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1、半导体物理基础知识,前言,太阳能的利用 1、太阳能热的利用，如太阳能热水器、太阳能热水发电。2、太阳能直接发电即光伏技术。光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统五个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。,前言,硅料 单晶硅棒 切方 单晶硅片,应用系统 组件 单晶电池片,光伏产业链,1.1导体，绝缘体和半导体,物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。下表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。,1010,10-41010,10-4,CM,绝缘体,半导体,导体,物体电阻率,1.2半导体材料硅
2、的晶体结构,组成物质的最基本的单元是原子，原子又由原子核和电子组成。原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。,1.2半导体材料硅的晶体结构,几种常见半导体元素的原子结构硅太阳电池生产中常用的硅(Si)，磷(P)，硼(B)元素的原子结构模型如下图所示,第三层4个电子第二层8个电子第一层2个电子,Si+14,P+15,B+5,最外层5个电子,最外层3个电子,Si,P,B,1.2半导体材料硅的晶体结构,晶体结构固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非
3、晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。单晶和多晶在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。,1.2半导体材料硅的晶体结构,硅晶体内的共价键硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。如下图所示。,1.2半导体材料硅的晶体结构,硅晶体的金刚石结构晶体这种周期性的，有规则的，可无限重复排列的结构叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。下图表示一些重要的晶胞。(共有1
4、4种晶格结构),(a)简单立方（Po）,(b)体心立方（Na、W）,(c)面心立方（Al、Au）,正四面实体结构,金钢石结构,1.2半导体材料硅的晶体结构,金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成见下图。为了简便明了，以后分析问题时只要采用前面所示的平面结构示意图即可。,1.2半导体材料硅的晶体结构,晶面和晶向晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。晶面的法线所在方向叫晶向，垂直于晶面。下图是几种常用到的晶面和晶向。,(100晶面),(110晶面),(111晶面),1.2半导体材料硅的晶体结构
5、,原子密排面和解理面：在晶体的不同面上，原子排列的疏密程度是不同的。若将原子看成是一个个硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如下所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。,1.2半导体材料硅的晶体结构,比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间，沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶 面上原子排列的情况，如下页图所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之
6、间距离较大，结合薄弱。这种晶体结构上的各向异性产生以下性质：,1、机械性能的各向异性：由于(111)密排面本身结合牢固而面与面相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。2、溶解和生长速率的各向异性：由于(111)密排面原子结合牢固,化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的金字塔型四面方锥体，形成
7、绒面状的硅表面。生长速率最慢的的晶向是垂直于密排面的111晶向。而100晶向是生长速率最快的。,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.2半导体材料硅的晶体结构,(100),(110),(111),从下页图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组，分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。,1.3固体的能带理论,绝缘体,半导体,导体,Ec,Ev,Eg,Eg,导带,禁带,价
8、带,图1.3-3,1.3固体的能带理论,1.4半导体的导电特性,半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。1、导电能力随温度灵敏变化导体，绝缘体的电阻率随温度变化都很小。而半导体则不一样，温度每升高或降低1，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻率变化几千，几万倍，而温度为绝对零度（-273）时，则成为绝缘体。,1.4半导体的导电特性,2、导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。3、杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万倍的增加。
9、这是最特殊的独特性能。4、其他特性 还有温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光等性能。,1.5半导体的纯度,半导体有如此多的独特性能，是建立在半导体材料本身纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。比如硅材料的纯度达到6个“9”，就是说硅的纯度达到99.9999%，其余0.0001%(即10-6)为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量通常还以“PPb”与“PPm”来表示。一个PPb就是十亿分之一（10-9），一个“PPm”就是百万分之一（10-6）。几种纯度表示法的相互关系如下表所列。1=106ppm=109ppb1ppm=103ppb,1.6半导体的导电原理,1、半导体中的
10、“电子”和“空穴”本征半导体即纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子，同时形成一个空位，称为“空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如下页图所示。通常将这种只含有“电子-空穴”对的半导体称为本征半导体。其中的电子和空穴浓度是相同的。“本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的，因此,电子和空穴被统称为载流子。,1.6半导体的导电原理,Eg,导带,(禁带宽度),价带,图1.6-1,1.6半导体的导电原理,2、电
11、子-空穴对的产生和复合 本征半导体由于受热激发而会成对地产生电子-空穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就会回到共价键上的空位上去，而同时消失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数是相等的，半导体将在电子-空穴对的产生与复合中达到热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。,1.6半导体的导电原理,3、杂质和掺杂半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。这种掺有一定杂质的半导体叫做掺杂半导体。对硅的
12、导电性能有决定影响的主要是三族(如硼B、铝Al、镓Ga)和五族(如磷P、砷As、锑Sb)元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁，氧，碳等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。,1.6半导体的导电原理,1、N型半导体 磷（P）、锑（Sb）等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应该是硅原子所处的晶格位置，如下页图。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在共价价键上，成为自由电子。失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子又处于晶格位置上，不能自由运动，它不能成为载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作
13、用的主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电为主的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。而为半导体材料提供一个自由电子的V族杂质原子，通常称为施主杂质。下页的图表示N型半导体材料的能带图。,多余电子,图1.6-2,1.6半导体的导电原理,1.6半导体的导电原理,施主能级,导带,电离能,价带,图1.6-3,N型半导体材料的能带图。,1.6半导体的导电原理,2、P型半导体 硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如下页图所示。硼原子最外层三个电子都参加了共价键，在另一个共价键上因缺少一个电子而形成一个空位。如果邻近共价键上的价电子跑来填补这
14、个空位，就会在这个邻近共价键上形成了一个新的空位，这就是“空穴”。硼原子在接受了邻近共价键上的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能自由移动，故不能成为载流子。因此它在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电为主的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。为半导体材料提供一个空穴的族杂质原子，通常称之为受主杂质。下页的图中表示P型半导体材料的能带图。,1.6半导体的导电原理,空键,接受电子,空穴,图1.6-4,1.6半导体的导电原理,导带,电离能,受主能级,价带,P型半导体材料的能带图,1.6半导体的导电原理,小结本征半导体是依靠电子和空穴两种载流子来导电的，对电流的贡献是相等的。
15、N型半导体以电子载流子导电为主，空穴载流子的贡献远小于电子载流子。在N型半导体中电子被称为多子，空穴被称为少子。P型半导体以空穴载流子导电为主，电子载流子的贡献远小于空穴载流子。在P型半导体中空穴被称为多子，电子被称为少子。,半导体硅的物理性质,1.7 P-N结,1、P-N结的形成 由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。当两块不同导电类型的半导体紧靠在一起时,在P区和N区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的界
16、面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷区。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷区。这样在P区与N区界面两侧产生了不能移动的离子区(也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层)，于是出现空间电偶层，形成一个电场(称内建电场)。此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。内建电场的方向从N区指向P 区，形成P-N结势垒。,1.7 P-N结,在热平衡状态下，由于扩散，从P区越过势垒向N区移动的空穴数目等同于空间电荷区附近N区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建
17、电场的作用下漂移到P区的数目，因此P-N结没有电流流过。对于电子也可做同样的论述。,P型,N型,N型 P-N结 P型,1.7 P-N结,2、P-N结的光电效应：当光照射到P-N结上时将产生电子-空穴对。在P-N结附近生成的少数载流子在被复合之前到达空间电荷区的，受内建电场的吸引，P区的少子电子流入N区，N区的少子空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在P-N结附近堆积形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，结果在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能
18、量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流；另一方面，若将外电路开路，在两端可以测得一个电压，这个电压称为开路电压。由于此时P-N结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定开路的值。,有光照时，P-N结内将产生一个附加光生电流Iph，其方向与P-N结反向饱和电流Io相同，一般Iph远大于Io。此时负载上的电流 I=IoexpqU/KT-(Io+Iph)令Iph=SE，其中S为P-N结面积，E为光照强度，则 I=IoexpqU/KT-(Io+SE)开路电压Uoc：光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：0=IoexpqU/KT
19、-(Io+SE)Uoc=(KT/q)ln(SE+Io)/Io(KT/q)ln(SE/Io)短路电流Isc：光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出经过外电路从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得Isc=SE Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数。在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系。弱光照下，Isc与E有线性关系。,1.7 P-N结,如果这时分别在P型层侧和N型层侧引出金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。现在制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。,1.7 P-N结,太阳电池的基本制造流程,预清洗和制绒酸洗,扩散,等离子刻蚀,制减反射膜,印刷上下电极及烧结,电池片测试分筛,去磷硅玻璃,
