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適讀人群 ：本書可作為高等學校微電子、電子科學與技術、光電子、集成電路與集成係統及相關專業本科生實驗教材
《半導體物理與器件實驗教程》可作為電子科學與技術々業特彆是微電子科學與工程、微電子學、集成電路與集成係統等專業的“半導體物理實驗”和“微電子器件實驗”的實驗教材或參考書，電可供相關研究人員參考。

內容簡介

《半導體物理與器件實驗教程》分上、下兩篇，上篇為半導體物理實驗部分，包括晶體結構構建、晶體電子結構仿真與分析、單波K橢偏法測試分析薄膜的厚度與摺射率、探針測試半導體電阻率、霍爾效應實驗、高頻光電導法測少子壽命、肖特基二極管的I-V特性測試分析、肖特基二極管的勢壘高度及半導體雜質濃度的測試分析和MIS的高頻C-V測試；F篇為微電子器件實驗部分，包括二極管直流參數測試、雙極型晶體管直流參數測試、MOS場效應晶體管直流參數測試、雙極型晶體管開關時問測試和雙極犁晶體管特徵頻率測試。

目錄

上篇半導體物理實驗
第1章半導體物理基礎知識2
1.1半導體的晶體結構與價鍵模型2
1.1.1晶格2
1.1.2原子價鍵3
1.1.3晶體結構5
1.2半導體的電子結構7
1.2.1晶體能帶模型與能帶三要素7
1.2.2半導體的電子結構8
1.3半導體中的載流子10
1.3.1平衡載流子與非平衡載流子10
1.3.2本徵半導體與本徵激發11
1.3.3非本徵半導體與淺能級13
1.3.4載流子的復閤17
1.4三維半導體中載流子的電輸運18
1.4.1漂移運動、漂移電流與遷移率18
1.4.2散射與遷移率19
1.4.3電導率23
1.4.4擴散運動與擴散電流23
1.4.5電流密度方程與愛因斯坦關係24
1.5金屬半導體的接觸24
1.5.1功函數與電子親和能24
1.5.2阻擋層和反阻擋層25
1.5.3金屬半導體肖特基接觸27
1.5.4肖特基勢壘的電流輸運28
1.5.5勢壘屯容33
1.5.6金屬半導體歐姆接觸33
1.6半導體錶麵效應和金屬絕緣體半導體(MIS)結構34
1.6.1半導體錶麵強反型與開啓電壓35
1.6.2理想MIS結構的C-V特性36
1.6.3理想MIS結構C-V特性的影響因素41
1.6.4非理想MIS結構的C-V特性42
第2章半導體物理實驗46
2.1晶體結構構建46
2.1.1實驗目的46
2.1.2實驗原理46
2.1.3實驗儀器（軟件）48
2.1.4實驗步驟49
2.1.5思考題58
2.1.6參考資料58
2.2晶體電子結構仿真與分析58
2.2.1實驗目的58
2.2.2實驗原理59
2.2.3實驗儀器（軟件）60
2.2.4實驗步驟61
2.2.5思考題64
2.2.6參考資料64
2.3單波長橢偏法測試分析薄膜的厚度與摺射率64
2.3.1實驗目的64
2.3.2實驗原理65
2.3.3實驗儀器（軟件）68
2.3.4實驗步驟68
2.3.5思考題69
2.3.6參考資料69
2.4四探鍾測試半導體電阻率70
2.4.1實驗目的70
2.4.2實驗原理70
2.4.3實驗儀器74
2.4.4實驗步驟75
2.4.5思考題75
2.4.6參考資料75
2.5霍爾效應實驗76
2.5.1實驗目的76
2.5.2實驗原理76
2.5.3實驗儀器79
2.5.4實驗步驟及注意事項79
2.6高頻光電導法測少子壽命81
2.6.1實驗目的81
2.6.2實驗原理81
2.6.3儀器使用83
2.6.4實驗步驟86
2.6.5思考題87
2.6.6參考資料87
2.7肖特基二極管的/-V特性測試分析87
2.7.1實驗目的87
2.7.2實驗原理88
2.7.3實驗儀器88
2.7.4實驗步驟89
2.7.5數據處理92
2.7.6思考題93
2.7.7參考資料93
2.8肖特基二極管的勢壘高度及半導體雜質濃度的測試分析93
2.8.1實驗目的93
2.8.2實驗原理94
2.8.3實驗儀器95
2.8.4實驗步驟95
2.8.5數據處理101
2.8.6思考題101
2.8.7參考資料101
2.9pn結勢壘特牲及雜質的測試分析102
2.9.1實驗目的102
2.9.2實驗原理102
2.9.3實驗儀器104
2.9.4實驗步驟104
2.9.5數據處理105
2.10MIS的高頻C-V測試105
2.10.1實驗目的105
2.10.2實驗原理105
2.10.3實驗儀器109
2.10.4實驗步驟109
2.10.5思考題114
2.10.6參考資料114
下篇微電子器件實驗
第3章微電子器件基礎知識116
3.1二極管116
3.1.1二極管的基本結構116
3.1.2二極管的伏安特性116
3.1.3二極管的擊穿電壓118
3.2雙極結型晶體管119
3.2.1雙極結型晶體管的基本結構119
3.2.2BJT的工作狀態120
3.2.3BJT的放大作用120
3.2.4BJT的輸齣特性麯綫123
3.2.5BJT的反嚮截止電流和擊穿電壓124
3.3金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)125
3.3.1M()SFET的基本結構125
3.3.2轉移特性麯綫和輸齣特性麯綫126
3.3.3MOSFET的閾電壓128
3.3.4M()SFET的直流電流電壓方程129
第4章微電子器件實驗130
4.1二極管直流參數測試130
4.1.1實驗目的130
4.1.2實驗原理130
4.1.3實驗器材131
4.1.4實驗方法和步驟136
4.1.5實驗數據處理～140
4.1.6思考題140
4.2雙極型晶體管直流參數測試141
4.2.1實驗目的141
4.2.2實驗原理141
4.2.3實驗器材142
4.2.4實驗方法和步驟142
4.2.5實驗數據處理148
4.2.6思考題152
4.3MOS場效應晶體管直流參數測試152
4.3.1實驗目的152
4.3.2實驗原理152
4.3.3實驗器材154
4.3.4實驗方法和步驟154
4.3.5實驗數據處理162
4.3.6思考題163
4.4雙極型晶體管開關時間測試163
4.4.1實驗目的163
4.4.2實驗原理163
4.4.3實驗器材165
4.4.4實驗方法和步驟165
4.4.5實驗數據處理168
4.4.6思考題169
4.5雙極型晶體管特徵頻率測試169
4.5.1實驗目的169
4.5.2實驗原理169
4.5.3實驗器材171
4.5.4實驗方法和步驟171
4.5.5實驗數據處理175
4.5.6思考題176
4.5.7參考資料176

精彩書摘

第1章半導體物理基礎知識
1.1半導體的晶體結構與價鍵模型
1.1.1晶格
金屬、半導體和絕緣體是製造半導體集成電路的材料。固體物質在集成電路中扮演著至關重要的角色。從幾何形態上，固體分為非晶、多晶和單晶三種基本類型，如圖1.1所示，它們的基本差異在於有序化區域的大小不同，即原子在周期性晶格位置上位移的程度不同。周期性空間點陣是一個三維點陣。單晶材料具有幾何上有序的周期性。當單晶中齣現雜質、位錯和缺陷時，會使晶體發生畸變，周期性遭到破壞。單晶中齣現的人為或非人為引入的其他元素原子是雜質。
(a)無定型，長程無序
(b)多晶，長程無序短程有序
(c)單晶，長程有序
圖1.1固體的三種幾何類型示意圖
晶體就是單晶，它的原子是一種周期性分布的點陣，這就是空間點陣，又稱為晶格或者正格子。晶體的物理、化學和電學性質都由空間點陣的分布狀況決定。格點是描述原子排列的點。圖1.2給齣瞭一種無限二維晶格和三維晶格中的格點、基元與空間點陣的排列。晶體點陣中的格點代錶基元中某個原子的位置或基元質心的位置，也可以是基元中任意一個等價的點。當晶格點陣中的格點被具體的基元代替後就形成實際的晶體結構。晶格點陣與實際晶體結構的關係可總結為：晶格點陣+基元=實際晶體結構。晶格由一組原子周期性重復排列而成，能通過各種平移操作復製得到整個晶體的基元就稱為晶胞。晶胞並不是唯一的，可以有多重結構。任一晶胞平移即構成整個晶格。最小的晶胞稱為原胞，原胞重復就形成瞭晶格。
晶格中格子的每個格點的情況是完全相同的。晶格又分為單式格子和復式格子。由一種原子組成的晶格稱為單式格子；若晶格由幾種原子組成，每種原子組成瞭一個子格子，則晶格由幾個子格子套構而成，就稱為復式格子。
(a)二維晶格
(b)三維晶格
圖1.2格點、基元與空間點陣
1.1.2原子價鍵
特定的原子結閤在一起形成特定的晶體結構。原子的結閤形式與其結構、物理性質、化學性質彼此關聯。熱平衡下的係統的總能量是最小的。原子間的相互作用的類型就是原子價鍵。原子之間的相互作用趨於形成滿價殼層，如共價鍵和離子鍵。主要的原子價鍵有離子鍵、共價鍵、金屬鍵和π鍵。實際晶體的價鍵可以具有幾種價鍵之間的過渡和耦閤性質，形成所謂的混閤鍵。在混閤鍵中不同的價鍵之間相互關聯。
共價結閤的原子的電子在每個原子周圍的分布相似，根據泡利(Pauli)不相容原理，每個價鍵由相鄰兩個原子各提供一個自鏇方嚮彼此相反的價電子構成，電子在每個原子周圍的分布是相似的，故稱為共價鍵。共價鍵由未配對的電子形成。原子內層的電子稱為芯電子。原子核及其芯電子被總稱為原子實。由於內層的電子被原子核緊緊束縛，所以隻有最外層的電子纔能參與導電，外層的電子因構成化學價鍵而被稱為價電子。共價鍵是相鄰原子間通過共用自鏇方嚮相反的電子對(電子雲重疊)與原子核間的靜電作用形成的。共價結閤的結構具有兩個特徵：方嚮性和飽和性。原子隻在特定方嚮形成共價鍵。每個原子與它的最近鄰原子之間形成共價鍵，構成一個正四麵體，鍵與鍵之間的夾角都是109°28′。因為共價鍵使得電子被相鄰的原子共有，所以每個原子的價電子層都是滿的，這就是共價鍵的飽和性。金剛石(C)、Si、Ge等元素半導體都是通過共價鍵結閤為晶體的。
圖1.3是矽的共價鍵模型的示意圖。圖中圓圈錶示矽原子實，圈中的“+4”說明矽是Ⅳ族元素。相鄰原子實之間的每條連綫代錶一個共價電子。每個原子實周圍共有8條連綫，錶明它有8個共價電子；其中4個是原子實提供的共價電子，另外4個則是與周圍最近鄰的4個原子實共享的價電子。圖1.3的中部顯示的是一個鍵斷裂並釋放齣價電子的情形。因為該電子能在晶格之間自由移動，且仍在晶格勢場中，所以它是準自由電子。圖1.3的右部顯示的是齣現一個原子空位的情形。圖1.3中部給齣的是因環境溫度産生的原子隨機熱振動或其他激發因素(如光照、輻射)都會導緻原子鍵斷裂而釋放齣電子。該電子被釋放到鍵和原子核之間的晶格中，並且能在晶體的周期性勢場中運動，是準自由電子。半導體是電中性的，在斷鍵處失去一個電子，等效於在價電子原來所在的位置留下一個帶+q電量的正電荷，稱為空穴(hole)。因此，因鍵斷裂而産生瞭成對的電子�部昭ǘ浴０氳繼逵虢鶚艫牟煌�之處在於，半導體可以産生兩種載流子，即帶負電的電子和帶正電的空穴。
圖1.3共價鍵模型
在離子鍵中，原子首先轉變為正、負離子，原子因正、負離子之間的庫侖吸引力即靜電作用而結閤，其成鍵條件是成鍵原子得失電子的能力不同。它是正、負離子相間排列而成。離子鍵的鍵能非常強。離子鍵沒有方嚮性和飽和性。含有一部分離子性成分和一部分共價性成分的混閤鍵或中間類型鍵稱為極性鍵。大多數原子鍵都是具有一定程度的離子性和共價性的極性鍵。
在石墨烯的碳六元環組成的二維(2D)周期性蜂巢狀晶格中，碳原子是sp2軌道雜化，這些雜化軌道相互重疊，形成分子σ骨架。每一個碳原子與最鄰近的三個碳原子以共價鍵(σ鍵)相連，其中相鄰碳原子與碳原子之間的鍵長為1.42 �@。每個碳原子還有一個未參與雜化的2p軌道，垂直於分子平麵，p軌道裏麵有一個電子。每一個碳原子貢獻剩餘的一個2pz軌道電子，與鄰近原子的2pz軌道形成未局域化的π鍵。由於π鍵平均分布在6個碳原子上，所以碳六元環上的每個碳-碳鍵的鍵長和鍵能是相等的。
1.1.3晶體結構
圖1.4顯示瞭三種基本的晶體結構的晶胞和六角密排結構。晶胞的長度就是晶格常數。
(a)簡立方
(b)體心立方
(c)麵心立方
(d)六角密排
圖1.4三種基本的晶體結構的晶胞及六角密排
方嚮性是晶體的一個基本而重要的特徵，晶體在不同的方嚮具有不同的性質，這就是晶體的各嚮異性。密勒(Miller)指數是用來標記三維晶體的晶嚮和晶麵的。例如，圖1.5(a)中的簡立方的陰影麵在三個坐標軸上的截距是(1，∞，∞)，其晶麵指數就是(100)。
晶嚮指數描述特定的晶嚮，采用三個整數錶示該方嚮的某個矢量的分量。以簡立方為例，如圖1.5所示，(a)的陰影麵的晶嚮指數為［100］，(b)的晶嚮指數為［111］，(c)的則為［110］。對於簡立方結構，因為晶格的對稱性，［100］、［010］、［001］、［100］、［010］和［001］這6個晶麵的性質完全相同，則用<100>來統稱這些等效的晶嚮。簡立方的晶嚮［hkl］與晶麵(hkl)是垂直的關係，但對於其他結構則不一定。
(a)(100)平麵
(b)(110)平麵
(c)(111)平麵
圖1.5三種晶麵
C、Si、Ge晶體的立方晶胞都是典型的金剛石型結構，如圖1.6(a)所示。這種結構是相同原子構成的兩套麵心立方結構沿其中一套麵心立方結構的體對角綫互相滑移1/4體對角綫長度套構而成的(圖1.6(a))，它是復式格子，其晶格常數a就是立方晶胞的邊長。閃鋅礦型結構與金剛石型結構的差異在於，它是由兩套不同原子分彆構成的麵心立方結構沿其中一套麵心立方結構的體對角綫互相滑移1/4體對角綫長度套構而成的，其立方晶胞如圖1.6(b)所示。縴鋅礦型結構如圖1.6(c)所示，它屬於六角密堆積結構。在化閤物半導體中，如果離子性與共價性相比更占優勢，就傾嚮於形成縴鋅礦型結構。氯化鈉型結構如圖1.6(d)所示，它由兩套麵心立方晶格沿對角綫方嚮滑移半個晶格常數而成。
(a)金剛石型結構
(b)閃鋅礦型結構
(c)縴鋅礦型結構
(d)氯化鈉型結構
圖1.6立方晶胞
蜂巢晶格(圖1.7)屬於六角晶係，由六元環組成平麵六邊形，為二維周期蜂窩狀點陣結構。
圖1.7蜂巢晶格
第1章半導體物理基礎知識
1.1半導體的晶體結構與價鍵模型
1.1.1晶格
金屬、半導體和絕緣體是製造半導體集成電路的材料。固體物質在集成電路中扮演著至關重要的角色。從幾何形態上，固體分為非晶、多晶和單晶三種基本類型，如圖1.1所示，它們的基本差異在於有序化區域的大小不同，即原子在周期性晶格位置上位移的程度不同。周期性空間點陣是一個三維點陣。單晶材料具有幾何上有序的周期性。當單晶中齣現雜質、位錯和缺陷時，會使晶體發生畸變，周期性遭到破壞。單晶中齣現的人為或非人為引入的其他元素原子是雜質。
(a)無定型，長程無序
(b)多晶，長程無序短程有序
(c)單晶，長程有序
圖1.1固體的三種幾何類型示意圖
晶體就是單晶，它的原子是一種周期性分布的點陣，這就是空間點陣，又稱為晶格或者正格子。晶體的物理、化學和電學性質都由空間點陣的分布狀況決定。格點是描述原子排列的點。圖1.2給齣瞭一種無限二維晶格和三維晶格中的格點、基元與空間點陣的排列。晶體點陣中的格點代錶基元中某個原子的位置或基元質心的位置，也可以是基元中任意一個等價的點。當晶格點陣中的格點被具體的基元代替後就形成實際的晶體結構。晶格點陣與實際晶體結構的關係可總結為：晶格點陣+基元=實際晶體結構。晶格由一組原子周期性重復排列而成，能通過各種平移操作復製得到整個晶體的基元就稱為晶胞。晶胞並不是唯一的，可以有多重結構。任一晶胞平移即構成整個晶格。最小的晶胞稱為原胞，原胞重復就形成瞭晶格。
晶格中格子的每個格點的情況是完全相同的。晶格又分為單式格子和復式格子。由一種原子組成的晶格稱為單式格子；若晶格由幾種原子組成，每種原子組成瞭一個子格子，則晶格由幾個子格子套構而成，就稱為復式格子。
(a)二維晶格
(b)三維晶格
圖1.2格點、基元與空間點陣
1.1.2原子價鍵
特定的原子結閤在一起形成特定的晶體結構。原子的結閤形式與其結構、物理性質、化學性質彼此關聯。熱平衡下的係統的總能量是最小的。原子間的相互作用的類型就是原子價鍵。原子之間的相互作用趨於形成滿價殼層，如共價鍵和離子鍵。主要的原子價鍵有離子鍵、共價鍵、金屬鍵和π鍵。實際晶體的價鍵可以具有幾種價鍵之間的過渡和耦閤性質，形成所謂的混閤鍵。在混閤鍵中不同的價鍵之間相互關聯。
共價結閤的原子的電子在每個原子周圍的分布相似，根據泡利(Pauli)不相容原理，每個價鍵由相鄰兩個原子各提供一個自鏇方嚮彼此相反的價電子構成，電子在每個原子周圍的分布是相似的，故稱為共價鍵。共價鍵由未配對的電子形成。原子內層的電子稱為芯電子。原子核及其芯電子被總稱為原子實。由於內層的電子被原子核緊緊束縛，所以隻有最外層的電子纔能參與導電，外層的電子因構成化學價鍵而被稱為價電子。共價鍵是相鄰原子間通過共用自鏇方嚮相反的電子對(電子雲重疊)與原子核間的靜電作用形成的。共價結閤的結構具有兩個特徵：方嚮性和飽和性。原子隻在特定方嚮形成共價鍵。每個原子與它的最近鄰原子之間形成共價鍵，構成一個正四麵體，鍵與鍵之間的夾角都是109°28′。因為共價鍵使得電子被相鄰的原子共有，所以每個原子的價電子層都是滿的，這就是共價鍵的飽和性。金剛石(C)、Si、Ge等元素半導體都是通過共價鍵結閤為晶體的。
圖1.3是矽的共價鍵模型的示意圖。圖中圓圈錶示矽原子實，圈中的“+4”說明矽是Ⅳ族元素。相鄰原子實之間的每條連綫代錶一個共價電子。每個原子實周圍共有8條連綫，錶明它有8個共價電子；其中4個是原子實提供的共價電子，另外4個則是與周圍最近鄰的4個原子實共享的價電子。圖1.3的中部顯示的是一個鍵斷裂並釋放齣價電子的情形。因為該電子能在晶格之間自由移動，且仍在晶格勢場中，所以它是準自由電子。圖1.3的右部顯示的是齣現一個原子空位的情形。圖1.3中部給齣的是因環境溫度産生的原子隨機熱振動或其他激發因素(如光照、輻射)都會導緻原子鍵斷裂而釋放齣電子。該電子被釋放到鍵和原子核之間的晶格中，並且能在晶體的周期性勢場中運動，是準自由電子。半導體是電中性的，在斷鍵處失去一個電子，等效於在價電子原來所在的位置留下一個帶+q電量的正電荷，稱為空穴(hole)。因此，因鍵斷裂而産生瞭成對的電子�部昭ǘ浴０氳繼逵虢鶚艫牟煌�之處在於，半導體可以産生兩種載流子，即帶負電的電子和帶正電的空穴。
圖1.3共價鍵模型
在離子鍵中，原子首先轉變為正、負離子，原子因正、負離子之間的庫侖吸引力即靜電作用而結閤，其成鍵條件是成鍵原子得失電子的能力不同。它是正、負離子相間排列而成。離子鍵的鍵能非常強。離子鍵沒有方嚮性和飽和性。含有一部分離子性成分和一部分

前言/序言

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