半导体及太阳电池基础.pdf

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1、半导体及太阳电池基础吴坚2015.07.22目录半导体基础太阳能电池基础原理Q&Awww.canadiansolar.com2晶体特性自然界物质存在的状态分为液态、气态、固态。固态物质根据它们的质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点，加热时在某以温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同以规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组

2、成的晶体，称为多晶体。硅材料有多种形态，按晶体结构，可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅。www.canadiansolar.com3长程序短程序无序单晶、多晶和非晶体原子排列www.canadiansolar.com4各类固体的能带特性允许能态被电子占据的方式导带电子可自由秱动EFEFEF价带电子被束缚(a)在金属中(b)在绝缘体中(c)在半导体中www.canadiansolar.com5允许态的能量密度在低温下，晶体的某一能级以下的所有可能能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（E）。随着温度的升高，一些电子得到超过费米能级的能F量，考虑到

3、泡利丌相容原理的限制，仸一给定能量E的一个所允许的电子能态的占有几率可以根据统计规律计算，其结果是由下式给出的费米－狄拉克分布函数，1fEEEF1eKT能量EN(E)距离www.canadiansolar.com6允许态的能量密度电子集中在导带底EFEF空穴集中在价带顶f(E)载流子数/单位能量www.canadiansolar.com7电子和空穴的密度1、单位体积晶体中，在导带内的电子数(E-E)/kTFc表示导带底E处的能n=Necc态为电子占据的几率2、单位体积晶体中，在价带内的空穴数(E-E)/kT表示价带顶E处的能p=

4、NevFvv态为空穴占据的几率www.canadiansolar.com8本征型导带中只有很少的电子，价带中电子很多，只有很少空穴，费米Ec分布函数对于能级EFEFEF是对称的。Ev导带和价带中的电子能态数相同，导带中0.51的电子数和价带中的空穴数也相同，即EF必定位于禁带中线www.canadiansolar.com9N型导带电子浓度比本征情况要大得多，而导EcEF带中能态的密度与本EF征情况是一样的，因Ev此N型半导体的费米能级连同整个费米分0.51布函数将一起在能带图上向上移动。www.canadiansolar.com10P型EcP

5、型半导体的费米能级连同整个费米分布EFEFE函数将一起在能带图v上向下移动。0.51www.canadiansolar.com11注：温度升高时，费米能级向本征费米能级靠近，电子和空穴浓度不断增加，不论是P还是N，在温度很高时都会变成本征硅。www.canadiansolar.com12Ⅳ族半导体的键模型硅的晶体结构：在硅晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。www.canadiansolar.com13本征激収硅晶体中的正常键

6、共价键SiSiSiSiSiSSSSiiii+4+4电子被激发，晶体中出现空穴+4+4eSSSSSiiiiieSSSSiiiiwww.canadiansolar.com14Ⅲ族和Ⅴ族掺杂剂五价原子砷替代式掺入四价硅中，多余的价电子环绕A离子运动se导带SSSSiiiiSSSSiiii施主能级SiSiAsSiSiSSSS价带iiiiSSSiSiiiSSiSiSii如果是填隙式掺杂，成为非活性掺杂，丌产生电离，只产生点缺陷(复合中心)www.canadiansolar.com15三价原子硼掺入四价锗晶体中，空穴环绕B离子运动导带空穴GG

7、GGeeee受主能级GBeGe价带GGGGeeee如果是填隙式掺杂，成为非活性掺杂，丌产生电离，只产生点缺陷(复合中心)www.canadiansolar.com16丼例：磷扩散非活性掺杂，填隙式，死层的来源活性掺杂，替代式www.canadiansolar.com17载流子浓度（单位体积的载流子数目）载流子(携带电荷可自由移动的微观粒子，电子不空穴)的运动形式有两种：漂移运动不扩散运动。1.漂秱运动载流子在外电场作用下的运动称为漂秱运动，由此引起的电流称为漂秱电流。EJqnvqnEeeevPJqpEppve其中，μ载流子迁

8、移率，温度升高或者掺杂浓度或者缺陷密度增大，μ减I小www.canadiansolar.com182、扩散运动半导体材料内部由于载流子的浓度差而引起载流子的秱动