第2章半导体与PN结

1、河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 第二章：半导体与第二章：半导体与PN结结 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 第一节：半导体的特性第一节：半导体的特性 1 1 半导体的来源、分类、晶格半导体的来源、分类、晶格 结构结构 了解半导体的结构了解半导体的结构 2 2 半导体的导电性半导体的导电性 熟悉影响半导体导电性能的因素熟悉影响半导体导电性能的因素 3 3 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 了解能带中的相关概念了解能带中的相关概念 4 4 半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷 了解本征及杂质半导体的特点了解本征及杂质半导体的特点 5 5 化学键模型和能带模型化学键

2、模型和能带模型 了解半导体的两种模型理论了解半导体的两种模型理论 6 6 载流子的运动载流子的运动 掌握漂移运动与扩散运动的特点掌握漂移运动与扩散运动的特点 7 7 光的吸收光的吸收 光子的能量、吸收系数、吸收深光子的能量、吸收系数、吸收深 度、产生率、复合理论度、产生率、复合理论 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 简介简介 一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联 系在一起。本章将讲述半导体材料的基本问题和物理原理，系在一起。本章将讲述半导体材料的基本问题和物理原理， 这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释这些都是光

3、伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释 PN结的运作机制。结的运作机制。PN结结不仅是太阳能电池的核心基础，还不仅是太阳能电池的核心基础，还 是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。 右图是一个右图是一个硅锭硅锭，由，由 一个大的单晶硅组成，这一个大的单晶硅组成，这 样一个硅锭可以被切割成样一个硅锭可以被切割成 薄片然后被制成不同半导薄片然后被制成不同半导 体器件，包括太阳能电池体器件，包括太阳能电池 和电脑芯片。和电脑芯片。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 2.1 2.1 半导体半导体 将物质按电学性质进行分类时将物质按电学

4、性质进行分类时,物体一般可分为导体、物体一般可分为导体、半半 导体导体和绝缘体。和绝缘体。 按按照电阻率的物质分类照电阻率的物质分类 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 电阻率：电阻率：某种材料制成的长某种材料制成的长1m、横截面积是、横截面积是1mm2的在常温下的在常温下 （20o时）导线的电阻，称谓这种材料的电阻率。反映物体对电时）导线的电阻，称谓这种材料的电阻率。反映物体对电 流阻碍的大小的物理量。单位：流阻碍的大小的物理量。单位： 电导率：电导率：表示物体导电性能好坏的物理量。单位：表示物体导电性能好坏的物理量。单位： 11 m m 二者互为倒数！二者互为倒数！ 半导体材料的电阻率

5、对温度、光照、磁场、压力、湿度、半导体材料的电阻率对温度、光照、磁场、压力、湿度、 杂质浓度因素非常敏感，所以能制成发光、发电、磁敏、压敏、杂质浓度因素非常敏感，所以能制成发光、发电、磁敏、压敏、 气敏、湿敏、热电转换等器件。气敏、湿敏、热电转换等器件。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 1、元素周期表中的、元素周期表中的族元素；族元素； 2、族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做 -型半导体型半导体 ）；）； 3、族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做 -型半导体型半导体 ）。）。 6 一一 半导体材料的来源半导体材料的来源 上图是元素周期表的一部分。相同半

6、导体材料以蓝色字体显示。上图是元素周期表的一部分。相同半导体材料以蓝色字体显示。 半导体可以由单原子构成，如半导体可以由单原子构成，如Si或或Ge，或是化合物，如或是化合物，如GaAs、InP、 CdTe，还可以是合金，如还可以是合金，如SixGe（ （1-x）或 或AlxGa（ （1-x）As。 。 其中其中X是元素的是元素的 组分，数值从组分，数值从0到到1。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 sisi 硅原子硅原子 Ge 锗原子锗原子 Ge +4+4 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子价电子。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 二、半导体的

7、分类二、半导体的分类 半导体材料半导体材料 无机无机 半导体材料半导体材料 有机半导体材料有机半导体材料 硅硅、硼、碳、灰锡、硼、碳、灰锡、 磷、灰砷、灰锑、磷、灰砷、灰锑、 硫、硫、 硒、碲硒、碲 、碘、碘 化合物化合物 半导体材料半导体材料 -族半导体族半导体 - 族半导体族半导体 - 族半导体族半导体 - 族半导体族半导体 氧化物半导体氧化物半导体 硫化物半导体硫化物半导体 稀土化合物半导体稀土化合物半导体 固溶体半导体固溶体半导体 玻璃态半导体玻璃态半导体 元素元素 半导体材料半导体材料 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 三、半导体的晶格结构三、半导体的晶格结构 晶体有哪晶体有哪

8、5 5种常见的晶体结构，都有哪些典种常见的晶体结构，都有哪些典 型的元素？型的元素？ 简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心立方结构 面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 什么是晶体的各向异性？表现在哪些方面？什么是晶体的各向异性？表现在哪些方面？ 沿沿晶格的不同方向晶格的不同方向，原子排列的，原子排列的周期性周期性和和疏密程度不疏密程度不 尽相同尽相同，由此导致晶体在，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同 。 晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹

9、性膜弹性膜 量量、硬度硬度、热膨胀系数热膨胀系数、导热性导热性、电阻率电阻率、电位移矢量电位移矢量、 电极化强度电极化强度、磁化率磁化率和和折射率折射率等都是不同的。等都是不同的。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 四、半导体的导电性四、半导体的导电性 影响半导体材料导电性能的因素有哪些？影响半导体材料导电性能的因素有哪些？ 半导体的电性能有哪些？半导体的电性能有哪些？ 温度、光照、杂质温度

10、、光照、杂质，还有，还有电场、磁场及其他外界因素电场、磁场及其他外界因素 （如外应力）（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。的作用也会影响半导体材料的导电能力。 现今硅已取代锗，成为半导体制造的主要材料。现今硅已取代锗，成为半导体制造的主要材料。 1、掺杂特性：、掺杂特性：当半导体材料中含有极微量的杂质时，就可使当半导体材料中含有极微量的杂质时，就可使 其电导率有很大变化；其电导率有很大变化； 2、热敏特性：、热敏特性：随温度升高，电导率增大，即电阻率变小；随温度升高，电导率增大，即电阻率变小； 3、光敏特性：、光敏特性：遇光时，电导率变大，或者在结处产生电动势。遇光时，电导率变大，

11、或者在结处产生电动势。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 五、半导体中的电子状态和能带五、半导体中的电子状态和能带 电子公有化的概念及特点电子公有化的概念及特点 由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单 个原子所有的现象，称为个原子所有的现象，称为电子共有化电子共有化。 内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。 能级的概念能级的概念 原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也 就是电

12、子的能量只能取一系列不连续的可能值，这种就是电子的能量只能取一系列不连续的可能值，这种量子化量子化 的能量的能量称为称为能级能级。 能带的概念能带的概念 晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原 先每个原子中具有相同能量的电子能级分裂成先每个原子中具有相同能量的电子能级分裂成N N个与原来能个与原来能 级很接近的能级，形成一个级很接近的能级，形成一个“准连续准连续”的的能带能带。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 能带中的几个基本概念：允带、禁带、空带、满能带中的几个基本概念：允带、禁带、空带、满 带、半满带带、半满带 允许电子存在的一系列

13、允许电子存在的一系列能量状态。能量状态。 禁止电子存在的一系列能量状态。禁止电子存在的一系列能量状态。 被电子填充满的一系列被电子填充满的一系列的的 能量状态能量状态 没有电子填充的一系列没有电子填充的一系列准连续准连续的的 能量状态能量状态 被电子部分填充的一系列被电子部分填充的一系列 的能量状态的能量状态 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、 价带顶、禁带宽度。价带顶、禁带宽度。 有电子能够参与导电的能带有电子能够参与导电的能带，在半导体材料中由，在半导体材料中由价电价电 子子形成的形成的高能级能带

14、高能级能带通常称为导带。通常称为导带。 由价电子形成的能带由价电子形成的能带，在半导体材料中由，在半导体材料中由价电子价电子形形 成的成的低能级能带低能级能带通常称为价带。通常称为价带。 conduction band valence band 导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高能量。价带电子的最高能量。 forbidden band 电子从价带运动到导带所需要吸收的最低能量值。电子从价带运动到导带所需要吸收的最低能量值。即即导带和价带导带和价带 之间的能级宽度，之间的能级宽度， Eg=Ec-Ev 绝缘体：绝缘体：Eg= 3 6 eV 半导体：半导体：硅硅1.12eV、锗、锗

15、0.67 eV、砷化镓、砷化镓1.42 eV 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 导体、半导体和绝缘体的能带。导体、半导体和绝缘体的能带。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 简述空穴的概念简述空穴的概念 当外界条件发生变化时，半导体当外界条件发生变化时，半导体满满 带带中少量中少量电子电子可被可被激发到激发到上面的上面的空带空带中中 去，使导带底附近有了一些电子，同时去，使导带底附近有了一些电子，同时 价带中由于少了一些电子，在价带中由于少了一些电子，在价带顶部价带顶部 附近出现了一些附近出现了一些空的量子状态空的量子状态，价带即，价带即 成了半满带，在外电场作用下，仍留在成了半满带

16、，在外电场作用下，仍留在 价带中的电子也能起导电作用，相当于价带中的电子也能起导电作用，相当于 把这些空的量子状态看作把这些空的量子状态看作带正电荷的带正电荷的 “准粒子准粒子”的导电作用，常把这些满带的导电作用，常把这些满带 中因失去了电子而留下的中因失去了电子而留下的空位空位称为称为空穴空穴。 本征激发的概念。本征激发的概念。 由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即“准自由准自由” 电子的过程电子的过程 。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 六六 化学键模型和能带模型化学键模型和能带模型 半导体是由许多半导体是由许多单原子单原子组成的，它们以

17、有规律的周期性组成的，它们以有规律的周期性 的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8 个电子包围着。个电子包围着。 一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了 质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电 子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因 此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目 （元素周期表中的每个元素都

18、是不同的），每个电子都占（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占 据着特定的能级。据着特定的能级。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 半导体材料的半导体材料的电学特性电学特性通常可以采用两种模通常可以采用两种模型（型（化学键模型化学键模型 和和能带模型能带模型）来解释。）来解释。 半导体的半导体的价键结构价键结构决定了半导体材料的性能。一个关键影响决定了半导体材料的性能。一个关键影响 就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。 1、化学键模型、化学键模型 半导体中，围绕每个原半导体中，围绕每个原 子的电子都是共价键的一子

19、的电子都是共价键的一 部分。部分。右图显示了电子在右图显示了电子在 硅材料晶格里的成键和移硅材料晶格里的成键和移 动。动。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来 与之共用，这样，每个原子便被与之共用，这样，每个原子便被8个电子包围着。共价键个电子包围着。共价键 中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原 子周围的某个地方。子周围的某个地方。 因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的 电子

20、不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量 的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。 然而，只有在然而，只有在绝对零度绝对零度的时候才会让全部电子都束缚在的时候才会让全部电子都束缚在 价键中。价键中。 在在高温高温下，电子能够获得足够的能量下，电子能够获得足够的能量摆脱共价键摆脱共价键， 而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。 在室温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到在室温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然

21、而在到 达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 价键的存在导致了电子有两个不同的能量状态。价键的存在导致了电子有两个不同的能量状态。 电子的最低能量态是其处在电子的最低能量态是其处在价带价带的时候。然而，如果电的时候。然而，如果电 子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入进入导带导带成为成为 自由电子自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要 么束缚在价键中处于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共么束缚在价键中处于

22、低能量状态，要么获得足够能量摆脱共 价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫 做半导体的做半导体的“禁带禁带”。 2 2、能带模型能带模型 电子在半导体能带中的示意图电子在半导体能带中的示意图 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移 动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。 这个留下的空位置通常被叫做这个留下的空位置通常被叫做“空穴空穴”，它与电子相似但是带，它与

23、电子相似但是带 正电荷。正电荷。 26 因此有两种过程可以使硅材料导电：因此有两种过程可以使硅材料导电： （1）电子从被破坏的共价键中释放出来自由运动。）电子从被破坏的共价键中释放出来自由运动。 （2）电子也能够从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价）电子也能够从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价 键所产生的键所产生的“空穴空穴”里，而那个相邻的共价键便遭到破坏。里，而那个相邻的共价键便遭到破坏。 如此就能使得遭破坏的共价键或称空穴得以传播，如同这如此就能使得遭破坏的共价键或称空穴得以传播，如同这 些空穴具有正电荷一般。些空穴具有正电荷一般。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 束缚电子束缚

24、电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4+4 +4+4 七七掺杂掺杂 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 在绝对温度在绝对温度T=0K时，所时，所 有的价电子都被共价键紧紧束有的价电子都被共价键紧紧束 缚在共价键中，不会成为缚在共价键中，不会成为自由自由 电子电子，因此本征半导体的导电因此本征半导体的导电 能力很弱，接近绝缘体。能力很弱，接近绝缘体。 本征半导体（Intrinsic Semiconductor) 完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。

25、 当温度升高或受到当温度升高或受到 光的照射时，束缚电光的照射时，束缚电 子能量增高，有的电子能量增高，有的电 子可以挣脱原子核的子可以挣脱原子核的 束缚，而参与导电，束缚，而参与导电， 成为成为自由电子自由电子。 自由电子自由电子 +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 空穴空穴 自由电子产生的同自由电子产生的同 时，在其原来的共价时，在其原来的共价 键中就出现了一个空键中就出现了一个空 位，称为位，称为空穴空穴。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。 N型半导体型半导体：在：在

26、本征本征Si和和Ge中掺入微量五价元素后形成的半导中掺入微量五价元素后形成的半导 体。这类原子杂质提供了带负电体。这类原子杂质提供了带负电（ Negatively charged electrons ）的电子的电子载流子载流子，称它们为，称它们为施主杂质施主杂质或或N型杂质。型杂质。 杂质半导体杂质半导体 q杂质元素：磷，砷，杂质元素：磷，砷，锑锑 q多子：自由电子多子：自由电子 q少子：空穴少子：空穴 正离子正离子 + + + + + + + + + + + + 多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 P型半导体型半导体：在本征：在本征Si和和Ge中

27、掺入微量中掺入微量三价元素三价元素后形成的杂后形成的杂 质半导体。这类原子杂质提供了带正电（质半导体。这类原子杂质提供了带正电（ Positively charged holes）的空穴）的空穴载流子载流子。 q杂质元素：硼，铟杂质元素：硼，铟 q多子：空穴多子：空穴 q少子：自由电子少子：自由电子 - - - 负离子负离子 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 说明 v杂质半导体呈杂质半导体呈电中性电中性，任一空间的正负电荷数相等，任一空间的正负电荷数相等 N N型半导体：电子型半导体：电子+ +正离子正离子 P P型半导体：空穴型半导体：空穴+

28、 +负离子负离子 v多子多子主要由主要由掺杂掺杂形成形成, ,少子少子由由本征激发本征激发形成。形成。 在一块典型的半导体中，在一块典型的半导体中，多子浓度可能达到多子浓度可能达到1017cm-3，少少 子浓度则为子浓度则为106cm-3。 这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个 人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发 又可以通过光照产生。又可以通过光照产生。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 杂质和缺陷杂质和缺陷对导电性能产生影响的对导电性能产生影响的机理机理是什

29、么？是什么？ 八八 半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子 所产生的所产生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许允许 电子存在的能量状态（即电子存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产），从而对半导体的性质产 生决定性的影响。生决定性的影响。 实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？ 原子原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上， 而是在其平

30、衡位置附近而是在其平衡位置附近震动震动。 半导体材料并不是纯净的，而是含有若干半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质杂质。 实际的半导体实际的半导体晶格结构晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着并不是完整无缺的，而是存在着 各种形式的各种形式的缺陷缺陷。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 常见杂质的种类有哪些？常见杂质的种类有哪些？ 1 1、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质间隙式杂质； 原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以 间隙式杂质的形式存在。间隙式杂质的形式存在。

31、杂质的主要来源有哪些？杂质的主要来源有哪些？ 1 1、制备半导体的原材料、制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高； 2 2、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污； 3 3、为了半导体的性质而、为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。 2 2、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，称为、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，称为替位式杂替位式杂 质质。原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近， 且它们的且它们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近

32、。如。如、族元素在族元素在 族元素硅、锗晶体中都是替位式杂质。族元素硅、锗晶体中都是替位式杂质。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 杂质在半导体中有什么作用？杂质在半导体中有什么作用？ 例如，四价元素硅或锗晶体中掺入例如，四价元素硅或锗晶体中掺入五价元素五价元素磷、砷、锑磷、砷、锑 等杂质原子时，其等杂质原子时，其5 5个价电子中有个价电子中有4 4个与周围的硅（或锗）个与周围的硅（或锗） 原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚在杂质原子附原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚在杂质原子附 近，产生类氢能级。近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附杂质能级位于禁带上方靠近导带底

33、附 近。近。杂质能级上的电子很容易激发到导带成为电子载流子。杂质能级上的电子很容易激发到导带成为电子载流子。 这种能提供电子载流子的杂质称为这种能提供电子载流子的杂质称为施主施主，相应能级称为，相应能级称为施施 主能级主能级。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导 带中的电子，属于电子型导电，称为带中的电子，属于电子型导电，称为N N型半导体。型半导体。 半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入 微量杂质时，杂质原子附近的周期势场收到干扰并形成附微量杂质时，杂质原子附近的周期势场收到干扰并形

34、成附 加的束缚状态，在禁带中掺加的杂质能级。加的束缚状态，在禁带中掺加的杂质能级。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 硅或锗晶体中掺入硅或锗晶体中掺入三价元素三价元素硼、铝、镓硼、铝、镓等杂质原子时，等杂质原子时， 杂质原子与周围杂质原子与周围4 4个硅（或锗）原子形成共价结合时还缺少个硅（或锗）原子形成共价结合时还缺少 一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态 就是杂质能级，就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的。价带中的 电子很容易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子电子很容易激发到

35、杂质能级上填补这个空位，使杂质原子 成为负离子。成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载 流子。流子。这种能提供空穴的杂质称为这种能提供空穴的杂质称为受主杂质受主杂质，相应能级称，相应能级称 为为受主能级受主能级。掺入受主杂质的半导体属于空穴型导电，称。掺入受主杂质的半导体属于空穴型导电，称 为为P P型半导体。型半导体。 半导体在任何温度下都能产生电子半导体在任何温度下都能产生电子- -空穴对，故空穴对，故N N型半导型半导 体中可存在少量导电空穴，体中可存在少量导电空穴，P P型半导体中可存在少量导电电型半导体中可存在少量导电电 子，他们均称

36、为子，他们均称为少数载流子少数载流子。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 施主能级与受主能级的位置。施主能级与受主能级的位置。 施主能级施主能级E ED D，位于离，位于离导带底导带底很近的禁带中，比很近的禁带中，比。 受主能级受主能级E EA A，位于离，位于离价带顶价带顶很近的禁带中，比很近的禁带中，比。 ED EA 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 从能带角度分析为什么掺入施主或受主杂质后半从能带角度分析为什么掺入施主或受主杂质后半 导体的导电性能能大大加强？导体的导电性能能大大加强？ 实验测得，实验测得，族元素族元素原子（施主杂质）在原子（施主杂质）在中电离能中电离能 约为

37、约为，在，在中电离能约为中电离能约为，其电离能，其电离能 比硅、锗的禁带宽度小得多。使得多余电子很容易挣脱原比硅、锗的禁带宽度小得多。使得多余电子很容易挣脱原 子的束缚成为子的束缚成为导电电子导电电子，从而增强了半导体的导电性。，从而增强了半导体的导电性。 同样，同样，族元素族元素原子（受主杂质）在硅、锗中的电离原子（受主杂质）在硅、锗中的电离 能也很小，在能也很小，在中约为中约为中约为中约为 使得多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为使得多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴导电空穴， 从而增强了半导体的导电性。从而增强了半导体的导电性。 什么是浅能级？什么是浅能级？ 很靠近很靠近导带底导带底的

38、施主能级、很靠近的施主能级、很靠近价带顶价带顶的受主能级。的受主能级。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 什么是深能级？主要由什么杂质元素引入？有什么特点？什么是深能级？主要由什么杂质元素引入？有什么特点？ 非非、族元素族元素掺入硅、锗在禁带中引入的施主能级距离掺入硅、锗在禁带中引入的施主能级距离 导带底较远，受主能级距离价带顶也较远，这种能级称为导带底较远，受主能级距离价带顶也较远，这种能级称为深能深能 级，级，相应的相应的非非、族元素族元素杂质称为杂质称为深能级杂质深能级杂质； 这些深能级杂质能产生这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地有一，每一次电离相应地有一 个能

39、级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入 。而且，有的杂质既能引入。而且，有的杂质既能引入，又能引入，又能引入 对于载流子的对于载流子的，故这些杂质也称为，故这些杂质也称为 ，它们引入的能级就称为，它们引入的能级就称为。 什么是杂质的补偿作用？什么是杂质的补偿作用？ 施主杂质和受主杂质之间有施主杂质和受主杂质之间有相互抵消相互抵消的作用。的作用。 什么是缺陷？什么是缺陷？ 当半导体中的某些区域，当半导体中的某些区域，晶格晶格中的原子中的原子周期性排列被破坏周期性排列被破坏 时就形成了各种缺陷。时就形成了各种缺陷。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰

40、杜亚冰 缺陷的分类？缺陷的分类？ 点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子；替位原子：如空位，间隙原子；替位原子（反结构缺陷（反结构缺陷 ）； 肖特基缺陷：肖特基缺陷：只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷。只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷。 弗仑克耳缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷 。 这两种缺陷均由温度引起，又称之为这两种缺陷均由温度引起，又称之为热缺陷热缺陷，它们总是，它们总是同时存在同时存在的。的。 线缺陷线缺陷：如位错：如位错 晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称 为位错，可分

41、为为位错，可分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。位错能级都是。位错能级都是深受主能级深受主能级。 当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂能使含有浅施主杂 质的质的N N型硅、锗中的载流子浓度降低型硅、锗中的载流子浓度降低，而，而对对P P型硅、锗却没有这种影型硅、锗却没有这种影 响响。 面缺陷面缺陷：如层错等。：如层错等。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 八八 载流子的运动载流子的运动 什么是载流子？什么是载流子？ 载流子就是电荷的载体，也就是能够移动的荷电粒子。载流子就是电荷的载体，也就是能够移动的荷电粒子。 电子、

42、正离子、负离子及半导体中的空穴电子、正离子、负离子及半导体中的空穴都是载流子。都是载流子。 什么是载流子浓度？什么是载流子浓度？ 每立方厘米中电子、空穴的数目称为每立方厘米中电子、空穴的数目称为“载流子浓度载流子浓度”。 单位：原子单位：原子/cm/cm3 3 把电子从价带移向导带的把电子从价带移向导带的热激发热激发使得价带和导带都产生载流使得价带和导带都产生载流 子。这些载流子的浓度叫做子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度本征载流子浓度，用符号，用符号ni表示表示。 。 没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征本征 材料材料。本征载流

43、子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或 价带中的空穴数目。价带中的空穴数目。 什么是本征载流子浓度？什么是本征载流子浓度？ 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 下图显示了下图显示了两个温度下两个温度下的半导体的半导体本征载流子浓度本征载流子浓度。需。需 要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目 都是相等的。都是相等的。 室温室温高温高温 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽。宽 禁带会

44、使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的 本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子 更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。 导带导带 载流子的产生有哪些情况？载流子的产生有哪些情况？ 本征激发：本征激发：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴。电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴。 杂质电离：杂质电离：当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子； 当电子从价带

45、激发到受主能级时产生价带空穴。当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 什么是热平衡状态？什么是热平衡状态？ 如果晶体的温度不变，又没有外来的光、电因素，那么如果晶体的温度不变，又没有外来的光、电因素，那么 单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子- -空穴对数等于复合掉的电子空穴对数等于复合掉的电子- -空穴对空穴对 数数，总载流子浓度保持不变，称为，总载流子浓度保持不变，称为热平衡状态热平衡状态。 处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子热平衡载流子。 不存在电场时，电子和空穴作无规则运动，如果电子不存在

46、电场时，电子和空穴作无规则运动，如果电子 恰好跳到空穴的位置上，使电子和空穴都消失的现象，叫恰好跳到空穴的位置上，使电子和空穴都消失的现象，叫 做载流子复合。做载流子复合。 什么是载流子复合？什么是载流子复合？ 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 什么是非平衡载流子？什么是非平衡载流子？ 在有外来作用下在有外来作用下( (例如光照射例如光照射) )，平衡状态被打破，半导，平衡状态被打破，半导 体出现比原来浓度多余的电子和空穴，这些比平衡状态多出体出现比原来浓度多余的电子和空穴，这些比平衡状态多出 来的电子和空穴称为来的电子和空穴称为非平衡载流子。非平衡载流子。 外来作用消失后，非平衡载流子

47、通过复合作用逐渐消失，外来作用消失后，非平衡载流子通过复合作用逐渐消失， 这段逐渐消失的时间称为非平衡载流子的寿命。这段逐渐消失的时间称为非平衡载流子的寿命。所谓寿命就是所谓寿命就是 非平衡载流子在半导体中存在的时间。非平衡载流子在半导体中存在的时间。 什么是非平衡载流子的寿命？什么是非平衡载流子的寿命？ 非平衡载流子寿命的检测方法？非平衡载流子寿命的检测方法？ 直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；直流光电导衰减法；高频光电导衰减法； 光磁电法；扩散长度法；双脉冲法；漂移法。光磁电法；扩散长度法；双脉冲法；漂移法。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 影响非平衡载流子寿命的因素？影响非平衡

48、载流子寿命的因素？ 材料的种类材料的种类 杂质的含量（特别是深能级杂质）杂质的含量（特别是深能级杂质） 缺陷的密度缺陷的密度 表面状态表面状态 外部条件（外界气氛）外部条件（外界气氛） 产生非平衡载流子的方法？产生非平衡载流子的方法？ 非平衡载流子都是指多子还是少子？非平衡载流子都是指多子还是少子？ 电注入电注入，光注入光注入 非平衡载流子都是指非平衡非平衡载流子都是指非平衡少数少数载流子。如载流子。如N型半导体中的空型半导体中的空 穴和穴和P型半导体中的电子。型半导体中的电子。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，如果半导体中一个区域的

49、载流子浓度要比另一个区域的高， 那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现 这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。 载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流动叫载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流动叫 做做“扩散扩散”，是由于载流子的随机运动引起的。，是由于载流子的随机运动引起的。 在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是 相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个

50、方向相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向 运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的 载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不 平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。 什么是扩散运动？什么是扩散运动？ 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔 的距离。的距离。在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高

51、温在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高温 度能提高载流子的热运动速度。度能提高载流子的热运动速度。 扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡，扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡， 就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也 会使得半导体达到平衡。会使得半导体达到平衡。 例如，一个区域有很高浓度的电子，另一个则有高浓例如，一个区域有很高浓度的电子，另一个则有高浓 度的空穴。因为只有载流子的随机运动，所以最终这两种浓度的空穴。因为只有载流子的随机运动，所以最终这两种浓 度会变成一致的。度会变成一致的。 河南城建学

52、院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 在半导体在半导体外加一个电场外加一个电场可以使做随机运动的带电载流可以使做随机运动的带电载流 子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向子往一个方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向 以一定的速度移动一段距离。然而，在加了电场之后，其方以一定的速度移动一段距离。然而，在加了电场之后，其方 向与载流子的随机方向叠加。那么，向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，如果此载流子是空穴， 其在电场方向将做加速运动，电子则反之。其在电场方向将做加速运动，电子则反之。载流子的方向是载流子的方向是 其原来方向与电场方向的向量叠加。其原来方向与电场方向

53、的向量叠加。 由由外加电场所引起的载流子运动外加电场所引起的载流子运动叫叫“漂移运动漂移运动”。 什么是漂移运动？什么是漂移运动？ 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 入射到半导体表面的光子要么在表面被入射到半导体表面的光子要么在表面被反射反射，要么被半，要么被半 导体材料所导体材料所吸收吸收，或者只是从此材料，或者只是从此材料透射透射而过。而过。 对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失一部分，对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失一部分， 就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收， 将在价带产生一个电子并运动到导带。将在价

54、带产生一个电子并运动到导带。 九九 光的吸收光的吸收 光子的能量光子的能量 决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导 体材料的光子可以分为三种：体材料的光子可以分为三种： 1. EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。 光子能量光子能量Eph=hf，EphEg 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在吸收系数

55、决定着一个给定波长的光子在被吸收之前能在 材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光 将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透 明的。明的。 吸收系数吸收系数 砷化镓砷化镓 磷化铟磷化铟 锗锗 硅硅 真空环境下，不同半导体在真空环境下，不同半导体在300K300K时的吸收系数时的吸收系数 该图表明该图表明，即使是，即使是 那些能量比禁带宽度高那些能量比禁带宽度高 的光子，它们的吸收系的光子，它们的吸收系 数也不是全都相同的，数也不是全都相同的， 而是而是与波长有密切的联

56、与波长有密切的联 系。系。 吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用 （即把电子从价带转移到导带）的可能性。（即把电子从价带转移到导带）的可能性。 对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说， 其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电 子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与子才能与之作用并被吸收。

57、当光子的能量增大时，能够与 之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于 光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有 实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用 回到导带的边缘。回到导带的边缘。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸 收之前进入半导体的深度的不同。收之前进入半导体的深度的不同。 下面将给出另一个参数下面将给出另

58、一个参数-吸收深度吸收深度，它与吸收系数成反，它与吸收系数成反 比例关系，即为比例关系，即为-1。 吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光在其能量吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光在其能量 下降到最初强度的大概下降到最初强度的大概36%（或者说（或者说1/e）的时候在材料中）的时候在材料中 走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离 表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米 以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱

59、。即使是在几微米 之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。 吸收深度吸收深度 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 蓝光蓝光在离表面非常近处在离表面非常近处 就被吸收，而大部分的就被吸收，而大部分的红光红光则则 在器件的深处才被吸收。在器件的深处才被吸收。 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 右图显示了右图显示了Si半导体半导体 的的吸收深度吸收深度 左图显示了左图显示了Si半导体半导体 的的吸收系数吸收系数 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 产生率产生率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数 目。忽略反射，

60、半导体材料吸收光线的多少决定于吸收系数目。忽略反射，半导体材料吸收光线的多少决定于吸收系数 （ 单位为单位为cm-1）和半导体的厚度。）和半导体的厚度。 半导体中每一点光的强度可以通过以下的方程计算：半导体中每一点光的强度可以通过以下的方程计算： I=I0e-x 式中 式中为材料的吸收系数，为材料的吸收系数，x为光入射到材料的深度，为光入射到材料的深度，I0 为光在材料表面的功率强度。为光在材料表面的功率强度。 该方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子该方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子-空穴对的数目空穴对的数目。 产生率产生率 河南城建学院河南城建学院 杜亚冰杜亚冰 假设减少的那部分光线