半导体物理器件

半导体物理器件 名词解释名词解释 1 光电效应 在光的照射下 电路中产生电流或电流变 化 分两类 一是光照下能使物体电阻值改变称 内阻效应 或光导效应 二是在光照下能够产生一定的方向的电动势 称 阻挡层光电效应 或光伏效应 2 压阻效应 对半导体施加应力时 出产生变形外 能 带结构也要发生变化 因而 半导体的发生改变 这种由 于应力的作用使电阻率发生改变的现象 3 热电效应 把热能转换成电能的过程 其中最重要的是 温差电现象 4 单晶体 在三维空间里由全同结构也要发生单元 无 间隙的周期的排列这中无限的重复的结构遍及整个晶体称 单晶 5 非晶体 在三维空间中只是短程序或者就是无序的排 列结构的晶体 6多晶体 由多个单晶体构成的晶体 7晶胞 由于晶体是由全部结构单元周期性地 无间隙 地无限重复构成的 而研究晶体时研究最简结构称晶胞 原胞 由于晶体是由全同结构单元 周期性地无间隙无限 重复构成的而研究晶体时研究最简结构或非最简结构单元 称初基晶 8 格点 研究晶体中原子 分子或离子的排列 把这些粒 子的重心作为一个几何点 9 空间点阵 晶体中有无限多个在空间按一定规律分布 的格点 10 晶列 在空间点阵中通过两个格点作一条直线 在这 直线上一定有无数个格点 这样的直线称晶列 11 晶格 在空间点阵中 不同的三个晶列族分空间为无 数格子称晶格 12 晶面 通过不在同一晶列的三个格点作一平面在这平 面上必须包含无数个格点这样的平面叫做晶面 13 点阵常数 在晶体中选三个互不平行的特定的晶列 方向为晶轴 以晶轴上两相邻的格点见得距离为单位 这 单位称为点阵常数 14 晶向指数 晶体中的不同方向就是利用晶向来区分 的 每个方向则用三个最小整数 u v w 来表示记为 u v w 表示晶向的这组数据称为晶向指数 15面间距 在晶体中的同一族晶面中 相邻两晶面的距 离称为面间距 16面密度 在晶体中单位面积中的原子数称为面密度 单位面积中的化学键数称为键密度 17晶格缺陷 理想的晶体 其原子的排列是无间隙的 周期性的 无限重复的由规则性的排列 但在自然界的晶 体物质不会有那么完美的结构 晶格排列中的任何不规则 的地方 就是晶格的缺陷 18弗兰克缺陷 在晶体中总有少数部分原子会脱离正 常的晶格点 而跑到晶格空隙中 成为自间隙原子 这种 作用又使得原先的晶格上没有任何原子占据成为晶格的空 位 这样一对间隙与空位称为弗兰克缺陷 19肖特基缺陷 当晶格原子扩散到晶体最外层时 这 使得晶格中仅残留空位而没有自间隙原子 这种缺陷称为 肖特基缺陷 20位错 当晶体中的晶格缺陷沿着一条直线对称时 这 种缺陷称为位错 1 位错包括 刃位错 螺旋位错 和 位错环 21非平衡运动 当位错的运动需要借助原子及晶格原 位运动时 称为非平衡运动 22晶界 是两个或多个不同结晶方向是的单晶交界处 晶界是可以弯曲的 但在热平衡状态下 为了减少晶界的 能量 他们通常是平面状的 晶体是由全同结构单元周期地 无间隙地无重复构成的 23 电子公有化运动 晶体原子的内壳层由于基本上 没有重叠 电子依然围绕原子核运动 而外壳层发生能级 重叠 电子不再局限于一个原子 而可从一个原子壳层转 到相邻的另一个原子壳层上去 并可以从邻近的原子再转 移到更远的原子上去 像这种的电子可以在整个晶体中运 动 为晶体内所有原子共有的现象 24电子的量子态 电子围绕原子核作着特定的运动这 一系列特定的运动状态称电子的量子态 25 禁带 允带之间没有电子的运动的区域 26 满带 在能量低的能带中填满电子的能带 27导带 能带图中最高的全空或半空 电子没有填满的 能带 28电子导电 当外加电场时 电子向着电场相反的方向 运动 形成电流 电子没有填满的能带 29 空穴导电 空穴朝着电场的方向运动同样刑场电流 30 本征半导体 没有掺杂的半导体 纯净的半导体 31 非征半导体 掺杂杂质的半导体 加入杂质原子控制半 导体性质的导体 32掺杂 为了增加半导体中的载流子浓度 将一定数量 的杂质原子掺入半导体 33 杂质电离区 在低温度下 电子首先从施主能级激发到 导带或空穴由受主能级激发到价带随温度的升高 载流子 浓度不断增大 当达到一定浓度时 杂质达到饱和电离的 温度 34非本征区 本征激发的载流子浓度依然较低半导体的 载流子浓度保持基本恒定 主要由电离的杂质浓度决定 35 本征区 当温度继续升高 本征激发的载流子大量增加 此时的载流子浓度由电离的杂质浓度和本征载流子浓度 共同决定的温度区域 36 辐射复合 载流子复合时 发射光子产生发光的现 象 也称发光复合 37非辐射复合 载流子复合时 发射离子将能量传递给 晶格 产生热能现象 38 俄歇复合 载流子复合时 将能量传递给其他载流子 增加它们的能量现象 39 非平衡载流子的寿命 载流子浓度减少到原值 e 分之 1 所经历的时间 40 内建电场 空间电荷区中存着正负电荷区 形成一 个从 N 型半导体向 P 型半导体指向的电场 41 点缺陷 又由本质原子产生的自由间隙原子和空穴 由 杂质原子产生的间隙原子和提位原子 包括了弗兰克缺陷 和肖基特缺陷 42 线缺陷 当晶体中的晶格缺陷是沿着一条直线对称时的 缺陷称为位错 包括位错 螺旋位错和位错环 43复合中心 半导体中的杂质和缺陷既可能引人载流子 又可能引人深能级 研究表面 深能级又促进载流子复合 的作用 把这些促进载流子复合的杂质和缺陷 44p n 结的制备方法包括合金法 扩散法 离子注入法 薄 膜生长法 45 太阳能级硅多晶硅的制取工艺包括真空挥发 利用化学 反应 造渣除杂和定向凝固 46p n 结的基本特征电流电压特性 电容特性 隧道特性 雪崩效应 开关效应 光伏效应 47本征吸除工艺 由于位错等缺陷有吸附杂质特别是 金属杂质的作用 工艺上常用生成氧沉淀来吸附杂质 使 器件制作区域为洁净区以提高器件的成品率和品质 这种 工艺称为内吸杂或本征吸除工艺 48固态加料法 直接将固态多晶硅原料加入石英坩埚 内 加入的多晶硅原料可使用棒状多晶 块状多晶 颗粒 多晶三种形态 49铸造多晶硅 是利用铸造技术定向制备硅多晶体 现 在统称为 me si 50浇铸法 在一个坩埚内将硅料熔化 然后将熔硅注入 另一个经过预热的坩埚冷却 通过控制冷却速率 采用定 向凝固技术制备大颗粒的铸造多晶硅 51直接熔融定向凝固法 简称直熔法 即在坩埚内 直接将多晶硅熔化 然后通过通过坩埚底部的热交换等方 式 使熔体冷却 采用定向凝固技术制造多晶硅 所以 也有人称这种方法为热交换 简称 HEM 法 52 吸杂技术 指在硅片的内部或背面有意造成各种晶体缺 陷 以吸引金属杂质在这些缺陷处沉淀 从而在器件所在 的近表面区域形成一个无杂质 无缺陷的洁净区 53带状硅材料 又称为带硅材料或硅带材料 是一种正 在发展的新型太阳能电池硅材料 它是利用不同的技术 直接在硅熔体中生长出带状的多晶硅材料 54应力控制 是指在一定的生长速率下 带硅必须在固 液面保持一定的冷却温度梯度 这是因为带硅的冷却速率 都提高 55边缘稳定性 是指生产出的带状硅的宽度应严格一致 56多晶硅薄膜 是指生长在不同非硅衬底材料上的晶体 薄膜 它是由众多大小不一且晶向不同的细小硅晶粒组成 的 直径一般为几百纳米到几十微米 57切片 是指将晶锭切成 规定厚度的切片 58载具 用以承载硅片的载体 59研磨操作 主要是控制磨盘速度与施于磨盘上的压力 求出施压的情况 60 晶体的熔化 温度升高 晶体内原子的热运动增加 晶格结构被破坏 而由固态变成液态或非晶体 这一过程 叫晶体的熔化 凝固 与熔化相反的过程叫凝固 也叫结 晶 即由液态向固态晶体转化 熔化热 晶体熔化时吸收 的热量叫熔化热或熔解热 结晶潜热 晶体结晶时放出的 热量 61自发成核 由于液体过冷 自发生成晶核 62非自发晶核 借助于外来固态物质的帮助 如在籽晶 埚壁 液体中的非溶性杂质等产生的晶核 称为非自发晶 核 63 二维晶核 由于熔体系统能量的涨落 某一定数量的液 相原子差不多同时落在平滑界面上的邻近区域 形成一个 具有单原子厚度 d 并有一定宽度的平面原子集团 称为二 维晶核 晶核临界半径 根据热力学分析 二维晶核必须超过某个 临界值才能稳定 称为晶核临界半径 64填充法 这种方法是在原料棒接近圆锥体的部位钻一 个小洞 把掺杂原料填塞在小洞里 依靠分凝效应使杂质 在单晶的轴向分布趋于均匀 这种方法较适用于分凝系数 较小的杂质 气相掺杂法 这种方法是将易挥发的 ph3N 型或 b2h6P 型气体直接吹入熔区内 分凝 当固液平衡共存时 固液中的组成发生偏析 这种 现象称为分凝 平衡分凝系数k 固体中的杂质溶度 c3 与液体中杂质 溶度 c1 之比定义为平衡分凝系数 65 热施主 热施主是双施主 即可提供 2 个电子 其能级 位置在导带下 0 006 0 07ev 和 0 013 0 015ev 新施主 热施主在 550 850 度热处理 还会生成与氧有关的 施主 被称为 新施主 施主 能增加电子溶度的杂子原子 n 型掺杂 受主 能增加空穴溶度的杂质原子 p 型掺杂 66 线缺陷 指位错 包括刃位错 螺旋位错 混合位错 n 型材料 主要依靠导带中的电子导电的半导体 参有施主 的材料 p 型材料 主要依靠价带中的空穴导电的半导体 参有受主 的材料 67 本征激发 电子从热震动的晶格中吸收能量从价带跃迁导 带 即从低能态跃迁到高能态 形成自由的导带电子和价 带空穴 68 载流子的复合 外界没有光 电 磁等作用时 在一定温 度下 从低能态跃迁到高能态的载流子会产生相反的运动 即从高能态向低能态跃进 同时释放一定能量 称为载流 子的复合 合金法 指在一种半导体晶体上设置金属或半导体元素 通过加温等工艺形成 扩散法 指在 n 型或 p 型半导体材料中 利用扩散工艺掺入 相反型号的半导体 从而构成 p n 结 离子注入法 将 n 型或 p 型掺杂剂的离子束在静电场中加 速 注入 p 型或 n 型半导体表面区域 在表面形成与基本 型号相反的半导体 从而形成 p n 结 69薄膜生长法 在 n 型或 p 型半导体材料表面 通过气相 液相等外延技术生长一层具有相反导电类型的半导体薄膜 在两者的界面处形成 p n 结 70 正向电流 对空穴而言 在正向电压作用下 从 p 型半导 体扩散到 n 型半导体 电流通过 电流基本随电压呈指数 上升 击穿电压 当反向电压大于一定数值时 电流急剧增 大 p n 结被击穿 71 功函数 使固体中位于费米能级处的一个电子移到 体外自由空间所需 做的功 72 金属 半导体接触 在半导体晶片上淀积一层金属 形成 的紧密接触 73 肖特基接触 具有整流效应的金属和半导体接触 在晶体中总有少部分原子会脱离正常的晶格点而跑到晶格 间隙中 成为自间隙原子 这种作用又使得原先的晶格点 上没有任何原子占据 成为晶格的空位 这样一对自间隙 原子与空位 称为弗兰克缺陷 当晶格原子扩散到晶体 最外层时 这使得晶格中仅残留空位而没有自间隙原子 这种缺陷称为肖特基缺陷 74 欧姆接触 以肖特基接触为基础制成的二极管 简 称 SBD 而很小的电阻 且具有线性和对称的电流 电压关 系的金属 75 半导体接触 金属 半导体的表面势垒与半导体 P N 结相似 内建电场所产生的势垒 76 电子高电导区 反阻挡层 金属和半导体接触后 在 界面附近的金属一侧形成了很薄的高密度空穴层 半导体 一侧形成了一定厚度的电子积累区域 从而形成一个具有 电子高电导率的空间电荷区 77 反阻挡层 N 型半导体与功函数较小的金属接触或 P 型半导体与功函数较大的金属接触 在平衡时靠近表面处 就会形成一个载流子浓度很大的高导电区 78 表面势垒 由于内建电场也在变化 导致空间电荷区 的两端产生电势均差 太阳能级硅有什么特点 纯度要求远不及电子级多晶硅 为了降低太阳能电池的成 本 太阳能电池用单晶硅制取的头尾料 回收料 低品味 的还原料 甚至电子工业用硅的废料等 纯度一般认为 6 个 9 就可以满足 79 一个理想的晶体就是在三维空间里由全同结构单元无间 隙地 周期性的 重复地构建而成 这种无限重复的结构 遍及整个晶体 称为单晶体 而又多个单晶体构成的晶体 称为多晶体 而只是短程有序或者就是无序结构的晶体 称为非晶体 80 将晶体结构截分为一个个彼此互相并置而等同的平行六 面体的基本单位 即为晶胞 晶胞是晶体的基本结构单位 客观地反映了晶体结构三维周期性 81 晶体结构 点阵 基元 晶格常数 晶格中两个相邻格点之间的距离 用 a b c 来表示 晶格常数描述了晶格的大小 82 金刚石结构 两个面心立方沿着空间对角线位移 1 4 的空间对角线距离所构成的晶体结构 金刚石结构的晶胞 是立方体 原胞是正四面体 晶体硅就属于金刚石结构 83 晶体熔化时吸收的热量叫熔化热 结晶时放出的热量叫 结晶潜热 84过冷度 实际结晶温度与其熔点的差值 最小的叫亚 稳极限 液体必须有一定的过冷度 结晶才能自发进行 85晶核的形成 1 由于液体过冷 自发生成晶核叫自发 成核 2 借助外来固态物资的帮助 叫非自发结晶 86 在低温热处理时 过饱和的氧一般聚集形成氧施主 87 在相对高温热处理或多步热处理循环时 过饱和的氧就 析出形成样氧沉淀 二填空二填空1 晶体具有 各向异性 而非晶体是 各向同 性 2 在 物理学 中一般取 原胞 而原胞只反映晶格的 周期性 不反映晶格的 对称性 晶体学 中一般 取 晶胞 既反映晶格的周期性 又反映晶格的对称性 3 晶体中不可能的对称轴有 五重轴 和 七重轴以上的 对称轴 4 互相平衡的晶列构成 晶列族 一个晶列族包含晶体的 全部格点 5 硅晶体为 金钢石结构 它可以看成是两个沿对角线方 向错开 1 4 对角线的面心立方晶格构成 6 硅原子在原子物理理论中 有 能量的量子化 系统能 量最低原理 泡沫不相容原理 三个原理 7 硅晶体为典型的 共价键结合 共价键结合有两个特点 饱和性 和 方向性 8 硅晶体的半导体性质来源于它的结构 它所有的价电子 都被束缚在共价键上 没有自由电子 不导电 9 晶格缺陷有 点缺陷 线缺陷 面缺陷 和 体缺陷 10 固溶度随温度的增加而 增加 但当温度接近 熔点 时 固溶度急剧 下降 11 滑移系统包含了 滑移方向 及 滑移面 滑移方向 几乎全由 经过结构 所决定 12 位错沿着布格向量的运动称 滑移 位错垂直于布格 向量的运动称 爬升 爬升是一种 非守恒运动 滑移 是一种 守恒运动 当爬升引起额外半平面尺寸减少时称 正爬升 当爬升引起额外半平面变大时称为 负爬升 正爬升导致晶格空位的 消失 负爬升则导致晶格空位的 产生 13 面缺陷包括 层错 双晶缺陷 及 晶界 14 当部分的晶格在特定方向产生塑性变形 而且形变区原 子与未变形区原子在交界处仍是紧密接触 这种缺陷称 双晶缺陷 用分析法可以测定晶体的溶化或凝固温度 15 一般来说 晶体的熔点愈高 它的溶化热 或结晶潜热 也愈大 熔体过冷 是自发结晶的必要条件 16 晶体与液体的接触面界 大致有两类 1 坎坷不平的 粗糙的 即固相也液相的原子犬牙交错地分布着 另一类 是界面是平滑的 具有晶体学的特征 17 单晶硅的制备 就目前已形成规模生产的方法有两种 即区熔法和直接法 区熔法又称 fz 法 即悬浮区熔法 18 杂质在硅中能容纳的最大数目是特定的 能容纳的最大 数目称为杂质在硅中的固溶度 影响固溶度的主要原因则 是电化学与价位化学 三三1半导体有哪些分类 半导体材料的性质 答 按结构分为晶体和非晶体半导体 按成分从大分为有 机半导体和无机半导体 无机半导体又分为单质半导体和 化合物半导体 1 对热敏感 2 电阻率随温度变化与金属变 化相反 升高下降 3 具有光电效应 4 具有压阻效应 5 对 磁敏感 6 具有热电效应 7 导电特性 2 硅的物理性质 晶体硅呈银灰色 有金属光泽 硬而脆 液态密度比固态 体积大 本征载流子浓度 光学性质 常温下禁带宽 度为 对可见光不透明 可透过近红外 液态的表面 张力较大 密度较小 可进行悬浮区容生产 室温下无延 展性 高温下有塑性 3硅的哪些化学性质 1 硅原子的最外层电子为 4 个 一般以共价键形式与其他原 子结合呈 4 价 其正电性较金属低 2 室温下化学性质不活 泼 高温下能与多种物质反应 3 晶体硅在常温下很稳定 不溶于所有的酸 但能溶于 HNo3 与 hf 的混合溶液中 4 硅和烧碱反应生成偏硅酸钠和氢 4物质的纯度怎么来表示 1 主体物占总体物质的百分比来表示 2 以某中杂质或某些杂 质与总物的比来表示 5 共价键有什么特点 答 饱和性 饱和性就是遵循泡沫不相容原理 在每一个 轨道上只能容纳两个自旋相反的电子 硅的 3S3P 电子若按图 所示排布两个 S 电子已经配对形成共价键 只有两个 P 电 子才能与其它原子的电子配对形成共价键 硅的化合价应 为 2 价 但事实上硅的化合价为 4 价 这可通过电子轨道 杂化来解释 方向性 就其方向性而言 轨道杂化后 每个电子都含有 1 4 的 S 成分和 3 4 的 P 成分 它们的性质是等同的 在结 合时 4 个硅原子分别处在正四面体的 4 个顶角上 它们之 间的夹角为 109 28 6硅晶体的结构特征 答 硅晶体为金刚石结构 具有金刚石结构的共性 其外 本身也具有一些特性 硅原子 和其他元素的原子一样 由原子核和核外电子组 成 具有能量的量子化 系统能量最低原理 泡沫不相容 原理三个物理理论规律 最外层电子的排布决定了硅原子 的化合键应为 4 和 2 硅中的化合键 硅晶体为典型的共价键结合 具有饱和性 和方向性两个特点 面间距 面密度和键密度 在晶体的同一族晶面中 相邻 两晶面间的距离称为面间距 在晶面中单位面积中的原子 数为面密度 单位面积中的化合键数称为键密度 键密度 越大 结合力越强 由于晶体中原子密度是一定的 所以 面间距大的晶面 面密度越大 各向异性 溶解和生长速率的不同 机械性能的各向异性 热氧化速率的各向异性 7简述晶体的各向异性 答 晶体的机械 物理 化学及电学性质都是各向异性的 晶体的各向异性源于晶面组成的不同 它包括溶解和生长 速率的不同 机械性能的各向异性 热氧化速率的各向异 性 fz 硅单晶的掺杂方法是多样的 较常用的有填装法 气相 掺杂法 中子媗变掺杂法 直拉法又称 cz 法 其基本设备有 炉体 晶体及坩埚的开 降和传动部分 电气控制部分 气体控制部分 热场的配 置 8直拉硅中的氧含量远高于多晶硅中的氧含量 其主要来 源是石英坩埚的熔解 直拉硅中的碳在硅中的平衡分凝系数为 0 07 在硅单晶中 头部溶度小 尾部溶度大 在快速拉晶的条件下 分凝系 数增大 1954 年由 Rusler 提出了连续加料法 cc2 法 其优点之一是 由于维持着固定的溶液量 石英坩埚内的熔硅无需太多 溶液的对流较稳定 有利于晶体的生长 9 二次加料是一种连续加料工艺 cc2 法的优点 晶体均匀性得到提高 产能得到增加 晶体 可用率得到增加 20 铸造多晶硅的主要优势是材料利用率 能耗低 制备成 本低 晶体生长简便 易于生长 利用铸造技术制备多晶硅主要有两种 一种是浇铸法 另 一种是直接熔融定向凝固法 简称直熔法 铸造多晶硅中 含有高溶度的氧 碳和过渡金属杂质 氧 和碳是主要杂质元素 铸造多晶硅中氧的主要来源有两个方面 一是来自于原材 料 二是来自于铸造多晶硅的生长过程 晶界对晶体硅电学性能的影响主要由 晶界势垒和晶面态 两方面 位错是铸造多晶硅中一种重要的结构缺点 带状硅材料按照其生长方式可分两大类 一类是垂直提拉 生长 另一类是水平横向生长 对于带状硅材料而言 无论是垂直生长还是水平生长 在 晶体生长时面临着三个基本的问题 即边缘稳定性问题 应力控制论题和产率问题 液相外延是一种重要的制备多晶硅薄的技术 与非晶硅薄膜相比 氢是多晶硅薄膜的主要杂质 晶片切好后必须进行测试 其考核切片是否合格的参数有 晶片的晶向 晶片的总厚度偏差 ttv 翘曲度 弯曲度 酸性腐蚀是一种等方向性腐蚀 即各结晶片受到均匀的腐 蚀 边沿抛光的形状有圆形和梯形 影响抛光质量的几个因素 抛光垫 抛液 压力 转盘的 旋转速度 温度 湿式化学清洗目前有 3 种不同的方式 侵论式 喷洗式和 密闭容器式 10简述区熔工艺 1 原料的具备 将高质量的多晶硅棒料的表面打磨光滑 然 后将一端切磨成锥形 再将打磨好的硅料进行腐蚀清洗 除去加工时的表面污染 2 装炉将腐蚀清洗后的硅棒料安装在射频线圈的上面 将准 备好的粒晶装在射频线圈的下面 3 关上炉门 用真空泵排除空气后 自炉内充入惰性气体 使炉内压力略高于大气压力 4 给射频圈送上高频电力加热 使硅棒低端开始熔化 将棒 料下降与粒晶熔接 当溶液与粒晶充分熔接后 使射频线 圈和棒料快速上升 以拉出一细长的晶须 消除位错 晶 须拉完后 慢慢地让单晶直径增大到目标大小 以阶段称 为放肩 放肩完成后 便转入等经生长 直到结束 11区熔工艺有什么影响因素 1 在各种不同生长状况下熔区内热对流的情况 2 表面张力的影响 3 电磁托力 4 重力作用 5 离心力的影响 离心力是晶体旋转产生的 主要影响固液 面的熔体 12简述直拉工艺 1 温度梯度与单晶生长 2 工序中的步骤 原料的装备 装炉 抽空 加热 熔化 晶须生长 放肩 等径生长 收尾 冷却 空隙的发生与晶体生长速率 溶液的 性及晶体的转速 等因素有关 析出物 析出物发生的步骤包括成核 成长 成核必须借助其他缺陷而产生的称为异质成核 而成核是 随机性均匀发生的称为同质成核 对于 N 型半导体 电子是多数载流子 溶度高 而 P 型半 导体电子是少数载流子 溶度低 缺陷那级 空位呈受主 自间隙原子呈施主 位错易集聚 杂质 从而引入能级 面缺陷引人深能级 13直拉工艺中有哪些杂质 直拉工艺中的杂质主要杂质有磷 硼 碳 氧和铁 铜镍 等一些金属杂质 25铸造多晶硅有什么特征 优点 材料的利用率高 能耗低 制备成本低 晶体生长 简便 易于大尺寸生长 缺点 含有晶界 高密度的位错 微缺陷和相对较高的杂 质溶度 其晶体的质量明显低于硅单晶 从而降低了太阳 能电池的光电转换效率 14简述铸造多晶硅的基本制备方法 1 浇铸法 即在一个坩埚内将硅料熔化 然后将熔硅注入另 一个经过预热的坩埚内冷却 通过控制冷却速度 采用定 向凝固技术制备大晶粒的铸造多晶硅 2 直接熔融定向凝固法 简称直熔法 即在坩埚内直接将多 晶硅熔化 然后通过坩埚底部的热交换等方式 使熔体冷 却 采用定向凝固技术制造多晶硅 所以 也有人称这种 方法为热交换法 简称 HEM 15铸造多晶硅中晶界和位错对材料性能影响 有那些 晶界的缺陷使深能级的级能 是少数载流子的强复合中心 会导致材料性能的降低 一般而言 晶粒越小 晶界的总 面积就越大 对材料的性能影响也越大 位错密度越高 少数载流子的俘获密度越高 材料的电学 性能越差 16热平衡下电子溶度和空穴溶度相乘的结果 是什么 有什么意义 结果是本征半导体载流子溶度 意义 可以看出 载流子 溶度的乘积仅与溶度有关 而与费米能级和其他因素无关 即对于某种半导体材料而言 某禁带宽度 eg 是一定的 在 一定的温度下 热平衡的载流子溶度的乘积是一定的 与 半导体的杂质类型和参杂溶度无关 17半导体器件为什么都工作在非本征区 半导体载流子溶度随着温度变化出三个明显的区域 杂质 电离区 非本征区和本征区 在杂质电离区和本征区温度 变化时 载流子溶度变化剧烈 半导体性质也随之变化 而在非本征区温度变化时 载流子溶度变化很小 半导体 性质也稳定 为了准确控制半导体的载流子溶度和电学性 能 半导体包括太阳电池都工作在本征激发载流子溶度较 低的非本征区 18什么时杂质的补偿 在同时含有施主杂质的半导体中 由于受主能级比施主能 级低得多 施主能级上的电子首先要去填充受主能级 使 施主向导带提供电子的能级和受主向价带提供空穴的能力 因相互抵消而减弱的现象 19什么是非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下载流子的溶度使 恒定的 用分数表示 处于热平衡状态的电子溶度和空穴 溶度 满足质量作用定律 若对外力作用下 能带中的载 流子数目发生明显的改变 这时两者多出一部分 这平衡 态多出来的部分载流子称过量载流子即非平衡载流子 20P N 结的有哪几种制备方法 1 合金法 在一种半导体晶体晶体上放置金属或半导体元素 通过加温等工艺形成 P N 结 2 扩散法 在 N 型或 P 型半导体材料中 利用扩散工艺掺 入相反型号的杂质 在局部区域形成与基体材料相反型号 的半导体 从而构成 P N 结 3 离子注入法 将 N 型或 P 型掺杂剂的离子束在静电场中 加速 注入 P 型或 N 型半导体表面区域 在表面形成与基 体型号相反的半导体 从而形成 P N 结 4 薄膜生长法 在 N 型或 P 型半导体材料表面 通过气相 液相等外延技术 生长层具有相反导电类型的半导体薄膜 在两者的界面形成 P N 结 21 什么是 P N 结的整流特性 p n 结具有许多重要的基本特征 包括电流电压特性 电容 效应 雪崩效应 开关效应 光伏效应 其中电流电压特 性又称整流特性 22 制作欧姆接触有什么办法 所谓的欧姆接触就是指没有整流作用的接触 制备方法有 1 低势垒接触 就是选择适当的金属使其功函数和相应半导 体的功函数之差很小 导致金属与半导体接触形成的低势 垒极低 则在室温下就有足够的载流子可以从半导体进入 金属或进入半导体 2 高复合接触 在金属与半导体接触面附近用一种方法引入 大量的复合中心 3 高掺杂接触 在半导体表面与金属电极接触处 如果先用 扩散或合金法 掺入高溶度的施主或受主杂质 构成金属 结构 23冶金级硅的冶炼原理是什么 在电弧炉中利用含量较高的石英砂与焦炭或木炭 在 2000 左右条件下发生反应生成硅 这种硅杂质含量高 纯度一 般为 0 95 0 99 杂质 fe al 最多 24太阳能电池的基本原理 半导体吸收光能后在 pn 结上产生光伏电动势的效应称 pn 结的光生伏打效应 包括三个物理过程 1 半导体材料吸收 光能产生非平衡的电子 空穴对 2 产生的非平衡电子和空 穴从产生处以扩散或漂移的方式向势场运动 这种势场除 pn 结的空间电荷外 也可以是金属 半导体的肖特基势垒 3 进入势场区的非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反运 动方向而分离 于是在 p 侧积累空穴 在 n 侧积累了电子 建立起电势差 25五复合中心的作用机理 通过复合中心的复合是一种间接复合过程 这种复合过程 是决定 Si Ge 等间接能带结构半导体中少数载流子寿命的 基本过程 而复合中心杂质往往都是一些原子半径较小的 金属元素 很容易进入半导体中去 故为了保证少数载流 子具有足够长的寿命 就应该在制作器件的工艺过程中特 别注意清洁度 以确保不让复合中心杂质造成污染 半导体表面本身就是一种大缺陷 故半导体器件和集成电 路在制作好之后 需要对器表面进行很好的保护处理 以 减弱表面复合中心的影响 这实际上也就是所谓表面钝化 技术的主要目的之一 复合中心所引起的间接复合过 程 通常要比导带与价带之间的直接复合过程慢得多 这 是由于复合过程既需要满足能量守恒 也需要满足动量守 恒的缘故 对于直接能带半导体 如 GaAs 其少数载流 子寿命主要决定于直接复合过程 所以这种半导体的少数 载流子寿命本来就很短 而 Si Ge 等中少数载流子的直接 复合寿命较长 则寿命主要决定于间接复合过程 故与复 合中心浓度的关系很大 3 复合中心与另外两类 重要的杂质 缺陷中心的区别 1 陷阱中心 这 也是一种深能级的杂质或缺陷 陷阱中心的特点就是俘获 一种载流子的作用特别强 而俘获另一种载流子的作用特 别弱 则陷阱中心具有存储一种载流子的作用 例如电子 陷阱就起着存储电子的作用 空穴陷阱就起着存储空穴的 作用 一般 陷阱中心的能级深度要比复合中心能级的浅 2 浅能级中心 这是一种浅能级杂质 施主和受 主杂质中心即属于此 这一类中心的能级都很浅 很靠近 导带底或者价带顶 它们主要起着提供载流子的作用 半导体中的各种杂质和缺陷中心 不仅分别起着其不同的 特殊作用 而且都将起着散射中心 影响到载流子迁移率 的作用 26 本征半导体的载流子溶度只是温度的函数 掺杂半导体 的载流子溶度 在非本征区 与掺杂溶度有关 半导体材 料一般应用于非本征区 当半导体受到光注入 电注入等外界干扰时 半导体内部 的载流子浓度会偏离热平衡状态下的载流子浓度 多出来 的那部分载流子称为非平衡载流子 或称为过剩载流子 载流子复合时 发出光子 产生发光现象 称为辐射复合 或发光复合 载流子复合时 发出声子 将能量传递给晶格 产生热量 称为非辐射复合 载流子复合时 将能量传递给其他载流子 增加他们的能 量 称为俄歇复合 27 型半导体和 p 型半导体接触时 由于载流子的扩散和漂 移 在接触的界面处留下不能移动的正电中心和负电中心 正电中心和负电中心携带的电荷所组成的区域称为空间电 荷区 在达到热平衡时 空间电荷区宽度一定 空间电荷 量一定 28 太阳能电池的基本原理 当光照在 p n 结上 那些能量 大于禁带宽度的光子被吸收后 产生电子 空穴对 即产生 非平衡载流子 在 p n 结内建电场的作用下 空穴向 p 型区 漂移 电子向 n 型区漂移 形成光生电动势或光生电场 从而降低了内建电场的势垒 相当于在 p 型上加了正向电 压 在 n 型上加了负向电压 在外电路未接通时 光生载 流子只形成电动势 外电路接通后 外电路就会产生由 p 型流向 n 型的电流和功率 29 固体的功函数 使固体中位于费米能级处的一个电子移到 体外自由空穴所需要的功 具有整流特性的金属和半导体接触称为肖特基接触 肖特基缺陷 当晶格原子扩散到晶体最外层时这使得晶格 中仅残留的空位没有自间隙原子 30 金属和半导体接触时 不产生明显的附加阻抗 不会显 著改变半导体内部的平衡载流子浓度 且具有线性和对称 性的电流 电压关系 这样的接触称为欧姆接触 波函数 描述一个体系的量子态 为了定量地描述微观粒子的状态 量子力学中引入了波函 数 并用 表示 一般来讲 波函数是空间和时间的函数 并且是复函数 31 三陆氢硅氢还原法 西门子法 原料的制备 制三陆 氢硅 提纯 sihcl3 sihcl3 的氢还原 还原尾气的回收和利 用 应力控制是指在一定的生长速度下 带硅必须在固液面保 持一定的冷却温度梯度 这是因为带硅的冷却速度都很高 这就导致带硅中产生和残留较大的应力 最终导致带硅中 产生大量的缺陷 甚至产生带硅的弯曲和断裂 因此 对 于所有的带硅生长技术来说 应力控制是非常重要的 32 利用铸造技术制备多晶硅两种工艺 浇铸法 即在一个坩 埚内将硅料溶化 然后将熔硅注入另一个经过预热的坩埚 内冷却 通过控制冷却速度 采用定向凝固技术制备大晶 粒的铸造多晶硅 直熔法 即在坩埚内直接将多晶硅溶化 然后通过坩埚底部的热交换等方式 使熔体冷却 采用定 向凝固技术制造多晶硅 33金属杂质被吸除的步骤 1 原金属沉淀的溶解 2 金属原子的扩散 扩散到吸杂位置 3 金属杂质在吸杂点的 重新沉淀 吸杂机理 1 松弛机理 2 分凝机理 34区熔法单晶生长 如果需要生长及高纯度的硅单晶 其技术选择是悬浮 区熔提炼 该项技术一般不用于 GaAs 区熔法可以得到低 至 1011cm 1 的载流子浓度 区熔生长技术的基本特点是样 品的熔化部分是完全由固体部分支撑的 不需要坩埚 柱 状的高纯多晶材料固定于卡盘 一个金属线圈沿多晶长度 方向缓慢移动并通过柱状多晶 在金属线圈中通过高功率 的射频电流 射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡 流 产生焦耳热 通过调整线圈功率 可以使得多晶柱紧 邻线圈的部分熔化 线圈移过后 熔料在结晶为为单晶 另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束 整个区 熔生长装置可置于真空系统中 或者有保护气氛的封闭腔 室内 35直拉法 Czochralski法 单晶生长 半导体圆片是从大块晶体上切割下来的 绝大多数晶 体的主流生产技术是直拉生长法 Czochralski 法 这项工 艺最早是由 Teal 在 20 世纪 50 年代初开发使用的 而在此 之前 早在 1918 年 Czochralski 采用过类似的方法 用它 从熔融金属中拉制细灯丝 硅是一个单组分系统 从他开 始研究晶体的生长是最容易的 36杂质分凝 由两种或两种以上元素构成的固溶体 在高温熔化 后 随着温度的降低将重新结晶 形成固溶体 杂质在固体和熔体中的浓度是不同的 在结晶的 过程中会发生偏析 称为分凝现象 实际晶体生长时 不可能达到平衡状态 也就是说固体不 可能以无限缓慢的速度从熔体中结晶 因此 熔体中的杂 质不是均匀分布的 例如 杂质在熔体中扩散的速度小于 晶体结晶的速度的话 则在固液界面熔体一侧会出现杂质 的堆积 形成一层杂质富集层 此时固液界面处固体一侧 杂质浓度和液体中杂质浓度的比值 称为有效分凝系数 氧沉淀 氧在直拉单晶硅中通常是以过饱和间隙态存在 因此 在 合适的热处理条件下 氧在硅中要析出 除了氧热施主以 外 氧析出的另一种形式是氧沉淀 在晶体生长完成后的 冷却过程和