半导体的基本知识(讲义)

2020/1/191半导体的基本知识（讲义）２００７年８月2020/1/192前言随着世界范围内的能源紧张，在可以预计的将来，石油和煤炭将资源枯竭，同时那种既消耗资源又产生污染的能源生产方法最终将被人类所淘汰，太阳能这种取之不尽，用之不竭的新型能源已经被人类所认识和发展。2020/1/193近年来，世界各国都已将太阳能光伏产业作为新型能源来发展，我们国家近年来也涌现出许多从事研究和生产太阳能光伏产业的企业。目前，用于生产太阳能电池的主要材料为单晶硅，俗称太阳能单晶硅。下面就半导体单晶硅的一些基本知识作如下讲述：2020/1/194导体、绝缘体、半导体的区别导体——凡能导电的物质均为导体，如金属类物质，常有的为金、银、铜、铁、铝等,它们的电阻率一般在10*E-4欧姆厘米以下。绝缘体——凡不能导电的物质均为绝缘体，生活中常有的物质有橡胶，塑料，木材，玻璃，陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它们的电阻率在10*E9欧姆厘米以上。2020/1/195半导体——在导体和绝缘体之间还有一种被称为半导体的物质。主要有硅、锗、砷化镓、锑化锢、磷化镓、磷化锢等。其中硅和锗为单一元素的半导体，而砷化镓等为化合物半导体。2020/1/196半导体的特征（我们仅以硅例）半导体具有以下一些特征：半导体的导电性能可以通过掺入微量的杂质（简称“掺杂”）来控制，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力，这是半导体能够制成各种器件，从而获得广泛应用的一个重要原因。2020/1/197为了说明微量杂质对半导体导电能力的影响，现举例说明：如我们要拉制目标电阻率为P型0.5～2的太阳能单晶，采用原料为N型电阻率大于20，投料80kg，母合金电阻率为10E-3，经计算80kg投料需要掺入母合金数量为10.32g。2020/1/198温度光照和电阻变化对半导体的导电性能起着很大的作用。硅的熔点1420℃硅的比重为2.33克/立方厘米本征——指半导体本身的性质以区别于外来掺杂的影响，而完全靠半导体本身提供载流子的状况，理论上本征半导体是纯净的，事实上在未掺杂的半导体中，纯只是相对的。2020/1/199有两种载流子参加导电——在半导体中，参与导电的载流子有两种，即“电子”与“空穴”，而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。2020/1/1910半导体的一些常用名称的表述及含义晶体和非晶体晶体通常有规则的几何形状，生活中盐就是典型的立方体晶体结构，而蜡，塑料等都没有规则的形状均都不能称作晶体晶体具有固定的熔点如硅的熔1420℃，在熔化过程中是等温的，一旦完全熔化后溶液温度会迅速上升，其熔化的温度曲线为（见下图）：2020/1/1911Tt1600℃1420℃60分300分等温区升温区升温区2020/1/1912晶体具有各向异性，对称性，解理面各向异性为晶体的机械，电学，热学，光学等物理和化学性质随方向不同而不同。晶体生长中的对称性具体表现为晶棒表面会长有对称的棱线。2020/1/1913如果平行于两根棱线之间划片，则片子能很顺利地沿线脆裂，并得到光直的边缘，如果沿其他方向划片其效果会截然不同。这种容易沿某些晶面劈裂的特性称为解理性，而这些容易劈裂的晶面叫做解理面。2020/1/1914单晶体和多晶体单晶体——单晶体内的原子都按同一规律同一方向有序地周期性的排列，在单晶生长中具体表现为有棱线生长。2020/1/1915多晶体——多晶体则有许多取向不同的单晶体（或称晶粒）组成，多晶体内的原子在局部范围内呈规则排列，但不同局部区域中原子排列的方向不同，呈杂乱无序状态。如在单晶生长中原有正常晶体受外界影响如掺入杂质所致，则原正常生长的单晶受到破坏而成为多晶状态，具体表现为原有的棱线消失，晶体表面呈现无规则杂乱的迹象。2020/1/1916晶向晶体中由位于同一平面的原子所组成的平面称为晶面，晶格中每一个平行排列的直线方向称为晶向（见下图）。2020/1/1917100晶向100晶面2020/1/1918单晶生长按生长方向主要有两种，即111和100，目前在太阳能单晶的生产中，基本上都是采用拉100方向的，其特征为表面有四根对称的棱线。2020/1/1919型号半导体生长中按其掺入的杂质分为二类，即N型和P型二种。N型——当硅中掺入Ⅴ族元素的杂质（磷P，砷As，锑Sb等），这些杂质原子可以向硅提供一个自由电子，而本身成为带正电的离子，通常把这种杂质叫施主杂质，当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。2020/1/1920P型——当硅中掺入Ⅲ族元素的杂质（硼B，铝Al，镓Ga等），这些Ⅲ族杂质可以向硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质叫受主杂质，当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体，相应的杂质也叫做P型杂质。2020/1/1921施主和受主杂质均称为替位式杂质。但事实上，一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施主数量超过受主时，半导体就是N型的，反之，受主数量超过施主时则是P型的。一般在N型单晶的生产中，通常以掺磷为主，在P型单晶中以掺硼为主，目前太阳能单晶的生产中，以掺硼的P型为主。2020/1/1922电阻率半导体生产中常用的一种参数，用字母ρ表示，单位Ω㎝，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。2020/1/1923常用半导体的电阻率主要分类有以下几种：高阻15～60中阻6～15低阻0.1～6轻掺0.09～0.1重掺0.001～0.09目前太阳单晶的生产中主要为P型0.5～3、P型３～６2020/1/1924少子寿命半导体生产中的常用参数，用表示，单位微秒。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。2020/1/1925寿命标志着少数载流子浓度减少到原值为１／时所经历的时间，一般太阳能电池所需要的少子寿命t在１０微秒以上。何为载流子？在半导体中，导电是靠电子和空穴的移动来完成的，因此电子和空穴被统称为载流子。2020/1/1926何为多数载流子与少数载流子?在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等，在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和，少数载流子简称少子，只由本征激发产生。2020/1/1927杂质补偿在一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施主数量超过受主时，半导体就是N型的，反之，受主数量超过施主时则是P型的。更具体地讲，在N型的半导体中，单位体积有ND个施主，同时还有NA个受主，但NAND，这时施主放出的ND个电子将有NA个去填补受主造成的缺位，所以只余下ND-NA个电子成为供电的载流子，这种受主和施主在导电性上相互抵消的现象叫做杂质的“补偿”。2020/1/1928在有“补偿”的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差，同样，受主浓度的NA大于施主浓度ND的情形也是完全类似的。由于补偿只余下NA-ND个空穴成为导电的载流子。即当NDNA时，半导体是N型当NAND时，半导体是P型若ND≈NA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消，即称为高度补偿。2020/1/1929分凝杂质在晶体中，由于液态凝出的固相的化学成分和液相不同，所以随着凝固的进行，液相成分不断变化，因而先后凝出的固相成分也不同，这种现象称为分凝现象。2020/1/1930例如：从掺杂的硅熔体中生长单晶，因为凝出的单晶含杂质较熔体为少，可是随着单晶生长，熔体中杂质浓度不断增加，由于这种原因，拉出的单晶中头部杂质较少，尾部较多，这就是典型的杂质分凝现象。常用掺杂元素中的分凝系数：硼（B）0.8磷（P）0.35锑（Sb）0.022020/1/1931位错在晶体中，原子的排列发生错乱的区域称为位错。在大多数情况下，发生位错的主要原因往往是在高温下，由于材料内的应力引起材料发生范性形变，当硅在700℃以上就由脆性转变为范性，在应力作用下很容易发生范性形变，晶体中的大量位错主要就是在这种高温范性形变中产生的。2020/1/1932晶体中的范性形变实际上是晶面和晶面间发生了相对移动，称为滑移。位错主要分为“刃位错”、“螺位错”、“层错”一般将小于3000/C㎡的单晶称为无位错单晶。2020/1/1933总结由于在半导体的特性中存在着即使加入微量的杂质，都会对半导体的导电特性起很大的作用的现象。所以在半导体的生产中始终贯穿着一个“纯”字，因此在半导体的生产过程中，对环境卫生，操作工艺都有着很严格的要求，所有从事半导体行业的每个从业人员都必须对此有高度的认识，这样才能生产出合格的产品。