半导体简介-硅材料

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1、2018,半导体基础知识整理 （硅材料）,吴帅 18835576745,什么是半导体？ 导体（Conductor） 导体是指很容易传导电流的物质 绝缘体（Insolator） 是指极不容易或根本不导电的一类物质 半导体（Semiconductor） 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。 半导体硅材料的电性能特点 硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一、是它对温度的变化十分灵敏； 二、是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著； 三、是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。 综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。,半导体简介

2、,硅(Silicon),半导体简介,金刚石结构，每个硅原子与四个硅原子相邻，形成正四面体结构,相邻原子之间共用电子对形成共价键,能带,半导体简介,导带、价带、禁带宽度 载流子：电子(自由电子、electron)、空穴(hole),电子带负电 空穴带正电,硅(Silicon),半导体简介,金刚石结构，每个硅原子与四个硅原子相邻，形成正四面体结构,相邻原子之间共用电子对形成共价键,固体能带理论,能带的形成,晶体中，各个原子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，电子不在局限在某一个原子中，可以由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有化运动，结果使孤立原子的单一能级分裂成能带。 根据电子

3、先填充低能级的原理，下面的能带先填满电子，这个带被称为价带或满带，上面的未被电子填满的能带或空能带称为导带，中间以禁带相隔。 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生转移.当电子获得足够能量的时候将越过禁带发生跃迁。,固体能带理论,导体、绝缘体、半导体,固体能带理论,导体、绝缘体、半导体,导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会引起导电。 绝缘体：能带间距很大，不可能导电。 半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因热运动从价带跳到导带，使导带中有少量电子，价带中有少量空穴，从而有一定的导电能力,固体能带理论,导体、绝缘体、半导体,物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量

4、。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。,半导体材料硅的晶体结构,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：,半导体材料硅的晶体结构,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。 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，如玻璃。 单晶和多晶的区别 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，

5、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。,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”。,半导体材料硅的晶体结构,硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的几个晶胞：,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。,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

6、。每个晶面的垂直方向称为晶向。,半导体材料硅的晶体结构,纯度,半导体特性，是建立在半导体材料的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 ）,半导体材料硅的晶体结构,导电特性,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很小，导体温度每升高1度，电阻率大约升高0.4%。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就变

7、化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273）时，则成为绝缘体。,半导体材料硅的晶体结构,导电特性,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很小，导体温度每升高1度，电阻率大约升高0.4%。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273）时，则成为绝缘体。 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。 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

8、上百万倍的增加。这是最特殊的性能。 其他特性： 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。,半导体材料硅的晶体结构,导电过程描述,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。同时形成一个电子空位，称之为“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。如图，通常将这种只含有“电子空穴对”的半导体称为本征半导体。“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。,半导体材料硅的晶体结构

9、,本征半导体、掺杂半导体,本征半导体：绝对纯的且没有缺陷的半导体 掺杂半导体：掺入其他元素 施主掺杂（N型硅）：电流主要靠电子来运输。 受主掺杂（P型硅）：电流主要靠空穴来运输。 太阳能电池用的多是P型硅衬底，N型扩散层。而目前越来越多的厂商开始储备N型电池技术。,半导体材料硅的晶体结构,产生、复合,由于热或光激发而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，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失一对电子和空穴，并释放出能量，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相等，半导体中将在产生和复合的基础上

10、形成热平衡。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地发生。 所以目前高效太阳能电池提升电池效率的两个途径为改善电池少数载流子寿命，通过氧化铝提高钝化效果，改善复合及减少光的损失。或者是通过N型基体，以N型少子寿命高为起点，来进行提效。但目前技术及设备投资还存在一些问题尚待解决。,半导体材料硅的晶体结构,杂质与掺杂半导体,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。对硅的导电性能有决定影响的主要是三族硼和五族磷元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁等，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。 这也就

11、是为什么多晶硅效率偏低于单晶硅。 多晶硅复合中心以及体内杂质高于单晶硅。（硅粉纯度）,半导体材料硅的晶体结构,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，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置。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。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。这种V族杂质原子称为施主杂质,半导体材料硅的晶体结构,P

12、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。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位，邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近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价键的价电子而成为一个带负电的负离子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。,载流子的复合与寿命,多数载流子、少数载流子,掺杂半导体中，新产生的载流子数量远远超过原来未掺入杂质前载流子的数量，半导体的导电性质主要由占多数的新产生的载流子来决定，所以

13、，在P型半导体中，空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入的杂质越多，多数载流子的浓度（单位体积内载流子的数目）越大，则半导体的电阻率越低，它的导电能力越强。,载流子的复合与寿命,平衡载流子、非平衡载流子,一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不受光照等外界因素作用的影响，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态变为非平衡状态，就把处于非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子称为非平衡载流子。 当引

14、起非平衡载流子产生的外界因素停止后，非平衡载流子不会永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是随着时间逐渐减少消失的，他们的存在时间有些长些，有些短些，有一个平均的存在时间，也就是 “非平衡载流子的寿命”。半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因。-少子寿命 非平衡载流子复合的主要方式：直接复合、间接复合、表面复合。,载流子的复合与寿命,直接复合,电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合，复合的过程是电子直接在能带间跃迁，这种复合称为直接复合。一般的杂质半导体寿命是与多数载流子的密度成反比的，或者说半导体的电阻率越低，则寿命越短。电阻率越低，多数载

15、流子浓度越高，这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合，所以寿命就越短。,载流子的复合与寿命,间接复合,晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用。间接复合与直接复合不同，它是通过禁带中某些杂质（缺陷）能级做为“跳板”来完成的。 靠禁带中的杂质（缺陷）能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合，那些起复合作用的杂质（缺陷）能级被称为复合中心。复合中心是不断地起着复合作用，而不是起了一次复合作用就停止了。通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多。因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少，相当于分阶段放出能量，所以容易得多。因而间接复合过程

16、大多情况下决定着半导体材料的寿命值。,直接复合和间接复合都是在半导体内部完成的，所以统称为“体内复合”。,载流子的复合与寿命,间接复合,通过复合中心复合。 复合中心为深能级杂质。 为硅中的主要复合形式。,1. 电子的发射 2. 电子的俘获 3. 空穴的俘获 4. 空穴的发射,载流子的复合与寿命,表面复合,半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子，半导体表面存在着表面缺陷。这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构上的中断，表面原子出现悬空键，或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力，造成在体内更多的缺陷和晶格畸变，这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级，表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的。实际上表面复合过程属于间接复合，此时的复合中心位于半导体材料的表面。,载流子的传输,漂移,半导体中的载流子在不停地做无规则的热运动，没有固定方向地移动，所以半导体中并不产生电流。若在半导体两端加上一个电压，即半导体处于一个电场中，载流子在电场加速作用下，获得了附加的运动，这就称之为载流子的漂移运动。 实际上