微电子技术物理基础的问题解答.doc

1）为什么元素周期表上的第13号元素Al是金属、而第14号元素Si却是半导体？
答：虽然它们的原子序数只差一个，但是性质却截然不同，这主要是由于其原子负电性不同，导致晶体能带结构不同的缘故。因为Al的负电性较小，价电子容易失去，则在形成晶体时倾向于采用金属键，故价电子所形成的能带没有禁带——属于金属。而Si的负电性较大，价电子不容易失去，则倾向于形成共价键，成为共价晶体，从而价电子能带存在禁带，并且禁带宽度正好不大（～1.12eV），所以属于半导体。
（2）为什么半导体中载流子的平均自由程往往要比晶体的晶格常数大得多？
答：晶格常数是结晶学原胞的边长,一般比原子间距要大一些.平均自由程是指载流子在运动过程中相继两次遭受散射(或碰撞)之间的距离.因为按照能带理论,排列规则、且不动的原子构成的晶格周期性势场,决定了电子的能量状态,即决定了能带结构;但是这种严格周期性的势场并不引起电子状态的改变,即不散射电子.这就意味着,排列规则、且不动的原子本身也并不散射电子.所以载流子的平均自由程往往要比晶体的晶格常数大数十到数百倍.(注意:排列不规则或者运动的原子,即不具有周期性的晶格势场,或者说杂质和缺陷所产生的势场,将要散射电子.)
（3）为什么Si、Ge等半导体的禁带宽度（Eg）将随着温度（T）的升高而下降？
答：因为Si、Ge等半导体的价带、导带和禁带都是由原子外层的s态和p态价电子通过杂化而形成的;当许多原子靠近而构成晶体、原子外层的价电子——公有化电子形成能带时,并不是导带对应于原子的s态电子、价带对应于原子的p态电子,所以禁带宽度也就不是随着原子间距的减小而变窄.因此,当温度升高时,原子间距增大,禁带宽度也就不是随之变宽,相反却是变窄.实际上,只有少数几种半导体的价带和导带是分别对应于原子的单一电子状态,这种半导体的禁带宽度确实是随着温度的升高而增大的.
（4）为什么在半导体的禁带中可以存在有杂质、缺陷等的能级？
答: 半导体禁带这个能量范围,是晶体中的价电子所不能具有的能量;而价电子是属于整个晶体所有的,即是所谓公有化电子.这就意味着,禁带中不能存在公有化电子状态,但是这并不排斥在禁带中可以出现非公有化电子状态——杂质和缺陷等所谓局域性的电子状态.因此,在禁带中可以有杂质、缺陷等的能级.
（5）为什么Si可以吸收光、并产生电子-空穴对？但是为什么Si中电子-空穴对的复合却一般不能够发出光来？
答: 因为Si的能带是间接跃迁的结构,即价带顶与导带底不在Brillouin区的同一点处.这也就是说,价带顶处的电子(或空穴),与导带底处的电子具有不同的动量(或不同的波矢).电子在价带与导带之间跃迁时需要满足能量守恒和动量守恒.当价带顶处的电子吸收了能量足够高的光子后,即可跃迁到导带去,至于跃迁前后动量的差别可以在电子进入导带以后再通过弛豫过程来调整解决,所以这种吸收光的过程是可以发生的.但是,如果导带底电子下落到价带时,除了放出能量以外,还要同时放出动量,这时若把能量以光子的形式发射出来,但是还必须要有第三者来接受所放出的动量(因为光子的动量=0),而这个第三者主要就是晶体中的声子(晶格振动的能量量子);因此,当电子-空穴对复合时,由于声子在接受动量的同时,也可以接受能量,即复合所释放出的动量和能量都将可能交给声子,从而一般也就不再发出光子了.
（6）为什么价带中的许多价电子不能导电？
答: 因为填满价带的电子都是被原子束缚的电子——价电子，在电场作用下不能改变其能量状态，故不能导电。只有当它们摆脱价键的束缚（即本征激发）而成为导带电子以后才能够导电，与此同时在价带中留下价键空位。导带中的电子和价带中的空位——空穴就是载流子。
（7）为什么半导体中载流子浓度不大时，可以近似认为它们是服从Boltzmann统计的（即为非简并半导体）？
答：因为能带中包含有许多分立的能级——能量状态，当半导体掺杂浓度不高、多数载流子浓度不大时，这些载流子基本上都可以处于能带极值（导带底或者价带顶）附近，并且不需要考虑Pauli不相容原理（即不会出现几个载流子占据一个状态的情况，亦即不必考虑量子效应）。因此，这些载流子是非简并的，即为具有一定有效质量的经典自由载流子。
也可从载流子按能量的分布函数的状况来进行讨论。经典Boltzmann分布函数就是一种指数式下降的函数。而Fermi分布函数是一种量子分布函数，在能量E=EF时函数值等于1/2，在EEF时几乎为0（即在EF以上的能级差不多都未被载流子所占据）。因为当载流子浓度不大时，Fermi能级总将位于禁带中间（即离开能带极值有一定的间隔），所以，作为晶体中的载流子所应该满足的Fermi分布函数，在靠近能带极值时即将下降到很小的数值；这就是说，在能带极值附近处，Fermi分布函数与经典Boltzmann分布函数的曲线大致趋于一致，则可认为这时载流子基本上符合Boltzmann分布规律，即为非简并的载流子。
（8）为什么在半导体载流子的输运中，通常都可以把电子（空穴）当作是具有一定有效质量（m*）的经典自由电子（自由空穴）？
答：因为加在晶体上的外场往往变化是很缓慢的（即变化的周期往往要比晶体原胞大得多），因此，载流子即使是处在比原胞大得多的范围内，我们也可以认为其位置（坐标）是确定的；这就是说，可以选取载流子坐标的不确定度Δx比原胞尺寸a大得多，即Δx>>a。又，测不准关系给出(Δx)·(Δp)≥h，所以可以得到相应的载流子的动量不确定度为(Δp)<<(h/a)。而晶体中载流子所可能的动量取值范围是Brillouin区的大小，即(h/a)，因此见到：动量不确定度要比Brillouin区范围小得多；从而也可以近似认为这时载流子的动量（准动量）大致也是确定的。这就意味着，相对于变化缓慢的外场而言，可以近似认为载流子是处于某个“地点”(比原胞大得多的范围)、并且具有“一定动量”（在Brillouin区的某个点附近），即在一定近似的程度上可以认为载流子的坐标和动量能够同时被确定——经典自由粒子，这就是所谓准经典近似。
因为经典自由粒子的重要特点就是其能量E与其动量p之间存在以下抛物线关系（可以认为自由粒子的势能为0，只有动能）：E = p2/(2m) ∝ p2，式中m是自由粒子的质量。所以，在把载流子看作是经典自由粒子时，则其能量E与其动量p之间也必须存在同样的抛物线关系：E∝p2。但是，载流子是是处于能带之中的，其能量E与波矢k的关系很复杂（如常见能带图中的一些曲线所描绘出的），因此完全不同于经典自由粒子的抛物线关系。不过，如果只考虑能带极值（导带底或者价带顶）附近的载流子，则极值附近的能带曲线可近似认为是抛物线，即这些载流子的能量与波矢的关系可有：E ≈ p2/(2m*) ∝ p2，式中m*是载流子的所谓有效质量。这就是说，若把载流子看成是具有一定m*的粒子，则可近似认为它们是经典的自由载流子，亦即可把能带极值附近的载流子看成是具有一定m*的经典自由粒子。m*即慨括了晶体中的一些特殊的作用（原子实和其他载流子对所观察的某个载流子的作用），使得能够把载流子当作经典自由粒子来处理。
总之，对于半导体中的载流子而言，虽然不是严格意义上的经典粒子，但是在分析它们在外场作用下的运动时，只要载流子的平均自由程（相当于Δx）比晶体原胞的尺寸（a）大得多时，往往就可以简单地看成是坐标和动量都同时“确定”了的经典自由粒子。这就使得分析载流子的运动问题变得简单多了。实际上，在讨论许多半导体器件时，就往往采用了这种准经典近似。
（9）为什么半导体晶体中规则排列的原子不散射载流子？对载流子产生散射作用的主要因素是什么？
答：因为晶体中规则排列的原子对电子的作用可看成是一种势场——具有晶格周期的周期性势场，该势场即决定了电子的能量状态——能带结构。而散射电子的作用是使电子从一个能量状态跃迁对另一个能量状态的作用，所以，规则排列的原子本身并不散射电子。但是非规则排列的原子——杂质和缺陷等（是周期性势场遭受破坏的一些因素），就能够散射电子；而且，晶体原子在晶格位置上不断进行着热振动，这种热振动（是波动的形式，其能量的量子化为声子）也是对原子规则排列的一种破坏，所以也将要散射电子（声子散射）。
（10）为什么Si中电子的迁移率（μn）一般要比空穴的迁移率（μp）约大2.5倍？
答：因为载流子的迁移率μ与遭受散射的几率和有效质量m*成反比，即有μ=qt/m*，式中的t为在两次相继散射之间的平均自由运动时间（散射几率=1/t），q为电子电荷；又，Si中导电的电子和空穴（载流子）分别是处于导带底和价带顶这些能谷之中的，而导带底的曲率要比价带顶的曲率约要大2.5倍，所以，若在遭受散射的情况相同时，电子的迁移率就要比空穴的迁移率约大2.5倍。
（11）为什么适当的晶格应变可以提高载流子的迁移率？
答：因为载流子的迁移率与遭受散射的几率和有效质量成反比，所以，只要是能够减小散射几率和降低有效质量的措施，就都可以提高载流子的迁移率。在晶体中引入应变，即是其中的一种措施，并且该措施在改善微电子器件性能、发展微电子技术上具有重要的价值。
由于通常的能带结构是在晶格完全规则时所给出的，则当在晶体上加有适当的应变时，晶格即发生畸变，并使能带结构变化，从而影响到载流子的散射几率和有效质量。实验表明，一般情况下，晶格应变可以减小载流子的散射几率和有效质量，故能够提高迁移率。注：能带曲线的曲率变化可以改变有效质量；能带简并度和位置的变化可以改变能带之间的散射几率（例如在轻空穴带与重空穴带之间的散射）。当然，影响载流子散射几率的重要因素还有杂质和缺陷。
（12）为什么往半导体中掺入施主或受主杂质时，一定需要高温（热扩散）或者高能量（离子注入）？为什么在Si片进行热氧化时也往往需要高温？
答：半导体的常用掺杂技术主要有两种，即高温（热）扩散和离子注入。
①因为施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，它们要直接进入半导体晶格的间隙中去是很困难的；只有当晶体中出现有晶格空位后，杂质原子才有可能进去占据这些空位，并从而进入到晶体。为了让晶体中产生出大量的晶格空位，所以，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以使得某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置、留下空位（与此同时也产生出等量的间隙原子，空位和间隙原子统称为热缺陷）。对于Si晶体，要在其中形成大量的空位，所需要的温度大致为1000 oC左右，这也就是热扩散的温度。
②如果半导体晶体中没有任何空位，为了使施主或受主杂质原子进入到晶体中去，那么就只有首先把杂质原子电离成离子，并用强电场加速、让这些离子获得很高的动能，然后再直接轰击晶体、并“挤”进到里面去；这就是离子注入技术。当然，采用离子注入技术掺杂时，必然会产生出许多晶格缺陷。所以，半导体在经过离子注入以后，还必须要进行所谓退火处理，以消除这些缺陷。
另外，有三个与掺杂有关的问题值得说明一下：
①Si的热氧化技术：因为当Si表面原子与氧原子结合成一层SiO2后，若要进一步增厚氧化层的话，那么就必须要让外面的氧原子扩散穿过已形成的氧化层、并与下面的Si原子结合，而SiO2膜是非晶体，氧原子（施主、受主杂质原子也一样）在其中的扩散速度很小，因此，往往要通过加热来提高杂质原子的热运动能量，使得能够比较容易地进入到氧化层中去，这就是热氧化。所以，Si的热氧化实际上也就是氧原子的热扩散，故氧化温度一般也比较高（～1000 oC左右）。

②杂质的激活：因为施主或受主杂质原子要能够提供载流子，就必须处于替代Si原子的位置上（这样才有多余的或者缺少的价电子、以产生载流子），所以在半导体中，即使掺入了施主或受主，但是如果这些杂质原子没有进入到替代位置，那么它们也将起不到施主或受主的作用。为了让这些已经掺入到晶体中的施主或受主能够提供载流子，就还需要进行一定的热处理步骤——激活退火。
③Au、Pt等重金属杂质原子的扩散：重金属杂质与施主或受主杂质不同，因为重金属杂质的原子半径很小，即使在较低温度下也能够很容易地通过晶格间隙而进入到半导体中去，所以扩散的温度一般较低。例如扩散Au，在700oC下，只要数分钟，Au原子即可分布到整个Si片。
（13）为什么半导体Si、Ge中的少数载流子寿命主要是决定于间接复合、而不是直接复合？
答：因为半导体Si、Ge的能带是所谓间接跃迁的结构，即导带底与价带顶不在同一个动量k处；往往处在导带底的电子具有较大的动量，而处在价带顶的空穴的动量几乎为0。所以，当电子与空穴直接复合而消失时，就很难满足动量守恒的要求，从而它们直接复合的寿命较长；但是如果通过复合中心来进行所谓间接复合时（复合中心俘获电子与俘获空穴的能力差不多），就比较容易满足能量和动量的守恒要求，则其间接复合寿命相对就比较短，所以Si、Ge中的少数载流子寿命主要是决定于间接复合过程。
为了提高这种半导体的少数载流子寿命，就必须减少半导体中的复合中心浓度。这是控制半导体性能的一个重要问题。复合中心往往是由缺陷和重金属等有害杂质所产生的，因此需要很好地对这些因素加以控制。
（14）为什么在半导体工艺过程中特别需要注意各个方面的清洁度？
答：对半导体性质影响很大的杂质主要是两类：一是施主和受主杂质（提供载流子），二是复合中心杂质（影响载流子的寿命和迁移率）。施主和受主杂质是人们有意要掺入的，为了能够控制掺入的浓度，就必须事先提纯半导体材料。而复合中心杂质又可区分为两种：一种也是人们有意要掺入的，目的是为了控制载流子的寿命，例如Au、Pt等重金属杂质；另一种就是人们需要尽量避免掺入的有害杂质，例如Cu、Fe等重金属杂质和Na、K等碱金属杂质。
然而重金属杂质与施主或受主杂质不同，由于重金属杂质的原子半径很小，即使在较低温度下也能够很容易地通过晶格间隙而进入到半导体中去（在高温下就更不用说了），所以这些杂质最容易沾污、防不胜防，正因为如此，故半导体工艺特别要注意各个方面的清洁度。