P-N半导体和单向导电原理(共10页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上半导体现在市场上的半导体大多是硅元素.但是半导体大多数都在过度元素部分找,详情见元素周期表。不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。 什么是N型半导体？P型半导体？在纯净的硅晶体(本征半导体)中掺入五价元素（如磷，锑，砷等），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼、铟等。），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体。主要的掺

2、杂方法有离子注入和热扩散原理P型半导体硼元素最外层只有三个电子，而硅最外层有四个电子，硼掺进去后，与硅就不能形成稳定的8个电子的结构，形成一个空穴。这个空穴相当于一个正电子。可在导体中运动。在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起

3、着接受电子的作用，故称为受主原子 ，又称受主杂质 。在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流子（多子），而电子则成为少数载流子（少子）。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度。空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子

4、，占据晶格上的某些位置。如图Z0103所示。由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子 ，又称施主杂质 。在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子 （简称多子 ），空穴则为少数载流子 （简称少子 ）。显然，参与导电的主要是

5、电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。为什么N型半导体一定要用5价元素？P型要用3价？五价元素可提供一个自由电子，但如果用六价的就能提供两个，不是更好吗？六价的它容易与四价的材料形成稳定的化合键如，SIO2。那用七价的呢？一些材料与七价元素形成的化合物不是固体。如SICL4是液体。如果我们用一价元素代替三价元素制造P型半导体可行吗？一价元素基本上都是金属，都不能与四价元素反应形成化合物。什么是P-N结？在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N形半导体。两种半导体接触在一起的点或面构成P-N结。P-N结有单向导电的特性，即

6、：正向导通，反向截止。单向导电原理l 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。l N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。l 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。l 空穴和电子相遇而复合，载流子消失。l 因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区（也叫阻挡层、接触电位差）。l P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻

7、止载流子进一步扩散 ，达到平衡。正向电压：如果在P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。即阻挡层变薄接触电位差变小，电阻变小。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。即阻挡层变厚接触电位差变大，电阻变大。这就是PN结的单向导电性。PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。基本的击穿机构有两种，即

8、隧道击穿（也叫齐纳击穿）和雪崩击穿，前者击穿电压小于0.6V，有负的温度系数，后者击穿电压大于0.6V，有正的温度系数。 PN结加反向电压时，空间电荷区中的正负电荷构成一个电容性的器件。它的电容量随外加电压改变。禁带宽度band gap   energy gap禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev).固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子,就必须获得足够能量从而跃迁到导带。允带和允带之间（只要是指价带和导带之间）能带就是禁带，不允许载流子存在的能量区间。禁

9、带宽度指导带中最低能级（导带底）和价带最高能级（价带顶）的能量之差。单位一般是eV，电子伏。对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，即可取任何大小的能量；而原子中的电子是处于所谓分离的能级状态。晶体中的电子是处于所谓能带状态，能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最高能量的、也是最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙）。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的

10、能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。 半导体价带中的大量电子都是价键上的电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以后所留下的价键空位（一个空穴的运动就等效于一大群价电子的运动）。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量。半导体（semiconductor）指介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。 半导体材料很多，按

11、化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类： 锗和硅是最常用的元素半导体； 化合物半导体包括- 族化合物（、磷化镓等）、-族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。 除上述晶态半导体外，还有非晶态半导体如玻璃半导体、有机半导体等。如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收要发生光吸收必须满足，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度Eg，即hEg        

12、60;                                                 

13、60;    （1）其中h是常量，是光的频率若光子能量小于禁带宽度，则光不能被吸收，而透射过晶体，这时晶体是透明的例如食盐（NaCl）晶体，它的禁带宽度很大，约有10eV，所有光都能透射过去，因此它是透明的而半导体晶体的禁带宽度在1eV左右，例如硅的禁带宽度是1.1eV，砷化镓的禁带宽度是1.4eV，由式（1）可算出吸收光的波长（c/，c是光速）分别为1.127m和0.885m，属于红外光范围凡波长比上述波长短的光，即都将被吸收，因此它们都是不透明的    电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、

14、空穴称为非平衡载流子隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由式（1）决定，这种现象称为光发射光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5m）激光器则是由GaxIn1-xAs或GaxIn1-x AsyP1-y合金制成的    不是所有的半导体都能发射光例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由它们的能带性质所决定的它们的能带称为

15、间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带因此硅和锗这两种在微电子器件中已得到广泛应用的材料，却不能用作光电子材料其它的-族化合物，如GaAs、InP等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器目前科学家正在努力寻求能使硅发光的方法，例如制作硅的纳米结构、超晶格微结构，如果能够成功，则将使微电子器件、光电子器件都做在一个硅片上，能大大提高效率，这称为光电集成世界硅储量及分布硅（Si）是地球上含量很丰富的元素，在表层占第二位（25.8%）,仅次于占第一位（49.5%）氧（0）元素。硅资源是指水晶、脉石英、石英砾石

16、（砾石型石英）、天然硅砂等，属非金属矿藏，主要化学成份为SiO2，在自然界蕴藏丰富。但世界硅资源（水晶、石英、天然硅砂等）分布极不平衡。巴西较为丰富，次之为马达加斯加和危地马拉。美国、加拿大、苏联、法国、意大利、印度、澳大利亚、土耳其、缅甸等30多个国家和地区有少量资源。巴西资源总量以及近几十年来的产量和出口量均占世界首位。由于水晶、石英的深加工产品自第二次世界大战开始被用在军事设备上，1948年美国贝尔电话研究所三位学者发明半导体，制成半导体收音机以后，紧接着半导体电台相继问世等等，水晶、石英已成为一种战略性物资，因此它的世界各国产量就难以统计，所以，水晶、石英矿产的世界总储量和年产量均是估

17、算数或未知数。我国的水晶、石英、天然硅砂除上海、天津市以外，其它省、市、自治区均有产出。质量较好的广东、广西、青海、福建、云南、四川、黑龙江等省区；质量最好的有海南、江苏。江苏省水晶、脉石英的主要产地是东海县。东海县天然水晶和脉石英储量丰富，据江苏省地质六队预测：天然水晶储量约为 略 ，SiO2含量高达99.9983%,质量、储量位居全国之首。    东海县水晶、脉石英的开采历史悠久，1958 年房山镇柘塘村，开采单晶重3.5吨“水晶王”、1982年驼峰乡南榴村开采单晶重2.1吨（均存放在北京中国地质博物馆），引起国内外普遍重视。据地质部水晶处多年统计数据证实，东

18、海县水晶收购量占全国水晶产量的50%以上（表1示出了东海县105矿1973年至1988年水晶收购量），毛泽东主席的水晶棺原料为东海提供，东海县是著名的“水晶之乡”。 由于水晶、脉石英、石英砾石、天然硅砂、和粉石英矿的储藏量属于我国国民经济的非支柱性的矿藏资源，也是我国多种未探明储藏量的非金属矿藏，因而全国的储藏量大部分是预测估算数或未知数，在开采和使用方面要考虑可持续发展的原则。硅片的厚度不足一毫米(厚度只有0.240.28毫米).所以在整个太阳能组件中比重几乎可以忽略不记.太阳能组件的重量多数都是在变电.储电设备上.多晶硅和单晶硅的区别多晶硅据有多个晶胞，单晶硅只有一个多晶硅;polycry

19、stalline silicon 性质：灰色金属光泽。密度2.322.34。熔点1410。沸点2355。溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和盐酸。硬度介于锗和石英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。加热至800以上即有延性，1300时显出明显变形。常温下不活泼，高温下与氧、氮、硫等反应。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质。由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原而得。 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶

20、硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。 从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。 从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；1可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；2 对太阳电池来讲，方形基片

21、更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；3多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；4由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14。据报道，目前在5060微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过

22、16。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17，无机械刻槽在同样面积上效率达到16，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8。 一、 国际多晶硅产业概况 多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德等3个国家7个公司的10家工厂手中，形成技术封锁、市场垄断的状况。 按纯度要求不同，分为电子级和太阳能级。6N-9N属于太阳能级别的。9N-11N是电子级多晶硅。世界多晶硅主要生产企业有日本的Tokuyama、三菱、住友公司、美国的Hemlock、Asimi、SGS、MEMC公司，德国的Wacker公司等，其年产能绝大部分在1000吨以上，其中Tokuy

23、ama、Hemlock、Wacker三个公司生产规模最大，年生产能力均在30005000吨。（2005年数据） 国际多晶硅主要技术特征有以下两点： （1）多种生产工艺路线并存，产业化技术封锁、垄断局面不会改变。由于各多晶硅生产工厂所用主辅原料不尽相同，因此生产工艺技术不同；进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有技术特点和技术秘密，总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能约占世界总产能的80，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。 （2）新一代低成本多晶硅工艺

24、技术研究空前活跃。除了传统工艺（电子级和太阳能级兼容）及技术升级外，还涌现出了几种专门生产太阳能级多晶硅的新工艺技术，主要有：改良西门子法的低价格工艺；冶金法从金属硅中提取高纯度硅；高纯度SiO2直接制取；熔融析出法（VLD：Vaper to liquid deposition）；还原或热分解工艺；无氯工艺技术，AlSi溶体低温制备太阳能级硅；熔盐电解法等。 二、 国内多晶硅产业概况 中国硅材料产业关键是要掌握核心技术，否则将难以摆脱受制于人的局面。 多晶硅行业发展的主要问题同国际先进水平相比，国内多晶硅生产企业在产业化方面的差距主要表现在以下几个方面： 1、产能低，供需矛盾突出。2005年中

25、国太阳能用单晶硅企业开工率在2030，半导体用单晶硅企业开工率在8090，无法实现满负荷生产，多晶硅技术和市场仍牢牢掌握在美、日、德国的少数几个生产厂商中，严重制约我国产业发展。 2、生产规模小、现在公认的最小经济规模为1000吨/年，最佳经济规模在2500吨/年，而我国现阶段多晶硅生产企业离此规模仍有较大的距离。 3、工艺设备落后，同类产品物料和电力消耗过大，三废问题多，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗能耗高出1倍以上，产品成本缺乏竞争力。 4、千吨级工艺和设备技术的可靠性、先进性、成熟性以及各子系统的相互匹配性都有待生产运行验证，并需要进一步完善和改进。 5、国内多晶硅生产企业技术创新能

26、力不强，基础研究资金投入太少，尤其是非标设备的研发制造能力差。 6、存在低水平重复建设的隐忧。 7·产生大量污染。多晶硅行业发展的对策与建议2、支持最具条件的改良西门子法共性技术的实施，加快突破千吨级多晶硅产业化关键技术，形成从材料生产工艺、装备、自动控制、回收循环利用的多晶硅产业化生产线。 中文别名：硅单晶 英文名： Monocrystalline silicon 分子式： Si 分子量：28.086 CAS 号：7440-21-3 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具

27、有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。编辑本段半导体 非晶硅是一种直接能带半导体，它的结构内部有许多所谓的“悬键”，也就是没有和周围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮助，因而非晶硅可以做得很薄，还有制作成本低的优点编辑本段物理特性单晶硅熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性

28、。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的A族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的A族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。 但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。l 直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。直拉法伸长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在38英寸。l 区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率

29、输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在36英寸。l 外延片主要用于集成电路领域。 l 由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势：1、微型化4、硅片制造技术进一步升级 半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺目前世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺，使制片技术取得明显进展。在日本，200mm硅片已有50%采用线切割机进行切片，不但能提高硅片质量，而且可使切割损失减少10%。日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型，并向0.13m以下的微细化发展。另外，最新尖端技术

30、的导入，SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。对此，硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资，针对设计规则的进一步微细化，还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等，并对设备进行了改进。  1839年，法国Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。1876年，在固态硒（Se）的系统中也观察到了光伏效应，随后开发出SeCuO光电池。有关硅光电他的报道出现于1941年。贝尔实验室Chapin等人 1954年开发出效率为6的单晶硅光电池，现代硅太阳电池时代从此开始。硅太阳电他于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里，硅太阳电池在空间应用不断扩大，工艺不断改进，电他设计逐步定型。这是硅太阳电池发展的第一个时期。第二个时期开始于70年代初，在这个时期背表面场、细栅金属化、浅结表面扩散和表面织构化开始引人到电池的制造工艺中，太阳电池转换效率有了较大提高。与此同时，硅太阳电池开始在地面应用，而且不断扩大，到70年代未地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降低。 80年代初，硅太阳电他进入快速发展的第三个时期。这个时期的主要特征是把表面钝化技术、降低接触复合效应、后处理提高载流子寿命、改进陷光效应引入到电他的制造工艺中。以各种高效电池为代表，电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不