磷在硅中的系数

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1、硅中的杂质世界上最纯的物质：硅   硅，是人类在世界上提得最纯的物质，目前人类能够得到的最纯的硅，纯度是99.99999999999999%，估计读者们数不过来，告诉您吧，是16个9。   但是，纯硅虽然也有半导体的性质，却是一种没有什么实际用处的半导体。真正要制作能够使用的半导体器件，包括太阳能电池，就要在其中添加一些杂质，常见的是磷和硼。也有镓、砷、铝和其它一些元素。   杂质的作用，总体上来说，是调节硅原子的能级，学过半导体或固体物理的人知道，由于晶体结构的原因，固体中的全部原子的各能级形成了能带，硅通常可以分为三个能带，最上面是

2、导带，中间是禁带，下面是价带。如果以火车为比喻的话，那么，导带是火车，价带是站台，禁带则是站台与火车之间的间隙。   如果所有的自由电子都在价带上，那么，这个固体就是绝缘体,这就好比人站在站台上，是到不了别处的；如果所有的自由电子都在导带上，那么这个固体就是导体，这就好象人上了火车，可以周游全国了。   半导体的自由电子平时在价带上，但受到一些激发的时候，如热、光照、电激发等，部分自由电子可以跑到导带上去，显示出导电的性质，所以称为半导体。   硅就是这样一种半导体，但由于纯硅的导带和价带的距离过大（也称为禁带过宽，），这就好像是就是站

3、台离火车太远，一般的人很难从站台跳到火车上去一样，通常只有很少量的电子能够被从价带激发到导带上，所以纯硅的半导体性质比较微弱，不能直接应用。硅中的杂质（一）：有用且必需的杂质   为了解决这个问题，科学家们想出了添加杂质的方法，这些杂质在导带和禁带之间形成杂质能级，这些杂质能级要么距离导带很近（如磷），是提供电子的，称为施主能级；要么距离价带很近（如硼），是接受电子的，称为受主能级。这样，一些很小的激发就可以使硅具有导电的性质。这就好比在车站和站台之间，加一些垫脚的石凳，离站台近的，就是受主能级，离火车近的，是施主能级。   能够提供施

4、主能级或受主能级的杂质，分别称为施主杂质和受主杂质，这些，当然是有用的杂质。  施主杂质的典型代表是磷，受主杂质的典型代表是硼。这两种杂质之所以成为最常用的半导体杂质，我的看法是因为它们在硅中的分凝系数是最接近于1的，也就是说，在掺杂后，拉单晶生长的时候，容易形成均匀的浓度分布。   而他们在硅中的分凝系数之所以能够最接近于1，是因为他们的性质与硅最接近。但也正是因为如此，导致了在物理法提纯的过程中，硼和磷成为了最难去除的元素。   有用的杂质，其数量也有一个适中的范围，过小，效果不明显，过多，使得导电性太强，不容易控制，反而成为废物。

5、通常，不同的半导体的应用对杂质的要求有不同的范围。而对于太阳能电池应用来说，对应的电子或空穴的体密度，应该在1017/CM3左右，大家可以自己计算对应的杂质浓度。   掺杂了受主杂质的硅成为P型，常见的是掺硼的硅。掺杂了施主杂质的硅称为N型，常见的是掺磷的硅。对于太阳能电池来说，P型硅比较常见，因为前面所说的，硼的分凝系数是0.8，在单晶中，硼比较容易掺杂均匀的缘故。   太阳能电池要发电，就要有PN结，这样才能在光照的情况下，形成正负极。对于P型半导体来说，N型结，是通过在硅片的表面通过扩散的工艺形成一层磷的薄层。纯硅的杂质浓度与电阻

6、率的关系   在半导体电子级的硅材料中，由于通常都是先将硅提纯到很高的纯度，比如11N或者10N左右，之后再进行掺杂，所以，材料中的杂质比较单纯。例如，用来进行生产单晶硅太阳能电池片的多晶硅材料，硅的纯度通常可以达到9N的纯度，然后对硼掺杂到大约1ppma的量级，而这时，其它的杂质都会小于1ppb，（除了C、O、N之外，为什么要除去这三种，我在后面会交代）。   这种情况下，如果硼的杂质浓度有变化，比如万一掺杂的比例弄错了，或者结晶的情况不理想导致各个部分有差异，其实并不需要对单晶硅棒的各个部位进行取样也能知道硼的浓度分布如何。方法很简

7、单，就是测量电阻率的分布，就可以知道各个部位的硼的含量了。因为，硼的浓度就代表了载流子的浓度，直接与电导率呈正比关系，所以，在各个部位的硼的浓度是与电阻率呈倒数关系的。   同样，对于纯粹的N型半导体，用电阻率的分布，也可以知道磷的浓度分布。杂质补偿与PN转型   但是，如果是材料里，又有磷、又有硼，比如，在已经制作了PN结的硅片中（近年，由于硅材料紧张，许多公司进口回收的硅料，就大量地遇到这种情况），在PN结附近，就有这样硼磷同时存在的情形。如果这种材料又曾经经过了一些退火之类的高温处理的话，PN结附近的材料会向对方的深处扩散，导致P

8、型的部分含有磷，N型的部分含有硼得情况。这时，会出现所谓的“补偿”现象。   什么叫补偿？用比喻来说，P型材料的硼原子是带正电（空穴）的，而N型材料的磷原子是带负电的，如果这两种杂质在硅中共存的话，电子与空