• 半導體硅材料

    2016-10-21

    將晶體結構截分為一個個彼此互相并置而等同的平行六面體的基本單位,即為晶胞。晶胞是晶體的基本結構單位,客觀地反映了晶體結構三維周期性。

    在完整晶體中,晶格在空間的三個方向上都具有一定的周期對稱性,這樣可以取一個以結點為頂點,邊長等于這三個方向上的周期的平行六面體作為最小的重復單元,來概括晶格的特征,這樣的重復單元稱為原胞。

    具有整流特性的金屬和半導體接觸稱為肖特基接觸

    金屬和半導體接觸時,不產生明顯的附加阻抗,不會顯著改變半導體內部的平衡載流子濃度,且具有線性和對稱性的電流-電壓關系,這樣的接觸稱為歐姆接觸。

    當半導體受到光注入、電注入等外界干擾時,半導體內部的載流子濃度會偏離熱平衡狀態下的載流子濃度,多出來的那部分載流子稱為非平衡載流子,或稱為過剩載流子。

    晶格常數——晶格中兩個相鄰格點之間的距離,用a、b、c來表示,晶格常數描述了晶格的大小
    金剛石結構——兩個面心立方沿著空間對角線位移1/4的空間對角線距離所構成的晶體結構,金剛石結構的晶胞是立方體,原胞是正四面體,晶體硅就屬于金剛石結構。

    N型半導體和p型半導體接觸時,由于載流子的擴散和漂移,在接觸的界面處留下不能移動的正電中心和負電中心,正電中心和負電中心攜帶的電荷所組成的區域稱為空間電荷區,在達到熱平衡時,空間電荷區寬度一定,空間電荷量一定

    肖特基缺陷:當晶格原子擴散到晶體最外層時這使得晶格中僅殘留的空位沒有自間隙原子。

    影響固溶度的主要原因是電化學和價位效應

    缺陷那級:空位呈受主,自間隙原子呈施主;位錯易集聚雜質,從而引入能級,面缺陷引人深能級。

    本征半導體的載流子溶度只是溫度的函數;摻雜半導體的載流子溶度,在非本征區,與摻雜溶度有關。半導體材料一般應用于非本征區

    P-N結的制備方法;合金法;擴散法;離子主人法;薄膜生長法

    液體必須有一定的過冷度,結晶才能自行揮發

    fz法:區熔法?????? cz法:直拉法

    摻雜方法:填裝法;氣相摻雜法;中子 變摻雜

    利用鑄造技術制備多晶硅兩種工藝;澆鑄法:即在一個坩堝內將硅料溶化,然后將熔硅注入另一個經過預熱的坩堝內冷卻,通過控制冷卻速度,采用定向凝固技術制備大晶粒的鑄造多晶硅;直熔法:即在坩堝內直接將多晶硅溶化,然后通過坩堝底部的熱交換等方式,使熔體冷卻,采用定向凝固技術制造多晶硅。

    金屬雜質被吸除的步驟;1原金屬沉淀的溶解,2金屬原子的擴散,擴散到吸雜位置,3金屬雜質在吸雜點的重新沉淀。??? 吸雜機理;1松弛機理 2分凝機理

    對于N型半導體,電子是多數載流子,溶度高,而P型半導體電子是少數載流子,溶度低

    晶體:由原子、離子、分子或某些基團的重心有規則排列而成?????????????? 的固體
    單晶體:指其內部的原子都是有規則地排列的晶體
    多晶體:從局部看,其原子、離子或分子是有規則排列的,但從整體看,它又是不規則的,可以說多晶是單晶組成的
    空間點陣 :把組成晶體的粒子(原子、離子或分子,統稱為結構基元 )抽象為幾何點 ,在三維空間中形成有規律的某種對稱排列 ,由這些結構基元在空間周期性排列的總體稱之為空間點陣結構。

    ??????????????????????? 晶體結構 =點陣+基元
    波函數 :描述一個體系的量子態
    為了定量地描述微觀粒子的狀態,量子力學中引入了波函數,并用ψ表示。一般來講,波函數是空間和時間的函數,并且是復函數
    點缺陷:其特征是在三維空間的各個方面上尺寸都很小,尺寸范圍約為一個或幾個原子尺度, 故稱零維缺陷,包括空位、間隙原子、雜質或溶質原子等;
    線缺陷:其特征是在兩個方向上尺寸很小,另外一個方向上延伸較長,也稱一維缺陷,如各類位錯;
    面缺陷:其特征是在一個方向上尺寸很小,另外兩個方向上擴展很大,也稱二維缺陷.晶界、相界、孿晶界和堆垛層錯等都屬于面缺陷。
    體缺陷:空隙和析出物
    雜質分凝
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    由兩種或兩種以上元素構成的固溶體,在高溫熔化后,隨著溫度的降低將重新結晶,形成固溶體。
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    雜質在固體和熔體中的濃度是不同的,在結晶的過程中會發生偏析,稱為分凝現象。

    實際晶體生長時,不可能達到平衡狀態,也就是說固體不可能以無限緩慢的速度從熔體中結晶,因此,熔體中的雜質不是均勻分布的。例如,雜質在熔體中擴散的速度小于晶體結晶的速度的話,則在固液界面熔體一側會出現雜質的堆積,形成一層雜質富集層。此時固液界面處固體一側雜質濃度和液體中雜質濃度的比值,稱為有效分凝系數
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    氧沉淀
    氧在直拉單晶硅中通常是以過飽和間隙態存在,因此,在合適的熱處理條件下,氧在硅中要析出,除了氧熱施主以外,氧析出的另一種形式是氧沉淀。在晶體生長完成后的冷卻過程和硅器件的加工過程中,單晶硅要經歷不同的熱處理過程。
    在低溫熱處理時,過飽和的氧一般聚集形成氧施主;
    在相對高溫熱處理或多步熱處理循環時,過飽和的氧就析出形成樣氧沉淀。

    位錯是晶體在外力的作用下,部分晶體在一定的晶面上沿一定晶體方向產生滑移,其晶體移動部位和非移動部位的邊界就是位錯

    直拉單晶硅與鑄造多晶硅的比較
    優點:直拉單晶硅為圓柱狀,其硅片制備的圓形太陽電池不能有效地利用太陽電池組件的有效空間,相對增加了太陽電池組件的成本。如果將直拉單晶硅圓柱切成方柱,制備方形太陽電池,其材料亂費就增加,同樣也增加了太陽電池組件的成本。
    鑄造多晶硅是利用澆鑄或定向凝固的鑄造技術,在方形坩堝中制造晶體硅材料,其生長簡便,易于大尺寸生長,易于自動化生長和控制,并且很容易直接切成方形硅片,材料的損耗小,同時鑄造多晶硅生長時相對能耗小,促使材料的成本進一部降低。
    缺點:含有晶界、高密度的位錯、微缺陷和相對較高的雜質濃度,其晶體的質量明顯低于單晶硅,從而降低了太陽電池的光電轉換效率。
    冷卻方法
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    直熔法:石英坩堝下移或隔熱裝? 置上升,冷卻板通水冷卻
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    澆鑄法:控制加熱區形成溫度梯度

    鑄造多晶硅中氫的鈍化作用:
    鑄造多晶硅中的氫最主要作用是鈍化晶界、位錯和電學性雜質的電學性能
    氫原子與雜質、缺陷的未飽和的懸掛鍵結合,導致雜質、缺陷電學性能的鈍化
    氫還可以鈍化晶體硅的表面。晶體表面含有大量的懸掛鍵,這些懸掛鍵形成表面態,從而引入復合中心,降低少數載流子的壽命。氫原子與懸掛鍵的結合,可以降低或消除表面態,改善材料的性能。


    復合中心的作用機理:   通過復合中心的復合是一種間接復合過程,這種復合過程是決定Si、Ge等間接能帶結構半導體中少數載流子壽命的基本過程。而復合中心雜質往往都是一些原子半徑較小的金屬元素,很容易進入半導體中去;故為了保證少數載流子具有足夠長的壽命,就應該在制作器件的工藝過程中特別注意清潔度,以確保不讓復合中心雜質造成污染。   半導體表面本身就是一種大缺陷,故半導體器件和集成電路在制作好之后,需要對器表面進行很好的保護處理,以減弱表面復合中心的影響,這實際上也就是所謂表面鈍化技術的主要目的之一。   復合中心所引起的間接復合過程,通常要比導帶與價帶之間的直接復合過程慢得多,這是由于復合過程既需要滿足能量守恒、也需要滿足動量守恒的緣故。對于直接能帶半導體(如GaAs),其少數載流子壽命主要決定于直接復合過程,所以這種半導體的少數載流子壽命本來就很短。而Si、Ge等中少數載流子的直接復合壽命較長(因為導帶底與價帶頂不在Brillouin區的相同點上),則壽命主要決定于間接復合過程,故與復合中心濃度的關系很大。  ?。?span lang="EN-US">3)復合中心與另外兩類重要的雜質、缺陷中心的區別:  ?。?span lang="EN-US">1)陷阱中心~這也是一種深能級的雜質或缺陷。陷阱中心的特點就是俘獲一種載流子的作用特別強,而俘獲另一種載流子的作用特別弱,則陷阱中心具有存儲一種載流子的作用。例如電子陷阱就起著存儲電子的作用,空穴陷阱就起著存儲空穴的作用。一般,陷阱中心的能級深度要比復合中心能級的淺。  ?。?span lang="EN-US">2)淺能級中心~這是一種淺能級雜質。施主和受主雜質中心即屬于此;這一類中心的能級都很淺(很靠近導帶底或者價帶頂),它們主要起著提供載流子的作用。   半導體中的各種雜質和缺陷中心,不僅分別起著其不同的特殊作用,而且都將起著散射中心、影響到載流子遷移率的作用。

    太陽能電池的基本原理
    最佳答案太陽電池能量轉換的基礎是結的光生伏特效應。當光照射到pn結上時,產生電子一空穴對,在半導體內部結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區,受內建電場的吸引,電子流入n區,空穴流入p區,結果使n區儲存了過剩的電子,p區有過剩的空穴。它們在pn結附近形成與勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外,還使p區帶正電,N區帶負電,在N區和P區之間的薄層就產生電動勢,這就是光生伏特效應。此時,如果將外電路短路,則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過,這個電流稱作短路電流,另一方面,若將PN結兩端開路,則由于電子和空穴分別流入N區和P區,使N區的費米能級比P區的費米能級高,在這兩個費米能級之間就產生了電位差VOC??梢詼y得這個值,

    非平衡載流子就是由于熱激發或摻雜引起的多于平衡時的載流子

    區熔法單晶生長
      如果需要生長及高純度的硅單晶,其技術選擇是懸浮區熔提煉,該項技術一般不用于GaAs。區熔法可以得到低至1011cm-1的載流子濃度。區熔生長技術的基本特點是樣品的熔化部分是完全由固體部分支撐的,不需要坩堝。柱狀的高純多晶材料固定于卡盤,一個金屬線圈沿多晶長度方向緩慢移動并通過柱狀多晶,在金屬線圈中通過高功率的射頻電流,射頻功率技法的電磁場將在多晶柱中引起渦流,產生焦耳熱,通過調整線圈功率,可以使得多晶柱緊鄰線圈的部分熔化,線圈移過后,熔料在結晶為為單晶。另一種使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦電子束。整個區熔生長裝置可置于真空系統中,或者有保護氣氛的封閉腔室內

    直拉法(Czochralski法)單晶生長
      半導體圓片是從大塊晶體上切割下來的,絕大多數晶體的主流生產技術是直拉生長法(Czochralski法)。這項工藝最早是由Teal20世紀50年代初開發使用的,而在此之前,早在1918年,Czochralski采用過類似的方法,用它從熔融金屬中拉制細燈絲。硅是一個單組分系統,從他開始研究晶體的生長是最容易的

    固體的功函數--使固體中位于費米能級處的一個電子移到體外自由空穴所需要的功

    半導體摻雜溶度很低,具有整流效應的金屬和半導體接觸-----肖特基接觸
    半導體摻雜溶度很高,有很小的電阻,具有線性和對稱的電流-電壓關系的金屬半導體接觸----歐姆接觸

    歐姆接觸有:低勢壘..,高負荷..,高摻雜..。

    三陸氫硅氫還原法(西門子法):原料的制備,制三陸氫硅,提純sihcl3,sihcl3的氫還原,還原尾氣的回收和利用

    晶體熔化時吸收的熱量叫熔化熱;結晶時放出的熱量叫結晶潛熱

    過冷度:實際結晶溫度與其熔點的差值,最小的叫亞穩極限,液體必須有一定的過冷度,結晶才能自發進行

    晶核的形成,1由于液體過冷,自發生成晶核叫自發成核;2借助外來固態物資的幫助,叫非自發結晶

    倒角的目的在于減少在器件工藝中發生崩邊,位錯及位錯增值
    研磨硅片的目的是改善切片的表面參數和減小切片是造成的表面損傷
    腐蝕的目的在于去除研磨損傷,使硅片達到進行拋光的要求
    拋光的目的在于改善硅片的表面參數,拋光是一個化學和機械加工過程
    清洗的目的在于清洗硅片表面的污染物,

    硅,Si。原子序數14,相對原子質量28.09,有無定形硅和晶體硅兩種同素。
    晶體結構:晶胞為面心立方晶胞。原子體積:(立方厘米/摩爾)12.1
    晶體硅為灰黑色,無定形硅為黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔點1410℃,沸點2355,晶體硅屬于原子晶體,硬而有金屬光澤,有半導體性質。硅的化學性質比較活潑,在高溫下能與氧氣等多種元素化合,不溶于水、硝酸和鹽酸,溶于氫氟酸和堿液,用于制造合金如硅鐵、硅鋼等,單晶硅是一種重要的半導體材料,用于制造大功率晶體管、整流器、太陽能電池
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    結晶型的硅是暗黑藍色的,很脆,是典型的半導體。

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