半導體的基本知識(講義)

2023/2/31半導體的基本知識（講義）２００７年８月2023/2/32前言隨著世界范圍內的能源緊張，在可以預計的將來，石油和煤炭將資源枯竭，同時那種既消耗資源又產生污染的能源生產方法最終將被人類所淘汰，太陽能這種取之不盡，用之不竭的新型能源已經被人類所認識和發(fā)展。2023/2/33近年來，世界各國都已將太陽能光伏產業(yè)作為新型能源來發(fā)展，我們國家近年來也涌現(xiàn)出許多從事研究和生產太陽能光伏產業(yè)的企業(yè)。目前，用于生產太陽能電池的主要材料為單晶硅，俗稱太陽能單晶硅。下面就半導體單晶硅的一些基本知識作如下講述：2023/2/34導體、絕緣體、半導體的區(qū)別導體——凡能導電的物質均為導體，如金屬類物質，常有的為金、銀、銅、鐵、鋁等,它們的電阻率一般在10*E-4歐姆厘米以下。絕緣體——凡不能導電的物質均為絕緣體，生活中常有的物質有橡膠，塑料，木材，玻璃，陶瓷等都是不能導電的絕緣體，它們的電阻率在10*E9歐姆厘米以上。2023/2/35半導體——在導體和絕緣體之間還有一種被稱為半導體的物質。主要有硅、鍺、砷化鎵、銻化錮、磷化鎵、磷化錮等。其中硅和鍺為單一元素的半導體，而砷化鎵等為化合物半導體。2023/2/36半導體的特征（我們僅以硅例）半導體具有以下一些特征：半導體的導電性能可以通過摻入微量的雜質（簡稱“摻雜”）來控制，加入微量雜質能顯著改變半導體的導電能力，這是半導體能夠制成各種器件，從而獲得廣泛應用的一個重要原因。2023/2/37為了說明微量雜質對半導體導電能力的影響，現(xiàn)舉例說明：如我們要拉制目標電阻率為P型0.5～2的太陽能單晶，采用原料為N型電阻率大于20，投料80kg，母合金電阻率為10E-3，經計算80kg投料需要摻入母合金數(shù)量為10.32g。2023/2/38溫度光照和電阻變化對半導體的導電性能起著很大的作用。硅的熔點1420℃硅的比重為2.33克/立方厘米本征——指半導體本身的性質以區(qū)別于外來摻雜的影響，而完全靠半導體本身提供載流子的狀況，理論上本征半導體是純凈的，事實上在未摻雜的半導體中，純只是相對的。2023/2/39有兩種載流子參加導電——在半導體中，參與導電的載流子有兩種，即“電子”與“空穴”，而且同一種半導體材料，既可以形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。2023/2/310半導體的一些常用名稱的

表述及含義晶體和非晶體晶體通常有規(guī)則的幾何形狀，生活中鹽就是典型的立方體晶體結構，而蠟，塑料等都沒有規(guī)則的形狀均都不能稱作晶體晶體具有固定的熔點如硅的熔1420℃，在熔化過程中是等溫的，一旦完全熔化后溶液溫度會迅速上升，其熔化的溫度曲線為（見下圖）：2023/2/311Tt1600℃1420℃60分300分等溫區(qū)升溫區(qū)升溫區(qū)2023/2/312晶體具有各向異性，對稱性，解理面各向異性為晶體的機械，電學，熱學，光學等物理和化學性質隨方向不同而不同。晶體生長中的對稱性具體表現(xiàn)為晶棒表面會長有對稱的棱線。2023/2/313如果平行于兩根棱線之間劃片，則片子能很順利地沿線脆裂，并得到光直的邊緣，如果沿其他方向劃片其效果會截然不同。這種容易沿某些晶面劈裂的特性稱為解理性，而這些容易劈裂的晶面叫做解理面。2023/2/314單晶體和多晶體單晶體——單晶體內的原子都按同一規(guī)律同一方向有序地周期性的排列，在單晶生長中具體表現(xiàn)為有棱線生長。2023/2/315多晶體——多晶體則有許多取向不同的單晶體（或稱晶粒）組成，多晶體內的原子在局部范圍內呈規(guī)則排列，但不同局部區(qū)域中原子排列的方向不同，呈雜亂無序狀態(tài)。如在單晶生長中原有正常晶體受外界影響如摻入雜質所致，則原正常生長的單晶受到破壞而成為多晶狀態(tài)，具體表現(xiàn)為原有的棱線消失，晶體表面呈現(xiàn)無規(guī)則雜亂的跡象。2023/2/316晶向

晶體中由位于同一平面的原子所組成的平面稱為晶面，晶格中每一個平行排列的直線方向稱為晶向（見下圖）。2023/2/317<100>晶向<100>晶面2023/2/318單晶生長按生長方向主要有兩種，即<111>和<100>，目前在太陽能單晶的生產中，基本上都是采用拉<100>方向的，其特征為表面有四根對稱的棱線。2023/2/319型號

半導體生長中按其摻入的雜質分為二類，即N型和P型二種。N型——當硅中摻入Ⅴ族元素的雜質（磷P，砷As，銻Sb等），這些雜質原子可以向硅提供一個自由電子，而本身成為帶正電的離子，通常把這種雜質叫施主雜質，當硅中摻有施主雜質時，主要靠施主提供的電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做N型半導體，相應的雜質也叫做N型雜質。2023/2/320P型——當硅中摻入Ⅲ族元素的雜質（硼B(yǎng)，鋁Al，鎵Ga等），這些Ⅲ族雜質可以向硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負電的離子，通常把這種雜質叫受主雜質，當硅中摻有受主雜質時，主要靠受主提供的空穴導電，這種依靠空穴導電的半導體叫做P型半導體，相應的雜質也叫做P型雜質。2023/2/321施主和受主雜質均稱為替位式雜質。但事實上，一塊半導體中常常同時含有施主和受主雜質，當施主數(shù)量超過受主時，半導體就是N型的，反之，受主數(shù)量超過施主時則是P型的。一般在N型單晶的生產中，通常以摻磷為主，在P型單晶中以摻硼為主，目前太陽能單晶的生產中，以摻硼的P型為主。

2023/2/322電阻率

半導體生產中常用的一種參數(shù)，用字母ρ表示，單位Ω㎝，它反映了半導體內雜質濃度的高低和半導體材料導電能力的強弱。2023/2/323常用半導體的電阻率主要分類有以下幾種：高阻15～60中阻6～15低阻0.1～6輕摻0.09～0.1重摻0.001～0.09目前太陽單晶的生產中主要為P型0.5～3、P型３～６2023/2/324少子壽命

半導體生產中的常用參數(shù)，用表示，單位微秒。在N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。在P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。2023/2/325壽命標志著少數(shù)載流子濃度減少到原值為１／時所經歷的時間，一般太陽能電池所需要的少子壽命t在１０微秒以上。何為載流子？在半導體中，導電是靠電子和空穴的移動來完成的，因此電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。2023/2/326何為多數(shù)載流子與少數(shù)載流子?在雜質半導體中，電子與空穴的濃度不再相等，在N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，P型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。多數(shù)載流子簡稱多子，是雜質激發(fā)載流子與本征激發(fā)載流子之和，少數(shù)載流子簡稱少子，只由本征激發(fā)產生。2023/2/327雜質補償在一塊半導體中常常同時含有施主和受主雜質，當施主數(shù)量超過受主時，半導體就是N型的，反之，受主數(shù)量超過施主時則是P型的。更具體地講，在N型的半導體中，單位體積有ND個施主，同時還有NA個受主，但NA<ND，這時施主放出的ND個電子將有NA個去填補受主造成的缺位，所以只余下ND-NA個電子成為供電的載流子，這種受主和施主在導電性上相互抵消的現(xiàn)象叫做雜質的“補償”。2023/2/328在有“補償”的情況下，決定導電能力的是施主和受主濃度之差，同樣，受主濃度的NA大于施主濃度ND的情形也是完全類似的。由于補償只余下NA-ND個空穴成為導電的載流子。即當ND>NA時，半導體是N型當NA>ND時，半導體是P型若ND≈NA，施主雜質產生的電子與受主雜質產生的空穴剛好全部復合而抵消，即稱為高度補償。2023/2/329分凝雜質在晶體中，由于液態(tài)凝出的固相的化學成分和液相不同，所以隨著凝固的進行，液相成分不斷變化，因而先后凝出的固相成分也不同，這種現(xiàn)象稱為分凝現(xiàn)象。2023/2/330例如：從摻雜的硅熔體中生長單晶，因為凝出的單晶含雜質較熔體為少，可是隨著單晶生長，熔體中雜質濃度不斷增加，由于這種原因，拉出的單晶中頭部雜質較少，尾部較多，這就是典型的雜質分凝現(xiàn)象。常用摻雜元素中的分凝系數(shù)：硼（B）0.8磷（P）0.35銻（Sb）0.022023/2/331位錯在晶體中，原子的排列發(fā)生錯亂的區(qū)域稱為位錯。在大多數(shù)情況下，發(fā)生位錯的主要原因往往是在高溫下，由于材料內的應力引起材料發(fā)生范性形變，當硅在700℃以上就由脆性轉變?yōu)榉缎?，在應力作用下很容易發(fā)生范性形變，晶體中的大量位錯主要就是在這種高溫范性形變中產生的。2023/2/332晶體中的范性形變實際上是晶面和晶面間發(fā)生了相對移動，稱為滑移。位錯