1、1 光伏原理及应用光伏原理及应用Lecturer:Weifeng Liu刘维峰 2第二章 半导体材料的基本性质n&2.1 半导体的晶体结构n&2.2 半导体的能带结构n&2.3 半导体的杂质和缺陷n&2.4 半导体的电学性质n&2.5 半导体的光学性质3&2.1 半导体的晶体结构n2.1.1 晶体n2.1.2 晶体结构n2.1.3 晶体类型4n晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。n晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。&2.1 半导体的晶体结构5晶胞参数n我们把晶体中重复出现的最
2、基本的结构单元叫晶胞。n构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角、称为晶胞参数。n它们决定了晶胞的大小和形状。6七大晶系晶系晶轴夹角立方a=b=c=900 四方a=b c=900 正交a b c=900 三方a=b=c=900 六方a=b c=900，=1200 单斜a b c=900，900 三斜a b c 900 7bcabcabacbacbacbacbac立方立方 Cubic四方四方 Tetragonal正交正交 Rhombic三方三方 Rhombohedral 六方六方 Hexagonal 单斜单斜 Monoclinic 三斜三斜 Triclinic8密排堆积方式n密堆积方式因充
3、分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。n常见的密排堆积方式的种类有：简单立方堆积 体心立方堆积 面心立方堆积 密排六方堆积 金刚石型堆积9面心立方堆积10金刚石型堆积10928 11半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO12晶体类型n金属晶体 通过金属键而形成的晶体 n离子晶体 通过离子键而形成的晶体n分子晶体 通过分子间作用力而形成的晶体n原子晶体 通过共价键形成的晶体13&2.2半导体的能带结构半导体的能带结构 14nSi原子最外层有四个电子：3s2 3
4、p22s2pground state of C atomexcited state4 sp3 hybrid orbitalsthe foramtion of sp3 hybird orbitals硅原子基态3s 3p激发态Sp3杂化态Sp3杂化理论153s3pz3py3px杂化前杂化后1617半导体的导带，价带和禁带宽度半导体的导带，价带和禁带宽度价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带禁带宽度禁带宽度：导带底与价带
5、顶之间的能量差：导带底与价带顶之间的能量差18禁带宽度禁带宽度n禁带禁带宽度宽度(Band gap):是指一个能带宽度是指一个能带宽度(单位单位是电子伏特是电子伏特(ev).固体中电子的能量是不可以连固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。续取值的，而是一些不连续的能带。n 要导电就要有自由电子存在。自由电子存在要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为的能带称为导带导带（能导电）。被束缚的电子要（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度禁带宽
6、度。n gcvEEE19允许能态的占有几率允许能态的占有几率关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子能级的分布服从半导体中电子能级的分布服从费米狄拉克统计分布规费米狄拉克统计分布规律。律。n在热平衡条件下，能量为在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为的能级被电子占据的概率为nk是玻尔兹曼常数，即是玻尔兹曼常数，即1.3810-23J/K；T为绝对温度；为绝对温度；EF为费米能级。为费米能级。11 expFf EEkTE20n费米狄拉克函数曲线 11expFfEEkTE当当T0（K）时，若）时，若EEF，f
7、（E）0.5，因此通常把电子占，因此通常把电子占据率为据率为0.5的能级定义为费米能的能级定义为费米能级。它不代表可为电子占据的真级。它不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。实能级，只是个参考能量。212.3 半导体中的杂质和缺陷n2.3.1 本征半导体n2.3.2 n型半导体n2.3.3 p型半导体222.3.1 本征半导体n完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。n本征半导体也存在电子和空穴两种载流子n但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，np。价带导带禁带空穴传导电子传导电子23实际晶体不是理想情况n1.原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附
8、近振动；n2.半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质；n 3.实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷242.3.2 杂质半导体n为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体，可以分为：nN型半导体和P型半导体n后面以硅掺杂为例子进行说明n硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，硅原子间以共价键的方式结合成晶体。252.3.3 N型半导体nP是第V族元素，每一个P原子具有5个价电子nP替位式掺入Si中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子n相当于形成了一个正电中心P和一个多余的价电子+4+4+
9、4+4+4+4+4+4+4+5额外的电子26N型半导体的概念n在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。n常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。nV族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。27施主电离能和施主能级n多余的价电子束缚在正电中心P的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。n使价电子摆脱束缚所需要的能量称为杂质电离能DCDEEEECEVEDEgDEEV 价带能级EC 导带能级ED 施主能级Eg 带隙宽度28多子和少子nN型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度
10、，即 n p。n电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。292.3.4 P型半导体nB是第III族元素，每一个B原子具有3个价电子nB替位式掺入Si中，当它和周围的原子形成了共价键时，还缺少一个价电子，必须从别处硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴n相当于形成了一个负电中心B和一个多余的空穴额外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+330P型半导体的概念n在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导体)。n常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等nIII族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电
11、中心，称为受主杂质。31受主电离能和受主能级n多余的空穴束缚在负电中心B的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电空穴。n使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能ADVEEEECEVEDEgAEEV 价带能级EC 导带能级ED 施主能级Eg 带隙宽度 32自补偿效应n有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质nN型杂质和P型杂质先相互补偿，称为自补偿效应。ECEVEgAEED33热平衡条件220022iinnippinpnn pnn pnn pnni为本征载流子浓度温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。本征半导体n型半导体p型半导体34电中性
12、条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。22pAiippApNnnnpNP型半导体22nDiinnDNnNnnpnN型半导体35其中：ni,pi分别表示电子和空穴的浓度（cm-3)T为热力学温度k为玻尔兹曼常数(8.6310-5ev/k,或1.3810-23J/k)kTEiiGeTKpn21023EG0禁带宽度。锗：EG0=0.785ev 硅：EG0=1.21evK1是与半导体有关的常数 硅：3.871016(cm-3K-3/2)锗：1.761016(cm-3K-3/2)36n电子空穴对的数量，当T=300K时：硅：ni=pi=1.431010 锗：ni=pi=2.381013n本征半导体中
13、载流子浓度取决于禁带宽度和温度T，即半导体的导电性能对温度很敏感。在常温附近，温度每升高8oC，硅的ni增加一倍；温度每升高12oC，锗的ni增加一倍。37例子：n本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质（原子比），已知硅的原子密度为51022/cm3，ni1.51010/cm3n求：掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化？38392.4 半导体的导电性n2.4.1 欧姆定律n2.4.2 电导率n2.4.3 载流子运动402.4.1 欧姆定律n电阻的大小不仅与导体的电性能有关，还与导体的面积S、长度L有关。n 称为电阻率，单位为（cm）lRS41422.4.2 电导率n电子的电导率 n是电子浓度
14、，是电子的迁移率n空穴的电导率 p是电子浓度，是电子的迁移率nnqppqnp43本征半导体的电导率n本征半导体，npnN型半导体，npnP型半导体，n1.12eV,对应波长1100nm.n能量小于禁带宽度的光子，不能激发产生过剩载流子。2.5.2 光与半导体材料的相互作用53半导体的光吸收半导体共价电子被激发为自由电子，正好在半导体共价电子被激发为自由电子，正好在紫外、可见光、红外光范围内紫外、可见光、红外光范围内E5455当光照射到固体表面时,部分光被反射,若入射光强为 J0,反射光强为 J反 时,则有当光进入固体以后,由于可能被反射,光强随进入固体材料的深度 x 而衰减0JRJ反0()(1
15、)xJ xJR e反射系数为吸收系数n物理意义：光在媒质中传播距离时能量减弱到原来能量的e。一般用吸收系数的来表征该波长的光在材料中的透入深度。56硅的光吸收570.20.40.60.81.01.21.41.650100150200250300Wavelength 1umSilicon Thickness 175um Penetration Depth(m)m波长小于波长小于400nm的光在厚度的光在厚度0.01um 的硅中，就被全部吸收；的硅中，就被全部吸收；波长大于波长大于1000nm的光在的光在175um的硅中没有被完全吸收；的硅中没有被完全吸收；58需掌握的知识（第二章问题）n运用半导体材料五大特性分析说明硅材料运用半导体材料五大特性分析说明硅材料（不少于三个特性）？（不少于三个特性）？59
