期末复习 半导体材料知识讲解
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5
半导体材料的分类（按化学组成分类）
• 无机物半导体
– 元素半导体：（Ge, Si） – 化合物半导体
• 三、五族GaAs • 二、六族
• 有机物半导体
6
能带理论（区别三者导电性）
• 金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的 能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。
• 半导体由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光 照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中 去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相 应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子 和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导 电性能。
• 一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或 有光照时，能够得到能量而跃迁到导带的电子很 少，因此绝缘体的导电性能很差。
7
半导体结构类型
• 金刚石结构（Si/Ge):同种元素的两套面心 立方格子沿对角线平移1/4套构而成
• 闪锌矿（三、五族化合物如GaAs)：两种元 素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套 构而成
效应
12
作业
• 1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系 数？
• 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响 分凝系数的因素。
• 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。
• 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。
半导体材料
期末复习
2
考试题型
• 填空30分，每空一分 • 判断题10分，每题一分 • 名词解释20分，每题4分 • 问答题40分，6个题目 • AB卷
3
半导体材料概述
• 从电学性质上讲（主要指电阻率）
– 绝缘体1012—1022 Ω.cm – 半导体10-6—1012 Ω.cm – 良导体≤10-6Ω.cm – 正温度系数（对电导率而言） – 负温度系数（对电阻率而言） – 导体？？？？
➢ 熔区的移动速度
➢ 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， δ 变薄， 使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著
➢ 凝固速 度 f 越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著
➢ 区熔次数的选择
区熔次数的经验公式
n=(1-1.5)L/l
➢ 质量输运 通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运
• 形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀 形核形核功有何差别？
17
四、硅锗晶体中的杂质和缺陷
• 硅锗中杂质的分类 • 杂质对材料性能的影响 • 直拉法单晶中纵向电阻率均匀性的控制方法 • 位错对材料性能的影响 • 位错对器件的影响
18
五 硅外延生长
• 名词解释 同质外延,异质外延,直接外延,间接外延，正外延，
反外延，自掺杂，外掺杂 • 外延不同的分类方法以及每种分类所包括的种类 • 硅气相外延原料 • 硅气相外延分类 • 用SiCL4外延硅的原理以及影响硅外延生长的因素 • 抑制自掺杂的途径？ • 如何防止外延层的夹层？ • 硅的异质外延有哪两种 • 在SOS技术中存在着外延层的生长和腐蚀的矛盾，如何解
22
八三五族多元化合物半导体
• 什么是同质结？ 异质结？异质结的分类有 哪些？
• 什么是超晶格？势阱？势垒？量子阱？
23
• 认真复习期末复习ppt • 考试时认真审题，不要遗漏问题 • 尽量回答所有空格，问答题
24
决？ • SOI 材料的制备方法有哪些？各自是如何实现的？
19
作业
• 什么是同质外延,异质外延,直接外延,间接 外延?
• 什么是自掺杂?外掺杂?抑制自掺杂的途径有 哪些?
• 什么是SOS,SOI技术 • SOI材料的生长方法有哪些?每种方法是如何
实现的?
20
六 三五族化合物半导体
• 什么是直接跃迁型能带,什么是间接跃迁型 能带?硅锗属于什么类型,砷化镓属于什么类 型?
• 平衡分凝系数与杂质集中的关系P20图2－1 • BPS公式及各个物理量的含义；分析如何提高分
凝效果，如何变成对数形式 • 影响区熔提纯的因素 • 区熔的分类，硅和锗各采用什么方法
11
影响区熔的因素
➢ 熔区长度
➢ 一次区熔的效果，l越大越好 ➢ 极限分布时，l越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高
➢ 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。
• 砷化镓单晶的生长方法有哪几种？ • 磷化镓单晶的生长方法
21
七 三五族化合物半导体的外延生长
• MBE生长原理 • 写出下列缩写的中文全称 • CVD，PVD，VPE，SOS ，SOI ，MOCVD，MBE，
LPE，CBE，ALE ，MLE • 名词解释 • 气相外延 液相外延 • 金属有机物气相沉积 分子束外延 化学束外延 • 蒸发 溅射
13
三.晶体生长理论基础
• 晶体生长的方式 • 晶体形成的热力学条件 • 晶体生长的三个阶段 • 均匀成核，非均匀成核 • 均匀成核过程中体系自由能随晶胚半径的变化关
系分析；图3－2－－P39，各种晶胚的特点 • 硅锗单晶的生长方法 • 直拉法生长单晶的工艺步骤p63 • 结晶过程中的结晶驱动力和溶解驱动力
• 纤锌矿
8
对禁带宽度的影响
• 对于元素半导体： 同一周期，左-〉右，禁带宽度增大 同一族，原子序数的增大，禁带宽度减小
9
一.锗、硅的化学制备
• 硅锗的物理化学性质比较
• 高纯硅的制备方法 • 各种方法的具体步骤以及制备过程中材料的
提纯 • 高纯锗的制备方法及步骤
10
二、区熔提纯
• 分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正常 凝固，
14
结晶驱动力
• 结晶通常在恒温恒压下进行，相变向自由能减 小的方向进行，若体积自由能大于表面能，就 是结晶驱动力，若相反，就是熔解驱动力
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
晶体的外形
• 从能量的角度：晶体的平衡形状是总界面能最小 的形状。
16
作业
• 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、 能量及结构条件。
• 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度 的定量关系如何？
半导体材料的分类（按化学组成分类）
• 无机物半导体
– 元素半导体：（Ge, Si） – 化合物半导体
• 三、五族GaAs • 二、六族
• 有机物半导体
6
能带理论（区别三者导电性）
• 金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的 能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。
• 半导体由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光 照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中 去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相 应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子 和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导 电性能。
• 一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或 有光照时，能够得到能量而跃迁到导带的电子很 少，因此绝缘体的导电性能很差。
7
半导体结构类型
• 金刚石结构（Si/Ge):同种元素的两套面心 立方格子沿对角线平移1/4套构而成
• 闪锌矿（三、五族化合物如GaAs)：两种元 素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套 构而成
效应
12
作业
• 1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系 数？
• 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响 分凝系数的因素。
• 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。
• 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。
半导体材料
期末复习
2
考试题型
• 填空30分，每空一分 • 判断题10分，每题一分 • 名词解释20分，每题4分 • 问答题40分，6个题目 • AB卷
3
半导体材料概述
• 从电学性质上讲（主要指电阻率）
– 绝缘体1012—1022 Ω.cm – 半导体10-6—1012 Ω.cm – 良导体≤10-6Ω.cm – 正温度系数（对电导率而言） – 负温度系数（对电阻率而言） – 导体？？？？
➢ 熔区的移动速度
➢ 电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速， δ 变薄， 使keff与Ko接近，分凝的效果也越显著
➢ 凝固速 度 f 越慢，keff与Ko接近，分凝的效果也越显著
➢ 区熔次数的选择
区熔次数的经验公式
n=(1-1.5)L/l
➢ 质量输运 通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运
• 形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀 形核形核功有何差别？
17
四、硅锗晶体中的杂质和缺陷
• 硅锗中杂质的分类 • 杂质对材料性能的影响 • 直拉法单晶中纵向电阻率均匀性的控制方法 • 位错对材料性能的影响 • 位错对器件的影响
18
五 硅外延生长
• 名词解释 同质外延,异质外延,直接外延,间接外延，正外延，
反外延，自掺杂，外掺杂 • 外延不同的分类方法以及每种分类所包括的种类 • 硅气相外延原料 • 硅气相外延分类 • 用SiCL4外延硅的原理以及影响硅外延生长的因素 • 抑制自掺杂的途径？ • 如何防止外延层的夹层？ • 硅的异质外延有哪两种 • 在SOS技术中存在着外延层的生长和腐蚀的矛盾，如何解
22
八三五族多元化合物半导体
• 什么是同质结？ 异质结？异质结的分类有 哪些？
• 什么是超晶格？势阱？势垒？量子阱？
23
• 认真复习期末复习ppt • 考试时认真审题，不要遗漏问题 • 尽量回答所有空格，问答题
24
决？ • SOI 材料的制备方法有哪些？各自是如何实现的？
19
作业
• 什么是同质外延,异质外延,直接外延,间接 外延?
• 什么是自掺杂?外掺杂?抑制自掺杂的途径有 哪些?
• 什么是SOS,SOI技术 • SOI材料的生长方法有哪些?每种方法是如何
实现的?
20
六 三五族化合物半导体
• 什么是直接跃迁型能带,什么是间接跃迁型 能带?硅锗属于什么类型,砷化镓属于什么类 型?
• 平衡分凝系数与杂质集中的关系P20图2－1 • BPS公式及各个物理量的含义；分析如何提高分
凝效果，如何变成对数形式 • 影响区熔提纯的因素 • 区熔的分类，硅和锗各采用什么方法
11
影响区熔的因素
➢ 熔区长度
➢ 一次区熔的效果，l越大越好 ➢ 极限分布时，l越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高
➢ 应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。
• 砷化镓单晶的生长方法有哪几种？ • 磷化镓单晶的生长方法
21
七 三五族化合物半导体的外延生长
• MBE生长原理 • 写出下列缩写的中文全称 • CVD，PVD，VPE，SOS ，SOI ，MOCVD，MBE，
LPE，CBE，ALE ，MLE • 名词解释 • 气相外延 液相外延 • 金属有机物气相沉积 分子束外延 化学束外延 • 蒸发 溅射
13
三.晶体生长理论基础
• 晶体生长的方式 • 晶体形成的热力学条件 • 晶体生长的三个阶段 • 均匀成核，非均匀成核 • 均匀成核过程中体系自由能随晶胚半径的变化关
系分析；图3－2－－P39，各种晶胚的特点 • 硅锗单晶的生长方法 • 直拉法生长单晶的工艺步骤p63 • 结晶过程中的结晶驱动力和溶解驱动力
• 纤锌矿
8
对禁带宽度的影响
• 对于元素半导体： 同一周期，左-〉右，禁带宽度增大 同一族，原子序数的增大，禁带宽度减小
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一.锗、硅的化学制备
• 硅锗的物理化学性质比较
• 高纯硅的制备方法 • 各种方法的具体步骤以及制备过程中材料的
提纯 • 高纯锗的制备方法及步骤
10
二、区熔提纯
• 分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正常 凝固，
14
结晶驱动力
• 结晶通常在恒温恒压下进行，相变向自由能减 小的方向进行，若体积自由能大于表面能，就 是结晶驱动力，若相反，就是熔解驱动力
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
晶体的外形
• 从能量的角度：晶体的平衡形状是总界面能最小 的形状。
16
作业
• 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、 能量及结构条件。
• 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度 的定量关系如何？