半導(dǎo)體硅光伏基礎(chǔ)知識

1、第一部分：基 礎(chǔ) 理 論半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體在化學(xué)元素表中的位置和結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)和能帶理論 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和p-n結(jié) 硅的基礎(chǔ)知識硅的結(jié)構(gòu)和能帶及其在半導(dǎo)體中的位置 硅的物理及化學(xué)性質(zhì) 單晶硅與多晶硅的區(qū)別 光伏效應(yīng)1一、半導(dǎo)體在化學(xué)元素表中的 位置和結(jié)構(gòu) 21、物質(zhì)的分類 自然界中的物質(zhì)可分為氣體、液體、固體、等離子體 4 種基本形態(tài)。在固體材料中，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異，又可分為金屬、半導(dǎo)體和絕緣體。例如，銅、鋁、金、銀等金屬；它們的導(dǎo)電本領(lǐng)都很大，是良好的導(dǎo)體；橡膠、塑料、電木等導(dǎo)電本領(lǐng)很小，是絕緣體；制造半導(dǎo)體器件的主要材料硅、鍺、砷化鎵等，它們的導(dǎo)電本領(lǐng)比導(dǎo)體小而比絕緣體大，叫

2、做半導(dǎo)體。32、半導(dǎo)體的定義 物體導(dǎo)電本領(lǐng)的大小可用電阻率來表示。半導(dǎo)體的電阻率在10-9 103cm之間，在這個(gè)電阻率范圍之外的分別是導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的電阻率：104-106，絕緣體的電阻率：10-22-10-10。 常見的半導(dǎo)體材料有元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。43、半導(dǎo)體：硅 有關(guān)半導(dǎo)體材料的研究開始于19世紀(jì)初。多年以來許多半導(dǎo)體已被研究過。在周期表第IV族中的元素如硅（Si）、鍺（Ge）都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體。在20世紀(jì)50年代初期，鍺曾是最主要的半導(dǎo)體材料。但自60年代初期以來，硅已取而代之成為半導(dǎo)體制造的主要材料?，F(xiàn)今我們使用硅的主要原因，乃是因?yàn)楣杵骷谑覝叵掠休^佳，

3、且高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生。經(jīng)濟(jì)上的考慮也是原因之一，可用于制造器件等級的硅材料，遠(yuǎn)比其他半導(dǎo)體材料價(jià)格低廉。在二氧化硅及硅酸鹽中的硅含量占地表的25%，僅次于氧。到目前為止，硅可說是周期表中被研究最多且技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體元素。54、半導(dǎo)體的其它性質(zhì) 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能非常靈敏地依賴于外界條件、材料的純度以及晶體結(jié)構(gòu)的完整性等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能所以有上述特點(diǎn)是由半導(dǎo)體內(nèi)部特殊的微觀結(jié)構(gòu)所決定的。 半導(dǎo)體還有其他許多特殊的性質(zhì)，如光生伏特效應(yīng)，半導(dǎo)體在電場和磁場中表現(xiàn)出來的霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)，以及在對半導(dǎo)體施加壓力時(shí)產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)等。這些性質(zhì)與半導(dǎo)體的電子狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及能帶都有密切的

4、關(guān)系。6半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和p-n結(jié)1、半導(dǎo)體中的雜質(zhì) 化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體成為本征半導(dǎo)體。前面已經(jīng)提到，在純硅中摻入61015 /cm3 的雜質(zhì)磷或銻，即在硅中摻入千萬分之一的雜質(zhì)，就能使它的電阻率從 2.15105cm 減小到1 cm ，降低了 20 萬倍。即在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)可根本性地改變它的電性能。 72、雜質(zhì)的來源 由于制備半導(dǎo)體材料的技術(shù)水平和能力有限，總不可避免地使半導(dǎo)體中存在有沒用的雜質(zhì)（非、族），如鐵、碳、氧等，成為有害雜質(zhì)。而有些雜質(zhì)是生產(chǎn)過程中故意摻入的，如摻入適量的磷或者硼（、族）等，以有效改善和利用半導(dǎo)體的電學(xué)性能。 摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入五價(jià)元素的雜質(zhì)（鱗、

5、銻或砷）可形成N型半導(dǎo)體，摻入三價(jià)元素的雜質(zhì)（如硼，鎵、銦或鋁）可形成P型半導(dǎo)體。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體81.2.4單晶硅與多晶硅的區(qū)別單晶硅內(nèi)部硅原子都是按一定的周期排列的，晶面均一，電性能穩(wěn)定，且易控制，晶體缺陷較少。多晶硅是由多個(gè)小單晶無規(guī)則的堆積而成的，晶面雜亂，電性能不穩(wěn)定，且不易控制；存在大量的晶體缺陷，晶粒間界含有大量雜質(zhì)，成為復(fù)合中心。9 硅作為最常見的半導(dǎo)體材料，位于元素周期表中的第主族，其特點(diǎn)是原子的最外層有4個(gè)價(jià)電子。硅的原子序數(shù)為14，其原子的原子核外電子排布為2-8-4，硅晶體靠共價(jià)鍵結(jié)合，晶格結(jié)構(gòu)屬于正四面體的金剛石結(jié)構(gòu)。 4、硅簡介10二、半導(dǎo)體的特殊

6、性質(zhì)和 能帶理論1、半導(dǎo)體的電阻率對溫度的反應(yīng)靈敏。 純凈半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化很顯著，而且電阻率隨溫度升高而下降。例如純鍺，當(dāng)溫度從20升高到30時(shí)，電阻率就降低一半左右。而金屬的電阻率隨溫度的變化比較小，而且隨溫度升高電阻率增大。 112、微量的雜質(zhì)能顯著地改變半導(dǎo)體的電阻率 微量的雜質(zhì)能顯著地改變半導(dǎo)體的電阻率。例如在純硅中摻入61015 /cm3 的雜質(zhì)磷或銻，即在硅中摻入千萬分之一的雜質(zhì)，就能使它的電阻率從 2.15105cm 減小到1 cm ，降低了 20 萬倍。晶格結(jié)構(gòu)的完整與否也會(huì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能有極大的影響。因此在制作半導(dǎo)體器件時(shí)除人為地在半導(dǎo)體中摻入有用雜質(zhì)來控制半導(dǎo)體的

7、導(dǎo)電性外，還要嚴(yán)格防止一些有害雜質(zhì)對半導(dǎo)體的沾污，以免改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。但金屬中含有少量雜質(zhì)時(shí)，看不出電阻率會(huì)有什么顯著的變化。123、適當(dāng)?shù)墓庹湛墒拱雽?dǎo)體的電阻率顯著改變。 適當(dāng)?shù)墓庹湛墒拱雽?dǎo)體的電阻率顯著改變。當(dāng)某種頻率的光照射半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)使半導(dǎo)體的電阻率顯著下降，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)。自動(dòng)控制中用到的光敏電阻就是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性來制成的。但是，金屬的電阻率不受光照影響。13光伏效應(yīng) 當(dāng)光從n區(qū)表面照射光電池時(shí)，滿足hEg的光子可以激發(fā)價(jià)帶的電子到導(dǎo)帶，形成電子空穴對 ，由于光在電池表面很薄的一層內(nèi)被吸收，產(chǎn)生的非平衡載流子通過擴(kuò)散向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一邊擴(kuò)散 ，一邊復(fù)合。在穩(wěn)定光照下，將在電池體內(nèi)建立起穩(wěn)定的非平衡載流子分布。 光照產(chǎn)生的電子空穴對如果在p-n結(jié)附近