半导体材料第6章III-V族化合物半导体的外延生长课后答案
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半导体材料实验课后思考题答案一、单色X射线衍射法晶体定向实验原理:如果用一固定波长的X射线(或称单色X 射线)入射到一块晶体上,要使其能在某晶面上产生衍射,则必须使晶体的位置能连续改变,使欲衍射晶面的放置位置(即θ角)满足布拉格方程。
对不同结构的晶体和不同的晶面,其衍射线所出现的位置不同,我们根据衍射线所发现的位置就能确定出晶体的取向。
根据布拉格方程,当波长为λ的X射线以θ角入射到晶体上,若满足2dsinθ=nλ,X射线就会在晶面间距为d的一族平行晶面上产生衍射。
2、用DQ-3型定向仪应注意哪些?b.松开探测器支架紧固手钮,将探测器支架旋转到与被测样品所对应的角度上,然后将紧固手钮拧紧;d.调节“计数率”旋钮在中间位置,调节“调零”旋钮使μA 率表指针在零附近;f.调节mA 旋钮在适当位置(通常使用在2mA 以下);1)不进行测量时,请随时关上X光光闸;2)当要暂停操作时,请关高压,但不要经常关低压,断电将会使已确定显示角度丢失;3)当工作结束时,应关闭X光光闸,关断高压,将显示器的角度输入到数字开关,关断电源。
4)mA调节旋钮,用来改变X光管的管电流,可以根据被测样品选择适当的mA值,在满足使用的条件下,应尽量选择低mA,一般在 2mA以下;5)计数率旋钮,在探测器接受 X 射线的情况下,用来调节微安数率率表计数率的大小,应根据需要选择在合适的位置,在满足要求的条件下,应尽量选择小一点,通常指到80格。
计数率调节过大会使稳定性变差,在这种情况下,应通过提高mA来增加 X射线的强度;6)调零旋钮,在只开低压的情况下,用此旋钮调节微安数率率表指针在0-20格附近;7)时间常数旋钮,分为 1,2,3 档,通常被设置在 2 档,在微安数率率表指针摆动较大时,应放在3档的位置上(在这种情况下,因μA率表的跟随特性减慢,一定要缓慢的转动测角仪轮)。
角度显示器的作用:每次开机时都要用标准样片校对一次。
3、X 方向偏角α,其原因如下:假定基准平面与“0”位偏差为δ,待测晶片沿X 方向与表面的偏差为α,则调整θ角使衍射强度出现极大时的θ角读数θ1=θ-δ+α,θ2=θ-δ-α,(θ1-θ2)/2=[(θ-δ+α)-(θ-δ-α)]/2=2α/2=α即取二次测量θ角读数之差的二分之一为偏离角的测量值时。
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:h2k2h2(k-k1)2h2k213h2k2Ec= +,EV(k)=-3m0m06m0m0m0为电子惯性质量,k1=(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)导带:2 2k2 2(k-k1)由+=03m0m03k14d2Ec2 22 28 22=+=>03m0m03m0dk得:k=所以:在k=价带:dEV6 2k=-=0得k=0dkm0d2EV6 2又因为=-<0,所以k=0处,EV取极大值2m0dk2k123=0.64eV 因此:Eg=EC(k1)-EV(0)=412m02=2dECdk23m0 8πa,a=0.314nm。
试求: 3k处,Ec取极小值4 (2)m*nC=3k=k14(3)m*nV 2=2dEVdk2=-k=01m06(4)准动量的定义:p= k所以:∆p=( k)3k=k14 3-( k)k=0= k1-0=7.95⨯10-25N/s42. 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:f=qE=h(0-∆t1=-1.6⨯10∆k ∆k 得∆t= ∆t-qEπa)⨯10)=8.27⨯10-13s2-19=8.27⨯10-8s (0-∆t2=π-1.6⨯10-19⨯107第三章习题和答案100π 21. 计算能量在E=Ec到E=EC+ 之间单位体积中的量子态数。
*22mLn31*2V(2mng(E)=(E-EC)2解232πdZ=g(E)dEdZ 单位体积内的量子态数Z0=V22100π 100h Ec+Ec+32mnl8mnl1*2(2mn1V Z0=g(E)dE=⎰(E-EC)2dE23⎰VEC2π EC 23100h*2 =V(2mn2(E-E)Ec+8m*L2Cn32π2 3Ecπ =10003L32. 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式(3-6)。
第7章III-V族化合物的外延生长1、解释:①*MOVPE:金属有机物气相外延生长。
②*MBE:分子束外延生长。
(超高真空条件下,用分子束或原子束输运源进行外延生长)③CBE:化学束外延生长。
④ALE:原子层外延。
(MLE—分子层外延)⑤二步外延法:以蓝宝石为衬底,先用MOPVE法,在550℃左右,先生长20~25nm厚的GaN缓冲层,然后升温到1030 ℃,接着生长GaN外延层,称为二步外延法。
⑥双气流MOVPE:用二组输入反应室的气路。
一路为主气路,沿与衬底平行的方向输入反应气体。
另一路为副气路,以高速度在垂直于衬底方向输入H2和N2混合气体。
副气路作用是改变主气流流向和抑制生长GaN时的热对流。
从而生长了具有高迁移率的CaN单晶层。
2、依据相图, LPE生长GaAs时说明如何从A点开始外延生长。
答:Ga溶液组分为C L1,当温度T=T A时,他与GaAs衬底接触,此时A点处于液相区,故它将溶掉GaAs衬底。
GaAs衬底被溶解后,溶液中As量增大,A点朝右移动至A’后,GaAs才停止溶解,如组分C L1的Ga溶液在温度T B时与GaAs接触,这时溶液为饱和态,GaAs将不溶解。
降温后溶液变成过饱和,这时GaAs将析出并沉积在GaAs衬底上进行外延生长。
3、为什么从70年代初就对GaN开展了研究工作但一直进展缓慢?答:GaN的熔点约为2800℃,在这个温度下氮的蒸汽压可达 4.5×10E9Pa。
即使在1200-1500℃温度范围内生长,氮的压力仍然在1.5×10E9Pa。
由于GaN较高的离解压,很难得到大尺寸的 GaN体单晶材料。
并且N在Ga溶液中的溶解度低于1%,因此很难生长体单晶。
由于得不到GaN衬底材料,所以GaN只能进行异质外延生长。
由于存在较大晶格失配和热失配,造成的缺陷较多,限制了器件性能的提高。
()4、在生长III-V族化合物时指出MBE、MOVPE和 CBE法使用的III族源及各自的生长机理。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管6-3.在受主浓度为31610-cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层,40=K ,在下列条件下电容值为若干?(a )V V G 2+=和Hz f 1=,(b ) VV G 20=和Hz f 1=,(c )V V G 20+=和MHz f 1=。
解答: (1)V V G 2+=,Hz f 1= 由 si BTH C Q V ψ+-=014830004048.8510 3.5410(/)0.110K C F cm x ε----⨯⨯===⨯⨯ )(70.0105.110ln 026.02ln 221016V n N V i a T f si =⨯⨯===φψ si a s dm a B qN k x qN Q ψε02-=-=7.010106.110854.8122161914⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-- )/(1088.428cm C -⨯-= 则 )(08.270.01054.31088.4880V C Q V si B TH=+⨯⨯=+-=--ψTH G V V < ,则21020000)21(εs a G sSk qN V C C C C C C C +=+=21141619168)1085.81210106.121054.321(1054.3---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=)/(1078.128cm F -⨯=b) V V G 20=,Hz f 1=G TH V V >,低频)/(1054.3280cm F C C -⨯==∴c)V V G 20+=,MHz f 1=G TH V V >,因为高频,总电容为0C 与S C 串联820min 3.4810(/)s s s dmk C C F cm x ε-=====⨯则 )/(1075.1280cm F C C C C C s s -⨯=+=6-4.采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时,相应的平带电压变化可用下式表示:()x FBqx x V dx C x ρ∆=-⎰解答:如右图所示, 消除电荷电荷片dx x q )(ρ的影响所需平带电压:000000)()()()(C x dx x xq x x x k dx x q x C dx x q dV FBρερρ-=-=-=由 00x →积分:()x FBq x x V dx C x ρ∆=-⎰6-6.利用习题6-3中的结果对下列情形进行比较。
一1.What is semiconductor? List two elemental semiconductor materials and two compound semiconductor materials2. What is called Crystal?3. What is Unit Cell ? What is Primitive Cell? What is the difference between them?4. The lattice constant of a face-centered-cubic structure is 4.75 Å. Determine the volume density of atoms.Answer:1. Semiconductors are a group of materials having conductivities between those of metal and insultoars, typically ρ=10-4~10-7 Ω m. Two common elemental semiconductor materials are Silicon and Germanium. Two common compound semiconductor materials are Gallium phosphide (GaP)and Gallium arsenide(GaAs)2.Single-crystal materials, ideally, have a high degree of order, or regular geometric periodicity, throughout the entire volume of the material.3. A unit cell is a small volume of the crystal that can be used to reproduce the entire crystal. A unit cell is not a unique entity. A primitive cell is the smallest unit cell that can be repeated to form the lattice.4 Density = 4 atoms / (4.75 x 10-8)3 =8.421 x 1023atoms per cm3二1. Sketch three lattice structures: (a) simple cubic, (b) body-centered cubic, and (c) face-centered cubic.2. For a simple cubic lattice, determine the Miller indices for the planes shown in Figure 1.Fig.13. The structure of the unit cell for a mineral called perovskite is shown below. Assuming the cubic lattice with a=6 °A, what are the volume densities of Ti, Ca, and O atoms?4. What is meant by a substitutional impurity in a crystal? What is meant by anintcrstilial impurity?2. left:(313) ; right:(121)3. solution: Density (Ca)= 881⨯atoms / a 3 = 4.63 x 1021 atoms per cm 3 Density (O)=216⨯ atoms / a 3 =1.39 x 1022 atoms per cm 3 Density (Ti)=1/a 3 = 4.63 x 1021 atoms per cm 3三 1. Ultraviolet light (紫外光) of wavelength 150nm falls on a chromium [/kr əʊmi:əm] (铬Cr) electrode(电极). Calculate the maximum kinetic energy and the corresponding velocity of the photoelectrons (the work function of chromium is4.37eV).2. Calculate the photon energies for the following types of electromagnetic radiation: (a) a 600kHz radio wave; (b) the 500nm (wavelength of) green light; (c) a 0.1 nm (wavelength of) X-rays.1、Solution: using the equation of the photoelectric effect, it is convenient to express the energy in electron volts. The photon energy isSolution:(a) for the radio wave, we can use the Planck-Einstein law directly(b) The light wave is specified by wavelength, we can use the law explained in wavelength:四 1 Determine the energy of a photon having wavelengths of (a) λ = 10,000Ǻ and (b) λ= 10Ǻ.2 (a) Find the momentum and energy of a particle with mass of 5 x10-31 kg and a de Broglie wavelength of 180Ǻ. (b) An electron has a kinetic energy of 20 meV . Determine the de Broglie wavelength.eV Hz s eV h E 93151048.21060010136.4--⨯=⨯⨯⋅⨯==ν1、(a) 1.99 x10-19J or 1.24eV. (b) 1.99 x10-16J or 1.24x103eV2、(a) p=3.68 x10-26kgm/s, E=1.35 x10-21J or 8.46 x10-3eV. (b) p=7.64 x10-26kgm/s , λ= 86.7Ǻ五E2.5 The width of the infinite potential well in Example 2.3 is doubled to 10Ǻ. Calculatethe first three energy levels in terms of electron volts for an electron.E2.6 The lowest energy of a particle in an infinite potential well with a width of 100 Ǻ is0.025 eV. What is the mass of the particle?1、Ans. 0.376eV, 1.50eV, 3.38eV2、Ans. 1.37X10-31kg六1. What is the Kronig-Penney model ?2. Discuss the concept of allowed and forbidden energy bands in a single crystal qualitatively with your classmate.3. Discuss the splitting of energy bands in silicon with your classmate.4. (a) If 2X1016boron atoms per cm3are added to silicon as a substitutional impurity, determine what percentage of the silicon atoms and displayed in the single crystal lattice. (b) repeat part (a) for 1015 boron atoms per cm3. (课本P45)5. If 2X1015 gold atoms per cm3 are added to silicon as a substitutional impurity and are distributed uniformly throughout the semiconductor, determine the distance between gold atoms in terms of the silicon lattice constant. (Assume the gold atoms are distributed in a rectangular or cubic array.) (课本P45)七3.1Consider Figure 3.4b. which shows the energy-band splitting of silicon. Ifthe equilibrium lattice spacing were to change by a small amount. discusshow you would expect the electrical properties of silicon to change.Determine at what point the material would behave like an insulator or likea metal.3.2Show that Equations (3.4) and (3.6) are derived from Schrodinger's waveequation. using the fom~o f solution given by Equation (3.3).3.3Show that Equations (3.9) and (3.10) are solutions of the differentialequations given by Equations (3.4) and (3.8). respectively.3.4 Show that Equations (3.12) (3.14), (3.16). and (3.18) rcsult from theboundary conditions in the Kronig-Penney model.这四道题在课本第98页. 八For the electron near the top of the allowed energy band (see Figure 3.16b), show that it behaves as if it has a negative mass.(Refer to textbook pp77-78)2. p99,3.13-3.153. p45, E2.10 (selective)九Answer the questions:1. What is effective mass?2. What is a direct bandgap semiconductor? What is an indirect bandgap semiconductor?3. What is the meaning of the density of states function?4. What was the mathematical model used in deriving the density of states function?5. In general, what is the relation between density of states and energy? Problems:P1003.20, 3.22十3.13 m*(A)<m*(B)3.15 A, B: velocity =-x : C, D: velocity = +x;B. C: positive mass; A, D: negative mass19.3 Å十一Answer the questions1. In general, what is the relation between density of states and energy?2. What is the meaning of the Fermi-Dirac probability function?3. What is the Fermi energy?Problem:1.3P85, Example 3.32. Consider the density of states for a free electron given by Equation (3.69). Calculate the density of states per unit volume with energies between 0 and 2eV.3. To determine the possible number of ways of realizing a particular distribution. Let gi = 10 and Ni =8.4. Calculate the temperature at which there is a 10-6 probability that an energy state 0.55 eV above the Fermi energy level is occupied by an electron.十二Questions:1. Assuming the Boltzmann approximation applies, write the equations for n0 and p0 in terms of the Fermi energy.2. What is the value of the intrinsic carrier concentration in silicon at T = 300 K?3. Under what condition would the intrinsic Fermi level be at the midgap energy? Problems:P148,4.1, 4.2, 4.8, 4.12十三Questions:1. What is intrinsic semiconductor? What is extrinsic semiconductor? Why the extrinsic semiconductor is more useful than the intrinsic semiconductor?2. What is ionization energy? Why the resistance of the extrinsic semiconductor is quite sensitive to doping?Problems:1. Calculate the ionization energy of the hydrogen atom using Bohr theory.(-13.6eV)2. Calculate the ionization energy of the donor electron in silicon using Bohr theory. (for silicon, =1.17, =0.26). (-25.8meV)十四 P147, review questions, 7,8,10,11P149, 4.19, 4.21r *0/m m。
绪论1.半导体的基本特性?①电阻率大体在10-3~109Ω•cm范围②整流效应③负电阻温度系数④光电导效应⑤光生伏特效应⑥霍尔效应2.为什么说有一天,硅微电子技术可能会走到尽头?①功耗的问题存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的,当芯片集成度越来越高耗电量也会越来越大,如何解决散热的问题?②掺杂原子均匀性的问题一个平方厘米有一亿到十亿个器件,掺杂原子只有几十个,怎么保证在每一个期间的杂质原子的分布式一模一样的呢?是硅微电子技术发展遇到的又随着器件尺寸的减小,绝缘介质SiO2的厚度也在减小,当减小到几个纳米的时候,及时很小的电压,也有可能使器件击穿或漏电。
量子隧穿漏电时硅微电子技术所遇到的另一个问题。
如果硅的尺寸达到几个纳米时,那么量子效应就不能忽略了,现有的集成电路的工作原理就可能不再适用第一章⒈比较SiHCl3氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?⑴三氯氢硅还原法优点:产率大,质量高,成本低,是目前国内外制备高纯硅的主要方法。
缺点:基硼、基磷量较大。
⑵硅烷法优点①除硼效果好;(硼以复盐形式留在液相中)②无腐蚀,降低污染;(无卤素及卤化氢产生)③无需还原剂,分解效率高;④制备多晶硅金属杂质含量低(SiH4的沸点低)缺点:安全性问题相图写出合金Ⅳ由0经1-2-3的变化过程第二章⒈什么是分凝现象?平衡分凝系数?有效分凝系数?答:⑴分凝现象:含有杂质的晶态物质溶化后再结晶时,杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同,这种现象较分凝现象。
⑵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=C S/C L⑶有效分凝系数:为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中杂质浓度的影响,通常把固相杂质浓度C S与固体内部的杂质浓度C L0的比值定义为有效分凝系数K effK eff=C S/C L0⒉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。
第1章 课后习题解答1.矿型结构主要有哪两种?各有什么特点?请各举几例说明。
答:矿型结构主要有闪锌矿和纤锌矿型结构。
闪锌矿型结构的晶胞由两类原子各自组成的面心立方晶格,沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。
每个原子被四个异族原子所包围。
例如,在由化学元素周期表中的Ⅲ族元素铝、镓、铟和V族元素磷、砷、锑合成的III-V族化合物,都是半导体材料,它们绝大多数具有闪锌矿型结构,如果角顶上和面心上的原子是III族原子,则晶胞内部四个原子就是V族原子,反之亦然,闪锌矿结构的III-V族化合物和金刚石型结构一样,都是有两个面心立方晶格套构而成,称这种晶格为双原子复式格子。
纤锌矿型结构和闪锌矿性结构相近似,它也是以正四面体结构为基础构成的,但是他具有六方对称性,而不是立方对称性。
硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等都可以是闪锌矿和纤锌矿性两种方式结晶,当化合物中两种元素的电负性差别较大,如果离子性结合占优势的话,就倾向于构成纤锌矿型结构。
2.画出导体、半导体、绝缘体的能带图,并简述各自特点。
答:(a)绝缘体(b)半导体(c)导体图绝缘体、半导体和导体的能带示意图上图是导体、半导体和绝缘体的能带示意图,如图所示,金属中,组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的,如图(c)所示,电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级,形成了电流,起导电作用,这就说明了金属是导体的原因。
绝缘体和半导体的能带类似,如图(a)、(b)所示。
即下面是已被价电子占满的满带(其下面还有为内层电子占满的若干满带未画出),中间为禁带,上面是空带。
对于满带,其中的能级已为电子所占有,在外电场作用下,满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献。
因此,在外电场作用下并不导电。
但是,这只是绝对温度为零时的情况。
当外界条件发生变化时,例如温度升高或有光照时,满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去,使能带底部附近有了少量电子,因而在外电场作用下,这些电子将参与导电;同时,满带中由于少了—些电子,在满带顶部附近出现了一些空的量子状态,满带变成了部分占满的能带,在外电场的作用下,仍留在满带中的电子也能够起导电作用。
半导体物理课后习题答案半导体物理课后习题答案半导体物理是现代电子学和光电子学的基础,对于理解和应用半导体器件和技术至关重要。
在学习半导体物理的过程中,习题是检验自己对知识掌握程度的重要途径。
下面将给出一些半导体物理课后习题的答案,希望能帮助大家更好地理解和应用相关知识。
1. 什么是半导体?半导体与导体和绝缘体有什么区别?答案:半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。
与导体相比,半导体的电导率较低,但又比绝缘体高。
这是因为半导体的导电性质可以通过控制其杂质浓度和温度来调节。
在绝缘体中,几乎没有自由电子可以导电;而在导体中,自由电子非常多,可以自由传导电流。
半导体的电导率介于这两者之间,可以通过控制外界条件来改变。
2. 什么是pn结?它的特性是什么?答案:pn结是由p型半导体和n型半导体通过扩散或外加电场形成的结。
在pn结中,p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子会发生复合,形成一个正负电荷的耗尽层。
这个耗尽层具有一个内建电场,使得p区的电势高于n区。
当外加正向偏压时,耗尽层变窄,电子从n区向p区扩散,空穴从p区向n区扩散,形成电流。
当外加反向偏压时,耗尽层变宽,几乎没有电流通过。
3. 什么是本征半导体?它的导电机制是什么?答案:本征半导体是指没有杂质掺杂的纯净半导体材料。
在本征半导体中,导电主要是由于自由电子和空穴的存在。
在室温下,半导体中的价带和导带之间的能隙相对较大,几乎没有电子跃迁到导带中,因此导电性较差。
但当温度升高时,部分电子会获得足够的能量跃迁到导带中,形成导电。
此外,光照和杂质掺杂也可以增强半导体的导电性。
4. 什么是pn结的正向偏压和反向偏压?它们的特性有何不同?答案:正向偏压是指将p区连接到正电压,n区连接到负电压的情况。
在正向偏压下,耗尽层变窄,电子从n区向p区扩散,空穴从p区向n区扩散,形成电流。
正向偏压下,pn结的导电性能良好。
反向偏压是指将p区连接到负电压,n区连接到正电压的情况。
第6章 p-n 结1、一个Ge 突变结的p 区n 区掺杂浓度分别为N A =1017cm -3和N D =5⨯1015cm -3,求该pn 结室温下的自建电势。
解:pn 结的自建电势 2(ln )D A D iN N kTV q n =已知室温下,0.026kT =eV ,Ge 的本征载流子密度1332.410 cm i n -=⨯代入后算得:1517132510100.026ln0.36(2.410)D V V ⨯⨯=⨯=⨯ 4.证明反向饱和电流公式(6-35)可改写为20211()(1)i s n n p pb k T J b q L L σσσ=++ 式中npb μμ=,n σ和p σ分别为n 型和p 型半导体电导率,i σ为本征半导体电导率。
证明:将爱因斯坦关系式p p kT D q μ=和n n kT D qμ=代入式(6-35)得 0000()p n pnS p n n p npn pp nn p J kTn kTp kT L L L L μμμμμμ=+=+因为002i p p n n p =,002i n n n p n =,上式可进一步改写为221111()()S n p i n p i n p p p n n n pp nJ kT n qkT n L p L n L L μμμμμμσσ=+=+又因为()i i n p n q σμμ=+22222222()(1)i i n p i p n q n q b σμμμ=+=+即22222222()(1)i i i n p p n q q b σσμμμ==++ 将此结果代入原式即得证2222221111()()(1)(1)n p i i S p n p p n n p p nqkT b kT J q b L L q b L L μμσσμσσσσ=+=⋅⋅+++ 注:严格说,迁移率与杂质浓度有关,因而同种载流子的迁移率在掺杂浓度不同的p 区和n区中并不完全相同,因而所证关系只能说是一种近似。
第六章III-V族化合物半导体的外延生长
1、缩写解释:
①*HB:水平布里奇曼法,又叫横拉法。
两温区HB法生长GaAs:低温区使As形成高压
As蒸汽,高温区使As蒸汽和Ga液反应生成GaAs溶液,然后由籽晶生成GaAs晶体。
②*LEC(LEP):液态密封法。
在高压炉内,将欲拉制的化合物材料盛于石英坩埚中,上
面覆盖一层透明而黏滞的惰性熔体,将整个化合物熔体密封起来,然后再在惰性熔体上充以一定压力的惰性气体,用此方法来抑制化合物材料的离解,用这种技术可以拉制GaAs、InP、GaP等的大直径单晶。
③SSD:合成溶质扩散法(synthesis solute diffusion)
④VCZ:蒸汽控制直拉技术。
⑤VGF:垂直梯度凝固法。
2、从*能带结构特点比较硅和GaAs在应用上的不同。
答:①室温下,Si的Eg=1.12ev,GaAs的Eg=1.43ev,禁带宽度大,GaAs半导体器件的工作温度范围比Si器件的工作范围要大。
②Si是间接带隙半导体材料,不可用作发光材料,而GaAs是直接带隙半导体材料,
可作为发光材料。
③GaAs具有双能谷能带结构,可以制作体效应微波二极管,而Si不能。
④GaAs的电子迁移率比Si大得多,有利于提高晶体管的高频性能。
3、解释作为间接带隙材料GaP为什么能成为可见光 LED的主要材料?
答:GaP的发光机理是激子复合发光,激子是价带中的电子向导带跃迁时,由于能量不够,受到价带中的空穴的库仑力的作用而停留在禁带中形成电子-空穴对,此为激
子。
由于等电子陷阱能级在k空间的扩展,在k=0附近通过直接跃迁,电子与空
穴复合,因此可以效率较高的发光。
而GaP的Eg=2.26ev,对应发光波长为550nm,所以作为间接带隙材料的CaP能成为可见光LED的主要材料。
4、详细说明三温区横拉法中温度选择的依据。
(T1=1250℃、T2=1100℃、T3=610℃)。
答:在三温区横拉法中,采用的是三温区横拉单晶炉改变炉温分布。
①T1=1250℃是使As蒸汽+Ga液在1250℃、P AS≈100kpa下可以生成GaAs,满足化
学计量比,生长条件是由GaAs相图得到的;
②T2=1100℃是因为在GaAs的合成与晶体生长时,在高温区将发生GaAs熔体中的
Ga与石英反应,4Ga(l)+SiO2=Si(s)+2Ga2O(g),在低温区有反
应,3Ga2O(g)+As4(g)=Ga2O3(s)+4GaAs(s)。
反应1引起的Si沾污受反应2小号Ga2O
而加强,但反应2与温度有关,温度升高能减弱消耗Ga2O的反应,从而抑制了反应
1中的Si生成。
T2=1100℃可以抑制低温反应的进行从而抑制Si(s)的生成,减少了
GaAs单晶中Si的沾污。
(*抑制沾污的反应机理)
③T3=610℃是As端的温度,此温度可形成100kPa的As蒸汽,提高了平衡蒸汽压,
正是生成GaAs所需要的蒸汽压。
5、GaAs成为继Si之后重要半导体材料的重要特征有哪些?
答:①直接带隙,光电材料;
②迁移率高,适于制作超高频超高速器件和电路;
③易于制成非掺杂半绝缘单晶,IC中不必作绝缘隔离层,简化IC,减少寄生电容,
提高集成度;
④Eg较大,可在较高温度下工作;
⑤抗辐射能力强;
⑥太阳电池,转换率比Si高;
⑦Gunn效应,新型功能器件.
6、补充:
①GaAs<100>方向上有双能谷能带结构。
室温下,电子处在主能谷中,很难跃迁到导带
能谷中去。
但电子在主能谷中有效质量较小,迁移率大,而在次能谷中,有效质量大,迁移率小且次能谷中的状态密度又比主能谷大,一旦外电场超过一定值,电子就可以由迁移率大的主能谷转移到迁移率小的次能谷,而出现电场增大电流减小的*负阻现象。
这是制作体效应微波二极管的基础。
②闪锌矿晶体的解理主要沿(110)面发生。
(极性对解理性的影响)
③GaAs体系图的解释 P142
④*III-V族化合物的极性对晶体的影响:解理性、表面腐蚀、晶体生长。
7、GaAs单晶中Si沾污的抑制:(不太重要)
答:①采用三温区横拉单晶炉改变炉温分布。
②降低合成GaAs及拉晶时高温区温度。
③压缩反应系统与GaAs熔体的体积比。
④向系统中加入O2、Ga2O3、As2O3,抑制反应1
⑤改变GaAs熔体与石英舟的接触状态。
8、*LEP液态密封法中所用覆盖剂应满足条件(老师没画)
答:1.密度小于拉制材料;
2.对熔体和坩埚在化学上必须是惰性的,而且熔体中溶解度小;
3.熔点低于被拉制材料熔点,且蒸汽压低,易去掉;
4.有较高纯度,熔融状态下透明。