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1、关于半导体的基本关于半导体的基本知识讲义知识讲义第一张，PPT共三十三页，创作于2022年6月前言前言l随着世界范围内的能源紧张，在可以随着世界范围内的能源紧张，在可以预计的将来，石油和煤炭将资源枯竭，预计的将来，石油和煤炭将资源枯竭，同时那种既消耗资源又产生污染的能同时那种既消耗资源又产生污染的能源生产方法最终将被人类所淘汰，太源生产方法最终将被人类所淘汰，太阳能这种取之不尽，用之不竭的新型阳能这种取之不尽，用之不竭的新型能源已经被人类所认识和发展。能源已经被人类所认识和发展。第二张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/162l近年来，世界各国都已将太阳能光伏产业作为新近年
2、来，世界各国都已将太阳能光伏产业作为新型能源来发展，我们国家近年来也涌现出许多从型能源来发展，我们国家近年来也涌现出许多从事研究和生产太阳能光伏产业的企业。事研究和生产太阳能光伏产业的企业。l目前，用于生产太阳能电池的主要材料为单晶目前，用于生产太阳能电池的主要材料为单晶硅，俗称太阳能单晶硅。硅，俗称太阳能单晶硅。l下面就半导体单晶硅的一些基本知识作如下讲述：下面就半导体单晶硅的一些基本知识作如下讲述：第三张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/163导体、绝缘体、半导体的区别导体、绝缘体、半导体的区别l导体导体凡能导电的物质均为导体，如金属类凡能导电的物质均为导体，如金属类
3、物质，常有的为金、银、铜、铁、铝等物质，常有的为金、银、铜、铁、铝等,它们的它们的电阻率一般在电阻率一般在10*E-4欧姆厘米以下。欧姆厘米以下。l绝缘体绝缘体凡不能导电的物质均为绝缘体，生凡不能导电的物质均为绝缘体，生活中常有的物质有橡胶，塑料，木材，玻璃，活中常有的物质有橡胶，塑料，木材，玻璃，陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它们的电阻率陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它们的电阻率在在10*E9欧姆厘米以上。欧姆厘米以上。第四张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/164l半导体半导体在导体和绝缘体之间还有一种被称在导体和绝缘体之间还有一种被称为半导体的物质。主要有硅、锗、砷化镓
4、、锑为半导体的物质。主要有硅、锗、砷化镓、锑化锢、磷化镓、磷化锢等。其中化锢、磷化镓、磷化锢等。其中硅和锗为单一硅和锗为单一元素的半导体元素的半导体，而砷化镓等为化合物半导体。，而砷化镓等为化合物半导体。第五张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/165半导体的特征（我们仅以硅例）半导体的特征（我们仅以硅例）l半导体具有以下一些特征：半导体具有以下一些特征：l半导体的半导体的导电性能导电性能可以通过掺入微量的杂质可以通过掺入微量的杂质（简称（简称“掺杂掺杂”）来控制，加入微量杂质能显）来控制，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力，这是半导体能够制著改变半导体的导电能力，这是
5、半导体能够制成各种器件，从而获得广泛应用的一个重要原成各种器件，从而获得广泛应用的一个重要原因。因。第六张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/166l为了说明微量杂质对半导体导电能力的影响，为了说明微量杂质对半导体导电能力的影响，现举例说明：如我们要拉制目标电阻率为现举例说明：如我们要拉制目标电阻率为P型型0.52的太阳能单晶，采用原料为的太阳能单晶，采用原料为N型电阻率大型电阻率大于于20，投料，投料80kg，母合金电阻率为，母合金电阻率为 10E-3，经，经计算计算80kg投料需要掺入母合金数量为投料需要掺入母合金数量为10.32g。第七张，PPT共三十三页，创作于20
6、22年6月2022/10/167l温度光照和电阻变化对半导体的导电性能起着温度光照和电阻变化对半导体的导电性能起着很大的作用。很大的作用。l硅的熔点硅的熔点1420l硅的比重为硅的比重为2.33克克/立方厘米立方厘米l本征本征指半导体本身的性质以区别于外来掺指半导体本身的性质以区别于外来掺杂的影响，而完全靠半导体本身提供载流子的杂的影响，而完全靠半导体本身提供载流子的状况，理论上本征半导体是纯净的，事实上状况，理论上本征半导体是纯净的，事实上在在未掺杂的半导体中，纯只是相对的未掺杂的半导体中，纯只是相对的。第八张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/168l有两种载流子参加导
7、电有两种载流子参加导电在半导体中，参与在半导体中，参与导电的载流子有两种，即导电的载流子有两种，即“电子电子”与与“空穴空穴”，而且同一种半导体材料，既可以形成以电子，而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。第九张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/169半导体的一些常用名称的半导体的一些常用名称的表述及含义表述及含义l晶体和非晶体晶体和非晶体l晶体通常有规则的几何形状，晶体通常有规则的几何形状，生活中盐就是典生活中盐就是典型的立方体晶体结构，而蜡，塑料等都没有规型的立方体晶体结构，而蜡，塑料等都
8、没有规则的形状均都不能称作晶体则的形状均都不能称作晶体l晶体具有固定的熔点如硅的熔晶体具有固定的熔点如硅的熔1420，在熔，在熔化过程中是化过程中是等温的等温的，一旦完全熔化后溶液温，一旦完全熔化后溶液温度会迅速上升，其熔化的温度曲线为（见下度会迅速上升，其熔化的温度曲线为（见下图）：图）：第十张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1610Tt1600142060分分300分分等温区等温区升温区升温区升温区升温区第十一张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1611l晶体具有晶体具有各向异性，对称性，解理面各向异性，对称性，解理面l各向异性各向异性为晶体的
9、机械，电学，热学，光学为晶体的机械，电学，热学，光学等物理和化学性质随方向不同而不同。等物理和化学性质随方向不同而不同。l晶体生长中的晶体生长中的对称性对称性具体表现为晶棒表面会具体表现为晶棒表面会长有对称的棱线。长有对称的棱线。第十二张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1612l如果平行于两根棱线之间划片，则片子能很如果平行于两根棱线之间划片，则片子能很顺利地沿线脆裂，并得到光直的边缘，如果顺利地沿线脆裂，并得到光直的边缘，如果沿其他方向划片其效果会截然不同。这种容沿其他方向划片其效果会截然不同。这种容易沿某些晶面劈裂的特性称为易沿某些晶面劈裂的特性称为解理性解理性，而
10、这些，而这些容易劈裂的晶面叫做容易劈裂的晶面叫做解理面解理面。第十三张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1613单晶体和多晶体单晶体和多晶体l单晶体单晶体单晶体内的原子都按同一规律同一单晶体内的原子都按同一规律同一方向有序地周期性的排列，在单晶生长中具体方向有序地周期性的排列，在单晶生长中具体表现为有表现为有棱线棱线生长。生长。第十四张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1614l多晶体多晶体多晶体则有许多取向不同的单晶体多晶体则有许多取向不同的单晶体（或称晶粒）组成，多晶体内的原子在局部范（或称晶粒）组成，多晶体内的原子在局部范围内呈规则排列，但不同
11、局部区域中原子排列围内呈规则排列，但不同局部区域中原子排列的方向不同，呈杂乱无序状态。如在单晶生长的方向不同，呈杂乱无序状态。如在单晶生长中原有正常晶体受外界影响如掺入杂质所致，中原有正常晶体受外界影响如掺入杂质所致，则原正常生长的单晶受到破坏而成为多晶状态，则原正常生长的单晶受到破坏而成为多晶状态，具体表现为原有的棱线消失，晶体表面呈现无具体表现为原有的棱线消失，晶体表面呈现无规则杂乱的迹象。规则杂乱的迹象。第十五张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1615晶向晶向 l晶体中由位于同一平面的原子所组成的平面晶体中由位于同一平面的原子所组成的平面称为称为晶面晶面，晶格中每
12、一个平行排列的直线，晶格中每一个平行排列的直线方向称为方向称为晶向晶向（见下图）。（见下图）。第十六张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1616晶向晶向晶面晶面第十七张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1617l单晶生长按生长方向主要有两种，即单晶生长按生长方向主要有两种，即和和，目前在太阳能单晶的生产中，基本上，目前在太阳能单晶的生产中，基本上都是采用拉都是采用拉方向的，其特征为表面方向的，其特征为表面有四有四根对称的棱线。根对称的棱线。第十八张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1618型号型号 l半导体生长中按其掺入的杂质分
13、为二类，即半导体生长中按其掺入的杂质分为二类，即N型型和和P型型二种。二种。lN型型当硅中掺入当硅中掺入族元素的杂质（磷族元素的杂质（磷P，砷，砷As，锑，锑Sb等），这些杂质原子可以向硅提供等），这些杂质原子可以向硅提供一个自由电子，而本身成为带正电的离子，一个自由电子，而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质叫通常把这种杂质叫施主杂质施主杂质，当硅中掺有，当硅中掺有施主施主杂质杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种时，主要靠施主提供的电子导电，这种依依靠电子导电的半导体叫做靠电子导电的半导体叫做N型半导体型半导体，相应的，相应的杂质也叫做杂质也叫做N型杂质。型杂质。第十九张，PPT共三十三页
14、，创作于2022年6月2022/10/1619lP型型当硅中掺入当硅中掺入族元素的杂质（硼族元素的杂质（硼B，铝，铝Al，镓，镓Ga等），这些等），这些族杂质可以向硅提供一族杂质可以向硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质叫子，通常把这种杂质叫受主杂质受主杂质，当硅中掺有受，当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体型半导体，相应，相应的杂质也叫做的杂质也叫做P型杂质型杂质。第二十张，PPT共三十三页，创作于2022年6
15、月2022/10/1620l施主和受主杂质均称为施主和受主杂质均称为替位式杂质替位式杂质。l但事实上，一块半导体中常常同时含有施主和受但事实上，一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，主杂质，当施主数量超过受主时，半导体就是当施主数量超过受主时，半导体就是N型的型的，反之，反之，受主数量超过施主时则是受主数量超过施主时则是P型的。型的。l一般在一般在N型单晶的生产中，通常以型单晶的生产中，通常以掺磷掺磷为主，在为主，在P型单晶中以型单晶中以掺硼掺硼为主，目前太阳能单晶的生产为主，目前太阳能单晶的生产中，以中，以掺硼掺硼的的P型为主。型为主。第二十一张，PPT共三十三页，创作于2022年6月20
16、22/10/1621电阻率电阻率 l半导体生产中常用的一种参数，用字母半导体生产中常用的一种参数，用字母表示，表示，单位单位，它反映了半导体内杂质浓度的高低，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。和半导体材料导电能力的强弱。第二十二张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1622l常用半导体的电阻率主要分类有以下几种：常用半导体的电阻率主要分类有以下几种：l高阻高阻1560l中阻中阻615l低阻低阻0.16l轻掺轻掺0.090.1l重掺重掺0.0010.09l目前太阳单晶的生产中主要为目前太阳单晶的生产中主要为P型型0.53、P型型第二十三张，PPT共三十
17、三页，创作于2022年6月2022/10/1623少子寿命少子寿命 l半导体生产中的常用参数，用半导体生产中的常用参数，用 表示，单位微秒。表示，单位微秒。l在在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。数载流子。l在在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。数载流子。第二十四张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1624l寿命标志着少数载流子浓度减少到原值为寿命标志着少数载流子浓度减少到原值为 时所经历的时间，时所经历的时间，一般太阳能电池所需要的少一般太阳能电池所需要的少子寿命
18、子寿命t在微秒以上。在微秒以上。l何为载流子？何为载流子？l在半导体中，导电是靠电子和空穴的移动来完成在半导体中，导电是靠电子和空穴的移动来完成的，因此电子和空穴被统称为载流子。的，因此电子和空穴被统称为载流子。第二十五张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1625l何为多数载流子与少数载流子何为多数载流子与少数载流子?l在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等，在在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等，在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，P型型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载半导体中，空
19、穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和，流子简称多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和，少数载流子简称少子，只由本征激发产生少数载流子简称少子，只由本征激发产生。第二十六张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1626杂质补偿杂质补偿l在一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施主数在一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施主数量超过受主时，半导体就是量超过受主时，半导体就是N型的，反之，受主数量超过型的，反之，受主数量超过施主时则是施主时则是P型的。型的。l更具体地讲，在更具体地讲，在N型的半导体中，单位体积有型
20、的半导体中，单位体积有ND个施主，同个施主，同时还有时还有NA个受主，但个受主，但NANA时，半导体是时，半导体是N型型l当当NAND时，半导体是时，半导体是P型型l若NDNA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消，即称为高度补偿高度补偿。第二十八张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1628分凝分凝l杂质在晶体中，由于液态凝出的固相的化学成杂质在晶体中，由于液态凝出的固相的化学成分和液相不同，所以随着凝固的进行，液相成分和液相不同，所以随着凝固的进行，液相成分不断变化，因而先后凝出的固相成分也不同，分不断变化，因而先后凝出的固相成分也不同，这种现象称为
21、分凝现象。这种现象称为分凝现象。第二十九张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1629l例如：从掺杂的硅熔体中生长单晶，因为凝出的单晶例如：从掺杂的硅熔体中生长单晶，因为凝出的单晶含杂质较熔体为少，可是随着单晶生长，熔体中杂质含杂质较熔体为少，可是随着单晶生长，熔体中杂质浓度不断增加，由于这种原因，拉出的单晶中头部杂浓度不断增加，由于这种原因，拉出的单晶中头部杂质较少，尾部较多，这就是典型的杂质质较少，尾部较多，这就是典型的杂质分凝分凝现象。现象。l常用掺杂元素中的分凝系数：常用掺杂元素中的分凝系数：l硼（硼（B）0.8l磷（磷（P）0.35l锑（锑（Sb）0.02第三十张
22、，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1630位错位错l在晶体中，原子的排列发生错乱的区域称为位在晶体中，原子的排列发生错乱的区域称为位错。错。l在大多数情况下，发生位错的主要原因往往是在大多数情况下，发生位错的主要原因往往是在高温下，由于材料内的应力引起材料发生在高温下，由于材料内的应力引起材料发生范范性形变性形变，当硅在，当硅在700以上就由脆性转变为范以上就由脆性转变为范性，在应力作用下很容易发生范性形变，晶体性，在应力作用下很容易发生范性形变，晶体中的大量位错主要就是在这种高温范性形变中中的大量位错主要就是在这种高温范性形变中产生的。产生的。第三十一张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1631l晶体中的范性形变实际上是晶面和晶面间发生晶体中的范性形变实际上是晶面和晶面间发生了相对移动，称为了相对移动，称为滑移滑移。l位错主要分为位错主要分为“刃位错刃位错”、“螺位错螺位错”、“层错层错”一般将小于一般将小于3000/C的单晶称为无位错单晶。的单晶称为无位错单晶。第三十二张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/1632感感谢谢大大家家观观看看第三十三张，PPT共三十三页，创作于2022年6月2022/10/16