半導(dǎo)體的基本知識(shí)(講義)

2023/2/31半導(dǎo)體的基本知識(shí)（講義）２００７年８月2023/2/32前言隨著世界范圍內(nèi)的能源緊張，在可以預(yù)計(jì)的將來(lái)，石油和煤炭將資源枯竭，同時(shí)那種既消耗資源又產(chǎn)生污染的能源生產(chǎn)方法最終將被人類所淘汰，太陽(yáng)能這種取之不盡，用之不竭的新型能源已經(jīng)被人類所認(rèn)識(shí)和發(fā)展。2023/2/33近年來(lái)，世界各國(guó)都已將太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)作為新型能源來(lái)發(fā)展，我們國(guó)家近年來(lái)也涌現(xiàn)出許多從事研究和生產(chǎn)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的企業(yè)。目前，用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的主要材料為單晶硅，俗稱太陽(yáng)能單晶硅。下面就半導(dǎo)體單晶硅的一些基本知識(shí)作如下講述：2023/2/34導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別導(dǎo)體——凡能導(dǎo)電的物質(zhì)均為導(dǎo)體，如金屬類物質(zhì)，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(dǎo)電的物質(zhì)均為絕緣體，生活中常有的物質(zhì)有橡膠，塑料，木材，玻璃，陶瓷等都是不能導(dǎo)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(dǎo)體——在導(dǎo)體和絕緣體之間還有一種被稱為半導(dǎo)體的物質(zhì)。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(dǎo)體，而砷化鎵等為化合物半導(dǎo)體。2023/2/36半導(dǎo)體的特征（我們僅以硅例）半導(dǎo)體具有以下一些特征：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以通過(guò)摻入微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱“摻雜”）來(lái)控制，加入微量雜質(zhì)能顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這是半導(dǎo)體能夠制成各種器件，從而獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。2023/2/37為了說(shuō)明微量雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的影響，現(xiàn)舉例說(shuō)明：如我們要拉制目標(biāo)電阻率為P型0.5～2的太陽(yáng)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(jīng)計(jì)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(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能起著很大的作用。硅的熔點(diǎn)1420℃硅的比重為2.33克/立方厘米本征——指半導(dǎo)體本身的性質(zhì)以區(qū)別于外來(lái)?yè)诫s的影響，而完全靠半導(dǎo)體本身提供載流子的狀況，理論上本征半導(dǎo)體是純凈的，事實(shí)上在未摻雜的半導(dǎo)體中，純只是相對(duì)的。2023/2/39有兩種載流子參加導(dǎo)電——在半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的載流子有兩種，即“電子”與“空穴”，而且同一種半導(dǎo)體材料，既可以形成以電子為主的導(dǎo)電，也可以形成以空穴為主的導(dǎo)電。2023/2/310半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，而蠟，塑料等都沒(méi)有規(guī)則的形狀均都不能稱作晶體晶體具有固定的熔點(diǎn)如硅的熔1420℃，在熔化過(guò)程中是等溫的，一旦完全熔化后溶液溫度會(huì)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(duì)稱性，解理面各向異性為晶體的機(jī)械，電學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì)隨方向不同而不同。晶體生長(zhǎng)中的對(duì)稱性具體表現(xiàn)為晶棒表面會(huì)長(zhǎng)有對(duì)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(huì)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(nèi)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(zhǎng)中具體表現(xiàn)為有棱線生長(zhǎng)。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(nèi)的原子在局部范圍內(nèi)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(wú)序狀態(tài)。如在單晶生長(zhǎng)中原有正常晶體受外界影響如摻入雜質(zhì)所致，則原正常生長(zhǎng)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(wú)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(gè)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(zhǎng)按生長(zhǎng)方向主要有兩種，即<111>和<100>，目前在太陽(yáng)能單晶的生產(chǎn)中，基本上都是采用拉<100>方向的，其特征為表面有四根對(duì)稱的棱線。2023/2/319型號(hào)

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

2023/2/322電阻率

半導(dǎo)體生產(chǎn)中常用的一種參數(shù)，用字母ρ表示，單位Ω㎝，它反映了半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度的高低和半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱。2023/2/323常用半導(dǎo)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?fù)?.001～0.09目前太陽(yáng)單晶的生產(chǎn)中主要為P型0.5～3、P型３～６2023/2/324少子壽命

半導(dǎo)體生產(chǎn)中的常用參數(shù)，用表示，單位微秒。在N型半導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)志著少數(shù)載流子濃度減少到原值為１／時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，一般太陽(yáng)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(dǎo)體中，導(dǎo)電是靠電子和空穴的移動(dòng)來(lái)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(zhì)半導(dǎo)體中，電子與空穴的濃度不再相等，在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，P型半導(dǎo)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(jiǎn)稱多子，是雜質(zhì)激發(fā)載流子與本征激發(fā)載流子之和，少數(shù)載流子簡(jiǎn)稱少子，只由本征激發(fā)產(chǎn)生。2023/2/327雜質(zhì)補(bǔ)償在一塊半導(dǎo)體中常常同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，當(dāng)施主數(shù)量超過(guò)受主時(shí)，半導(dǎo)體就是N型的，反之，受主數(shù)量超過(guò)施主時(shí)則是P型的。更具體地講，在N型的半導(dǎo)體中，單位體積有ND個(gè)施主，同時(shí)還有NA個(gè)受主，但NA<ND，這時(shí)施主放出的ND個(gè)電子將有NA個(gè)去填補(bǔ)受主造成的缺位，所以只余下ND-NA個(gè)電子成為供電的載流子，這種受主和施主在導(dǎo)電性上相互抵消的現(xiàn)象叫做雜質(zhì)的“補(bǔ)償”。2023/2/328在有“補(bǔ)償”的情況下，決定導(dǎo)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(bǔ)償只余下NA-ND個(gè)空穴成為導(dǎo)電的載流子。即當(dāng)ND>NA時(shí)，半導(dǎo)體是N型當(dāng)NA>ND時(shí)，半導(dǎo)體是P型若ND≈NA，施主雜質(zhì)產(chǎn)生的電子與受主雜質(zhì)產(chǎn)生的空穴剛好全部復(fù)合而抵消，即稱為高度補(bǔ)償。2023/2/329分凝雜質(zhì)在晶體中，由于液態(tài)凝出的固相的化學(xué)成分和液相不同，所以隨著凝固的進(jìn)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(zhǎng)單晶，因?yàn)槟龅膯尉Шs質(zhì)較熔體為少，可是隨著單晶生長(zhǎng)，熔體中雜質(zhì)濃度不斷增加，由于這種原因，拉出的單晶中頭部雜質(zhì)較少，尾部較多，這就是典型的雜質(zhì)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(cuò)在晶體中，原子的排列發(fā)生錯(cuò)亂的區(qū)域稱為位錯(cuò)。在大多數(shù)情況下，發(fā)生位錯(cuò)的主要原因往往是在高溫下，由于材料內(nèi)的應(yīng)力引起材料發(fā)生范性形變，當(dāng)硅在700℃以上就由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)榉缎?，在?yīng)力作用下很容易發(fā)生范性形變，晶體中的大量位錯(cuò)主要就是在這種高溫范性形變中產(chǎn)生的。2023/2/332晶體中的范性形變實(shí)際上是晶面和晶面間發(fā)生了相對(duì)移動(dòng)，稱為滑移。位錯(cuò)