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半导体常用名词定义资料

#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，电子和空穴复合时应释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合。

辐射复合可以是导带电子与价带的空穴直接复合，这种复合又称为直接辐射复合，是辐射复合中的主要形式。

此外辐射复合也可以通过复合中心进行。

在平衡态，载流子的产生率总与复合率相等。

#15753.非辐射复合（nonradiativerecombination）

按照复合时释放能量的方式不同，复合可分为辐射复合和非辐射复合。

以除光子辐射之外的其他方式释放能量的复合称为非辐射复合。

非辐射复合中主要有多声子复合和俄歇复合。

#15754.陷阱（trap）

半导体中能够俘获电子或空穴的晶体缺陷或化学中心。

热平衡时由缺陷或杂质引入的能级上具有一定数量的热平衡电子，当半导体内引入非平衡载流子时，这些能级上的电子数目将发生变化，如果能级上电子数目增加则该能级具有俘获非平衡电子能力，该能级称为电子陷阱。

反之若该能级上电子数目减少则该能级具有俘获空穴的能力称为空穴陷阱。

当非平衡载流子落入陷阱后基本上不能直接发生复合，而必须首先激发到导带或价带，然后才能通过复合中心而复合。

在整个过程中，载流子从陷阱激发到导带或价带所需的平均时间比它们从导带或价带发生复合所需的平均时间长得多，因此陷阱的存在大大增加了从非平衡恢复到平衡态的弛豫时间。

#15755.猝灭（quenching）

激发态通过非辐射复合的途径达到弛豫。

如热猝灭是通过处于发光中心激发态的电子与晶格碰撞把激发能交给晶格，产生大量的声子而无辐射地回到基态。

光、电场及磁场等外界因素均可产生发光猝灭。

#15756.漂移电流（driftcurrent）

在没有电场作用时，半导体中载流子在运动中不时遭到散射作杂乱无章的热运动，并不形成电流。

当有电场存在时，使所有载流子沿电场力方向作定向运动。

这种载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。

所构成的电流为漂移电流。

定向运动的平均速度叫做漂移速度。

在弱电场下，载流子的漂移速度v与电场强度E成正比

v=μE

式中μ是载流子迁移率，简称迁移率。

它表示单位场强下载流子的平均漂移速度，单位是m2/V·s或cm2/V·s。

迁移率数值决定于半导体能带结构、材料中杂质和缺陷对载流子的作用、以及其中原子的热运动等因素。

通常在同一种半导体中，电子的迁移率比空穴的大。

迁移率是反映半导体载流子导电能力的重要参数。

#15757.漂移迁移率（driftmobility）

在一块均匀的半导体材料中，用局部的光脉冲照射会产生非平衡载流子，光脉冲停止后，整个非平衡载流子的“包”在电场作用下以漂移速度v=μ|E|向样品一端运动，若已知电场强度|E|及脉冲电荷包漂移的距离x，可计算出迁移率μ=x/（|E|t），其中t为光脉冲停止时刻与示波器探测到非平衡载流子电荷包的时间隔，这样测得的迁移率为漂移迁移率。

漂移迁移率是非平衡载流子的平均漂移速度与电场强度的绝对值之比。

#15759.界面散射（interfacescattering）

半导体载流子沿表面层运动的表面迁移率总低于体内迁移率，这种由于沿表面层运动的载流子受到的不同于体内的附加散射，就称之为表面散射或界面散射。

界面散射机制比较复杂。

例如表面粗糙度散射，是由于表面粗糙不平整引起的散射过程，这时表面不是一个平面而是像一个被弯曲了的薄片，因此当电子沿表面运动时将受到干扰，使迁移率降低。

这种散射作用对薄的表面空间电荷层较明显，例如强反型层就属于这种情况。

#15765.场效应（fieldeffect）

电场对半导体的影响。

在电场作用下半导体中自由电子和自由空穴的平衡遭到破坏。

如MOS结构在不同的电场作用下，由于电场对半导体内载流子的吸引或排斥作用而在半导体表面附近产生载流子的积累或耗尽，通常把这种半导体表面电导受垂直电场调制的效应称为场效应。

#15766.沟道（channel）

半导体中由于外加电场引起的沿长度方向的导电层。

如MOS结构中当施加外部电场时在半导体表面形成的积累层及反型层。

#15767.能带弯曲（bandbending）

半导体能带图表示电子在原子周期势场中处于不同能量的能级上，电子能量与其所在的半导体的静电势成正比。

显然，如果半导体中静电势到处都相同，则能带是水平的，即平带状态。

反之，当半导体表面存在垂直的外加电场时，半导体中各处静电势就不同，则能带就相应地发生弯曲，称为能带弯曲。

#15789.场发射（fieldemission）

在外电场作用下，非加热的金属或半导体表面处表面势垒变窄，由于量子力量隧道效应引起的表面电子发射。

在电子器件和表面物理研究中可以应用的几个场发射阴极是钨尖、硅尖、金刚石阴极、碳纳米管阴极及电子枪用场发射阴极。

#15790.热电子（hotelectron）

半导体中的电子可以吸收一定能量（如光子、外电场等）而被激发，处于激发态的电子称为热电子，处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，如果以光辐射的形式释放出能量，这就是半导体的发光现象。

#15793.量子阱（quantumwell）

量子阱是一种人工设计采用外延方法生长的半导体微结构。

其主要特性是电子（空穴，有时还包括光子）在空间上被限制在一个很薄的区域内运动，该区域的厚度小于电子的德布罗意波长，电子（空穴）行为表现出二维特征。

量子阱结构主要用于发光器件和光电探测器件。

和非量子阱结构相比，由于在量子阱中电子（空穴）相对比较集中（有时光子也比较集中），所以有很高的量子效率，用于半导体激光器能大幅度降低阈值电流密度，增加输出功率。

量子阱结构中，与量子阱层相对的还有势垒层，用以限制电子（空穴）在垂直于阱面方向上的运动。

量子阱结构通常用分子束外延或金属有机化学气相淀积方法制备。

#15795.量子线（quantumwire）

量子线是一种人工微结构，其主要特性是电子（空穴）在空间上被限制在一个很细的线状区域内运动，该区域的横向尺度小于电子的德布罗意波长，电子（空穴）行为表现出一维特征。

目前量子线结构主要用于半导体激光器。

与量子阱激光器相比，量子线激光器阈值电流密度更低，输出功率更大，而且输出激光的波长随温度的变化更小。

量子线的制作分为自组装生长和微加工两类。

#15796.量子点（quantumdot）

量子点是指电子（空穴）在空间上三个方向都受到限制，只能在微小空间中运动的人工微结构，该空间区域的尺度在三个方向上都小于电子的德布罗意波长，电子（空穴）行为表现出零维特征。

目前量子点结构主要用于制作半导体激光器和纳米电子器件。

在所有的量子结构激光器中，量子点激光器阈值电流密度最低，输出功率最大，而且输出激光的波长不随温度变化。

量子点的制作主要靠自组装生长。

#15798.半导体超晶格（semiconductorsuperlattice）

由一组多层薄膜周期重复排列而成的单晶。

多层薄膜中各层厚度从几个到几十个原子层范围。

各层的主要半导体性质如带隙和掺杂水平可以独立地控制。

多层薄膜的周期可以在生长时人为控制，因而得到了人造的晶体结构即超晶格。

多层薄膜中各层的组分突变的超晶格称为组分调制超晶格；各层掺杂原子型号发生突变的超晶格称掺杂调制超晶格。

组分调制超晶格的能带图与多量子阱类似，惟一的区别是超晶格中由于势垒层厚度小于电子的德布罗意（deBroglie）波长，相邻势阱中的电子波函数发生交叠，因而多量子阱的离散能级将展变为能带，其能带宽度及位置与势阱深度、宽度及势垒厚度有关。

超晶格具有一些普通半导体中没有发现的有用性质。

#15799.共振隧道（resonancetunneling）

在低偏压下相邻量子阱的相同子带间的隧道穿透。

此时电子穿过一个或数个势垒而不失去其相位关系。

共振隧穿发生时可以伴随声子发射过程。

#15800.单电子隧道效应（singleelectrontunnelingeffect）

一个包含极少量电子，具有极小电容值的粒子称为库仑岛，其能量由电势能及电子间互作用库仑能组成，可表示为E=-QVg+Q2/2C。

当库仑岛上增加或减少一个电子时，其能量增加e2/C。

单个电子进入或离开库仑岛需要e2/C的激活能。

在极低温和小偏压下，导体内的电子不具备e2/C的能量，故电子不能穿越库仑岛，此现象称为库仑阻塞。

通过给库仑岛加栅压可以改变其电势能及总能量，在某个特定的栅压下，库仑岛总电荷Q=Ne和Q=（n+1）e的最小能量是简并的，即态密度间隙消失。

此时，即发生单个电子隧穿库仑岛的现象，称为单电子隧穿效应。

#15801.整数量子霍尔效应（integerquantumHalleffect）

二维电子气系统在强磁和低温条件下的霍尔效应表现出明显的量子化性质。

1980年冯克利青（VonKlitzing）等人首先观测到了量子化霍尔效应。

他们测量了SiMOSFET反型层中二维电子气系统中的电子在15T强磁场和低于液He温度下的霍尔电压VH，沿电流方向的电势差VP与栅压VG的关系。

当磁场垂直于反型层，磁感应强度B与沿反型层流动的电流强度I保持不变时，改变栅压VG，可改变反型层中载流子密度ns。

在正常的霍尔效应中应有VH∝1/VG（如果ns∝VG），但在强磁和低温下，某些VG间隔内，VH曲线出现平台，对应于平台时的VP最小趋近于零，由此得到的霍尔电阻ρXY=-VH/I是量子化的，其值为

它只与物理常数h（普朗克常数）和q有关。

霍尔电阻与整数i相联系的量子化性质称整数量子霍尔效应。

在1K以下，实验还进一步观察到i为分数的霍尔平台，即分数量子化霍尔效应。

在调制掺杂的GaAs-GaAlAs等异质结构中也能观测到量子化霍尔效应。

#15803.量子限制效应（quantumconfinementeffect）

微结构材料三维尺度中至少有一个维度与电子德布罗意（deBroglie）波长相当，因此电子在此维度中的运动受到限制，电子态呈量子化分布，连续的能带将分解为离散的能级，当能级间距大于某些特征能量（如热运动量KB；塞曼能hω，超导能隙Δ等）时，系统将表现出和大块样品不同的甚至是特有的性质，例如超晶格中由于能级离散引起的带隙展宽及吸收边的蓝移。

#15805.Wannier激子（Wannierexciton）

半导体吸收具有带隙能量的光子时产生的电子空穴对，在低温下没有足够的动能使它们分开，相互靠近的电子、空穴由于库仑互作用而形成的一个束缚态，很像氢原子中的质子与电子那样。

Wannier激子的能量为

En=-13.6μ/ε2n2，n为量子数，ε为介电常数，μ是电子和空穴的折合有效质量，它的能级在导带底以下几个毫电子伏范围，因而在半导体的基本吸收边的长波侧可看到几个清晰的激子吸收峰，对应于处在量子数n较低的一些激子状态。

#15806.扩展态（extendedstate）

非晶态材料中电子本征波函数不再是Bloch函数，其电子本征态分为扩展态和局域态，扩展态波函数遍及整个材料，电子占据整个材料具有有限的概率。

由于晶格势能的无序涨落引起的散射，扩展态电子的迁移率远小于晶体中的共有化电子。

#15808.局域态（localizestate）

固体材料中与特定位置相关，具有特定能量的电子态。

当一个电子占据此状态时，它被束缚于具有特定能量的特定位置附近。

无序固体