半導(dǎo)體的基本知識(講義)

1、2022-2-271半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識（講義）（講義）年月年月2022-2-272前言前言l隨著世界范圍內(nèi)的能源緊張，在可隨著世界范圍內(nèi)的能源緊張，在可以預(yù)計的將來，石油和煤炭將資源以預(yù)計的將來，石油和煤炭將資源枯竭，同時那種既消耗資源又產(chǎn)生枯竭，同時那種既消耗資源又產(chǎn)生污染的能源生產(chǎn)方法最終將被人類污染的能源生產(chǎn)方法最終將被人類所淘汰，太陽能這種取之不盡，用所淘汰，太陽能這種取之不盡，用之不竭的新型能源已經(jīng)被人類所認(rèn)之不竭的新型能源已經(jīng)被人類所認(rèn)識和發(fā)展。識和發(fā)展。2022-2-273l近年來，世界各國都已將太陽能光伏產(chǎn)業(yè)近年來，世界各國都已將太陽能光伏產(chǎn)業(yè)作為新型能源來發(fā)展，

2、我們國家近年來也作為新型能源來發(fā)展，我們國家近年來也涌現(xiàn)出許多從事研究和生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)涌現(xiàn)出許多從事研究和生產(chǎn)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的企業(yè)。業(yè)的企業(yè)。l目前，用于生產(chǎn)太陽能電池的主要材料為目前，用于生產(chǎn)太陽能電池的主要材料為單晶硅，俗稱太陽能單晶硅。單晶硅，俗稱太陽能單晶硅。l下面就半導(dǎo)體單晶硅的一些基本知識作如下面就半導(dǎo)體單晶硅的一些基本知識作如下講述：下講述：2022-2-274導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別l導(dǎo)體導(dǎo)體凡能導(dǎo)電的物質(zhì)均為導(dǎo)體，如金凡能導(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、鋁屬類物質(zhì)，常有的為金、銀、銅、鐵、鋁等等,它們的電阻率一般在它們的

3、電阻率一般在10*E-4歐姆厘米以歐姆厘米以下。下。l絕緣體絕緣體凡不能導(dǎo)電的物質(zhì)均為絕緣體，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，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，它玻璃，陶瓷等都是不能導(dǎo)電的絕緣體，它們的電阻率在們的電阻率在10*E9歐姆厘米以上。歐姆厘米以上。2022-2-275l半導(dǎo)體半導(dǎo)體在導(dǎo)體和絕緣體之間還有一種在導(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)體硅和鍺為單一元素的

4、半導(dǎo)體，而砷化鎵等，而砷化鎵等為化合物半導(dǎo)體。為化合物半導(dǎo)體。2022-2-276半導(dǎo)體的特征（我們僅以硅例）半導(dǎo)體的特征（我們僅以硅例）l半導(dǎo)體具有以下一些特征：半導(dǎo)體具有以下一些特征：l半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能可以通過摻入微量的雜可以通過摻入微量的雜質(zhì)（簡稱質(zhì)（簡稱“摻雜摻雜”）來控制，加入微量雜）來控制，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)導(dǎo)體能夠制成各種器件，從而獲得廣泛應(yīng)用的一個重要原因。用的一個重要原因。2022-2-277l為了說明微量雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的影為了說明微量雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電能力

5、的影響，現(xiàn)舉例說明：如我們要拉制目標(biāo)電阻響，現(xiàn)舉例說明：如我們要拉制目標(biāo)電阻率為率為P型型0.52的太陽能單晶，采用原料為的太陽能單晶，采用原料為N型電阻率大于型電阻率大于20，投料，投料80kg，母合金電，母合金電阻率為阻率為 10E-3，經(jīng)計算，經(jīng)計算80kg投料需要摻入投料需要摻入母合金數(shù)量為母合金數(shù)量為10.32g。2022-2-278l溫度光照和電阻變化對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能起著溫度光照和電阻變化對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能起著很大的作用。很大的作用。l硅的熔點硅的熔點1420l硅的比重為硅的比重為2.33克克/立方厘米立方厘米l本征本征指半導(dǎo)體本身的性質(zhì)以區(qū)別于外來摻指半導(dǎo)體本身的性質(zhì)以區(qū)別于外

6、來摻雜的影響，而完全靠半導(dǎo)體本身提供載流子的雜的影響，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，事實上狀況，理論上本征半導(dǎo)體是純凈的，事實上在在未摻雜的半導(dǎo)體中，純只是相對的未摻雜的半導(dǎo)體中，純只是相對的。2022-2-279l有兩種載流子參加導(dǎo)電有兩種載流子參加導(dǎo)電在半導(dǎo)體中，在半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的載流子有兩種，即參與導(dǎo)電的載流子有兩種，即“電子電子”與與“空穴空穴”，而且同一種半導(dǎo)體材料，既可，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。空穴為主的導(dǎo)電。2022-2-2710半導(dǎo)體的一些常用名稱的半導(dǎo)

7、體的一些常用名稱的表述及含義表述及含義l晶體和非晶體晶體和非晶體l晶體通常有規(guī)則的幾何形狀，晶體通常有規(guī)則的幾何形狀，生活中鹽就生活中鹽就是典型的立方體晶體結(jié)構(gòu)，而蠟，塑料等是典型的立方體晶體結(jié)構(gòu)，而蠟，塑料等都沒有規(guī)則的形狀均都不能稱作晶體都沒有規(guī)則的形狀均都不能稱作晶體l晶體具有固定的熔點如硅的熔晶體具有固定的熔點如硅的熔1420，在熔化過程中是在熔化過程中是等溫的等溫的，一旦完全熔化后，一旦完全熔化后溶液溫度會迅速上升，其熔化的溫度曲線溶液溫度會迅速上升，其熔化的溫度曲線為（見下圖）：為（見下圖）：2022-2-2711Tt1600142060分分300分分等溫區(qū)等溫區(qū)升溫區(qū)升溫區(qū)升溫區(qū)

8、升溫區(qū)2022-2-2712l晶體具有晶體具有各向異性，對稱性，解理面各向異性，對稱性，解理面l各向異性各向異性為晶體的機(jī)械，電學(xué)，熱學(xué)，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)隨方向不同而不光學(xué)等物理和化學(xué)性質(zhì)隨方向不同而不同。同。l晶體生長中的晶體生長中的對稱性對稱性具體表現(xiàn)為晶棒表具體表現(xiàn)為晶棒表面會長有對稱的棱線。面會長有對稱的棱線。2022-2-2713l如果平行于兩根棱線之間劃片，則片子能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，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截然不同。如果沿其他方向劃片其效果會截然不同。這種容易沿

9、某些晶面劈裂的特性稱為這種容易沿某些晶面劈裂的特性稱為解理解理性性，而這些容易劈裂的晶面叫做，而這些容易劈裂的晶面叫做解理面解理面。2022-2-2714單晶體和多晶體單晶體和多晶體l單晶體單晶體單晶體內(nèi)的原子都按同一規(guī)律單晶體內(nèi)的原子都按同一規(guī)律同一方向有序地周期性的排列，在單晶生同一方向有序地周期性的排列，在單晶生長中具體表現(xiàn)為有長中具體表現(xiàn)為有棱線棱線生長。生長。2022-2-2715l多晶體多晶體多晶體則有許多取向不同的單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（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)域中原子排列圍內(nèi)呈規(guī)則排

10、列，但不同局部區(qū)域中原子排列的方向不同，呈雜亂無序狀態(tài)。如在單晶生長的方向不同，呈雜亂無序狀態(tài)。如在單晶生長中原有正常晶體受外界影響如摻入雜質(zhì)所致，中原有正常晶體受外界影響如摻入雜質(zhì)所致，則原正常生長的單晶受到破壞而成為多晶狀態(tài)，則原正常生長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)無具體表現(xiàn)為原有的棱線消失，晶體表面呈現(xiàn)無規(guī)則雜亂的跡象。規(guī)則雜亂的跡象。2022-2-2716晶向晶向 l晶體中由位于同一平面的原子所組成的晶體中由位于同一平面的原子所組成的平面稱為平面稱為晶面晶面，晶格中每一個平行排列，晶格中每一個平行排列的直線方向稱為的直線方向稱為晶向晶向（見下圖）

11、。（見下圖）。2022-2-2717晶向晶向晶面晶面2022-2-2718l單晶生長按生長方向主要有兩種，即單晶生長按生長方向主要有兩種，即和和，目前在太陽能單晶的生產(chǎn)中，基本上，目前在太陽能單晶的生產(chǎn)中，基本上都是采用拉都是采用拉方向的，其特征為表面方向的，其特征為表面有四有四根對稱的棱線。根對稱的棱線。2022-2-2719型號型號 l半導(dǎo)體生長中按其摻入的雜質(zhì)分為二類，半導(dǎo)體生長中按其摻入的雜質(zhì)分為二類，即即N型和型和P型型二種。二種。lN型型當(dāng)硅中摻入當(dāng)硅中摻入族元素的雜質(zhì)（磷族元素的雜質(zhì)（磷P，砷砷As，銻，銻Sb等），這些雜質(zhì)原子可以向硅等），這些雜質(zhì)原子可以向硅提供一個自由電子，

12、而本身成為帶正電的提供一個自由電子，而本身成為帶正電的離子，通常把這種雜質(zhì)叫離子，通常把這種雜質(zhì)叫施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)，當(dāng)硅，當(dāng)硅中摻有中摻有施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)時，主要靠施主提供的電時，主要靠施主提供的電子導(dǎo)電，這種子導(dǎo)電，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做，相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做N型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。2022-2-2720lP型型當(dāng)硅中摻入當(dāng)硅中摻入族元素的雜質(zhì)（硼族元素的雜質(zhì)（硼B(yǎng)，鋁鋁Al，鎵，鎵Ga等），這些等），這些族雜質(zhì)可以向硅族雜質(zhì)可以向硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負(fù)電的離子，通常把這種雜質(zhì)叫帶

13、負(fù)電的離子，通常把這種雜質(zhì)叫受主雜受主雜質(zhì)質(zhì)，當(dāng)硅中摻有受主雜質(zhì)時，主要靠受主，當(dāng)硅中摻有受主雜質(zhì)時，主要靠受主提供的空穴導(dǎo)電，這種提供的空穴導(dǎo)電，這種依靠空穴導(dǎo)電的半依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體叫做導(dǎo)體叫做P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做，相應(yīng)的雜質(zhì)也叫做P型雜質(zhì)型雜質(zhì)。2022-2-2721l施主和受主雜質(zhì)均稱為施主和受主雜質(zhì)均稱為替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)。l但事實上，一塊半導(dǎo)體中常常同時含有施但事實上，一塊半導(dǎo)體中常常同時含有施主和受主雜質(zhì)，主和受主雜質(zhì)，當(dāng)施主數(shù)量超過受主時，當(dāng)施主數(shù)量超過受主時，半導(dǎo)體就是半導(dǎo)體就是N型的型的，反之，反之，受主數(shù)量超過施受主數(shù)量超過施主時則是主時則是P型的。型

14、的。l一般在一般在N型單晶的生產(chǎn)中，通常以型單晶的生產(chǎn)中，通常以摻磷摻磷為主，為主，在在P型單晶中以型單晶中以摻硼摻硼為主，目前太陽能單晶為主，目前太陽能單晶的生產(chǎn)中，以的生產(chǎn)中，以摻硼摻硼的的P型為主。型為主。 2022-2-2722電阻率電阻率 l半導(dǎo)體生產(chǎn)中常用的一種參數(shù)，用字母半導(dǎo)體生產(chǎn)中常用的一種參數(shù)，用字母表表示，單位示，單位，它反映了半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃，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)電能力的強弱。度的高低和半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的強弱。2022-2-2723l常用半導(dǎo)體的電阻率主要分類有以下幾種：常用半導(dǎo)體的電阻率主要分類有以下幾種：l高阻高阻1560l中阻中阻615l低阻

15、低阻0.16l輕摻輕摻0.090.1l重?fù)街負(fù)?.0010.09l目前太陽單晶的生產(chǎn)中主要為目前太陽單晶的生產(chǎn)中主要為P型型0.53、 P型型2022-2-2724少子壽命少子壽命 l半導(dǎo)體生產(chǎn)中的常用參數(shù)，用半導(dǎo)體生產(chǎn)中的常用參數(shù)，用 表示，單位表示，單位微秒。微秒。l在在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。是少數(shù)載流子。l在在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。是少數(shù)載流子。2022-2-2725l壽命標(biāo)志著少數(shù)載流子濃度減少到原值為壽命標(biāo)志著少數(shù)載流子濃度減少到原值為 時所經(jīng)歷的時間，時所經(jīng)歷

16、的時間，一般太陽能電池所一般太陽能電池所需要的少子壽命需要的少子壽命t在微秒以上。在微秒以上。l何為載流子？何為載流子？l在半導(dǎo)體中，導(dǎo)電是靠電子和空穴的移動在半導(dǎo)體中，導(dǎo)電是靠電子和空穴的移動來完成的，因此電子和空穴被統(tǒng)稱為載流來完成的，因此電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。子。2022-2-2726l何為多數(shù)載流子與少數(shù)載流子何為多數(shù)載流子與少數(shù)載流子?l在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，電子與空穴的濃度不再相等，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，電子與空穴的濃度不再相等，在在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，數(shù)載流子，P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子

17、，電子是少數(shù)載流子。多數(shù)載流子簡稱多子，是雜電子是少數(shù)載流子。多數(shù)載流子簡稱多子，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)載流子簡稱少子，只由本征激發(fā)產(chǎn)生子簡稱少子，只由本征激發(fā)產(chǎn)生。2022-2-2727雜質(zhì)補償雜質(zhì)補償l在一塊半導(dǎo)體中常常同時含有施主和受主雜質(zhì)，當(dāng)施在一塊半導(dǎo)體中常常同時含有施主和受主雜質(zhì)，當(dāng)施主數(shù)量超過受主時，半導(dǎo)體就是主數(shù)量超過受主時，半導(dǎo)體就是N型的，反之，受主型的，反之，受主數(shù)量超過施主時則是數(shù)量超過施主時則是P型的。型的。l更具體地講，在更具體地講，在N型的半導(dǎo)體中，單位體積有型的半導(dǎo)體中，單位體積有ND個施個施主，同時

18、還有主，同時還有NA個受主，但個受主，但NANA時，半導(dǎo)體是時，半導(dǎo)體是N型型l當(dāng)當(dāng)NAND時，半導(dǎo)體是時，半導(dǎo)體是P型型l若NDNA，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，即稱為高度補償高度補償。2022-2-2729分凝分凝l雜質(zhì)在晶體中，由于液態(tài)凝出的固相的化雜質(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，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。成分也不同，這種現(xiàn)象稱為分凝現(xiàn)象。2022-2-2730l例如：從摻雜的硅熔體中生長單晶，因為凝出的例如：從摻雜的硅熔體中生長單晶，因為凝出的單晶含雜質(zhì)較熔體為少，可是隨著單晶生長，熔單晶含雜質(zhì)較熔體為少，可是隨著單晶生長，熔體中雜質(zhì)濃度不斷增加，由于這種原因，拉出的體中雜質(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，這就是典型的單晶中頭部雜質(zhì)較少，尾部較多，這就是典型的雜質(zhì)雜質(zhì)分凝分凝現(xiàn)象?，F(xiàn)象。l常用摻雜元素中的分凝系數(shù)：常用摻雜元素中的分凝系數(shù)：l硼（硼（B）0.8l磷（磷（P）0.35l銻（銻（Sb）0.022022-2-2731位錯位錯l在晶體中，原子的排列發(fā)生錯亂的區(qū)域稱為位在晶體中，原子的排列發(fā)生錯亂的區(qū)域稱為位錯。錯。l在大多數(shù)情況下，發(fā)生位錯的主要