1、半導(dǎo)體基礎(chǔ),張滿(mǎn)良,導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,一、導(dǎo)體 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)體， 金屬一般都是導(dǎo)體。,二、絕緣體 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱(chēng)為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,三、半導(dǎo)體 另有一類(lèi)物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱(chēng)為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能 力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使 它的導(dǎo)電能力明顯改變。,本征半導(dǎo)體,一、本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。,現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層

2、電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。,本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體, 純硅 9-10個(gè)9 ,電阻率250000.cm 。,在硅晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。,硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),共價(jià)鍵共 用電子對(duì),+4表示除去價(jià)電子后的原子,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。,形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則

3、排列，形成晶體。,二、本征激發(fā),在絕對(duì)0度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴。,1.載流子、自由電子和空穴,自由電子,空穴,束縛電子,2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。,本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,溫度越高，載流子的濃度越高。

4、因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。,雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。,P 型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（空穴半導(dǎo)體）。,N 型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為（電子半導(dǎo)體）。,一、N 型半導(dǎo)體,在硅晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層

5、有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子。,多余 電子,磷原子,N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？,1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。,2.本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。,摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。,二、P 型半導(dǎo)體,在硅晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰

6、的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱(chēng)為受主原子。,空穴,硼原子,P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。,雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：,雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散電流 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子受擴(kuò)散力的作用所作的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散電流：載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流。,載流子運(yùn)動(dòng)方式及其電流,擴(kuò)散電流大小與載流子濃度梯度成正比,濃度差 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散電流,擴(kuò)散力,漂移運(yùn)動(dòng)和漂移電流 漂移運(yùn)動(dòng)：載

7、流子在電場(chǎng)力作用下所作的 運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。 漂移電流：載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱(chēng)為漂移電流。,載流子運(yùn)動(dòng)方式及其電流,漂移電流大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,電位差 漂移運(yùn)動(dòng) 漂移電流,電場(chǎng)力,PN 結(jié)的形成,在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。,PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管,一、多子擴(kuò)散,P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體,擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,二、少子漂移,

8、空間電荷區(qū),N型區(qū),P型區(qū),電位V,V0,1.空間電荷區(qū)中沒(méi)有載流子。,2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P中的空穴.N區(qū) 中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。,3.P 區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。,注意:,太陽(yáng)能電池的制造流程 及各工序在流程中的目的,一、工藝流程：,二、各工序在流程中的作用,利用單晶硅各向異性的特性在強(qiáng)堿作用下把硅片表面腐蝕成金字塔狀， 以便減小硅片表面對(duì)光的反射，增強(qiáng)其吸收,制絨,擴(kuò)散,刻蝕,PECVD,印刷,包裝,1、制絨,2、擴(kuò)散,利用高溫工藝在P（N）型硅片表面擴(kuò)散N（P）型雜質(zhì)，使硅片表面形成PN結(jié)，在電池片受到光照

9、（或其他外力作用）時(shí)能夠有少子積累形成電壓，保證電池正常工作,3、刻蝕,利用高速等離子體的能量碰撞硅片邊緣將擴(kuò)散完的硅片邊緣刻去一層，使硅片的P、N兩面形成絕緣，以便小漏電流,4、PECVD,利用低壓化學(xué)氣相沉積的方法，在硅片的正面沉積一小層SiN薄膜，用來(lái)減少硅片表面對(duì)光的反射；又因?yàn)镾iN的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，可以利用它來(lái)保護(hù)電池,5、印刷,利用絲網(wǎng)印刷工藝在硅片的正面印刷銀漿作為正電極，在電池的背面印刷銀鋁漿及被電極，用這些電極將電池中的電流引出,6、包裝,包裝應(yīng)避免硅片在運(yùn)輸過(guò)程中電池片的破損,太陽(yáng)能電池的工作原理,太陽(yáng)能電池的工作原理： 光生伏特效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)為光伏效應(yīng)，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。 當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，將產(chǎn)生光生載流子。P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光