01.半导体物理基础知识

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1、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。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围,表1-1,半导体物理基础知识,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。表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.2.1几种常见元素的原子结构 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图1.2-1所示,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

2、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,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.2.2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。1.2.3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,1.2.4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

3、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”。如图1.2-2所示。,图1.2-2,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.2.5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。图1.2-3表示一些重要的晶胞。,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（见图1.2-4）。 为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2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,1.2.6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

4、平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。,图1.2-5,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.2.7原子密排面和解理面： 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图1.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。,图1.2-6,1.2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)

5、几个晶 面上原子排列的情况，如图1.2-7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，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质： (a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，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。 (b)由于(111)密排面结合牢固，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

6、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)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。,1.2半导体材料硅的晶体结构,1.3固体的能带理论,1.3.1能带的形成 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外层电子（价电子）能量较大。图1.3-1表示所谓能级图。,晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子的作用。还将受到相邻原子的作用 。相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。 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

7、轨道之间发生转移。图1.3-2表示出这种共有化轨道的能级图。,1.3固体的能带理论,图1.3-2,从图中可见，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。(图1.3-3),1.3固体的能带理论,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.

8、4.1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很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高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。1.4.2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。1.4.3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的增加。这是最特殊的独特性能。1.4.4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。,1.5半

9、导体的纯度,半导体有如此之多的独特性能，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表1.2所列。,表1.2,1.6半导体的导电原理,1.6.1半导体中的“电子”和“空穴”，本征半导体 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

10、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1.6-1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。“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,图1.6-1,1.6半导体的导电原理,1.6.2产生和复合 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，而同时消失了

11、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相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。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的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 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和五族元素原子。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。,1.6半导体的导电原理,1.6.3.1 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

12、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，如图1.6-2。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。图1.6-3表示N型半导体材料的能带图。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。,1.6半导体的导电原理,1.6半导体的导电原理,图1.6-3,1.6半导体的导电原理,1.6.3.2 P型半导体 硼（B

13、）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，如图1.6-4所示。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，它不能移动，不是载流子。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。图1.6-5表示P型半导体材料的能带图，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。,1.6半导体的导电原理,图1.6-4,1.6半

14、导体的导电原理,图1.6-5,1.7补偿,实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂质所提供的电子会通过“复合”而与受主杂质所提供的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就成为“补偿”。在有补偿的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型本征半导体。 在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件。,1.8少数载流子和多数载流子

15、,在掺有杂质的半导体中，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大多数的新产生的载流子来决定，所以，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。,1.9平衡载流子和非平衡载流子,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的作用，即这块半导体处于平衡状态，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，人们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成为非平衡载流子。,1.10 非平衡载流子的复合及其寿命,当引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，这就是我们所说的“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。 非平衡载流子也就是由于外界因素引起产生的电子空穴对复合的主要方式有三种：直接复合，间接复合和表面复合。,