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1、半导体硅光伏基础知识第1页，本讲稿共15页一、半导体在化学元素表中的一、半导体在化学元素表中的 位置和结构位置和结构 HHiLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTiPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUubUutUuqUupUuhUusUuo CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr第2页，本讲稿共1
2、5页1、物质的分类 自然界中的物质可分为气体、液体、固体、等离子体 4 种基本形态。在固体材料中，根据其导电性能的差异，又可分为金属、半导体和绝缘体。例如，铜、铝、金、银等金属；它们的导电本领都很大，是良好的导体；橡胶、塑料、电木等导电本领很小，是绝缘体；制造半导体器件的主要材料硅、锗、砷化镓等，它们的导电本领比导体小而比绝缘体大，叫做半导体。第3页，本讲稿共15页2、半导体的定义 物体导电本领的大小可用电阻率来表示。半导体的电阻率在10-9 103cm之间，在这个电阻率范围之外的分别是导体和绝缘体。导体的电阻率：104-106，绝缘体的电阻率：10-22-10-10。常见的半导体材料有元素半
3、导体和化合物半导体。第4页，本讲稿共15页3、半导体：硅 有关半导体材料的研究开始于19世纪初。多年以来许多半导体已被研究过。在周期表第IV族中的元素如硅（Si）、锗（Ge）都是由单一原子所组成的元素半导体。在20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料。但自60年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生。经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉。在二氧化硅及硅酸盐中的硅含量占地表的25%，仅次于氧。到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟
4、的半导体元素。第5页，本讲稿共15页4、半导体的其它性质 半导体的导电性能非常灵敏地依赖于外界条件、材料的纯度以及晶体结构的完整性等。半导体的导电性能所以有上述特点是由半导体内部特殊的微观结构所决定的。半导体还有其他许多特殊的性质，如光生伏特效应，半导体在电场和磁场中表现出来的霍尔效应、磁阻效应，以及在对半导体施加压力时产生的压阻效应等。这些性质与半导体的电子状态、运动特点及能带都有密切的关系。第6页，本讲稿共15页半导体中的杂质和p-n结1、半导体中的杂质 化学成分纯净的半导体成为本征半导体。前面已经提到，在纯硅中掺入61015/cm3 的杂质磷或锑，即在硅中掺入千万分之一的杂质，就能使它的
5、电阻率从 2.15105cm 减小到1 cm，降低了 20 万倍。即在半导体中，杂质可根本性地改变它的电性能。第7页，本讲稿共15页2、杂质的来源、杂质的来源 由于制备半导体材料的技术水平和能力有限，总不可避免地使半导体中存在有没用的杂质（非、族），如铁、碳、氧等，成为有害杂质。而有些杂质是生产过程中故意掺入的，如掺入适量的磷或者硼（、族）等，以有效改善和利用半导体的电学性能。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入五价元素的杂质（鳞、锑或砷）可形成N型半导体，掺入三价元素的杂质（如硼，镓、铟或铝）可形成P型半导体。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体第8页，本讲稿共15页第9页，本讲稿共15页1.
6、2.4单晶硅与多晶硅的区别单晶硅与多晶硅的区别单晶硅内部硅原子都是按一定的周期排列的，晶面均一，电性能稳定，且易控制，晶体缺陷较少。多晶硅是由多个小单晶无规则的堆积而成的，晶面杂乱，电性能不稳定，且不易控制；存在大量的晶体缺陷，晶粒间界含有大量杂质，成为复合中心。第10页，本讲稿共15页 硅作为最常见的半导体材料，位于元素周期表中的第主族，其特点是原子的最外层有4个价电子。硅的原子序数为14，其原子的原子核外电子排布为2-8-4，硅晶体靠共价键结合，晶格结构属于正四面体的金刚石结构。4、硅简介第11页，本讲稿共15页二、半导体的特殊性质和 能带理论1、半导体的电阻率对温度的反应灵敏。纯净半导体
7、的电阻率随温度变化很显著，而且电阻率随温度升高而下降。例如纯锗，当温度从20升高到30时，电阻率就降低一半左右。而金属的电阻率随温度的变化比较小，而且随温度升高电阻率增大。第12页，本讲稿共15页2、微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率 微量的杂质能显著地改变半导体的电阻率。例如在纯硅中掺入61015/cm3 的杂质磷或锑，即在硅中掺入千万分之一的杂质，就能使它的电阻率从 2.15105cm 减小到1 cm，降低了 20 万倍。晶格结构的完整与否也会对半导体导电性能有极大的影响。因此在制作半导体器件时除人为地在半导体中掺入有用杂质来控制半导体的导电性外，还要
8、严格防止一些有害杂质对半导体的沾污，以免改变半导体的导电性能。但金属中含有少量杂质时，看不出电阻率会有什么显著的变化。第13页，本讲稿共15页3、适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。适当的光照可使半导体的电阻率显著改变。当某种频率的光照射半导体时，会使半导体的电阻率显著下降，这种现象叫光电导。自动控制中用到的光敏电阻就是利用半导体的光电导特性来制成的。但是，金属的电阻率不受光照影响。第14页，本讲稿共15页光伏效应 当光从n区表面照射光电池时，满足hEg的光子可以激发价带的电子到导带，形成电子空穴对，由于光在电池表面很薄的一层内被吸收，产生的非平衡载流子通过扩散向体内运动，一边扩散，一边复合。在稳定光照下，将在电池体内建立起稳定的非平衡载流子分布。光照产生的电子空穴对如果在p-n结附近一个扩散长度内，就有可能在复合前到达p-n结的强电场区域。强电场将电子扫到n区，将空穴扫到p区，使n区带负电，形成负极，p区带正电，形成正极。这种现象称为光生伏特效应。如果有外电路与电池的正负极相连，就会形成稳定的电流。第15页，本讲稿共15页