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1、太阳电池及其应用技术讲座（一）半 导 体 基 础 知 识谢建，马勇刚，廖华，苏庆益，李景天，杨丽娟（云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明6 5 0 0 9 2）中图分类号：T M 6 1 5文献标志码：B文章编号：1 6 1 7-5 2 9 2（2 0 0 7）0 1-0 1 0 2-0 41 硅晶体半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，电阻率大约为 1 0-5 1 07 c m，硅、锗、砷化镓和硫化镉等材料都是半导体。半导体材料的电阻率随着温度的升高和辐照强度的增大而减小；在半导体中加入微量的杂质（称为掺杂），对其导电性质有决定性的影响。这是半导体材料的重要特性。硅是最常见和应用最广的半导
2、体材料，硅的原子序数为 1 4，它的原子核外有 1 4 个电子，这些电子围绕着原子核作层状的分布运动，第一层 2个，第二层 8 个，还剩 4 个排在最外层，称为价电子，硅的物理化学性质主要由它们决定。硅晶体和所有的晶体一样，都是由原子（或离子、分子）在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，就称其为单晶体。在硅的晶体中，每个硅原子近邻有 4 个硅原子，每 2个相邻原子之间有一对电子，它们与 2 个相邻原子核都有相互作用，称为共价键。正是靠共价键的作用，使硅原子紧紧结合在一起，构成了晶体。由许多小颗粒单晶杂乱地排列在一
3、起的固体称为多晶体。非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，1 个硅原子仍有 4 个共价键，短程看是有序的，长程是无序的，这样的材料称为非晶体。2 掺杂半导体实际使用的半导体都掺有少量的某种杂质，这里所指的“杂质”是有选择的。如果在纯净的硅中掺入少量的五价元素磷，这些磷原子在晶格中取代硅原子，并用它的 4 个价电子与相邻的硅原子进行共价结合。磷有 5 个价电子，用去 4 个还剩 1 个，这个多余的价电子虽然没有被束缚在价键里面，但仍受到磷原子核的正电荷的吸引。不过，这种吸引力很弱，只要很少的能量就可以使它脱离磷原子到晶体内成为自由电子，从而产生电子导电运动。同时，磷原子缺少1 个电子而
4、变成带正电的磷离子。由于磷原子在晶体中起着施放电子的作用，所以把磷等五价元素叫做施主型杂质（或叫 n 型杂质）。在掺有五价元素（即施主型杂质）的半导体中，电子的数目远远大于空穴的数目，半导体的导电主要是由电子来决定，导电方向与电场方向相反，这样的半导体叫做电子型半导体或 n 型半导体。如果在纯净的硅中掺入少量的三价元素硼，它的原子只有 3 个价电子，当硼和相邻的 4 个硅原子作共价结合时，还缺少 1 个电子，要从其中 1个硅原子的价键中获取 1 个电子填补，这样就在硅中产生了一个空穴，硼原子接受了一个电子而成为带负电的硼离子。硼原子在晶体中起着接受电子而产生空穴的作用，所以叫做受主型杂质（或叫
5、 p 型杂质）。在含有三价元素（即受主型杂质）的半导体中，空穴的数目远远超过电子的数目，半导收稿日期：2 0 0 7-0 1-1 5。作者简介：谢建（1 9 5 5-），男，云南剑川人，教授，硕士研究生导师，从事可再生能源技术研究和教学工作。E-m a i l：x i e j i a n 9 1 2 6.c o m可再生能源R e n e w a b l e E n e r g yR e s o u r c e s第 2 5 卷 第 1 期2 0 0 7 年 2 月V o l.2 5N o.1F e b.2 0 0 7体的导电主要是空穴决定的，导电方向与电场方向相同，这样的半导体叫做空穴型半导
6、体或 p 型半导体。图 1 是 n 型和 p 型硅晶体结构示意图。在单位体积（c m3）中，电子或空穴的数目叫做“载流子浓度”，它决定着半导体电导率的大小。没有掺杂的半导体称为本征半导体，其中电子和空穴的浓度是相等的。在含有杂质和晶格缺陷的半导体中，电子和空穴的浓度不相等。把数目较多的载流子叫做“多数载流子”，简称“多子”；把数目较少的载流子叫做“少数载流子”，简称“少子”。例如，n 型半导体中，电子是“多子”，空穴是“少子”，p 型半导体中则相反。3 导体中电子的能级和能带图物质是由原子构成的，而原子是由原子核及围绕原子核运动的电子所组成。电子在原子核周围运动时，每一层轨道上的电子都有确定的
7、能量。最里层轨道的电子距原子核距离最近，受原子核的束缚最强，相应的能量最低；第二层轨道具有较大的能量；越外层的电子受原子核的束缚越弱，能量越大。图 2 是单个硅原子的电子能级示意图，字母 E表示能量，脚注 l，2，3表示电子轨道层数，括号中的数字表示该轨道上的电子数。图中表明，每层电子轨道都有一个对应的能级。不存在具有两层轨道中间的能量状态的电子。以人造卫星绕地球的环行运动作一个比喻。越外层的电子轨道相当于越高的人造卫星轨道，若把人造卫星送到更高的轨道上去，必须给它更大的能量，这就是说，轨道越高，能量也越高。为了形象地表示电子在原子中的运动状态，用一系列高低不同的水平横线来表示电子运动所能取的
8、能量值，这些横线就是标志电子能量高低的电子能级。在晶体中，原子之间的距离很近，相邻原子的电子轨道相互交迭，互相作用。这些由很多条能量相差很小的电子能级形成一个“能带”。图 3表示了单个原子的每个电子能级对应的能带。外层的电子由于受相邻原子的影响较大，它所对应的能带较宽；内层电子互相影响小，它所对应的能带较窄。电子在每个能带中的分布通常是先填满能量较低的能级，然后逐步填充较高的能级。内层电子能级所对应的能带都是被电子填满的，最外层价电子能级所对应的能带，能否被填满，主要取决于晶体的种类。如铜、银、金等金属晶体，它们的价电子能带有一半的能级是空的，而硅、锗等的价电子能带全被电子填满。4 禁带、价带
9、和导带晶体中的电子不存在 2 个能带中间的能量状态，即电子只能在各能带内运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域叫做“禁带”。电子的定向运动就形成电流。这种运动是因为它受到外电场的作用，使电子获得了附加的能量，电子能量增大，就有可能使电子从较低的能带跃迁到较高的能带。完全被电子填满的能带，称为“满带”；最高的满带容纳价电子，称为“价带”；价带上面完全没有电子的称为“空带”。有的能带只有部分能级上有电子，一部分能级是空的。这种部分填充的能带，在外电场的作用下，可以产生电流。没有被电子填满、处于最高满带上的一个能带称为“导带”。图 4所示的是导体、半导（1）n 型硅晶体（2）p 型硅晶体图 1
10、n 型硅晶体和 p 型硅晶体结构图自由电子n 型掺杂原子空穴p 型掺杂原子图 3 单原子的电子能级对应的固体能带能级能级能级能带禁带能带禁带能带图 2 硅原子的电子能级示意图E5E4E3（4）E2（8）E1（2）谢建，等半导体基础知识1 0 3可再生能源2 0 0 7，2 5（1）1 0 4体、绝缘体的能带图。由图 4（b）看出，价电子要从价带越过禁带跳跃到导带里去参加导电运动，必须从外界获得大于或等于 Eg的附加能量，Eg的大小就是导带底部与价带顶部之间的能量差,称为“禁带宽度”或“带隙”。禁带宽度的常用单位是 e V。在室温下,硅的禁带宽度为 1.1 2 e V，这就是说，由外界给予价带里
11、的电子 1.1 2 e V的能量，电子就有可能越过禁带跳跃到导带里。半导体的禁带宽度比金属大，但却远小于绝缘体。半导体在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的，此时它与绝缘体一样不能导电。当温度高于绝对零度时，晶体内部产生热运动，使价带中少量电子获得足够的能量，跳跃到导带（这个过程叫做激发），此时半导体就具有一定的导电能力。激发到导带的电子数目是由温度和晶体的禁带宽度决定的。温度越高，激发到导带的电子越多，导电性越好；温度相同，禁带宽度小的晶体激发到导带的电子就多，导电性就好。在掺杂半导体中，杂质原子的能级处于禁带之中，形成杂质能级。五价杂质原子形成施主能级，位于导带的下面；三价杂质原子形成受主
12、能级，位于价带的上面（图 5）。施主（或受主）能级上的电子（或空穴）跳跃到导带（或价带）中去的过程称为电离。电离过程所需的能量就是电离能。必须注意，所谓空穴从受主能级激发到价带的过程，实际上就是电子从价带激发到受主能级中去的过程。由于它们的电离能很小，施主能级距离导带底和受主能级距离价带顶都十分近。在一般的使用温度下，n 型半导体中的施主杂质或 p 型半导体中的受主杂质几乎全部电离。5 电子和空穴晶格完整且不含杂质的半导体称为本征半导体。半导体在绝对零度时，电子填满价带，导带是空的。此时的半导体和绝缘体的情况相同，不能导电。当温度高于绝对零度时，价电子在热激发下有可能克服共价键束缚从价带跃迁到
13、导带，使其价键断裂。电子从价带跃迁到导带后，在价带中留下一个空位，称为空穴，具有一个断键的硅晶体如图6 所示。空穴能被相邻满键上的电子填充而出现新的空穴，价带中的空穴被相邻的价电子填充而产生新的空穴的重复过程，可以比较简单地描述成空穴在晶体内的移动，这种移动相当于电子在价带中的运动。我们也可以把空穴看成是带正电的物质粒子，所带电荷与电子相等，符号相反。自由电子和空穴在晶体内的运动都是无规则的，并不能产生电流。如果有电场存在，自由电子将沿着电场方向的相反方向运动，空穴则与电场同方向运动，半导体就是靠导带的电子和价带空穴的定向移动来形成电流的，电子和空穴都被称为载流子。半导体的本征导电能力很小，它
14、是由电子和空穴 2 种载流子传导电流，而在金属中仅有自由电子一种载流子传导电流。为便于理解，我们用一个理想化的两层停车场来对半导体中电流流动的过程作一个简单的模拟描述。如图 7（a）所示，用汽车代表电子，下层车库表示价带，上层车库表示导带。下层车库完全被汽车填满，而上层车库完全空着。下层因为没有供汽车移动的余地，任何一辆车都不能运动。如果如图 7（b）所示，一辆车从下层移到了上层，那么这辆汽车在上层就可任意移动。这辆汽车相当于半导体中从价带跃迁到导带的电子。现在，在下层中存在一个空位，空位旁的汽车可移动到空位上去，相当于空位也在移动。6 载流子的产生、复合和输运由于晶格的热振动，电子不断从价带
15、被“激发”到导带，形成一对电子和空穴。这就是载流子产生的过程。不存在电场时，电子和空穴在晶格中作无规则运动，电子和空穴常常碰在一起，即电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子和空穴对就随之消失。这种现象叫做电子和空穴的复合，即载流子复合。按能带论的观点，复合就是导带中的电子落进价带的空能级，使一对电子和空穴消失。在一定的温度下，晶体内不断产生电子和空穴，电子和空穴不断复合，如果没有外来的光、电、热的影响，那么，单位时间内产生和复合的电子、空穴数目达到相对平衡,晶体的总载流子浓度保持不变，这叫做热平衡状态。在外界因素的作用下（例如，n 型硅受到光照），价带中的电子吸收光子能量跳入导带，在价带中留下等量空穴，电子和空穴的产生率就大于复合率。这些多于平衡浓度的光生电子和空穴称为非平衡载流子。由光照而产生的非平衡载流子称为光生载流子。半导体中存在能够导电的自由电子和空穴，这些载流子有 2 种输运方式：漂移运动和扩散运动。载流子在热平衡时作不规则的热运动，运动方向不断改变，平均位移等于零，不会形成电流，这种现象叫做散射运动。在外加电场的作用下，导体中的载流子按照一定方向的运动，形成电流，称为漂移运动。（连载待续）谢建，等半导体基础知识1 0 5