半导体常用名词定义

#15728.半导体物理学（semiconductorphysics）半导体物理学是固体物理学的重要分支，是固体电子学的基础。半导体材料物理性质的研究最早可追溯到1833年，当时法拉第发现硫化银的电导率随温度升高而迅速增加。1873年史密斯发现光照能改变硒的电导率，1874年布朗发现硫化铅与一个探针接触时呈现整流效应。但对半导体中电子输运过程的深刻理解则归因于量子力学的创立及基于单电子理论的能带模型的建立。20世纪30年代末，莫特、达维多夫和肖特基发展了金属-半导体接触的整流理论。在此基础上肖克利、布拉顿和巴丁发明了第一个固体放大器——点接触晶体管，并于1956年获得诺贝尔物理学奖。这一发明及其后来的结型晶体管的制作是半导体器件发展史上的划时代突破，是固体电子学时代的开始。20世纪50年代后期基尔比和诺伊斯发明了集成电路，实现了电路的微型化，引发了电子技术的革命。1958年江崎玲於奈发现了pn结二极管中的电子隧道现象，因此而获得1973年诺贝尔物理学奖。由两种不同半导体材料直接接触构成的半导体异质结构概念是1960年前后由克罗默和阿尔弗洛夫提出的。1982年克利青（Klitzing）在超薄的异质结构中发现了基于反型层中二维电子运动的量子霍尔效应并获1985年诺贝尔物理学奖。其后崔琦和施特默在超高纯半导体材料中又发现分数量子霍尔效应。劳克林用量子流体的理论进行了解释，并与崔琦、斯特默（Stormer）分享了1998年诺贝尔物理学奖。半导体异质结构的发展产生了更快的晶体管——高电子迁移率晶体管及性能更优良的激光器——双异质结激光器。克罗默和阿尔弗洛夫因此获得2000年诺贝尔物理学奖。1970年江崎玲於奈和朱兆祥首先提出超晶格的概念。它是一种人造的周期性结构，其中电子的运动在一个方向上受到限制即电子在二维平面内运动，这种结构称为量子阱。如果电子的运动在两个维度方向上均受到限制时，这种结构称为量子线。若电子在三个维度方向上的运动均受到限制则称为量子点。量子结构中的电子能态具有离散的而不是连续的结构，因此载流子的分布是离散的。通过制作量子结构，不仅将材料的能带变成离散能级或子能带，甚至可以改变能带结构，把间接带隙变为直接带隙，因此将大大改善半导体器件的性能。量子阱、量子点激光器及正在研究的单电子晶体管都是具有量子结构的半导体器件。半导体量子结构的制备，量子效应及量子器件的研究正成为21世纪半导体物理及器件物理研究的主导方向，并将引起以集成电路光电子器件及光电集成为基础的信息产业的新的革命。#15729.半导体（semiconductor）导电能力介于导体与绝缘体之间的一种材料。其能量系统分为许可能带和禁带，禁带处于价带和导带之间。半导体的禁带宽度较窄，在室温下由热激发就可能引起显著的电离。热电离产生自由电子和自由空穴，半导体的导电过程依赖于这两种载流子。在半导体中掺入杂质将大大改变其导电能力，可制得掺杂半导体。如果材料中自由电子密度大于自由空穴密度称n型半导体，反之称为p型半导体。未掺杂、无缺陷的半导体具有相等的自由电子和自由空穴密度称为本征半导体，而掺杂的半导体称为非本征半导体。半导体一般是晶体材料，通常由四价或平均为四价的原子组成的类金刚石材料，硅和锗是常见的单质半导体，砷化镓是最常见的化合物半导体。#15730.能带（energyband）相邻原子在组成固体时，其相应的电子能级由于原子间的相互作用而分裂，由于固体中包含的原子数很大，分离出来的能级十分密集，形成一个在能量上准连续的分布即能带。由不同的原子能级所形成的允许能带之间一般隔着禁止能带。#15732.导带（conductionband）根据能带理论，固体中的电子态能级分裂为一系列的带，在带内能级分布是准连续的，带与带之间存在有能量间隙。在非导体中，电子恰好填满能量较低的一系列能带，再高的各带全部都是空的，在填满的能带中尽管存在很多电子，但并不导电。在导体中，则除了完全填满的一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，这种部分填充带中的电子可以起导电作用，称为导带。半导体属于上述非导体的类型，但满带与空带之间的能隙比较小。通常把半导体一系列满带中最高的能带称为价带，把半导体中一系列空带中最低的能带称为导带。#15733.价带（valenceband）半导体和绝缘体中能量较低的若干能带是被电子填满的，其中能量最高的能带称为价带，价带是和原子中最外层轨道上的价电子的能级相对应的。#15735.带隙（bandgap）固体的能带结构中填充电子的最高能带与最低空能带之间的能量间隔。对半导体而言带隙宽度即禁带宽度。#15736.深能级（deeplevel）距导带底较远的施主能级和离价带顶较远的受主能级称为深能级。相应的杂质称为深能级杂质。深能级杂质能够产生多次电离，每次电离相应地有一个能级，则在禁带中引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。深能级杂质一般含量极少，而且能级较深，它们对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质又称为复合中心。非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗中往往产生深能级。硅中的金杂质，可测到二个深能级，一个是施主能级，另一为受主能级。金是典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意掺入金以提高器件的速度。#15737.准费米能级（quasi-Fermilevel）当半导体材料中存在非平衡载流子时，导带电子和价带电子在各自能带中热跃迁概率大，而处于热平衡状态；导带电子与价带电子之间，热跃迁概率小，处于不平衡状态。因此用电子准费米（Fermi）能级(EF)n和空穴准费米（Fermi）能级(EF)p分别描述非平衡半导体材料中电子浓度n和空穴浓度p：其中Nc、Nv为导带和价带的有效态密度，Ec、Ev为导带底和价带顶的能量。(EF)n≠(EF)p准费米能级概念的引入对分析实际半导体器件工作原理十分重要。#15739.载流子（carrier）指荷载电流的粒子，它们在电场作用下能作定向运动而形成电流。金属中只有电子一种载流子，在电介质中是正、负离子，半导体中有电子和空穴两种载流子。有两种载流子参与导电是半导体的一大特点。在金属和电介质中，载流子数目一般不变，在半导体中它们的数目随其中的杂质含量和外界条件（如加热、光照等）的变化而显著变化。#15740.多数载流子（majoritycarrier）半导体的电导依赖两种载流子，即导带中的电子和价带中的空穴。在掺杂半导体中，居多数的一种载流子对电导起支配作用，称为多数载流子。如n型半导体中电子为多数载流子，p型半导体中空穴为多数载流子。#15741.少数载流子（minoritycarrier）同一种半导体材料中与多数载流子带相反电荷的载流子。如n型半导体中的空穴和p型半导体中的电子均为少数载流子。热平衡条件下，非简并半导体中电子浓度n与空穴浓度p满足其中ni为本征载流子浓度，Eg为禁带宽度。T为温度。因此在本征激发尚不显著的温度范围内，多数载流子浓度可以近似认为与掺杂浓度相等，基本不随温度而改变。少数载流子浓度随温度升高而迅速增加。对于同种半导体，掺杂浓度越高，少数载流子浓度越低。对于相同掺杂浓度，材料的禁带宽度Eg越大，少数载流子浓度越低。虽然热平衡少数载流子对电导的作用较小，但非平衡少数载流子对电导的作用较小，但非平衡少数载流子，如pn结正向注入的非平衡少数载流子，对器件的工作起支配作用。#15742.载流子寿命（carrierlifetime）在热平衡条件下，电子不断地由价带激发到导带，产生电子空穴对，与此同时，它们又不停地因复合而消失。平衡时，电子与空穴的产生率等于复合率，从而使半导体中载流子的密度维持恒定。载流子间的复合使载流子逐渐消失，这种载流子平均存在的时间，就称之为载流子寿命。#15743.非平衡载流子寿命（nonequilibriumcarrierlifetime）当半导体由于外界作用注入非平衡载流子时，它处于非平衡状态。载流子间的复合使非平衡载流子逐渐消失。在注入非平衡载流子浓度不是太大的简单情况下，非平衡载流子按下列规律消失：Δn=(Δn)0exp(-t/τ)。显然，式中τ即为非平衡载流子平衡平均存在的时间，通常称为非平衡载流子寿命。由于在非平衡状态下，非平衡少子的影响起主导作用，因而τ又称为非平衡少子寿命，而1/τ表示非平衡载流子的复合率。非平衡载流子寿命是一个结构灵敏的参数，它与材料的种类、完整性、某些杂质的含量以及样品的表面状态有密切的关系。#15745.本征载流子浓度（intrinsiccarrierconcentration）本征半导体材料中自由电子和自由空穴的平衡浓度。#15746.空穴（hole）是指半导体中的一种载流子。半导体内部的热运动、外部光照或在半导体内掺入受主杂质，都可以使半导体的价带失去一些电子，原来被电子填满的价带顶部出现一些空能级。在外电场和磁场作用下，这些仍留在满带中的电子，也能够导电。满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带正电荷的准粒子的导电作用，称这些价带中空的量子状态为空穴。空穴带正电荷性，还具有正的有效质量。所以半导体中除了导带电子导电作用外，还有价带空穴的导电作用。#15747.有效质量（effectivemass）晶体中的电子或空穴在外加电场、磁场中运动，常常可以用准经典运动规律来描述。根据晶体中电子运动加速度与外力之间的关系，与经典力学牛顿第二定律相类比，引入了有效质量m*。晶体中的电子始终受到晶体势场的作用，在有外力作用时，电子运动状态的变化是外力与晶体势场共同作用的结果。引入有效质量的意义在于，它概括了晶体势场对电子的作用，把电子运动的加速度与外力直接联系起来，从而使分析简化。#15748.载流子注入（carrierejection）半导体通过外界作用而产生非平衡载流子的过程称作载流子注入。利用光照在半导体内引入非平衡载流子的方法称为载流子的光注入。除光照外，还可以利用电的或其他能量传递方式在半导体中注入载流子，最常用的是电的方法，称作载流子电注入。电注入载流子现象的发现直接导致半导体放大器的发明。在不同条件下，载流子注入的数量是不同的。当注入载流子浓度与热平衡时多数载流子浓度相比很小时，多数载流子浓度基本不变，而少数载流子浓度近似等于注入载流子浓度，这通常称作小注入情况；若注入载流子浓度可与多数载流子浓度相比，则称作大注入情况。#15749.复合中心（recombinationcenter）半导体中某些杂质和缺陷可以促进载流子复合，对非平衡载流子寿命的长短起决定性作用，这些杂质和缺陷称为复合中心。作为复合中心的杂质与缺陷一般在禁带中引入一个或几个深能级，它们既可以俘获电子又能俘获空穴，从而促进了复合过程。对载流子复合有促进作用的杂质很多，例如硅和锗中的Au，Cu，Fe，Ni，Zn以及许多其他重金属杂质都有明显的复合作用。金是一种有效的复合中心，在半导体器件中，经常引入金以降低注入载流子寿命，提高器件的开关速度。#15750.直接复合（directrecombination）按照电子和空穴在复合时所经历的具体过程的不同，可把复合分为直接复合和间接复合两类。直接复合是导带中的电子直接落入价带与空穴复合。而间接复合则是导带中的电子首先被禁带中某一个中间能级所俘获，然后落入价带与空穴相复合。#15751.表面复合（surfacerecombination）位于半导体表面禁带内的表面态（或称表面能级）与体内深能级一样可作为复合中心，起着对载流子的复合作用。为此，通常把半导体非平衡载流子通过表面态发生复合的过程称为表面复合。与体复合相比表面复合更为复杂，它不仅依赖于表面复合中心浓度及体掺杂浓度，还依赖于表面势。而表面势又是对周围环境敏感的参量，所以表面复合会因表面环境条件的变化而发生变化。半导体器件通常都要求较低且稳定的表面复合速度，因此，在半导体工艺技术上如何控制表面复合是一个非常重要的问题。#15752.辐射复合（radiativerecombination）根据能量守恒原则