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硅材料(考试)

第一章

1.原子密度:

2.硅在300K 时的晶格常数a 为5.43?。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数

及常温下的硅原子密度。

解: 每个晶胞中有8个原子,晶胞体积为a3,每个原子所占的空间体积为a3/8, 因此每立方厘米体积中的硅原子数为:

8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022(个原子/cm3)

密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数

=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3

2.晶体内部的空隙: 假使硅晶胞中的原子像圆球一样处在一体心立方晶格中,

并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触,试计算出这些圆球占此体心立方晶胞的空间比率。 圆

球半径定义为晶体中最小原子间距的一半,即 。

3.体心立方堆积:

假使将圆球放入一体心立方晶格中,并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密

接触,试计算出这些圆球占此体心立方单胞的空间比率。

解:每单胞中的圆球(原子)数为=(1/8)×8(角落)+1(中心)=2;相邻两原子距离[沿

图中立方体的对角线]=;每个圆球半径=;每个圆球体积= ;单胞中所能填的最

大空间比率=圆球数×每个圆球体积/每个单胞总体积=因此整个体心立方单胞有

68%为圆球所占据,32%的体积是空的。

4.硅的基本性质:

属于元素周期表第三周期IV4族,原子序数14,原子量28.085 。有无定形硅和

晶体两种同素异形体。硅原子的电子排布为1s22s22p63s23p2, 原子价主要为 4

价,其次为2价,因而硅的化合物有二价化合物和四价化合物两种,四价化合物

比较稳定。熔点1420℃

5.所谓硅的化学提纯是:

1.将硅用化学方法转化为中间化合物,

2.再将中间化合物提纯至所需的纯度,

3.然后再还原成高纯硅。

6.固体能带理论的两个近似,并简要说明之

1.绝热近似:由于原子实的质量是电子质量的103~105倍,所以原子实的运动

要比价电子的运动缓慢得多,于是可以忽略原子实的运动,把问题简化为n 个价

电子在N 个固定不动的周期排列的原子实的势场中运动,即把多体问题简化为

多电子问题。

2.单电子近似:原子实势场中的n 个电子之间存在相互作用,晶体中的任一电

子都可视为是处在原子实周期势场和其它(n -1)个电子所产生的平均势场中的

电子。即把多电子问题简化为单电子问题。

7.计算硅中(100),(110),(111)三平面上每平方厘米的原子数。

a 从(100)面上看,每个单胞侧面上有 个原子,所以,每平方厘

8/3a 21441=+?2

1441=+?

米的原子数=

22=a b 从(110)面上看,每个面上有 2+ 个原子.所以,每平方厘米中的原子数=

24a c. 从(111)面上看,每个面上有

61 个原子所以,每平方厘

米的原子数=

32 8.本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质(原子比),已知硅的原子密度为5×

1022/cm3,ni =1.5×1010/cm3求:掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化?

磷杂质的原子比为2×10-9,故

2×10-9×5×1022/cm3=1014/cm3

p =

9. 一硅晶掺入每立方厘米1016个砷原子,求室温下(300K)的载流子浓度与费米

能级。

解 在300K 时,假设杂质原子完全电离,可得到

室温时,硅的ni 为9.65×109cm-3n

从导带底端算起的费米能级为

从本征费米能级算起的费米能级为

若施主与受主两者同时存在,则由较高浓度的杂质决定半导体的传导类型。费米

能级需自行调整以保持电中性,即总负电荷(包括电子和离子化受主)必须等于总

正电荷(包括空穴和离子化施主)。在完全电离的情况下,可以得到

n N +考虑

可得到n 型半导体中平衡电子和空穴的浓度。 n

n =

2i n n n p n =其中下标符合n 表示n 型半导体。因为电子是支配载流子,所以称为多

数载流子(majority carrier )。在n 型半导体中的空穴称为少数载流子(minority

carrier )。

第二章 1.分凝现象

将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时,杂质在结晶的固体和未结晶的液体中的

浓度是不同的,这种现象称分凝现象或偏析现象

2.平衡分凝系数

固液两相达到平衡时,固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的,把它们

的比值称为平衡分凝系数,用K0表示。

K0=Cs/CL

3.有效分凝系数

为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离固相对固相中杂质浓度的影响,通常把固相

杂质浓度Cs 与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为有效分凝系数Keff Keff =Cs/ CL0

4.正常凝固固相杂质浓度CS 沿锭长的分布公式

Cs=KC0(1-g)k-1

C0:材料凝固前的杂质浓度,K,分凝系数.不同杂质的不同K 值可以通过查表得

出。

5.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。

f 远大于D/δ时, fD/δ →+∞,exp(-fD/δ ) →0,Keff → 1,即 固液中杂质浓度

差不多.分凝效果不明显。f 远小于D/

δ时, fD/δ →0,exp(-fD/δ ) →1, Keff →

硅材料(考试)

K0,分凝效果明显

6.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。

正常凝固过程:Cs=KC0(1-g)k-1 C0:材料凝固前的杂质浓度 K,分凝系数.不同

杂质的不同K 值可以通过查表得出

一次区熔过程:CS=C0[1-(1-K) e-Kx/L] C0:锭条的原始杂质浓度 X:已区熔部

分长度 K:分凝系数 L:熔区长度

7.西门子法提纯多晶硅

一是中间化合物三氯氢硅的合成;

Si+3HCl→SiHCl3+H2

放热反应,除去三氯氢硅,还有四氯化硅或二氯二氢硅等氯硅烷以及其它杂质氯化物,如三氯化硼BCl3,三氯化磷PCl3,三氯化铁FeCl3,氯化亚铜CuCl,四氯化钛TiCl3等。合成设备有固定床,也可以是沸腾床为优,可以连续生产且效率高

二是三氯氢硅的提纯;

它的提纯是硅提纯的重要环节。精馏技术应用后,化学提纯所获得的高纯硅已经可以免除物理提纯(区域提纯)的步骤直接用于拉制硅单晶,符合器件制造的要求。

三氯氢硅精馏一般分为两级,常把前一级称为粗溜,后一级称为精馏。完善的精馏技术可以将杂质总量降低到10-7-10-10量级。

三是用氢气还原三氯氢硅获得高纯多晶硅。

用氢气作为还原剂还原已被提纯到高纯度的三氯氢硅,使高纯硅沉淀在1100 oC~1200 oC的热载体上。载体常用细的高纯硅棒,通过大电流使其达到所需温度。

SiHCl3+H2→Si+3HCl

第三章

1.晶体生长方式分那几类?所需的热力学条件分别是什么?

晶体生长方式分以下三类:

(1). 固相生长

(2). 液相生长,包括溶液生长和熔体生长

(3). 气相生长

所需的热力学条件是:

(1). 气-固相变过程时,要析出晶体,

要求有一定的过饱和蒸气压。

(2). 液-固相变过程时,要析出晶体,

要求有一定的过饱和度。

(3).固-固相变过程时,要析出晶体,

要求有一定的过冷度。

2.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。

分析结晶相变时系统自由能的变化可知,

结晶的热力学条件为?G<0;

动力学条件为液—固界面前沿液体的温度T

由临界晶核形成功A=1/3σS可知,当形成一个临界晶核时,还有1/3的表面能必须由液体中的能量起伏来提供。

液体中存在的结构起伏,是结晶时产生晶核的基础。因此,结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。

3.什么叫临界晶核?它的物理意义及与过冷度的定量关系如何?

根据自由能与晶胚半径的变化关系,可以知道半径rrk

的晶胚才有可能成核;而r=rk的晶胚既可能消失,也可能稳定长大。因此,半径为r*的晶胚称为临界晶核。

其物理意义是,过冷液体中涌现出来的短程有序的原子团,当其尺寸r≥rk时,这样的原子团便可成为晶核而长大。

临界晶核半径rk,其大小与过冷度有关,则有

4.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?

在临界状态下,成核必须提供1/3的表面能,这部分能量必须由外界提供,称这部分能量为形核功.

均匀成核的形核功大于非均匀成核,非均匀成核所需要的过冷度比较小,因此成核容易.

5.固态晶核形成都有哪些方法,分别详细说明其定义。

1) 均匀形核,又称均质形核或自发形核。

2) 非均匀形核,又称异质形核或非自发形核。

(1)均匀形核:当母相中各个区域出现新相晶核的几率相同,晶核由液相中的一些原子团直接形成,不受杂质粒子或外来表面的影响,这种形核叫均匀形核,又称均质形核或自发形核

(2)非均匀形核:若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核,即依附于液相中的杂质或外来表面形核,则称为非均匀形核。又称异质形核或非自发形核

第四章

1.大规模集成电路用单晶硅加工工艺流程

硅材料(考试)

第五章

1.论述什么是外延生长,硅材料外延生长的主要技术及其特点?

所谓外延生长就是在一定条件下,在经过仔细制备的单晶衬底上,沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。所生长的单晶层为外延层。

外延生长的主要技术有:

(1) 液相外延生长(liquid phase epitaxy, LPE)

(2) 气相外延(vapor phase epitaxy, VPE)

(3) 分子束外延生长(molecular beam epitaxy, MBE

2.外延生长的优(特)点:

(1)可在衬底上生长不同电阻率的外延层。

(2) 可利用p(n)型衬底,在其上生长n(p)型外延层而直接形成器件。

(3) 可在指定区域进行选择性生长(利用掩模技术),用于集成电路和特殊结构器件的制作。

(4) 可在生长过程中根据需要改变掺杂物的种类和浓度,且浓度的变化可以是陡变的也可以是缓变的。

(5) 可生长异质,多层,多组分化合物且组分可变的超薄层。

(6) 可在低于材料熔点的温度下进行,生长速率可控,可实现原子级尺寸厚度外延层的生长。