半导体材料第5章硅外延生长课后答案
半导体物理学(刘恩科)第七版第一章到第五章完整课后题答案_百(精)
第一章习题1．设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec(k和价带极大值附近能量EV(k分别为：Ec=（1）禁带宽度;（2）导带底电子有效质量;（3）价带顶电子有效质量;（4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化解：（1）2. 晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107 V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。
解：根据：得补充题1分别计算Si（100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）Si在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示：（a）(100晶面（b）(110晶面（c）(111晶面补充题2一维晶体的电子能带可写为，式中a为晶格常数，试求（1）布里渊区边界；（2）能带宽度；（3）电子在波矢k状态时的速度；（4）能带底部电子的有效质量；（5）能带顶部空穴的有效质量解：（1）由得（n=0，1，2…）进一步分析，E（k）有极大值，时，E（k）有极小值所以布里渊区边界为(2能带宽度为(3）电子在波矢k状态的速度（4）电子的有效质量能带底部所以(5能带顶部，且，所以能带顶部空穴的有效质量半导体物理第2章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：（1）理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。
（2）理想半导体是纯净不含杂质的，实际半导体含有若干杂质。
（3）理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。
2. 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。
As有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键，还剩余一个电子，同时As原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个As 原子取代一个Ge原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱,很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而As原子形成一个不能移动的正电中心。
半导体第五章答案(精)
第五章4. 一块N 型半导体材料的寿命为τ=10µs ，光照在材料中会产生非平衡载流子，试求光照突然停止20µs 后，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几？ 解： 由公式 Δp(t)=( Δp 0)e -t/τ 得：Δp(t)/ ( Δp 0)=e -2=13.5%5. N 型硅中，掺杂浓度为N D =1016cm -3，光注入的非平衡载流子浓度Δn=Δp=1014cm -3。
计算无光照和有光照时的电导率。
解： 在此半导体内 n 0》p 0 µn =1350 cm 2/(Vs) µp =500 cm 2/(Vs)无光照时 n 0=N Dσ =N D qµn =1016×1.6×10-19×1350=2.16Ωcm有光照时σ =(n 0+Δn)qµn +(p 0+Δp)qµp =2.1816+0.008=2.1896≈2.19Ωcm7. 掺施主浓度N D =1015cm -3的N 型硅，由于光照产生了非平衡载流子Δn=Δp=1014cm -3。
试计算这种情况下准费米能级的位置，并和原来的费米能级作比较。
解. n 0=N D =1015cm -3 n i =1.5×1010cm -3先求光照之前的费米能级E F由n 0= n i exp(kT E E i F -) 得 E F –E i =io n n kT ln =0.289eV 光照后 n=N D +Δn=1.1×1015cm -3由 n= n i exp(kT E E i Fn -) 得 E Fn –E i =in n kT ln =0.291eV p=p 0+Δp ≈p 0=1014cm -3由 p= n i exp(kT E E Fpi -) 得 E i – E Fp =in p kT ln =0.229eV 在光照之前，费米能级比E i 高0.289eV ，光照之后准费米能级E Fn 比原来的费米能级高0.002 eV ，准费米能级E Fp 比原来的费米能级低了0.518eV 。
半导体物理分章答案第五章
Rn = rn n( N t − nt ) N t ：复合中心浓度 其中， 其中，rn 是与温度有关的 比例系数， 比例系数，称为电子俘获 nt ：复合中心上电子浓度 系数。 系数。
⑵电子的发射过程（乙） 电子的发射过程（ 是温度的函数，与导带空状态密度成正比。 电子激发几率s-是温度的函数，与导带空状态密度成正比。 在非简并情况下， 可写成： 在非简并情况下，电子的产生率Gn可写成：
材料是均匀的电场分布也是均匀的则分布也是均匀的则所以所以通解为通解为其中其中1122是下面方程的两个根是下面方程的两个根22连续性方程求解特例连续性方程求解特例被称为牵引长度被称为牵引长度则则的方程式表示为的方程式表示为22光激发的载流子衰减光激发的载流子衰减141141页例页例1133少数载流子脉冲在电少数载流子脉冲在电场中的漂移如图场中的漂移如图551919所示所示在一块均匀的在一块均匀的nn型半导体用局部的光脉冲体用局部的光脉冲照射会产生非平衡载照射会产生非平衡载流子
（5-14） 14）
把 n = n0 +△p，p = p0 +△p以及△n =△p代入上 式，得到 Ud = r (n0 + p0)△p + r (△p)2 16） （5-16） 所以，非平衡载流子的寿命为： 所以，非平衡载流子的寿命为：
∆p 1 τ= = U d r [(n0 + p0 ) + ∆p ]
非平衡态的电子与空穴各自处于热平衡态 则 1 fn (E) = E−En
F
f p (E) =
1 + e k0T 1
p EF − E k 0T
1+ 1+ e n E F → 电子准费米能级
p E F → 空穴准费米能级
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
半导体物理导论课后习题答案5章
高上升；
CD：本征激发为主。晶格振动散射导致迁移率下降，但载流子浓
度升高很快，故电阻率ρ随温度T升高而下降；
第5章
10.对于电阻率为1Ω•cm的P型Si样品，少子寿命τn=10μs，室温下光均 匀照射，电子-空穴对的产生率是1020cm-3•s-1。已知，μp=417cm2/V•s， ni=1.5×1010cm-3。计算
[(31013) 3800 (1.151013) 1800] 1.61019
0.02( cm) 所以J E 0.02 2 0.04 A/ cm2
子寿命为τ。假设小注入条件成立，试推导因光照而形成的电流增
加值为
GnqVA
L
。
解：因光照而形成的电流增加值 I A J ，光照产生的过剩载流
子浓度n G
在小注入下， J
n
E
(n
q
n
)
V L
G
q n V
L
所以，I
A
J
GqnVA
L
第5章
3.证明非简并的非均匀n型半导体中的电子电流形式为 J
p0 p(0)
179mV
（1分）
(2分)
第5章
7.导出非简并载流子满足的爱因斯坦关系。
证明：假设为非简并n型半导体的一维情况，当系统达到热平衡时，半
导体电中性，其电流方程
Jn
n(x)qn E(x)
qDn
dn( x) dx
可得
第5章
8.光均匀照在6Ω•cm的n型样品上，电子-空穴对的产生率为1×1020cm-3s-1， 样品寿命为6μs。试计算光照前后样品的电导率。
(1)此时的电子浓度和空穴浓度； (2)电子和空穴准费米能级EFn , EFp 与平衡费米能级EF的距离。
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12. *区熔提纯: 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或 头部，进而达到使中部材料被提纯。
第三章、晶体生长
一、 名次解释： ⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体
第一章硅、锗的化学制备
㈠ 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?
答：1.SiHCl3氢还原法: 优点: 产量大、质量高、成本低，由于SiHCl3中有一个Si-H键，活泼易分 解，沸点低，容易制备、提纯和还原。 缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要 杂质。
2.硅烷法： 优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。 缺点: 制备过程的安全性要求高。
O 之间发生一系列反应，在 450C°时 SiO 以最快的速度形成 SiO4，SiO4 是
一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参
与导电，SiO4 起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热
处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害
㈡ 制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯
1. 以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？
答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有 固相和液相。由图中可知，固相中杂志含量Cs<CL（液相中杂志成分）。 1、 这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未 结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。 2、 在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=CS/CL 叫作平衡分凝系数。 3、 为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响， 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=CS/CL0
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第一章习题1．设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec(k和价带极大值附近能量EV(k分别为：Ec=〔1〕禁带宽度;〔2〕导带底电子有效质量;〔3〕价带顶电子有效质量;〔4〕价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化解：〔1〕2. 晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m，107 V/m的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。
解：根据：得补充题1分别计算Si〔100〕，〔110〕，〔111〕面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度〔提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图〕Si在〔100〕，〔110〕和〔111〕面上的原子分布如图1所示：〔a〕(100晶面〔b〕(110晶面〔c〕(111晶面补充题2一维晶体的电子能带可写为，式中a为晶格常数，试求〔1〕布里渊区边界；〔2〕能带宽度；〔3〕电子在波矢k状态时的速度；〔4〕能带底部电子的有效质量；〔5〕能带顶部空穴的有效质量解：〔1〕由得〔n=0，1，2…〕进一步分析，E〔k〕有极大值，时，E〔k〕有极小值所以布里渊区边界为(2能带宽度为(3〕电子在波矢k状态的速度〔4〕电子的有效质量能带底部所以(5能带顶部，且，所以能带顶部空穴的有效质量半导体物理第2章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？答：〔1〕理想半导体：假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上，实际半导体中原子不是静止的，而是在其平衡位置附近振动。
〔2〕理想半导体是纯洁不含杂质的，实际半导体含有假设干杂质。
〔3〕理想半导体的晶格结构是完整的，实际半导体中存在点缺陷，线缺陷和面缺陷等。
2. 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。
As有5个价电子，其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键，还剩余一个电子，同时As原子所在处也多余一个正电荷，称为正离子中心，所以，一个As 原子取代一个Ge原子，其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱,很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导电的自由电子，而As原子形成一个不能移动的正电中心。
半导体物理分章答案第五章
载流子的寿命决定了它们在半导体中的扩散 和迁移能力。
载流子的迁移率
01
02
03
04
迁移率的定义
载流子的迁移率是指单位电场 强度下载流子的平均漂移速度
。
迁移率的分类
根据不同情况，迁移率可分为 电场迁移率和温度迁移率。
迁移率的影响因素
载流子的迁移率受到半导体材 料的纯度、晶格结构、温度等
因素的影响。
载流子的有效质量决定了其运 动行为，与它们在半导体中的
实际质量有所区别。
载流子的产生与复合
载流子的产生
在半导体中，通过外部能量输入（如光子或 电子束）可以产生自由电子和空穴。
载流子的产生与复合速率
这两个过程的速度决定了半导体的响应速度 和光电器件的开关速度。
载流子的复合
当自由电子和空穴相遇时，它们可以复合并 释放能量。
20世纪初，量子力学的建立为半导体物理的 发展奠定了基础，科学家们开始从微观角度 研究半导体的能带结构和电子传输机制。
半导体物理的应用领域
电子学
光电子学
半导体材料在电子学领域的应用是最广泛 的，包括晶体管、集成电路、微处理器等 。
基于半导体的光电导、光电二极管等特性 ，光电子学领域的应用包括太阳能电池、 激光器、光电探测器等。
P型半导体
通过掺入受主杂质，使半导体中存在空穴，形成正电中心。P 型半导体具有较高的空穴浓度和较高的电阻率。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
碳化硅具有高禁带宽度、高电子迁移率和高热导率等特点，常用于制造高温、 高频和高功率器件。
氮化镓（GaN）
氮化镓也具有高禁带宽度、高电子迁移率和化学稳定性等特点，常用于制造蓝 光和紫外光发光器件以及高功率电子器件。
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第五章硅外延生长
1、解释名词：
①*自掺杂：外延生长时由衬底、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的非人为控
制的掺杂称为自掺杂。
②外扩散：在外延生长中，由于是在高温条件下进行的，衬底中的杂质会扩散进入外延
层致使外延层和衬底之间界面处的杂质浓度梯度变平的现象。
③外延夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反形层。
④双掺杂技术：在外延生长或扩散时，同时引入两种杂质。
因为原子半径不同而产生的
应变正好相反。
当两种杂质原子掺入比例适当时，可以使应力互相得到补偿，减少或避免发生晶格畸变，从而消除失配位错的产生。
这种方法叫作双掺杂技术。
⑤SOS技术：在蓝宝石或者尖晶石衬底上外延生长硅。
⑥SOI技术：把器件制作在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。
（当器件尺寸缩小到亚微米范
围以内时，常规结构就不适应了，导致了SOI结构的发展）
⑦SIMOX：氧注入隔离，通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成。
⑧SDB&BE：直接键合与背面腐蚀技术。
将两片硅片通过表面的S i O2层键合在一起,再把
背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
⑨ELTRAN：外延层转移，在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多
孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。
⑩Smart-Cut：利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合，经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构。
2、*(简述)详述影响硅外延生长速率的因素。
答：①S i CL4浓度：生长速率随浓度的增加增大并达到一个最大值，以后由于腐蚀作用增
大，生长速率反而降低。
②*温度：当温度较低时，生长速率随温度升高而呈指数变化，在较高温度区，生
长速率随温度变化比较平缓，并且晶体完整性比较好。
③气流速度：在反应物浓度和生长温度一定时，生长速率与总氢气流速平方根成比
例关系，但到极限时不在增加。
④衬底晶向：不同的晶向的衬底其表面原子排列不同，因此外延生长速率也不相同。
3、用外延生长的Grove模型解释高温区、低温区温度与生长速度的关系。
答：外延生长的Grove模型：
①当Y一定时，，Ea为活化
能，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
所以生长速率按指数关系变化，这与低
温情况是相符的。
4、由外延生长的Grove模型得到外延生长速率与反应物的浓度成正比，对于以SiCl4为原
料的硅外延为什么随SiCl4浓度的增加会出现负的生长速率？
答：因为外延生长硅时所依据的反应：SiCl4+2H2=Si+4HCl4（可逆号）
此反应是可逆反应，当生成的HCl浓度很高时，它与Si衬底进行反应对其进行腐
蚀，故SiCl4浓度达到一定时，外延生长速率会由于腐蚀速度的增加而下降。
5、解释为什么使用外延生长难以得到突变结？
答：因为在外延生长过程中，衬底中的杂质会因为高温条件而扩散进入外延层中，这种外扩散杂质分布相当于一个恒定界面浓度杂质源的余误差分布函数，外延层中总的杂质分布为外掺杂和外扩散共同形成的，所以使用外延生长难以得到突变结。
6、确定在1200℃时，由SiCl4源生长的外延层的生长速率。
反应室的气相质量输运系数是
hg=5厘米/秒，表面反应系数为kg=107exp（-1.9eV/kT）厘米/秒，Cg=5×1016厘米-3。
如果反应温度降低2℃，生长速率将变化多少？
答：参考肖祥作业。
7、计算<111>硅的外延层厚度为多少时，外延层上的刻蚀坑具有1.838微米的尺寸？
答：参考肖祥作业。
8、补充：
①SiH4是气体，硅烷外延的特点是反应温度低，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的
外延层（但要求有良好的气密性）。
②外延层中杂质的来源是多方面的：
总载流子浓度：N
总＝N
衬底
±N
气
±N
邻片
±N
扩散
±N
基座
±N
系统
③如果外延层与衬底是同种材料，称为同质外延；若是不同材料，称为*异质外延。
9、*Si-H-Cl体系，硅外延生长的动力学过程：（老师没画）
答：1.反应物气体向反应区输运；
2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移；
3.反应物吸附在衬底表面；
4.在衬底表面发生化学反应以生成薄膜和反应副产物，原子移动到晶格点阵；
5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流中扩散；
6.气体副产物及未反应的反应物分子离开沉积区并排出系统。