半导体基础张满良导体、半导体和绝缘体一、导体自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体。二、绝缘体有的物质几乎不导电,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间,称为半导体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:•当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。•往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导电能力明显改变。本征半导体一、本征半导体结构GeSi通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体,纯硅9-10个9,电阻率250000Ω.cm。在硅晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共用一对价电子。硅的晶体结构:硅的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。+4+4+4+4二、本征激发在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成:1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。N型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。一、N型半导体在硅晶体中掺入少量的五价元素磷,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么?1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。二、P型半导体在硅晶体中掺入少量的三价元素,如硼,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子,电子是少子。杂质半导体的示意表示法:------------------------P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。扩散运动及扩散电流扩散运动:载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流:载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。载流子运动方式及其电流扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比浓度差扩散运动扩散电流扩散力漂移运动和漂移电流漂移运动:载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流:载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。载流子运动方式及其电流漂移电流大小与电场强度成正比电位差漂移运动漂移电流电场力PN结的形成在同一片半导体基片上,分别制造P型半导体和N型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN结。PN结及半导体二极管一、多子扩散P型半导体------------------------N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区,也称耗尽层。漂移运动P型半导体------------------------N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。二、少子漂移------------------------++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV01.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区中的电子(都是多子)向对方运动(扩散运动)。3.P区中的电子和N区中的空穴(都是少子),数量有限,因此由它们形成的电流很小。注意:太阳能电池的制造流程及各工序在流程中的目的一、工艺流程:二、各工序在流程中的作用利用单晶硅各向异性的特性在强碱作用下把硅片表面腐蚀成金字塔状,以便减小硅片表面对光的反射,增强其吸收制绒扩散刻蚀PECVD印刷包装1、制绒2、扩散利用高温工艺在P(N)型硅片表面扩散N(P)型杂质,使硅片表面形成PN结,在电池片受到光照(或其他外力作用)时能够有少子积累形成电压,保证电池正常工作3、刻蚀利用高速等离子体的能量碰撞硅片边缘将扩散完的硅片边缘刻去一层,使硅片的P、N两面形成绝缘,以便小漏电流4、PECVD利用低压化学气相沉积的方法,在硅片的正面沉积一小层SiN薄膜,用来减少硅片表面对光的反射;又因为SiN的化学性质非常稳定,可以利用它来保护电池5、印刷利用丝网印刷工艺在硅片的正面印刷银浆作为正电极,在电池的背面印刷银铝浆及被电极,用这些电极将电池中的电流引出6、包装包装应避免硅片在运输过程中电池片的破损太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理:光生伏特效应简称为光伏效应,指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。当P-N结受光照时,将产生光生载流子。P区产生的光生空穴,N区产生的光生电子属多子,都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累,在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场,其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低,其减小量即光生电势差,P端正,N端负。于是有结电流由P区流向N区,其方向与光电流相反。