是负值， 少数是正值。这一点与电离能不同。(2)第一亲和能值较小，与电离能相比，元素 的第一电子亲和能的绝对值要小得多。(3)第二电子亲和能是正值。这是因为使一个 负一价的离子再结合一个电子必须克服负离子 与电子间的静电排斥力，克服排斥力需要吸收能 量。42 .硅的导带特点硅的

27、导带极小值发生在100轴0.8Kx处,有6 个彼此对称的能谷，等能面是旋转椭球面，旋转 轴是100轴，可以表示成43 .错的导带特点错的导带极小值发生在111方向的布里渊区边界上，有4个彼此对称的能谷，等能面是旋转 椭球面）旋转轴是111轴）44 .碑化钱的导带特点 简明教程P4245 .影响平带电压VFB的因素LD金属与半导体功函数爰.例加，当小及时.将导致。T特性向奥骈用方向移动.如图修复平鼾在金属上所加I的电压就是ir -It/ *一产皿一q12）界面电荷.假设在久.中距离金属-豆心界血犬处仃忸亚电苻，将步致11,特性向负栅压方向打不£七1 ：_H地讯号电荷用C- Y得性白虎.

28、甘45.隧道二极管移班如圜恢复甲揩在金属上所加的电压就是1在集际半导体中.这四种囚索视同时存在时，所以实藤、0$结构的平带电维为-尤1 ip tx I:+I.-J< -H一福庠人看匕加科值="T电凡上图为番性初。下的*;二电时d rtfcfitH安£1方朋美,因为穿包需件的Mifl_.yUSuHnrl小。由f 建,'二*括犬相巧亚帆也整Qs ,定加3gMm山于诙小.吗可a誓E的皿串餐氓也用叩，第马部土勃楣相忸用什刈国小普:：；修遛二班曾曲-修甲的pl国网犹用巾卜曲田口隼所酬能是前光立奈良解良1所承力H型二微膏在四和不同第压下的离受静杳电直-也乐肿性WRJ?电流

29、（u2i陶i.mnu。热电itflhgj tlEIlO明郁分用解46 .为什么双异质结半导体激光器比同质结半 导体激光器有低得多的阈值电流密度异质结就是由带隙及折射率都不同的两种半导 体材料构成的PN结。同质结就是同一种半导体 形成的结。双异质结是利用不同折射率的材料对 光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进 行限制。拿P-P-N型双异质结激光器来说，注入 到“结”界面处的载流子受到异质结的阻挡.形 成很好的侧向限制,产生所谓的超注入现象。 这 就像是十字路口堵车一样，这些载流子挤在一 块，导致密度显著增加，只要加很小的泵浦电压 即可以实现粒子束反转。而同质结激光器则没有 这种情况，它的能

30、带图不像双异质结的那样在“结”处有褶皱，而是平坦的，载流子不会在“结” 处拥堵，密度远小于双异质结在“结”处的载流 子密度。这导致了泵浦时它们阈值电流密度的差 异。47 .耿氏效应耿氏效应(Gunn effect )是1963年，由耿氏 (J. B. Gunn)发现的一种效应。当高于临界值 的恒定直流电压加到一小块N型碑化钱相对面 的接触电极上时，便产生微波振荡。在 N型碑化 钱薄片的二端制作良好的欧姆接触电极，并加上直流电压使产生的电场超过 3kV/cm时，由于碑 化钱的特殊性质就会产生电流振荡，其频率可达10八9Hz ,这就是耿氏二极管。这种在半导体本 体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。碑化钱的能带结构中，导带有两个能谷，两能谷 的能隙为0。36eV。把珅化为材料置于外电场中 时，外电场的作用使体内电子在能谷之间跃迁， 导致其电导率随电场的增加时而增加，时而减 小，从而形成了体内的高频振荡现象。48 .PN结反向偏压下偏离实际的因素势垒产生电流对反向电流的影响少势垒复合电流对正向小电流特性的影响日之大注入对PN结正向大电流特性仁 =49 .重掺杂禁带宽度变窄的原因杂质能级都在禁带中，以N型半导