《半导体物理与器件实验教程》分上、下两篇，上篇为半导体物理实验部分，包括晶体结构构建、晶体电子结构仿真与分析、单波K椭偏法测试分析薄膜的厚度与折射率、探针测试半导体电阻率、霍尔效应实验、高频光电导法测少子寿命、肖特基二极管的I-V特性测试分析、肖特基二极管的势垒高度及半导体杂质浓度的测试分析和MIS的高频C-V测试；F篇为微电子器件实验部分，包括二极管直流参数测试、双极型晶体管直流参数测试、MOS场效应晶体管直流参数测试、双极型晶体管开关时问测试和双极犁晶体管特征频率测试。

上篇半导体物理实验
第1章半导体物理基础知识2
1.1半导体的晶体结构与价键模型2
1.1.1晶格2
1.1.2原子价键3
1.1.3晶体结构5
1.2半导体的电子结构7
1.2.1晶体能带模型与能带三要素7
1.2.2半导体的电子结构8
1.3半导体中的载流子10
1.3.1平衡载流子与非平衡载流子10
1.3.2本征半导体与本征激发11
1.3.3非本征半导体与浅能级13
1.3.4载流子的复合17
1.4三维半导体中载流子的电输运18
1.4.1漂移运动、漂移电流与迁移率18
1.4.2散射与迁移率19
1.4.3电导率23
1.4.4扩散运动与扩散电流23
1.4.5电流密度方程与爱因斯坦关系24
1.5金属半导体的接触24
1.5.1功函数与电子亲和能24
1.5.2阻挡层和反阻挡层25
1.5.3金属半导体肖特基接触27
1.5.4肖特基势垒的电流输运28
1.5.5势垒屯容33
1.5.6金属半导体欧姆接触33
1.6半导体表面效应和金属绝缘体半导体(MIS)结构34
1.6.1半导体表面强反型与开启电压35
1.6.2理想MIS结构的C-V特性36
1.6.3理想MIS结构C-V特性的影响因素41
1.6.4非理想MIS结构的C-V特性42
第2章半导体物理实验46
2.1晶体结构构建46
2.1.1实验目的46
2.1.2实验原理46
2.1.3实验仪器（软件）48
2.1.4实验步骤49
2.1.5思考题58
2.1.6参考资料58
2.2晶体电子结构仿真与分析58
2.2.1实验目的58
2.2.2实验原理59
2.2.3实验仪器（软件）60
2.2.4实验步骤61
2.2.5思考题64
2.2.6参考资料64
2.3单波长椭偏法测试分析薄膜的厚度与折射率64
2.3.1实验目的64
2.3.2实验原理65
2.3.3实验仪器（软件）68
2.3.4实验步骤68
2.3.5思考题69
2.3.6参考资料69
2.4四探钟测试半导体电阻率70
2.4.1实验目的70
2.4.2实验原理70
2.4.3实验仪器74
2.4.4实验步骤75
2.4.5思考题75
2.4.6参考资料75
2.5霍尔效应实验76
2.5.1实验目的76
2.5.2实验原理76
2.5.3实验仪器79
2.5.4实验步骤及注意事项79
2.6高频光电导法测少子寿命81
2.6.1实验目的81
2.6.2实验原理81
2.6.3仪器使用83
2.6.4实验步骤86
2.6.5思考题87
2.6.6参考资料87
2.7肖特基二极管的/-V特性测试分析87
2.7.1实验目的87
2.7.2实验原理88
2.7.3实验仪器88
2.7.4实验步骤89
2.7.5数据处理92
2.7.6思考题93
2.7.7参考资料93
2.8肖特基二极管的势垒高度及半导体杂质浓度的测试分析93
2.8.1实验目的93
2.8.2实验原理94
2.8.3实验仪器95
2.8.4实验步骤95
2.8.5数据处理101
2.8.6思考题101
2.8.7参考资料101
2.9pn结势垒特牲及杂质的测试分析102
2.9.1实验目的102
2.9.2实验原理102
2.9.3实验仪器104
2.9.4实验步骤104
2.9.5数据处理105
2.10MIS的高频C-V测试105
2.10.1实验目的105
2.10.2实验原理105
2.10.3实验仪器109
2.10.4实验步骤109
2.10.5思考题114
2.10.6参考资料114
下篇微电子器件实验
第3章微电子器件基础知识116
3.1二极管116
3.1.1二极管的基本结构116
3.1.2二极管的伏安特性116
3.1.3二极管的击穿电压118
3.2双极结型晶体管119
3.2.1双极结型晶体管的基本结构119
3.2.2BJT的工作状态120
3.2.3BJT的放大作用120
3.2.4BJT的输出特性曲线123
3.2.5BJT的反向截止电流和击穿电压124
3.3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)125
3.3.1M()SFET的基本结构125
3.3.2转移特性曲线和输出特性曲线126
3.3.3MOSFET的阈电压128
3.3.4M()SFET的直流电流电压方程129
第4章微电子器件实验130
4.1二极管直流参数测试130
4.1.1实验目的130
4.1.2实验原理130
4.1.3实验器材131
4.1.4实验方法和步骤136
4.1.5实验数据处理～140
4.1.6思考题140
4.2双极型晶体管直流参数测试141
4.2.1实验目的141
4.2.2实验原理141
4.2.3实验器材142
4.2.4实验方法和步骤142
4.2.5实验数据处理148
4.2.6思考题152
4.3MOS场效应晶体管直流参数测试152
4.3.1实验目的152
4.3.2实验原理152
4.3.3实验器材154
4.3.4实验方法和步骤154
4.3.5实验数据处理162
4.3.6思考题163
4.4双极型晶体管开关时间测试163
4.4.1实验目的163
4.4.2实验原理163
4.4.3实验器材165
4.4.4实验方法和步骤165
4.4.5实验数据处理168
4.4.6思考题169
4.5双极型晶体管特征频率测试169
4.5.1实验目的169
4.5.2实验原理169
4.5.3实验器材171
4.5.4实验方法和步骤171
4.5.5实验数据处理175
4.5.6思考题176
4.5.7参考资料176

精彩书摘

第1章半导体物理基础知识
1.1半导体的晶体结构与价键模型
1.1.1晶格
金属、半导体和绝缘体是制造半导体集成电路的材料。固体物质在集成电路中扮演着至关重要的角色。从几何形态上，固体分为非晶、多晶和单晶三种基本类型，如图1.1所示，它们的基本差异在于有序化区域的大小不同，即原子在周期性晶格位置上位移的程度不同。周期性空间点阵是一个三维点阵。单晶材料具有几何上有序的周期性。当单晶中出现杂质、位错和缺陷时，会使晶体发生畸变，周期性遭到破坏。单晶中出现的人为或非人为引入的其他元素原子是杂质。
(a)无定型，长程无序
(b)多晶，长程无序短程有序
(c)单晶，长程有序
图1.1固体的三种几何类型示意图
晶体就是单晶，它的原子是一种周期性分布的点阵，这就是空间点阵，又称为晶格或者正格子。晶体的物理、化学和电学性质都由空间点阵的分布状况决定。格点是描述原子排列的点。图1.2给出了一种无限二维晶格和三维晶格中的格点、基元与空间点阵的排列。晶体点阵中的格点代表基元中某个原子的位置或基元质心的位置，也可以是基元中任意一个等价的点。当晶格点阵中的格点被具体的基元代替后就形成实际的晶体结构。晶格点阵与实际晶体结构的关系可总结为：晶格点阵+基元=实际晶体结构。晶格由一组原子周期性重复排列而成，能通过各种平移操作复制得到整个晶体的基元就称为晶胞。晶胞并不是唯一的，可以有多重结构。任一晶胞平移即构成整个晶格。最小的晶胞称为原胞，原胞重复就形成了晶格。
晶格中格子的每个格点的情况是完全相同的。晶格又分为单式格子和复式格子。由一种原子组成的晶格称为单式格子；若晶格由几种原子组成，每种原子组成了一个子格子，则晶格由几个子格子套构而成，就称为复式格子。
(a)二维晶格
(b)三维晶格
图1.2格点、基元与空间点阵
1.1.2原子价键
特定的原子结合在一起形成特定的晶体结构。原子的结合形式与其结构、物理性质、化学性质彼此关联。热平衡下的系统的总能量是最小的。原子间的相互作用的类型就是原子价键。原子之间的相互作用趋于形成满价壳层，如共价键和离子键。主要的原子价键有离子键、共价键、金属键和π键。实际晶体的价键可以具有几种价键之间的过渡和耦合性质，形成所谓的混合键。在混合键中不同的价键之间相互关联。
共价结合的原子的电子在每个原子周围的分布相似，根据泡利(Pauli)不相容原理，每个价键由相邻两个原子各提供一个自旋方向彼此相反的价电子构成，电子在每个原子周围的分布是相似的，故称为共价键。共价键由未配对的电子形成。原子内层的电子称为芯电子。原子核及其芯电子被总称为原子实。由于内层的电子被原子核紧紧束缚，所以只有最外层的电子才能参与导电，外层的电子因构成化学价键而被称为价电子。共价键是相邻原子间通过共用自旋方向相反的电子对(电子云重叠)与原子核间的静电作用形成的。共价结合的结构具有两个特征：方向性和饱和性。原子只在特定方向形成共价键。每个原子与它的最近邻原子之间形成共价键，构成一个正四面体，键与键之间的夹角都是109°28′。因为共价键使得电子被相邻的原子共有，所以每个原子的价电子层都是满的，这就是共价键的饱和性。金刚石(C)、Si、Ge等元素半导体都是通过共价键结合为晶体的。
图1.3是硅的共价键模型的示意图。图中圆圈表示硅原子实，圈中的“+4”说明硅是Ⅳ族元素。相邻原子实之间的每条连线代表一个共价电子。每个原子实周围共有8条连线，表明它有8个共价电子；其中4个是原子实提供的共价电子，另外4个则是与周围最近邻的4个原子实共享的价电子。图1.3的中部显示的是一个键断裂并释放出价电子的情形。因为该电子能在晶格之间自由移动，且仍在晶格势场中，所以它是准自由电子。图1.3的右部显示的是出现一个原子空位的情形。图1.3中部给出的是因环境温度产生的原子随机热振动或其他激发因素(如光照、辐射)都会导致原子键断裂而释放出电子。该电子被释放到键和原子核之间的晶格中，并且能在晶体的周期性势场中运动，是准自由电子。半导体是电中性的，在断键处失去一个电子，等效于在价电子原来所在的位置留下一个带+q电量的正电荷，称为空穴(hole)。因此，因键断裂而产生了成对的电子�部昭ǘ浴０氲继逵虢鹗舻牟煌�之处在于，半导体可以产生两种载流子，即带负电的电子和带正电的空穴。
图1.3共价键模型
在离子键中，原子首先转变为正、负离子，原子因正、负离子之间的库仑吸引力即静电作用而结合，其成键条件是成键原子得失电子的能力不同。它是正、负离子相间排列而成。离子键的键能非常强。离子键没有方向性和饱和性。含有一部分离子性成分和一部分共价性成分的混合键或中间类型键称为极性键。大多数原子键都是具有一定程度的离子性和共价性的极性键。
在石墨烯的碳六元环组成的二维(2D)周期性蜂巢状晶格中，碳原子是sp2轨道杂化，这些杂化轨道相互重叠，形成分子σ骨架。每一个碳原子与最邻近的三个碳原子以共价键(σ键)相连，其中相邻碳原子与碳原子之间的键长为1.42 �@。每个碳原子还有一个未参与杂化的2p轨道，垂直于分子平面，p轨道里面有一个电子。每一个碳原子贡献剩余的一个2pz轨道电子，与邻近原子的2pz轨道形成未局域化的π键。由于π键平均分布在6个碳原子上，所以碳六元环上的每个碳-碳键的键长和键能是相等的。
1.1.3晶体结构
图1.4显示了三种基本的晶体结构的晶胞和六角密排结构。晶胞的长度就是晶格常数。
(a)简立方
(b)体心立方
(c)面心立方
(d)六角密排
图1.4三种基本的晶体结构的晶胞及六角密排
方向性是晶体的一个基本而重要的特征，晶体在不同的方向具有不同的性质，这就是晶体的各向异性。密勒(Miller)指数是用来标记三维晶体的晶向和晶面的。例如，图1.5(a)中的简立方的阴影面在三个坐标轴上的截距是(1，∞，∞)，其晶面指数就是(100)。
晶向指数描述特定的晶向，采用三个整数表示该方向的某个矢量的分量。以简立方为例，如图1.5所示，(a)的阴影面的晶向指数为［100］，(b)的晶向指数为［111］，(c)的则为［110］。对于简立方结构，因为晶格的对称性，［100］、［010］、［001］、［100］、［010］和［001］这6个晶面的性质完全相同，则用<100>来统称这些等效的晶向。简立方的晶向［hkl］与晶面(hkl)是垂直的关系，但对于其他结构则不一定。
(a)(100)平面
(b)(110)平面
(c)(111)平面
图1.5三种晶面
C、Si、Ge晶体的立方晶胞都是典型的金刚石型结构，如图1.6(a)所示。这种结构是相同原子构成的两套面心立方结构沿其中一套面心立方结构的体对角线互相滑移1/4体对角线长度套构而成的(图1.6(a))，它是复式格子，其晶格常数a就是立方晶胞的边长。闪锌矿型结构与金刚石型结构的差异在于，它是由两套不同原子分别构成的面心立方结构沿其中一套面心立方结构的体对角线互相滑移1/4体对角线长度套构而成的，其立方晶胞如图1.6(b)所示。纤锌矿型结构如图1.6(c)所示，它属于六角密堆积结构。在化合物半导体中，如果离子性与共价性相比更占优势，就倾向于形成纤锌矿型结构。氯化钠型结构如图1.6(d)所示，它由两套面心立方晶格沿对角线方向滑移半个晶格常数而成。
(a)金刚石型结构
(b)闪锌矿型结构
(c)纤锌矿型结构
(d)氯化钠型结构
图1.6立方晶胞
蜂巢晶格(图1.7)属于六角晶系，由六元环组成平面六边形，为二维周期蜂窝状点阵结构。
图1.7蜂巢晶格
第1章半导体物理基础知识
1.1半导体的晶体结构与价键模型
1.1.1晶格
金属、半导体和绝缘体是制造半导体集成电路的材料。固体物质在集成电路中扮演着至关重要的角色。从几何形态上，固体分为非晶、多晶和单晶三种基本类型，如图1.1所示，它们的基本差异在于有序化区域的大小不同，即原子在周期性晶格位置上位移的程度不同。周期性空间点阵是一个三维点阵。单晶材料具有几何上有序的周期性。当单晶中出现杂质、位错和缺陷时，会使晶体发生畸变，周期性遭到破坏。单晶中出现的人为或非人为引入的其他元素原子是杂质。
(a)无定型，长程无序
(b)多晶，长程无序短程有序
(c)单晶，长程有序
图1.1固体的三种几何类型示意图
晶体就是单晶，它的原子是一种周期性分布的点阵，这就是空间点阵，又称为晶格或者正格子。晶体的物理、化学和电学性质都由空间点阵的分布状况决定。格点是描述原子排列的点。图1.2给出了一种无限二维晶格和三维晶格中的格点、基元与空间点阵的排列。晶体点阵中的格点代表基元中某个原子的位置或基元质心的位置，也可以是基元中任意一个等价的点。当晶格点阵中的格点被具体的基元代替后就形成实际的晶体结构。晶格点阵与实际晶体结构的关系可总结为：晶格点阵+基元=实际晶体结构。晶格由一组原子周期性重复排列而成，能通过各种平移操作复制得到整个晶体的基元就称为晶胞。晶胞并不是唯一的，可以有多重结构。任一晶胞平移即构成整个晶格。最小的晶胞称为原胞，原胞重复就形成了晶格。
晶格中格子的每个格点的情况是完全相同的。晶格又分为单式格子和复式格子。由一种原子组成的晶格称为单式格子；若晶格由几种原子组成，每种原子组成了一个子格子，则晶格由几个子格子套构而成，就称为复式格子。
(a)二维晶格
(b)三维晶格
图1.2格点、基元与空间点阵
1.1.2原子价键
特定的原子结合在一起形成特定的晶体结构。原子的结合形式与其结构、物理性质、化学性质彼此关联。热平衡下的系统的总能量是最小的。原子间的相互作用的类型就是原子价键。原子之间的相互作用趋于形成满价壳层，如共价键和离子键。主要的原子价键有离子键、共价键、金属键和π键。实际晶体的价键可以具有几种价键之间的过渡和耦合性质，形成所谓的混合键。在混合键中不同的价键之间相互关联。
共价结合的原子的电子在每个原子周围的分布相似，根据泡利(Pauli)不相容原理，每个价键由相邻两个原子各提供一个自旋方向彼此相反的价电子构成，电子在每个原子周围的分布是相似的，故称为共价键。共价键由未配对的电子形成。原子内层的电子称为芯电子。原子核及其芯电子被总称为原子实。由于内层的电子被原子核紧紧束缚，所以只有最外层的电子才能参与导电，外层的电子因构成化学价键而被称为价电子。共价键是相邻原子间通过共用自旋方向相反的电子对(电子云重叠)与原子核间的静电作用形成的。共价结合的结构具有两个特征：方向性和饱和性。原子只在特定方向形成共价键。每个原子与它的最近邻原子之间形成共价键，构成一个正四面体，键与键之间的夹角都是109°28′。因为共价键使得电子被相邻的原子共有，所以每个原子的价电子层都是满的，这就是共价键的饱和性。金刚石(C)、Si、Ge等元素半导体都是通过共价键结合为晶体的。
图1.3是硅的共价键模型的示意图。图中圆圈表示硅原子实，圈中的“+4”说明硅是Ⅳ族元素。相邻原子实之间的每条连线代表一个共价电子。每个原子实周围共有8条连线，表明它有8个共价电子；其中4个是原子实提供的共价电子，另外4个则是与周围最近邻的4个原子实共享的价电子。图1.3的中部显示的是一个键断裂并释放出价电子的情形。因为该电子能在晶格之间自由移动，且仍在晶格势场中，所以它是准自由电子。图1.3的右部显示的是出现一个原子空位的情形。图1.3中部给出的是因环境温度产生的原子随机热振动或其他激发因素(如光照、辐射)都会导致原子键断裂而释放出电子。该电子被释放到键和原子核之间的晶格中，并且能在晶体的周期性势场中运动，是准自由电子。半导体是电中性的，在断键处失去一个电子，等效于在价电子原来所在的位置留下一个带+q电量的正电荷，称为空穴(hole)。因此，因键断裂而产生了成对的电子�部昭ǘ浴０氲继逵虢鹗舻牟煌�之处在于，半导体可以产生两种载流子，即带负电的电子和带正电的空穴。
图1.3共价键模型
在离子键中，原子首先转变为正、负离子，原子因正、负离子之间的库仑吸引力即静电作用而结合，其成键条件是成键原子得失电子的能力不同。它是正、负离子相间排列而成。离子键的键能非常强。离子键没有方向性和饱和性。含有一部分离子性成分和一部分