多晶硅

1. 半导体材料的概念:
在绝对零度时无任何导电能力，但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等外部条
件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感的一类材料
2. 半导体材料的五大特性：
负电阻温度系数、光电导效应、光生伏特效应、整流效应、霍尔效应
3光生电动势原理
PN 结接受均匀光照时，能量h ω≥Eg 的光子将在
其中均匀的产生电子-空穴对。

在PN 结空间电荷区
及其附近的那些电子-空穴对将迅即被pn 结内建电场分开，并分别扫向
n 区和p 区。

如果该PN 结处于开路状态，
则上述过程将逐渐使n 区富余电子处于低电位；
使p 区富余空穴处于高电位。

如此累积起来的电位差就产生了电动势，
这就是光生电动势
4什么是直接带隙半导体？什么是间接带隙半导体？所对应的电子跃迁形式是什么？各跃
迁形式又有什么特点？试分别画出Si 、GaAs 的能带结构？并指出它们各属于什么型禁带半
导体？
直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体，
价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁，价带的极大值和导带的极小值都位于
k 空间的同一点上。

间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体，
价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁，
价带的极大值和导带的极小值位于k 空间的不同点上。

5 电子迁移率：表示单位场强下电子的平均漂移速度，
它是表示半导体电子迁移能力的重要参数。

6 什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，
并用能带图表征出n 型半导体。

融入晶格后必须释放其富余价电子才能适应主体晶格共价环境的杂质叫施主。

施主电离：失
主杂质获得比禁带宽度小得多的能量，将富余的价电子激发到导带而使自身电离为正离子的
过程。

例如P ；P 是第V 族元素，每一个P 原子具有
5个价电子；P 替位式掺入Si 中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子；
相当于形成了一个正电中心P ＋和一个多余的价电子
EV －－ 价带能级
EC －－ 导带能级 ED －－ 施主能级
Eg －－ 带隙宽度
E C
E D
7少子寿命：在均匀半导体中,少数载流子产生与复合之间的平均时间间隔,也就是非平衡少
数载流子平均存在的时间
8 漂移运动和扩散运动有什么不同？
漂移运动是指在加上外电场的作用下载流子的定向运动。

外电场是运动的动力，漂移运动使
空间电荷区变薄。

扩散运动是指半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的移动。

浓度差是运动的动力，扩散的结果是空间电荷区变宽。

9何谓迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？ 单位电场下的平均漂移速度，即迁移率为 ①晶格振动的散射②电离杂质的散射③电场对迁移率的影响
10 什么是欧姆接触？
欧姆接触:定义为这样一种接触，它在所使用的结构上不会添加较大的寄生阻抗，
且 不足以改变半导体内的平衡载流子浓度使器件特性受到影响。

11分析p 型半导体形成阻挡层和反阻挡层的条件。

试画出p 型半导体分别形成阻挡层和反
阻挡层的能带图。

当W M <W S 时，半导体表层因空穴耗尽而形成由电离受主构成的负空间电荷区，产生方向自金
属指向半导体的自建电场，能带向下弯曲形成空穴势垒，阻挡空穴从半导体向金属转移，
即形成p 型阻挡层；而当W M >W S 时，半导体表层能带向上弯曲，形成由空穴累积而成的高密度
正电荷区，也即p 型反阻挡层。

12 本征吸收概念
价带电子吸收能量大于或等于其禁带宽度的光子穿越禁带进入导带，形成一对额外电子
-空穴的带与带之间的跃迁过程称为本征吸收。

13 硅是什么晶体结构？这种晶体结构的定义是什么？
硅是金刚石晶体结构，由同一种元素的原子按正四面体结构构成的立方点阵为金刚石结构
14 闪锌矿结构的定义：由两种元素的原子按正四面体结构构成的立方系晶体点阵称为闪锌
矿结构
15. 二氧化硅层在半导体器件中起着重要作用：1. 对杂质扩散起掩蔽作用；2. 对器件的表
面保护和钝化作用 3. 用于器件的绝缘隔离层4. 用作MOS 器件的绝缘栅材料等
16 负微分迁移率效应：强电场下电子从高迁移率能谷向低迁移率能谷转移，引起电子漂移
速度随电场的升高而下降的负微分迁移率效应
17 简述GaAs 的光学、化学、电学性质及应用？
光学性质：直接带隙结构；发光效率比其它半导体材料要高得多，可以制备发光二极管，光
电器件和半导体激光器等。

化学性质：GaAs 室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于
王水；室温下，GaAs 在水蒸气和氧气中稳定；加热到6000C 开始氧化，加热到800
0C 以上开始离解。

电学性质：电子迁移率高达 8000cm 2/V •S ；GaAs 中电子有效质量为自由电子的
1/15，是硅电子的1/3；用GaAs 制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍；高频器件，军事上应用
应用：GaAs 在无线通讯方面具有众多优势；GaAs 是功率放大器的主流技术
18 非晶态材料的结构特性：长程无序，短程有序
19 晶体半导体与非晶半导体光学性质的区别
晶体半导体：直接跃迁和间接跃迁；满足能量守恒和动量守恒；间接跃迁时需要声子的参与
非晶半导体：电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别；电子跃迁时不再遵守
动量守恒的选择定则；非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波矢
20 自补偿效应：伴随掺杂而产生与掺入杂质互为补偿的电活性缺陷（空位），从而使掺杂无
效的效应
21 少子寿命控制途径？
1.掌握材料原本具有的少数载流子寿命在材料或器件加工过程中被改变的规律
2.人为改变复合中心的性质和空间分布，使载流子寿命降低到需要的大小
22 杂质扩散机制：间隙式扩散：间隙式杂质从一个间隙位置到相邻间隙位置的运动；替位
m
q u τ=
式扩散：替位杂质从所占晶格位置到相邻晶格空位的运动
23离子注入：使待掺杂原子（分子）电离，加速到一定能量并注入到晶体中，经退火激活
杂质，达到掺杂目的。

24什么是热退火，其作用是什么？
热退火即在一定温度下进行热处理。

热退火作用： ① 消除损伤 ② 激活杂质
25简述pn 结二极管主要的工艺流程
1.氧化：热生长一层氧化层做为扩散的掩蔽膜2光刻#1：在氧化层上刻蚀出扩散窗口，这个
窗口最终也将成为pn 结二极管的位置； 3磷扩散 ：磷的预淀积和磷的再分布，在未被氧
化层保护的区域形成了n-p 结；4镀金属（溅射铝）在整个硅片表面上形成很薄金属膜
5光刻#2：去除扩散结区域之外的多余的金属薄膜。

26分别定性地画出正向偏置、反向偏置时pn 结能带图，并与平衡时
pn 结能带图进行比较
正向偏置
反向偏置 1正偏置时pn 结能带图比平衡时空间电荷区窄，势垒高度低。

2反偏置时pn 结能带图比平衡时空间电荷区宽，势垒高度高。

27对于固液界面，解释光滑界面和粗糙界面的概念。

其晶体长大的机理如何？说明温度梯度对于晶体长大方式的影响。

光滑界面：界面为一个原子厚的过渡层，与液相截然分开，界面上各处晶体学表面取向不同，从宏观上看界面是曲折，锯齿形小平面。

粗糙界面：界面上有一半位置为原子占据，一半为空位，界面有几个原子厚的过渡层组成，这种微观上粗糙的界面在宏观上是平直的。

粗糙界面上大约有50%的原子空位，这些位置都可接受原子，故液体的原子可以单个进入空位，与晶体相连接，晶体以连续生长的方式长大。

光滑界面晶体的长大，不是单个原子的附着，而是均匀形核的方式，在晶体小平面上以一个原子层厚的二维晶核长大，若晶体的光滑界面存在有螺位错的露头，则该界面成为螺旋面，原子附着到台阶上以螺旋长大方式长大
正温度梯度，微观粗糙界面以连续生长方式长大，需要小的过冷度。

微观光滑界面按二维晶核方式长大，需要过冷度较大
负温度梯度下，微观粗糙界面以树枝状方式生长。

微观光滑界面也有树枝状长大的倾向，但往往不甚明显。

28何谓平衡分凝系数和有效分凝系数？
根据两相平衡时固相杂质浓度和液相杂质浓度定义的分凝系数叫做平衡分凝系数
实际熔体中的杂质分布在冷凝过程中并不均匀，固
-液界面附近的液相杂质浓度并不等于相图上的平衡浓度。

于是，工程实际中只能利用扩散区外熔体的杂质浓度来定义分凝系数，称为有效分凝系数。

29简述区域提纯的原理，区域提纯重复次数越高，提纯效果就越好吗？
原理：
P N Ε
内
D
P N
Ε内
对于长度有限的晶体，由于k<<1的杂质在第一次区熔提纯后已经形成了前低后高的浓度梯度，以后每次提纯时，杂质会通过溶化的界面向熔区倒流而提高熔区的平均杂质浓度。

所以，就同一位置的熔区而言，后续每次的平均杂质浓度都会较前一次有所提高。

若重复区熔数次之后，任意位置上熔区的平均杂质浓
的程度，则此时的提纯效果为零，因为
1
()
n n n
S L S
C kC x C-
==
，所
以，重复区熔有一个极限次数n，超过n此后就不再有提纯效果。

30单晶半导体材料制备技术主要有哪三类？画出制备装置原理简图，简述其制备原理和优缺点。

1.布里奇曼Bridgman法
2. 直拉生长Czochralski法
3.区熔生长布里奇曼法的主要缺点是熔体
需要盛在石英舟或其他用高温稳定材料制成的容器内。

这除了导致舟壁对生长材料的严重站污之外，舟材料与
生长材料在热膨胀系数上的差异还会使晶锭存在很严
重的生长应力，从而使原子排列严重偏离理想状态，产
生高密度的晶格缺陷。

3.区熔生长的原理：因为硅密度低(2.42g/cm3)、表面
张力大(720达因/厘米)，加上高频电场产生的悬浮力的
作用支撑着熔融硅，使之与硅棒牢牢地粘附在一起。

然
后，把一根经过定向的籽晶使其绕垂直轴旋转并从下面
插入熔体中，象直拉工艺所采用的方法一样，慢慢向下
抽拉籽晶，于是单晶就生长出来了。

31区熔硅单晶的掺杂方法有哪些？(1) 填装法：这种方法较适用于分凝系数较小的杂质，如Ga (分凝系数为0.008)、In (分凝系数为0.0004)等。

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。

(2)气相掺杂法：这种掺杂方法是将易挥发的PH3 (N型)或B2H6(P型)气体直接吹入熔区内。

这是目前最普遍使用的掺杂方法之一，所使用的掺杂气体必须用氧气稀释喷嘴后，再吹入熔区(3)中子嬗变掺杂(NTD)
32直拉单晶硅的基本设备有哪些？cz法的基本设备有:炉体、晶体及坩埚的升降和传动部分、电器控制部分和气体控制部分，此外还有热场的配置热场包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器、保温层等
33单晶硅籽晶常用的有哪些晶向？生长的单晶具有怎样的棱线？
目前用得最多的有 [111]和[100]晶向。

用 [11l]晶向籽晶生长的单晶它具有三条对称的棱线，互成
120 °分布;用 [100]晶向的籽晶，它具有四条互成90 °分布的对称棱线。

34画出直拉单晶硅工艺流程图，简述其生产过程。

35直拉法中熔体的对流方式有哪些？热源引起的自然对流，表面张力引起的对流，晶体生长引起的对流，晶体转动引起的对流，坩埚转动引起的对流。

36实现多晶硅定向凝固生长的四种方法是哪些？各有何特点？
实现多晶硅定向凝固生长的四种方法：
布里曼法：坩埚和热源在凝固开始时作相对位移，分液相区和凝固区，液相区和凝固区用隔热板隔开。

液固界面交界处的温度梯度必须>0，即dT/dx>0，温度梯度接近于常数。

热交换法：坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无相对位移。

一般在坩埚底部置一热开关，熔化时热开关关闭，起隔热作用；凝固开始时热开关打开，以增强坩埚底部散热强度。

长晶速度受坩埚底部散热强度控制，如用水冷，则受冷却水流量（及进出水温差）所控制。

电磁铸锭法：综合了冷坩埚感应熔炼与连续铸造原理，集两者优点与一体，电磁感应加热连续铸造过程中，颗粒硅料经加料器以一定的速度连续进入坩埚熔体中，通过熔体预热及线圈感应加热熔化，随下部硅锭一起向下抽拉凝固，从而实现过程的连续操作。

由于硅在低温下电阻不满足感应加热的条件，所以起初坩埚底部加以石墨底托进行预热启熔。

感应熔炼过程中，熔体与坩埚无接触或软接触，有效避免了坩埚对熔体的污染，冷坩埚寿命长，可重复利用，有利于成本的降低;由于电磁力的搅拌作用及连续铸造，铸锭性能稳定、均匀，避免了常规浇注法过程中因杂质分凝导致的铸锭头尾质量较差、需切除的现象，材料利用率高;连续铸造有利于生产效率的提高，己达30 kg/ h左右
浇铸法：浇注法工艺成熟、设备简单、易于操作控制，目能实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却都分别位于不同的地方，有利于生产效率的提高和能耗的降低;然而，其熔炼与结晶成形在不同的坩埚中进行，容易造成熔体一次污染，同时受熔炼坩埚及翻转机械的限制，炉产量较小，目前所生产多晶硅通常为等轴状，由于晶界、亚晶界的不利影响，电池转换效率较低。

37画出热交换法铸造多晶硅的硅片加工的流程图。

简述其生产过程。

其生产对坩埚有何要求？坩埚制造过程如何？多晶硅片加工的具体流程如下:装料-熔化-定向生长-冷却凝固-Si锭出炉-破锭-多线切割-Si 片清洗-包装。

生产过程：1.装料:将清洗后的或免洗的Si料装入喷有氮化硅的涂层的石英坩埚内，整体放置在定向凝固块上，下炉罩上升与上炉罩合拢，抽真空，并通入氩气作为保护气体，炉内压力大致保持在4～6×104Pa左右;2.加热:利用均布于四周的石墨加热器按设定的速率缓慢加热，去除炉内设施及Si料表面吸附的湿气等;3.熔化:增大加热功率，使炉内温度达到1540℃左右的Si料熔化温度并保持至Si料完全熔化;4.长晶:Si料熔化结束后，适当减小加热功率，工作区温度降至1430℃左右的Si熔点温度，缓慢提升隔热笼，使石英坩埚底部的定向凝固块慢慢露出加热区，形成垂直方向的大于0℃的温度梯度，坩埚中Si的温度自底部开始降低并形成固液界而，多晶开始在底部形成，随着隔热笼的提升，水平的固液界而也逐渐上升，多晶硅呈柱状向上生长，生长过程中需要尽量保持水平方向的零温度梯度，直至晶体生长完成，该过程视装料的多少而定，约需要20～30h ;
5.退火:长晶完成后，由于坩埚中Si料的上部和下部存在较大的温差，这时的多晶硅锭会存在定的热应力，容易在后道剖锭、切片和电池制造过程中碎裂，囚此，长晶后应保温在Si熔点附近段时间以使整个晶锭的温度逐渐均匀，减少或消除热应力;
6.冷却:退火后，加热器停止加热并通入大流量氩气，使炉内温度逐渐降低，气压逐渐回升直至达到大气压及容许的出锭温度;
7.出锭:降低下炉罩，露出固定其上的坩埚，用专用的装卸料叉车将坩埚叉出;
8.破锭:利用剖锭机将多晶硅锭上易吸收杂质的上下表而及周边切除，按所需Si片尺寸(如125×125mm
规格或156×156mm规格)切割成均匀的方形Si柱;
9.切片:用多线切割机将方形Si柱切割成厚度为220mm左右的多晶硅片;
10.清洗、包装:清洗切好的Si片以去除切削液及表而的其他残余物，烘干后包装待用，工艺结束。

生产对坩埚的要求：在石英坩埚内壁表面进行氮化硅喷涂，防止在铸锭时硅液与坩埚壁直接接触发生粘连。

坩埚制造过程：检查坩埚→坩埚预热→配制氮化硅粉→加热纯水→搅拌氮化硅液体→喷涂作业→检查坩埚涂层→摆放坩埚→检查程序→启动烧结
38多晶硅铸锭炉设备组成有哪些？
抽真空系统加，热系统测温系统，保温层升降系统，压力控制系统，其它辅助系统。