半导体CV测量基础(精)
半导体Ｃ—ｖ测量基础
Ｌｅｅ
Ｓｔａｕｆｆｅｒ（吉时利仪器公司）
通用测试
电容一电压（Ｃ—Ｖ）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是ＭＯＳＣＡＰ和ＭＯＳＦＥＴ结构。此外，利用Ｃ—Ｖ测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型品体管（ＢＪＴ）、ＪＦＥＴ、ＩＩＩ—Ｖ族化合物器件、光伏电池、ＭＥＭＳ器件、有
机Ｔ盯显示器、光电二极管、碳纳米管（ＣＮＴ）和多种其他半导
体器件。
这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验事和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。Ｃ—Ｖ测虽埘于产品和良率增强。Ｔ：程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性Ｔ程师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机制。
采用一定的方法、仪器和软件，ｈＴ以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片Ｔ艺中，Ｃ—Ｖ测量ｎＴ用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在ｎｒ靠性和基本器件测试过程中可以利用Ｃ—Ｖ测量对阂值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。
半导体电容的物理特性
ＭＯＳＣＡＰ结构足在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构（如图ｌ所示）。尽管这类器件町以用于真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们足评测底层工艺的一种方便的方法。
图１
Ｐ型衬底上形成的ＭＯＳＣＡＰ结构的Ｃ—Ｖ测量电路
图１中的金属／多晶层是电容的一极，二氧化硅是绝缘
囵鼋哥詹｛万
方数据层。由于绝缘层下面的衬底是一种半导体材料，因此它本身并不是电容的另一极。实际上，其中的多数载流子是电容的另一极。物理Ｉ：而言，电容ｃ町以通过下列公式中的变量计算出来：
Ｃ＝Ａ（Ｋ，ｄ），其中Ａ是电容的面积；Ｋ是绝缘体的介电常数；ｄ是两极的Ｉ’日Ｊ距。
因此，Ａ和Ｋ越大，绝缘体厚度越薄，电容值就越高。通常而言，半导体电容的大小范围从几纳法到几皮法，甚至更小。
进行Ｃ—Ｖ测量时要在电容的两极加载直流偏压同时利用一个交流信号进行测量（如图ｌ所示）。通常情况下，这类测
量使用的交流频率范丽从１０ｋＨｚ到１０ＭＨｚ。所加载的偏压作为直流电压扫描驱动ＭＯＳＣＡＰ结构从累积区进入耗尽区，然后进入反型区（如图２所示）。
图２
Ｃ—Ｖ测试中获得的ＭｏＳＣＡＰ结构的直流偏压扫描
强大的直流偏压导致衬底中的多数载流子在绝缘层界面附近累积。南于它们尤法穿透绝缘层。因此当电荷积累在界面附近（即ｄ为最小值）时电容在累积区达到最大值。如图１所示。从ｃ—ｖ累积测苗可以得到的一个基本参数就是二氧化硅的厚度／ｏｘ。
当偏压降低时，多数载流子从氧化层界面被排斥开，耗尽区形成。当偏压反相时，电荷载流子远离氧化层达到最大距离，电容达到最小值（即ｄ为最大值）。根据这时的反犁区电容，可以推算出多数载流子的数量。这一基本原理同样适用于ＭＯＳＦＥＴ晶体管，只是它们的物理结构和掺杂更加复杂。
在偏压扫过这ｉ个区的过程中还町以得到多种其他参
数，如ｌ冬Ｉ２所示。利用不同的交流信号频率可以得到其他细节
信息。低频町以揭示所谓的准静态特征，而高频测试则町以表
ｓｅｉｒｅＳ：ｓＲ－，ｒＣｅｃｎａｔｃｕｄｎ８１０８Ｃ
现｝乜动态性能。这丽类ｃ－Ｖ测试通常都是需要的。基本测试配置
图３给ｍ了基本Ｃ—ｖ测最配置的框图。由于Ｃ—Ｖ测量实际卜．是在交流频率下进行的，因此待测器件（ＤＵＴ）的电容可以根据下列公式计算得到：
Ｃ瑾，ｒ＝ＩＭ／２１ｒⅣ。，其中
Ｉ叫ｒ是流过ＤＵＴ的交流电流幅值；ｆ是测试频率；
ｖ，是测得的交流电压的幅值和相角。
换而言之，这种测试通过加载交流电压然后测量产生的交流电流、交流电压和它们之间的阻抗相角，最终测Ｈ｛ＤＵＴ的交流阻抗。
Ｈ亡ＵＲ
±３０Ｉ，ＤＣ
图３
Ｃ—Ｖ测量的基本测试配置
这些测量考虑了与电容相关的串联与并联电阻，以及耗散冈子（漏流）。图４给出了这类测量可以测出的主要电路变量。
乙Ｒ篓－５
－
Ｆ
Ｇｐ：ＰａｒａｌｌｅｌＣａｐａｃｉｔａｎｃｅａｎｄ
Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅａｎｄ
Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ聿
＝＝
１
Ｃｐ－Ｇｐ
ＩＺｌ刮Ｒ２＋Ｘ２
ｗｈｅｒｅ：Ｚ＝ｉｍｐｅｄａｎｃｅ
Ｚ—Ｒ＋ｊＸＤ＝ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒＤ—Ｒｓ／ｊＸｓ
０＝ｐｈａｓｅａｎｇｌｅＲ；ＺｃｏｓＯＲ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
Ｘ＝ＺｓｉｎＯ
ＸＩ
ｒｅａｃｔａｎｃｅ
Ｃｓ＝１／（２ｎｆＸｓ）
Ｇ—ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ
Ｃｐｚ
Ｃｓ／Ｏ＋Ｄ２ｌ
Ｇｐ—Ｒｓ／（Ｒｓ２＋ＸＳ２’
图４Ｃ—Ｖ测量得到的主要电气变量
成功Ｃ—Ｖ测量的挑战
Ｃ—Ｖ测试配置的框图虽然看上去非常简单，但是这种测遇到麻烦：
万
方数据测试测量技术
?低电容测量（皮法和更小的值）
ＯＣ—Ｖ测试仪器吲园片器件的连接
?漏电容（高Ｄ）的测量?利用硬件和软件采集数据?参数提取
克服这些挑战需要仔细注意所用的技术以及合适的硬件和软件。
低电容测量。如果Ｃ较小，那么ＤＵＴ的交流响应电流就较低，难以测量。但是，在较高的频，率下，ＤＵＴ阻抗将减小，从而电流会增大，比较容易测量。半导体电容通常非常低（低于ＩｐＦ），低于很多ＬＣＲ表的测量范围。即使那些声称能够测量这些小电容值的测试仪可能也会由于说明书晦涩难懂而很难判断最终的测量精度。如果无法明确给出测试仪整个量程的高Ｄ（漏）电容。半导体电容除了Ｃ值较低之外，还具有泄况。这会导致电阻性阻抗超过电容性阻抗，ｃ值被噪声所淹
言，随着Ｄ的增大，电容测量的精度迅速下降，因此高Ｄ是实际使用电容计的一个限制阂素。同样，较高的频率有助于解决Ｃ—Ｖ测量的互连。大多数测试环境下，ＤＵＴ都是圆片上的的。由于硬件、布线和补偿技术非常复杂，因此经常与Ｃ—Ｖ测
获取有用的数据。除了卜述的精度问题，Ｃ—Ｖ数据采集中
实际需要考虑的因素包括测试变量的仪器量程，参数提取软件的多功能性和硬件的易用性。一般而言，ｃ—Ｖ测试已仪限于约３０Ｖ和１０ｍＡ直流偏压。但是，很多应用，例如ＬＤＭＯＳ结
构的特征分析、低ｋ夹层电介质、ＭＥＭＳ器件、有机ＴＦＴ显示
器和光电二极管，需要在较高的电压或电流下进行测试。对于这些应用，需要单独的高瓜直流电源和电容计；高达４００Ｖ的差分直流偏压（０到±４００Ｖ）和高达３００ｍＡ的电流输出是非常有用的。在Ｃ—Ｖ测试仪的ＨＩ和Ｉ，Ｏ端加载差分直流偏压能够仪用软件应该包括无需用户编程可直接使用的测试例程。这些应该适用于大多数广泛使用的器件工艺和测试技术，即本文前二段中提及的有关内容。有些研究者可能会对一些
电容进行Ｃ—Ｖ和ｃ—ｆ扫描，测量圆片上的互连小电容，或者对双端纳米器件进行ｃ—ｖ扫描。利用自动绘图功能能够方便的实现参数提取（例如，如图５所示）。
２００９第９期
团
精度，那么用户需要冈此而咨询制造商。
漏的特点。当与电容并联的等价电阻太低时就会出现这种情没。对于具有超薄栅氧层的器件，Ｄ的值ｎｒ能大于５。一般而这一问题。在较高的频率下。电容性阻抗较低。使得电容电流较高，更容易进行测量。
一个测试结构：它通过探测器、探针卡适配器和开关矩阵连接Ｃ—Ｖ测试仪。即使没有开关，仍然也会使用探测器和大量的连线。在较高的频率下，必须采用特殊的校正和补偿技术。通常
情况下，这是通过组合使用开路、短路或者校准器件来实现试应用上程师进行交流是一个好的办法。他们擅长使用各种探测系统，克服各种互连问题。
更灵活地控制ＤＵＴ内的电场，这对于新型器件的研究和建模是非常有用的，例如纳米级元件。
试却具有一定的挑战。一般而言，测试人员在下面几个方面会不常见的测试感兴趣。例如对ＭＩＭ（金属一绝缘体一金属）型
；甄
ｉ
八
…
任何仪器使用经验或培训的情况下就能够进行ｃ—Ｖ测量。具有直观用户界面和简单易用特征的测试系统使得这一点成为现实。其中包括简单的测试配置、序列控制和数据分析。否则，
…一一：一。■。
用户在掌握系统方面就要比采集和使用数据花费更多的时间。对测试系统其它考虑因素包括：
?紧密集成的源一测肇单元、数字示波器和Ｃ—Ｖ表；?方便集成其他外部仪器；
?基于探针的高分辨率和高精度测量（直流偏压低至毫
ｌ
●■■■喇
｛
甾篇嘣旃－
图５利用吉时利４２００一ＳＣＳ进行参数提取的实例表现７半导体的掺杂特征（左逸的蓝线）。它ｓｌ／Ｃ２与
伏级，电容测量低至飞法级）；?测试配置和库易于修改；
?提供检测／故障诊断丁二具帮助用户确定系统是否正常工作。
垤的关系呈倒数关系ｆ红绒）。右图给出了，掺杂分布，即每立
方厘米的裁浣子数与衬底深度的函数关系。
通常，人们都希望工程技术人员和研究人员在几乎没有
咔呻十七ｑ—卜｛卜十十斗十?卜．巾牛—卜咔－１．—｝＿ｐ十．１．叫卅—｝－卜十斗叫—卜十咔■—卜＋÷．＿｝—卜十÷叫叫卜扣｝砖ｑ—｝＿卜．卜＋—十十
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）
表１各个相位差的测量结果
Ｏ００
４５４５．００２７Ｏ．００２７
９０９０．似】９６０．００９６
１３５Ｉ３４．９９８２０．００１８
１８０１８０．０１８４０．０１８４
２２５２２５．００８０Ｏ．００８０
２７０２７０．０１４７０．０１４７
３１５３１４．９９４６Ｏ．００５４
３６０３６０．Ｏｏ（）ｏ
Ｏ
ｌ标准值／度ｌ实测值／度ｌ误差／度
于６０ｄＢ的被测信号。
表ｌ给｝｛｛ｒ量化位数为１２，信噪比为６０ｄＢ，采样频率为３００ＫＨｚ时相位差从０。一３６０。部分值的测量结果。
从上表中可以得出，最大的误差为０．０１８４。，因此本方法具有很高的测苗精度，完全可以满足上程中的应用。
为了验ｉＩＦ该算法能够对动态相位差的测量，我们在计算机卜进行仿真试验，假设输入信号
ｘｌ（ｔ）＝ｓｉｎ（２
１ｒ＋２０ｅ３４
散傅里叶法的相位差测量方法是无法对相位差进行动态测量的。这就是基于Ｈｉｌｂｅｒｔ变换的相位筹测量方法的优势，该方法随着计算机和信号处理等技术的进步，将会外．断克服仪器设计上的困难跟提高测量精度，该方法将是今后的主要研究方向，更适用于智能检测仪器等现代化检测设备。
４结束语
１Ｔ
ｔ），ｘ２（ｔ）＝ｓｉｎ（２
４２０ｅ３４ｔ／２４ｓｉｎ
本文提出了一种基于希尔伯特变换的相位差测量方法，该方法先通过对检测信号做希尔伯特变换，然后对变换后的信号运算后能得到只关于相位角的时间函数。该方法与Ａ／Ｄ量化位数，信噪比，采样频率有关。该方法可以减少硬件，充分利用测试系统中的数据采集系统和微型计算机，提高ｒ测试系统的可靠性和町维护性，具有很高的测量精度，在相位差动态测量中具有良好的应用前景。
（２?１Ｔ＊２００＊０）采样频率取３００Ｋ，用基于希尔伯特变换的相位差测量方法得到的数据如图５所示。
参考文献：
［１】宋长宝．一种基于ＤＦＩ＇的相位差测量方法及误差分析【Ｊ１．电子对抗技术，２００３，５．
【２】２郑胜峰，楼梅燕．一种基于多重相关法的相位差测量方法【Ｊ】．宇航计测，２００８。２８（５）．
图５Ｘ１跟ｘ２的相位差
１３］王小权．基于最小二乘原理的相位测量算法【Ｊ１．光电与控制，２００７，１４（３）．
１４］胡广书．数字信号处理理论、算法与实现【Ｍ】北京：清华大学
从图５可以看出：基于希尔伯特变换的相位差测量方法测出的相位差为频率为２００Ｈｚ，幅度为９０。的信号，这与ｘ。与ｘ：的实际相位差相符合，因此，
基于Ｈｉｌｂｅｒｔ变换的相位差测量方法能够很好的对相位差进行实时的测量，而基于相关法，离
基金项目：国家自然科学基金（１０７０３００４）资助项目出版社．
囵鼋－度｛万方数据
半导体C-V测量基础
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年，卷(期)：
被引用次数：Lee Staufer， Lee Stauffer吉时利仪器公司电子质量ELECTRONICS QUALITY2009，(9)0次
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实验讲义-半导体材料吸收光谱测试分析2015
半导体材料吸收光谱测试分析 一、实验目的 1.掌握半导体材料的能带结构与特点、半导体材料禁带宽度的测量原理与方法。 2.掌握紫外可见分光光度计的构造、使用方法和光吸收定律。 二、实验仪器及材料 紫外可见分光光度计及其消耗品如氘灯、钨灯，玻璃基ZnO薄膜。 三、实验原理 1.紫外可见分光光度计的构造、光吸收定律 (1)仪器构造：光源、单色器、吸收池、检测器、显示记录系统。 a．光源：钨灯或卤钨灯——可见光源，350~1000nm；氢灯或氘灯——紫外光源，200~360nm。 b．单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件 色散元件：棱镜——对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距； 光栅——衍射和干涉分出光波长等距。 c．吸收池：玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区；石英——不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区。 要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致） d．检测器：将光信号转变为电信号的装置。如：光电池、光电管（红敏和蓝敏）、光电倍增管、二极管阵列检测器。 紫外可见分光光度计的工作流程如下： 0.575 光源单色器吸收池检测器显示双光束紫外可见分光光度计则为： 双光束紫外可见分光光度计的光路图如下：
(2)光吸收定律 单色光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： x x e I I?- =α d t e I I?- =α 0(1) I0：入射光强；I x：透过厚度x的光强；I t：透过膜薄的光强；α：材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。 透射率T为： d e I I T?- = =α t (2) 则 d e T d? = =?α α ln ) /1 ln( 透射光I t
半导体材料硅的基本性质
半导体材料硅的基本性质 一．半导体材料 1.1 固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下： 图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围 1.2 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下： 元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。 化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。 1)二元化合物 GaAs —砷化镓 SiC —碳化硅 2)三元化合物 As —砷化镓铝 AlGa 11 AlIn As —砷化铟铝 11 1.3 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为： 本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。 非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。 1.4 掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为： 施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。 受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。
图1.1 （a）带有施主（砷）的n型硅 (b)带有受主（硼）的型硅 1.5 掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。 由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。 由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。 二．硅的基本性质 1.1 硅的基本物理化学性质 硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
半导体材料及特性
地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu 2 O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999％～99.9999999％) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。 半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。 元素半导体：在元素周期表的Ⅲ A 族至Ⅶ A 族分布着11种具有半导性的元素，下表的黑框中 即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低,Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se 3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。 无机化合物半导体： 四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC 和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。 -Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In 和V族元素P、As、Sb 为GaAs。它们都具有闪锌矿结构,它们在 应用方面仅次于Ge、Si,有很大的发展前 途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和 Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一 些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具 有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素C u、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I 化合物，其中CuBr、CuI ⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族
型半导体材料的设计与性能分析
景德镇陶瓷学院 半导体课程设计报告 设计题目n型半导体材料的设计与性能分析专业班级 姓名 学号 指导教师 完成时间
一﹑杂质半导体的应用背景 半导体中的杂质对电离率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，半导体中掺杂微量杂质时，杂质原子的附近的周期势场的干扰并形成附加的束缚状态，在禁带只能够产生的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。 一、N型半导体在本征半导提硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。 磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。 在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。 二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占 据晶格上的某些位置。硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼
(整理)半导体基础知识.
1.1 半导体基础知识概念归纳 本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。 绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。 绝缘体导电性：极差。如惰性气体和橡胶。 半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。 半导体的特点： ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，
半导体材料的特性参数和要求
半导体材料的特性参数和要求有哪些? 半导体材料-特性参数 LED灯泡半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。 常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。 禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。 电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。 非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。 位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。 位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。 半导体材料-特性要求 LED灯泡半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。 晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。 光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳电池来说，为了得到高的转
(完整word版)§2.1半导体基础知识习题--2018-4-10
第2章§2.1半导体基础知识习题 【课程考核内容】 1、半导体类型及其导电的特点， 2.1 半导体基础知识 2.1.1.导体、绝缘体和半导体 1、自然界的物质，就其导电性能，大致分为三类：导体，绝缘体，半导体。 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如银、铜、铝、铁等金属等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 2、半导体导电性能有如下两个显著特点：（1）参杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力和内部结构发生变化。（2）敏感性：当受外界热和光的作用时，导电能力明显变化。 2.1.2 半导体类型及其导电性能 1、半导体类型：半导体材料可按化学组成，可分为元素半导体（锗Ge，硅Si等）和化合物半导体（砷化镓GaAs）；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型可分为N型半导体和P型半导体；按其载流子类型可分为电子型半导体和离子型半导体。 2、单晶体和多晶体：日常所见到的固体分为非晶体和晶体两大类，只有单晶结构的半导体才适合制作半导体器件。 3. 本征半导体：不含任何杂质的单晶半导体，称为本征半导体。在常温下，本征半导体只要得到一定的外界能量，有少数价电子就能挣脱共价键和原子核对它的束缚，从而成为自由电子，同时在原来的位置中留下一个空位，称为空穴。本征半导体受热或得到其它能量而激发出电子-空穴对的现象称为本征激发。本征激发后，产生一个自由电子的同时，也就产生一个空穴，在本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，常称为电子-空穴对。在电场作用下能作定向运动的带电粒子所以把它们统称为载流子。所以，热激发后本征半导体将产生两种载流子，电子和空穴。 4. N型半导体(N egative)： N型半导体符号为Negative负的含义，由于电子带负电，故得此名。在本征半导体硅或锗的晶体内掺入微量的五价元素杂质，如磷，锑等，就形成了N型半导体。N型半导体中自由电子占绝大多数，自由电子为其多数载流子，空穴则为少数载流子。 5．P型半导体： P型半导体为P ositive正的含义，由于空穴带正电，故得此名。在本征半导体中掺进微量的三价元素，如硼，就构成了P型半导体。在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，空穴为多数载流子，而自由电子为少数载流子。 2.1.3 PN结及其单向导电性 经过特殊的工艺加工，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，则在两种半导体的交界面处就会出现一个具有特殊物理现象的极薄区域，称它为PN结。当P型半导体与N型半导体结合在一起时，在交界面的两侧形成一个空间电荷区，这就是PN结，也称阻挡层，耗尽层。 2.PN结的单向导电性 (1)加正向电压PN结导通：PN结两端加正向电压时，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时在外电场的作用之下，PN结空间电荷区变窄，耗尽层变窄，PN结正向电阻小，PN结外加正向电压时处于导通状态，又称正向偏置，简称正偏。 (2)加反向电压PN结截止 给PN结加反向电压时，外加电场的方向与内电场的方向相同，因而加强了内电场的作用，使势垒加高，也就是使PN结的阻挡层变宽，PN结反向电阻大，PN结截止。 掌握【结论】从上述可知，PN结加正向电压时，PN结导通；加反向电压时，PN结截止。这种特性称为PN结的单向导电性。
实验一 半导体材料的缺陷显示及观察资料讲解
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察 实验目的 1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术； 2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性； 3．了解层错和位错的测试方法。 一、实验原理 半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。 半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。 在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。 位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。 位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。 二、位错蚀坑的形状 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
半导体基础知识学习
我们知道，电子电路是由晶体管组成，而晶体管是由半导体制成的。所以我们在学习电子电路之前， 一定要了解半导体的一些基本知识。 这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识，它是本课程的基础，我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节，它们分别是： 1、1 半导体的基础知识 1、2 PN结 1、3 半导体三极管 1、1 半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。一:本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、2 P—N结
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算 对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样：
背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试： 用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。
LED封装基本知识
LED封装基本知识 LED（发光二极管）封装是指发光芯片的封装，相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光，所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。 封装简介 LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 自上世纪九十年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度（1cd以上）红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。 技术原理 大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。 LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式（Lamp LED）、贴片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。 关于LED封装结构说明 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形
半导体表征
为了满足各种半导体器件的需要，必需对材料的电学参数进行测量，这些参数一般为电 阻率、载流子浓度、导电类型、迁移率、寿命及载流子浓度分布等。测量方法有四探针 、三探针、扩展电阻、C-V 法及Hall 测量等。 对于半导体材料的电阻率，一般采用四探针、三探针和扩展电阻。 四探针法是经常采用的一种，原理简单，数据处理简便。测量范围为10-3-104 防 米， 能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体材料、异型层、外延材料及扩散层、离 子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。 采用四探针法测量相同导电类型、低阻衬底的外延层材料的电阻率时，由于流经材料的 电流会在低阻衬底中短路，因此得到的是衬底与外延层电阻率并联的综合结果。这时， 需要采用三探针法、扩展电阻法等。 三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压 来获得材料电阻率的知识的。 C-V 法利用PN 结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的 信息，这类测量称为C-V 测量技术。这种测量可以提供材料截面均匀性及纵向杂质浓度分 布的信息，因此比四探针、三探针等具有更大的优点。虽然扩展电阻也能测量纵向分布 ，但它需将样品进行磨角。但是C-V 法既可以测量同型低阻衬底上外延材料的分布，也可测量高阻衬底用异型层的外延材料的分布。 Hall 测量在半导体材料测量中，霍尔效应有着广泛的应用。用它来研究半导体材料导电过程或输 运现象。可提供材料的导电类型、载流子浓度、杂质电离能（包括深、浅能级杂质）、 禁带宽度、迁移率及杂质补偿度等信息。 测量霍尔系数判断样品的导电类型，载流子浓度。范德堡法测量电阻率 原理： 一矩形半导体薄片，当沿其x 方向通有均匀 电流I （如I AB ），沿Z 方向加有均匀磁感应强 度的磁场时，则在y 方向上产生电势差（ΔV CD ）。 这种现象叫霍尔效应。所生电势差用V H 表示， 称为霍尔电压，其相应的电场称为霍尔电场E y 。 实验表明，在弱磁场下，E y 同J （电流密度） 和B （磁场强度）成正比 E y =R H JB 式中R H 为比例系数，称为霍尔系数。 因此，将电流I 从A 点流入，B 点流出，测量C 、 D 两点电势差ΔV CD ，然后加上磁场，再测量V CD ’，得到霍尔电压V H =ΔV CD ，于是可以求出R H ：
霍尔效应及用其理论测量半导体材料的性能
本科毕业论文 题目：霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 学院：物理与电子科学院 班级： 09级物理二班 姓名：闫文斐 指导教师：付仁栋职称：讲师完成日期： 2013 年 5 月 15 日
霍尔效应及用其理论测量 半导体材料的性能 摘要：简述了霍尔效应的基本原理，测量判定半导体材料的霍尔系数，确定半导体材料的导电类型、载流子浓度及迁移率。因此，霍尔效应时研究半导体性质的重要实验方法。分析了利用霍尔效应测量半导体特性参数中影响的重要副效应，给出了减小或消除这些副效应的方法，并在实验中，对实验仪器进行了一定得改进，使实验更有利于操作。 关键字：霍尔效应；半导体；副效应；载流子；改进
目录 引言 (1) 1. 霍尔效应 (2) 1.1霍尔效应的基本原理 (2) 1 .2 霍尔电势差和磁场测量 (3) 2. 实验内容 (5) 2.1 确定霍尔元件的导电类型 (5) 2.2 霍尔灵敏度、霍尔系数、载流子浓度的测量 (6) 2.3实验数据的处理 (6) 3. 误差分析 (8) 3.1主要误差及原因 (8) 3.2 消除误差的方法 (9) 4. 实验的改进 (10) 4.2 霍尔元件载流子迁移率μ和电导率σ的测量 (11) 5. 结束语 (11) 致谢 (11) 参考文献 (11)
引言 霍尔效应是电磁效应在实验中的应用的一中，这是美国的一位伟大的物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）发现的，于1879年在探索金属的导电原理时偶然发明的。将载流霍尔元件置于与其垂直的磁场B中，板内出现的磁场会与电流方向垂直，同样的，板的两边就会出现一个横向电压（如图1）。在霍尔发现的100年后，1985年德国克利青( K laus von K litzing，1943-)等研究极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍尔效应获得诺贝尔奖。1998年华裔科学家崔琦（Daniel Chee Tsui，1939-）、斯坦福大学的美国物理学家劳克林（Robert https://www.360docs.net/doc/d810717635.html,ughlin，1950-）和哥伦比亚大学的施特默（Horst L.Stormer，1949-）在更强磁场下研究量子霍尔效应，因为发现分数量子霍尔效应而荣获诺贝尔奖。 霍尔效应原本的发现是在对金属的研究中, 但在科学发展到现在，却发现该效应在半导体中的应用更加突出, 所以在半导体的研究中一直以来提供非常重要的理论依据。本文通过霍尔效应测量，不仅判别了半导体材料的导电类型，霍尔系数、载流子浓度及迁移率和电导率等主要的半导体材料的特性参数。并在分析操作中因受各种副效应的影响，带来的测量准确度的影响，如何避免这些副效应的影响也是很必要的。因此，本文还对我们的实验元件做了很好的改进，可以通过实验测量的方法直接得到我们所需要的迁移率和电导率。
半导体基础知识
1．什么是导体、绝缘体、半导体？ 容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。 不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。 所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。 2．半导体材料的特征有哪些？ （1）导电能力介于导体和绝缘体之间。 （2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。 （4）晶体的各向异性。 3．简述N型半导体。 常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。 例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。 4．简述P型半导体。 当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。 例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称为P型半导体。 5．什么是半绝缘半导体材料？
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置.
图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样： 背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试：
用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。 2. 根据(αhv)1/n = A(hv – Eg)，其中α为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率，Eg为半导体禁带宽度，A为常数。其中，n与半导体类型相关，直接带隙半导体的n取1/2，间接带隙半导体的n为2。
半导体基础知识
半导体基础知识 Prepared on 24 November 2020
一．名词解释： 1..什么是半导体半导体具有那些特性 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体 热敏性：导电能力受温度影响大，当环境温度升高时，其导电能力增强。可制作热敏元件。 光敏性：导电能力受光照影响大，当光照增强时候，导电能力增强。可制作光敏元件。 掺杂性：导电能力受杂质影响极大，称为掺杂性。 2.典型的半导体是SI和Ge , 它们都是四价元素。Si是一种化学元素，在地壳中含量仅次于氧，其核外电子排布是。 3.半导体材料中有两种载流子，电子和空穴。电子带负电，空穴带正电，在纯净半导体中掺入不同杂质可得到P型和N型半导体，常见P型半导体的掺杂元素为硼，N型半导体的掺杂元素为磷。P型半导体主要空穴导电， N型半导体主要靠电子导电。 4. 导体：导电性能良好，其外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流，常见的导体有铁，铝，铜等低价金属元素。 5.绝缘体：一般情况下不导电，其原子的最外层电子受原子核束缚很强，只有当外电场达到一定程度才可导电。惰性气体，橡胶等。 6.半导体：一般情况下不导电，但在外界因素刺激下可以导电，例如强电场或强光照射。 其原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体和绝缘体之间。Si,Ge等四价元素。
7. 本征半导体：无杂质的具有稳定结构的半导体。 8晶体：由完全相同的原子，分子或原子团在空间有规律的周期性排列构成的有一定几何形状的固体材料，构成晶体的完全相同的原子，分子，原子团称为基元。 9.晶体结构：简单立方，体心立方，面心立方，六角密积， NACL结构，CSCL结构，金刚石结构。 10.七大晶系：三斜，单斜，正交，四角，六角，三角，立方。 11.酸腐蚀和碱腐蚀的化学反应方程式： SI+4HNO3+HF=SIF4+4NO2+4H2O SI+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 12.自然界的物质，可分为晶体和非晶体两大类。常见的晶体有硅，锗，铜，铅等。常见的非晶体有玻璃，塑料，松香等。晶体和非晶体可以从三个方面来区分：1.晶体有规则的外形 2.晶体具有一定的熔点 3.晶体各向异性。 13.晶胞：晶体中有无限在空间按一定规律分布的格点，叫空间点阵。组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞具有很多晶体的性质，很多晶胞在空间重复排列起来就得到整个晶体。不同的晶体，晶胞的形状不同。 14.根据缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，可分为以下几类： A:点缺陷 B:线缺陷 C:面缺陷 D:体缺陷 15.位错：一种晶体缺陷。晶体的位错是围绕着一条很长的线，在一定范围内原子都发生规律的错动，离开它原来的平衡位置，叫位错。
基本路灯知识
LED路灯 LED路灯即半导体照明灯，以发光二极管作为光源，因其是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点，做成的LED路灯。 编辑本段定义 路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯360度发光，光损失大的缺点造成了 能源的巨大浪费。当前，全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是目前所急需解决的问题。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。 道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，LED 路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。 编辑本段特点 LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型 蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。外罩可用PC管制作，耐高温达135度，耐低温达-45度。 发光二极管(LightEmittingDiode，简写为LED)是基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。 编辑本段优点 1、LED路灯本身的特性——光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率。 2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的。
半导体基础知识
外延基础知识 一、基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数 N 决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间同一位置。间接带隙：导带底和价带顶位于 K 空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U（undope）－GaN 上生长 N（dope）－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中： GaN 上生长 Al GaN ） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭） 的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱（QW）:通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体： Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN（山-V ）、ZnSe（U-W）、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质缺陷：点 缺陷：如空位、间隙原 子 线缺陷：如位错面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD （也称 MOVPE ）: Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE :氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于山-V氮化物半导体薄膜和 超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE :分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD 设备 1.发展史：国际上起源于 80 年代初，我国在 80年代中（ 85年）。国际上发展特点：专业化分工，我国发展特 点：小而全，小作坊式。 技术条件： a.MO 源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计： Vecco :高速旋转 Aixtron: 气浮式旋转 Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点） Nichia:双流式 2.MOCVD 组成