硅半导体与非晶硅材料

《硅半导体与非晶硅材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、硅半导体与非晶硅材料2.1半导体材料2.2半导体种类2.3光能的转换吸收2.4电子空穴对的产生与复合2.5光生伏打与PN结2.1半导体材料半导体的共价键结构图1983年，贝克勒发现了某些材料在被曝光时产生电流的现象，也就是所谓的光电伏特效应，是光伏器件或太阳能电池工作的基础。太阳能电池是由半导体材料制造而成的，这种材料在低温下是绝缘体，但在右能量或热量输入时就成为了导体。目前，由于硅材料的技术最为成熟，大多数太阳能电池是用硅材料制造的。人们也正在积极地研究其他可以取代硅的材料。半导体材料的电学特性通常可以采用两种

2、模型来解释，分别是化学键模型和能带模型。2.1.1化学键模型化学键模型是用将硅原子象结合的共价键来描述硅半导体的运动特性。在低温下，这些共价键是完好的，硅材料显示出绝缘体的特征。但遇到高温的情况时，一些共价键就被破坏，此时有两种过程可以使硅材料导电：1.电子从被破坏掉得共价键中释放出来自由运动；2.电子也能从相邻的共价键中移动到由被破坏的共价键所产生的”空穴”里，而那些相邻的共价键便遭到破坏，如此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样。空穴运动的概念类似于液体中气泡的运动。气泡的运动尽管实

3、际上是液体的流动，但是也可以简单的理解为气泡的反方向运动。2.1.2能带模型Eg能带模型根据价带的导带间的能量来描述半导体的运动特性。如图（1）所示，电子在共价键中德能量对应于其在价带的能量，电子在导带中是自由运动的。带隙的能量差反映了使电子脱离价带跃迁到导带的最小能量。只有电子进入导带才能产生电流。同时空穴在价带以相反与电子的方向运动，产生电流。这个模型被称作能带模型。2.1.3掺杂半导体掺杂，将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结。磷（P）、砷（As）（掺入五价元素）——N型

4、硅硼（B）、铝（Al）（掺入三价元素）——P型硅掺杂工艺扩散’离子注入。相对而言，本征半导体中载流子数目极少，导电能力很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增加。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。N型半导体中掺入的杂质为磷或其它五价元素。磷原子在取代原晶体结构中德原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子。P型半导体中掺入的杂质为硼或其它三价元素。

5、硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，讲因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子。可以通过惨杂其它杂质原子来改变电子与空穴在硅晶格中的数量平衡。掺入比原半导体材料多一个价电子的原子，可以制备N型半导体材料。掺入比原半导体材料少一个价电子的原子，可以制备P型半导体材料，如图所示：N型半导体的共价键结构P型半导体的共价键结构2.2半导体的种类（1）晶体与非晶体的区别日常所见道德固体分为非晶体和晶体两大类。非晶体物质的内部原子排列没有一定的规

6、律，断裂时断口也是随机的，如塑料盒玻璃等。而称之为晶体的物质，外形呈现天然的有规则的多面体，具有明显的棱角与平面，其内部的原子是按照一定的规律整齐地排列起来，所以破裂时也按照一定的平面断开，如食盐‘水晶等。（2）单晶体与多晶体的区别有的晶体是由许许多多的小晶粒组成。若晶粒之间的排列没有规则，这种晶体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有的晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种晶粒称之为单晶体，如水晶和金刚石。(3)单晶硅与多晶硅太阳能电池的区别多晶硅是单质贵的一种形态。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

7、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。单晶硅电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。多晶硅电池成本低，转换效率较低与直拉单晶硅太阳能电池，材料中辉有各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，材料中含有杂质碳和氧，以及工艺过程汇总玷污的过度族金属。用来制造太阳能电池的硅和其他材料的半导体通常有单晶硅、mc多晶体、pc多晶体、微晶体和无定形晶体。尽管这些晶体种类的名称在不同场合可能用法各异，依照热定的方法，

8、用晶粒的平面大小来定义：微晶体的晶粒小于1um，PC多晶体的晶粒小于1mm，mc多晶体的晶粒大小小于10m。2.2.1单晶硅（sc-Si）晶硅的规则的晶体结构，它的每个原子都理解地排列在预先注定的位置，因此，单晶硅的理论和技术才能被迅速地应用于晶体材料，表现出可预测和均匀的行为特性。但由于单晶硅材料的制造过程必须极其细致而缓慢，是最为昂贵的一种硅材料，因此价格更为低廉的多