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1、 光伏原理及应用Lecturer: Weifeng Liu刘维峰 1第二章 半导体材料的基本性质n& 2.1 半导体的晶体结构n& 2.2 半导体的能带结构n& 2.3 半导体的杂质和缺陷n& 2.4 半导体的电学性质n& 2.5 半导体的光学性质2& 2.1 半导体的晶体结构n2.1.1 晶体n2.1.2 晶体结构n2.1.3 晶体类型3n晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复 排列构成的固体物质，具有规则几何外形。n晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点 作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重 复出现的结果。& 2.1 半导体的晶体结构4晶胞参数n我们把晶体中重复出
2、现的最基本的结构单元叫晶 胞。n构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角 、称为晶胞参数。n它们决定了晶胞的大小和形状。5七大晶系晶系晶轴夹角立方a = b = c = 900 四方a = b c = 900 正交a b c = 900 三方a = b = c = 900 六方a = b c = 900， =1200 单斜a b c = = 900 ， 900 三斜a b c 900 6立方 Cubic四方 Tetragonal正交 Rhombic三方 Rhombohedral 六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic 三斜 Triclinic7密排堆积方式n密堆积方式因充分
3、利用了空间，而使体系的势能 尽可能降低，而结构稳定。n常见的密排堆积方式的种类有：简单立方堆积体心立方堆积面心立方堆积密排六方堆积金刚石型堆积8面心立方堆积9金刚石型堆积1092810半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型Si，金刚石，Ge闪锌矿 型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿 型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO11晶体类型n金属晶体通过金属键而形成的晶体n离子晶体通过离子键而形成的晶体n分子晶体通过分子间作用力而形成的晶体n原子晶体通过共价键形成的晶体12& 2.2半导体的能带结构 13nSi原子最外层有四个电子： 3s2 3p2硅原子基态3s 3p 激发
4、态Sp3杂化态Sp3杂化理论143s3pz3py3px杂化前杂化后1516半导体的导带，价带和禁带宽度价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差导导 带带价价 带带E Eg g17禁带宽度n禁带宽度(Band gap):是指一个能带宽度(单位 是电子伏特(ev).固体中电子的能量是不可以连 续取值的，而是一些不连续的能带。n 要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的 能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成 为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到 导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。
5、n 18允许能态的占有几率关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理 ，半导体中电子能级的分布服从费米狄拉克统计分布规 律。n在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为nk是玻尔兹曼常数，即1.3810-23J/K；T为绝对温度；EF 为费米能级。 19n费米狄拉克函数曲线当T0（K）时，若EEF ，f（ E）0.5，因此通常把电子占据 率为0.5的能级定义为费米能级。 它不代表可为电子占据的真实能 级，只是个参考能量。202.3 半导体中的杂质和缺陷n2.3.1 本征半导体n2.3.2 n型半导体n2.3.3 p型半导体212.3.1 本征半导体n完全纯净、结构完整 的半导体
6、晶体称为本 征半导体。n本征半导体也存在电 子和空穴两种载流子n但电子数目n和空穴数 目p一一对应，数量相 等，np。价带导带禁带空穴传导电子22实际晶体不是理想情况n1. 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点 位置上，而是在平衡位置附近振动；n2. 半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质 ；n 3. 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而 是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷232.3.2 杂质半导体n为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些 半导体称为杂质半导体，可以分为：nN型半导体和P型半导体n后面以硅掺杂为例子进行说明n硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子 具有
7、四个价电子，硅原子间以共价键的方式结合 成晶体。242.3.3 N型半导体 nP是第V族元素，每一 个P原子具有5个价电 子nP替位式掺入Si中，其 中四个价电子和周围 的硅原子形成了共价 键，还剩余一个价电 子n相当于形成了一个正 电中心P和一个多余 的价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5额外的电子25N型半导体的概念n在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即 构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。n常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。nV族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导 电电子并形成正电中心，称为施主杂质。26施主电离能和施主能级n多余的价电子束缚在正 电中心P
8、的周围，但这 种束缚作用比共价键的 弱得多，只要很少的能 量就可以使它摆脱束缚 ，形成导电电子。n使价电子摆脱束缚所需 要的能量称为杂质电离 能ECEVEDEgEV 价带能级 EC 导带能级 ED 施主能级 Eg 带隙宽度27多子和少子nN型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的 浓度，即 n p 。n电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为 少数载流子(简称少子)。282.3.4 P型半导体nB是第III族元素，每一个 B原子具有3个价电子nB替位式掺入Si中，当它 和周围的原子形成了共价 键时，还缺少一个价电子 ，必须从别处硅原子中夺 取一个价电子，于是在硅 晶体的共价键中产生了一 个空穴n相
9、当于形成了一个负电中 心B和一个多余的空穴额外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+329P型半导体的概念n在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即 构成 P 型半导体(或称空穴型半导体)。n常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等nIII族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导 电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。30受主电离能和受主能级n多余的空穴束缚在负电 中心B的周围，但这种 束缚作用比共价键的弱 得多，只要很少的能量 就可以使它摆脱束缚， 形成导电空穴。n使空穴摆脱束缚所需要 的能量称为受主杂质电 离能ECEVEDEgEV 价带能级 EC 导带能级 ED 施主能级 Eg 带隙
10、宽度31自补偿效应n有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质nN型杂质和P型杂质先相互补偿，称为自补偿效应 。ECEVEgED32热平衡条件ni为本征载流子浓度温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。本征半导体n型半导体p型半导体33电中性条件整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。34其中： ni, pi分别表示电子和空穴的浓度（cm-3) T为热力学温度k为玻尔兹曼常数(8.6310-5ev/k, 或1.3810-23J/k) EG0禁带宽度。锗： EG0=0.785ev硅： EG0=1.21ev K1是与半导体有关的常数硅：3.871016(cm-3K-3/2) 锗：1.76101
11、6(cm-3K-3/2)35n电子空穴对的数量，当T=300K时：硅： ni= pi=1.431010锗：ni= pi=2.381013n本征半导体中载流子浓度取决于禁带宽度和温 度T，即半导体的导电性能对温度很敏感。在常温附近，温度每升高8oC，硅的ni增加一 倍；温度每升高12oC，锗的ni增加一倍。36例子：n本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质（原子比）， 已知硅的原子密度为51022/cm3，ni 1.51010/cm3n求：掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化？37382.4 半导体的导电性n2.4.1 欧姆定律n2.4.2 电导率n2.4.3 载流子运动392.4.1 欧姆定
12、律n电阻的大小不仅与导体的电性能有关，还与导 体的面积S、长度L有关。n 称为电阻率，单位为（cm）40412.4.2 电导率n电子的电导率n是电子浓度， 是电子的迁移率n空穴的电导率p是电子浓度， 是电子的迁移率42本征半导体的电导率n本征半导体，npnN型半导体，npnP型半导体，n1.12eV, 对应波长 1100nm.n能量小于禁带宽度的光子，不能激发 产生过剩载流子。2.5.2 光与半导体材料的相互作用52半导体的光吸收半导体共价电子被激发为自由电子，正好在 紫外、可见光、红外光范围内E5354当光照射到固体表面时, 部分光被反射, 若入射光强 为 J0, 反射光强为 J反 时, 则有当光进入固体以后, 由于可能被反射, 光强随进入固 体材料的深度 x 而衰减反射系数为吸收系数n物理意义：光在媒质中传播距离时能 量减弱到原来能量的e。一般用吸收系数 的来表征该波长的光在材料中的透入深 度。55硅的光吸收56 波长小于400nm的光在厚度0.01um 的硅中，就被全部吸收； 波长大于1000nm的光在175um的硅中没有被完全吸收；57需掌握的知识（第二章问题）n运用半导体材料五大特性分析说明硅材料 （不少于三个特性）？5859
