半导体物理基础知识

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1、半导体物理基础知识前言太阳能的利用1、太阳能热的利用，如太阳能热水器、太阳能热水发电。2、太阳能直接发电即光伏技术。光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统五个环节。上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。前言硅料单晶硅棒切方单晶硅片应用系统组件单晶电池片光伏产业链1.1导体，绝缘体和半导体物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。下表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。≥101010-4~1010≤10-4Ω·CM

2、绝缘体半导体导体物体电阻率1.2半导体材料硅的晶体结构组成物质的最基本的单元是原子，原子又由原子核和电子组成。原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。1.2半导体材料硅的晶体结构几种常见半导体元素的原子结构硅太阳电池生产中常用的硅(Si)，磷(P)，硼(B)元素的原子结构模型如下图所示第三层4个电子第二层8个电子第一层2个电子Si+14P+15B+5最外层5个电子最外层3个电子SiPB

3、1.2半导体材料硅的晶体结构晶体结构固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。单晶和多晶在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。1.2半导体材料硅的晶体结构硅晶体内的共价键硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。如下图所示。

4、1.2半导体材料硅的晶体结构硅晶体的金刚石结构晶体这种周期性的，有规则的，可无限重复排列的结构叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。下图表示一些重要的晶胞。(共有14种晶格结构)(a)简单立方（Po）(b)体心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）正四面实体结构金钢石结构1.2半导体材料硅的晶体结构金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成见下图。为了简便明了，以后分析问题时只要采用前面所示的平面结构示意图即可。1.2半导体材料硅的晶体结构晶面和晶向晶体中的原子可以看

5、成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。晶面的法线所在方向叫晶向，垂直于晶面。下图是几种常用到的晶面和晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)1.2半导体材料硅的晶体结构原子密排面和解理面：在晶体的不同面上，原子排列的疏密程度是不同的。若将原子看成是一个个硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如下所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。1.2半导体材料硅的晶体结构比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起

6、，相互之间，沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶面上原子排列的情况，如下页图所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱。这种晶体结构上的各向异性产生以下性质：1、机械性能的各向异性：由于(111)密排面本身结合牢固而面与面相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面

7、。2、溶解和生长速率的各向异性：由于(111)密排面原子结合牢固,化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的金字塔型四面方锥体，形成绒面状的硅表面。生长速率最慢的的晶向是垂直于密排面的〈111〉晶向。而〈100〉晶向是生长速率最快的。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2半导体材料硅

8、的晶体结构(100)(110)(111)从下页图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组，分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说