太阳能电池的原材料半导体物理

太阳电池基础与工艺,性质：专业基础课,考核：闭卷考试,学时：32,学分：2,联系方式：,1.概论:课程背景及计划,2.光伏技术的发展历史,3.太阳能分布与光谱分析,4.太阳电池物理基础,5.半导体的基本知识,6.太阳电池工作原理,7.硅材料的制备工艺,8.太阳电池的制备过程,9.太阳电池的检测技术,10.太阳电池组件的制作与测试,11.太阳电池技术的最新进展,目 录,上次课程重点回顾,大气质量（AM）：,AM1.5,（地面测试条件），,AM0,（太空测试条件）,太阳辐射能,地面用太阳电池测试条件：,1000瓦/米2,航天用太阳电池测试条件：,1367瓦/米2,第二章 太阳电池物理基础,第一节 半导体物理基础,晶体结构,能带理论,第二节 半导体材料的基本特性,-,半导体的特性（光伏效应）,-,半导体的导电机构,第三节,p-n,结的形成与特性,构成及原理,势垒类型,制备工艺,第一节 半导体物理基础,1.1,半导体定义,1.2,半导体特性,1.3,半导体材料结构,1.4,能带理论,1.3,半导体发展历史,按导电性强弱，材料一般可分为三大类，即导体、半导体和绝缘体。导体的电阻率一般在10,-4,cm以下，如金、银、铜、铝等金属和合金材料；绝缘体是不易导电的物质，如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等，电阻率一般在10,9,cm以上；而,半导体的电阻率一般在10,-4,-10,9,cm之间，如锗、,硅,、砷化镓等,。半导体材料又可分为晶体半导体材料、非晶体半导体材料及有机半导体材料。,1.,1,什么是半导体？,1.,2,半导体的特性,1,.掺杂特性,：掺入微量杂质可引起载流子浓度变化，从而明显改变半导体的导电能力。此外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可得到不同导型的材料（,p,或,n,型）；,2,.温度特性：,与金属不同，本征（纯净）半导体具有负的温度系数，即随着温度升高，电阻率下降。但掺杂半导体的温度系数可正可负，要具体分析。,3,.环境特性：,光照、电场、磁场、压力和环境气氛等也同样可引起半导体导电能力变化。如硫化镉薄膜，其暗电阻为数十兆欧姆，而受光照时的电阻可下降到数十千欧姆（光电导效应）,化学元素周期表,周期表中与半导体相关的部分,周期,II III IV V VI,2,B,C N,3,Al,Si,P,S,4,Zn,Ga,Ge,As,Se,5,Cd,In,Sn,Sb,Te,6 Hg Pb,1.3,半导体材料结构,半导体材料的原子排列状态：,晶体结构和非晶体结构,非晶体（无定形体）,指内部质点排列不规则，没有一定结晶外形，没有固定熔点的固体物质 。,晶体,指内部质点（原子、分子、离子）在空间有规则地排列成具有整齐外形，并以多面体出现的固体物质。,结构决定性能，性能反映结构,实验证明：在晶体中可找出一个个平行六面体，据六面体几何数据不同，可将晶体分为不同类型,七大晶系,立方、六方、四方、三方、正交、单斜、三斜七种；十四种晶格类型,最常见的是立方晶系中的简单立方、体心立方、面心立方晶格。,食盐NaCl晶体结构(面心立方）,Cl,-,Na+,金刚石晶体结构(面心立方）,晶体：长程有序，周期性；非晶体：短程有序,材料结构,晶体结构,硅具有,金刚石晶体结构,，可看成两个面心立方的套构复合，即两个面心立方晶格沿立方体对角线偏移,1/4.,密度为,2.33 g/cm,3,.,晶体结构,结构类型,半导体材料,金刚石,Si,金刚石，,Ge,闪锌矿,GaAs,，,InP, GaP, GaSb, InAs, InSb, BN, ZnS, ZnO, CaS, CdSe,CdTe, SiC, GaN,纤锌矿,GaN, BN, InN, AIN, ZnO, ZnS,CdS, CdSe, SiC,NaCl,PbS, PbSe, PbTe, CdO,重要半导体材料的晶体结构,2011年诺贝尔化学奖,以色列人达尼埃尔,谢赫特曼以发现准晶体,改变了科学家对固体物质结构的认识,准晶体，或称准结晶体，异于常规晶体。准晶体是一类不具备晶格周期性、却显现长程有序性的固体材料,准晶体在材料中所起的强化作用，相当于“装甲”,准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体,典型半导体材料-硅,晶体硅,(14),1.结构特征为长程有序,2.呈正四面体排列，每一个硅原子位于正四,面体的顶点，并与另外四个硅原子以共价,键紧密结合。这种结构可以延展得非常庞,大，从而形成稳定的晶格结构。,3.间接带隙，禁带宽度为1.1,eV,4.制备方法:,单晶：,CZ,法（直拉法),区熔法（FZ）等,多晶：改良西门子法、硅烷法和流化床法,典型半导体材料-硅,非晶硅(无定形硅,a-Si),1.结构特征为长程无序，短程有序,2.晶格网络呈无序排列,部分原子含,有悬挂键,这些悬挂键可以被氢所填充，经氢化之后，无,定形硅（a-Si:H)的悬空键密度会显著减小，并足以达到,半导体材料的标准。,3.在光的照射下，a-Si:H的导电性能将会显著衰退，这种,特性被称为,S-W,效应,(Staebler-WronskiEffect).,4.,直接带隙,禁带宽度1.6-1.8,eV,5.制备方法:,PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition),典型半导体材料-硅,微晶硅,1.由微小晶体和非晶体两相组成,的复杂结构,2.既具有晶硅的优点，又具有非,晶硅的优点,3.制备方法：PECVD,F.,布洛赫和,L.-N.,布里渊在解决金属的导电性问题时提,出能带理论：单电子近似理论,现代固体电子技术的理,论基础,导体、绝缘体与半导体的导电能力的差别在于它们的能,带结构不同的缘故。,1.4,半导体的能带结构,原子的结构,物质由原子组成，原子有一个带正电的原子核和一定数量的绕核运动的带负电的电子组成。原子核的正电荷数与核外电子的电荷数相同。,-,硅的原子核有,14,个正电荷，核周围有,14,个电子。不同轨道电子离原子核的距离不同，则受和引力也不同，故能量不同。离核近的电子受束缚作用强，具有能量小；而最外层轨道电子受束缚最弱，具有能量大，故容易受外界作用挣脱束缚成为自由电子。这最外层的电子被称为,价电子,，它对半导体的导电性起重要作用。,-,硅原子的最外层有四个原子。,半导体的能带,电子能级,以硅为例，可将每一电子壳层看作一个电子能级。最里层的有,2,个量子态，其次层有,8,个量子态，最外层也有,8,个量子态。,硅最外层只有,4,个电子，故还有,4,个空量子态。最高的能级则是空的。,空量子态或空能级的存在是说明一旦低层电子得到能量就可能跃迁到这些空能级上去。,半导体的能带,晶体能带,由于晶体中原子的电子轨道的交迭和电子的共有化运动，使孤立原子的,N,个相同能级在晶体中分裂成,N,能量略有差别的不同能级，从而形成能带。,-,各个能带与单个原子的各个能级相对应。能量较低的,能带常被电子填满。凡是被电子填满的能带成为,满带,。,满带中能量最高的，即价电子填满的能带成为,价带,。,-,空带中能量最低的，即离价带最近的能带称为,导带,。各,能带间存在的能带区域称为,禁带,。,-,通常所说的禁带是指导带底与价带顶之间的能量间隔。,它们的能量差称为,禁带宽度（,Eg,）,它反映了使电子从,价带激发到导带所需要的能量。,半导体的能带,从,能带理论来看，金属的禁带很窄或价带与导带重叠，而绝缘材料的禁带很宽，一般在,5 eV,以上，而常用的半导体材料的禁带一般在,5 eV,以下。,导体，如金属的价带与导带之间没有禁带，两者或是重叠，或是价带能级没有被电子填满，而有许多空能级。 因此，即使在常温下，靠热激发也有大量的自由电子参与导电。所以，金属的电阻率很低。（,10,-4,）,半导体与绝缘体的价带与导带之间都有一个禁带。但是半导体的禁带宽度较这窄，随温度升高，价带顶附近的电子容易通过热激发跃迁到导带成为导电电子。其电阻率高于金属，但比绝缘体要小，且随温度升高而减少（,10,-4,10,9,）,绝缘体的禁带宽度比半导体宽的多，所以一般情况下，其导带上电子极少，即绝缘体如玻璃、陶瓷、橡胶和塑料等不导电（,10,9,）,Eg,(eV),价带,导带,在外电场的作用下，大量共有化电子很,易获得能量，集体定向流动形成电流。,从能级图上来看，,是因为其共有化电子,很易从低能级跃迁到高能级上去。,E,导体,从能级图上来看，是因为满带与空带之间,有一个,较宽的禁带,（,Eg,约,3,6 eV,），,共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到,高能级（空带）上去。,在外电场的作用下，共有化电子很难,接受外电场的能量，所以形不成电流。,能带结构,满带与空带之间也是禁带，,但是,禁带很窄,（,E g,约,0.1,2 eV ),。,绝缘体,半导体,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时，它们的共有化电子还是,能越过禁带跃迁到上面的空带中的。,绝缘体,半导体,导体,纯硅,是半,导体。,导,电性,非常明显的与温,度有关,硅,原子在外电子层具有四个电子，即本质上决定物理和,化学性能的价电,子。,在,晶体中每个硅原子通过四个价电子和,四个,相邻的,原子,键,合形成结合，即共价,键。,由,于键合外层电子,被固,定在相对有序的状态，在晶,体中,不,能用于传输电荷。在绝,对零,度附近，即,0 K = -273 ,，,纯,硅是绝缘,体。,通,过输入,能量（,如热量，光）电子结合可被破坏，以,至于,在,较高的,温度时电子,被释放并在晶体中在一定范围移,动，,可,在晶体,中形成电流,硅,通过用杂质原子，如加入硼或者磷有控制的掺杂，,就可达到改变纯硅导电性的目,的。,一,个晶体硅,片在,一面要用磷原子，如以一个磷,原子,对,一百万,个硅,原子的比例关系进行掺,杂。,磷,原子在外电子,层有,5,个电子，在与硅晶体键合,仅需,要,四个电子,。第,5,个电子是准自由的，在晶体中,能够,移,动而,形成,电,流。,通,过有目的的改变掺杂的浓度，载流,子的,数目和,由此,引,起的掺杂硅的导电性将在本质,上由,晶体中杂质,的数,目,来确定。因为此时,负的,(negative),载流子（电,子）,移,动形成电流，所,以用,磷或其它的,5,价原子掺杂,的硅,被,称为,n,型硅。,相对类似的硅片的另一面应当用硼来掺杂：硼是,3,价的原子，在外电子层只有,3,个电子。硼原子在硅晶格中缺少一个电子与第四个相邻硅原子结合。这个空缺的位子的被称为“空穴”或“缺陷电子”。,一个空穴或缺陷电子的行为与,n,型导电硅中的多余电子完全类似：它在晶体中移动并形成电流。严格地讲，当然不是空穴移动，而是一个电子从相邻键合处跳到空穴处，而在它原来的位子形成一个空穴。那么这个空穴的运动方向与电子相反，因而空穴被称为正的（,positive,）载流子。类似地人们称这样掺杂的硅为,p,型硅。,将,p,型硅与,n,型硅结合在一起，形成了所谓的“,p-n,结”，,p-n,结附近的电子和空穴的将发生扩散运动：,n,型区域中的电子向,p,型区域扩散相对于,p,型区域的空穴向,n,型区域扩散。,p-n,结是半导体器件也是太阳电池的核心，在以下的章节中将会进一步解释。,1.5,半导体发展历史,早在,1782,年，,A. Volta,通过实验区分了导电性能介于金属和绝缘体之间的“半导体”，并在提交给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用“半导体”一词。,1833,年，,M. Faraday,发现硫化银,(Ag,2,S),的电阻率的,温度系数为负数,，这是对半导体特性的最早发现。,1853,年，,A. Fick,提出,扩散方程,，为以后的半导体材料掺杂提供了理论基础。,1873,年，,W,R. Smith,发现硒,(Se),的光导电现象。,1874,年,F. Braun,发现金属和金属硫化物接触的电阻值与外加电压的大小及方向有关，即,半导体的整流功能,。,1883,年,Se,整流器和,1906,年碳化硅（,SiC,）检波器的出现，开始了半导体器件的最早应用。,半导体发展历史,1931,年剑桥大学理论物理学家,A.Wilson,发表,半导体能带,的经典论文，首次区分了杂质半导体和本征半导体，并指出存在施主与受主，从此开创了半导体理论。,1907,年，,H. J. Round,发现,电致发光,（即发光二极管,LED,：,Light Emitting Diode,），即在碳化硅（,SiC,）晶体两端加,10V,电压，观察到有淡黄色光出射。同年，意大利的,Marconi,公司也发现碳化硅（,SiC,）在可见光范围的电致发光现象，这家公司后来成为生产半导体产品的世界著名公司。,1918,年波兰科学家,J.Czochralski,发明了由液态生长固体单晶的提拉生长法，此法至今仍在半导体材料工业得到广泛应用。,1925,年可用于一些化合物半导体的晶体生长的,Bridgman,法发明。,1926,年氧化亚铜整流器制作成功。,半导体发展历史,1947,年,晶体管,的出现是个里程碑式的重大发明，这是由美国,Bell,实验室,W.Shockley,，,W.H.Brattain,和,J.Bardeen,共同完成的,.,其中主要工作是：,1947,年,12,月,Bardeen,和,Brattain,发明了点接触（,Point-Contact,）晶体管,1949,年,Shockley,发表了关于,p-n,结和双极型晶体管的经典论文。晶体管是一个关健性的半导体器件，它将人类文明带进了现代电子时代。,1950,年,Bell,实验室以,5,万美元的价格，将晶体管专利这一重大发明卖给了日本。,1950,年锗,(Ge),二极管和晶体管出现，从而取代了应用了将近,30,年的硒和氧化亚铜二极管。,1952,年,H.Welker,发现,GaAs,和其它,-,族元素也是半导体。同年，,J.J.Ebers,提出了可控硅（,Thyristor,）的一个基本模型。,1954,年,D.M.Chapin, C.S.Fuller,和,G.L.Pearson,以硅,p-n,结制成,太阳电池,（,Solar cell,），太阳电池可将太阳光直接转换成电能，是目前太阳能利用的最主要的技术之一。,半导体发展历史,1955,年,Shockley,离开,Bell,实验室，创建,Shockley,半导体实验室，,R.Noyce,G.Moore,J.A.Hoerni,等,8,人加盟。,1963,年,Shockley,重返学术岗位，成为斯坦福大学名誉教授。,1956,年,Shockley,等由于晶体管的发现获得诺贝尔物理奖。,1957,年,Andrus,将图形曝光技术应用在半导体器件制作上，,光刻技术,是半导体工业中的一个关健性工艺。同年，出现有很多杰出工作：如,Frosch,和,Derrick,提出氧化物掩膜方法，发现氧化膜可以阻止大部份杂质的扩散；,Sheftal,等人提出化学气相沉积的外延生长技术；,1958,年,Shockley,提出离子注入技术来掺杂半导体，这样可精确控制掺杂浓度；,1969,年,Manasevit,和,Simpson,提出了金属有机化合物沉积技术（,MOCVD,：,Metal Organic Chemical Vaper Deposition,）,这是一种制备,GaAs,薄膜的一个重要的外延技术。,1971,年,Cho,提出分子束外延（,MBE,：,Molecular Beam Epitaxy,）技术，这种方法可精确控制原子的排列，也可控制外延层在垂直方向的化学组成和掺杂浓度。,第二节 半导体材料的基本特性,2.1,半导体的特性,2.2,半导体的导电机制,2.3,半导体的光吸收,- 掺杂特性：,掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著的改变半导体的导电能力。在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的半导体材料；,- 温度特性：,温度也能显著改变半导体材料的导电性能。一般来说，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，即半导体的电阻率具有负的温度系数。而金属的电阻率具有正的温度系数，且其随温度的变化很慢；,- 环境特性：,半导体的导电能力还会随光照而发生变化（称为光电导现象）。此外，半导体的导电能力还会随所处环境的电场、磁场、压力和气氛的作用等而变化；,2.1,半导体材料性质,为什么半导体的电阻,随温度升高而降低？,半导体的光电导：,由光照引起半导体电导率增加的现象,半导体的光生伏特效应,（,photovoltaics),当用适当波长的光照射非均匀半导体（PN结等）时，由于内建场的作用，半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。这种由内建电场引起的光电效应，称为,光生伏特效应,半导体发光,（发光二极管和激光器等）,半导体热电效应,(,温差发电）,霍尔效应,等（,是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（,A.H.Hall,）于,1879,年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。）,2.1,半导体的物理效应,2.2,半导体的导电机制,-,半导体导带中有大量空能级，,导带电子,能够改变,运动,状态，跃迁到空能级中，在电场作用下能够定向运动，形成电流,-,半导体价带中电子激发到导带，就在价带中留下空位。附近能级的电子就可跃迁到这些空能级，形成新的空位，从而形成,空位,的,运动,，实质上是若干电子沿相反方向作填补空位运动的结果。这些空位称为,空穴。,从晶体结构来看，共价键上的电子脱离束缚成为自由电子而留下空位，意味原子失去一个电子而带正电，即空穴带正电。,-,在半导体中当价带电子激发到导带成为导电电子时，价带中留下的空穴也成为可以导电的载流子。一个价电子的激发形成一对电子,-,空穴对,-,与金属不同，,半导体中存在两种载流子,，即带负电的电子和带正电的空穴。,半导体中的载流子（电子、空穴）,导带,-,电子,-,运动,-,电流,价带,-,空穴,-,运动,-,电流,导带中没有电子价带中没有空穴,Eg,(eV),价带,导带,半导体内有,载流子吗？,能导电吗？,-,本征半导体是指完全纯净、结构完整的半导体。,-,在一定温度下，晶体中的原子都要做,热运动，,温度越高，热运动能量越大。当价电子从原子热运动中得到足够的能量时，就能从价带激发到导带，产生载流子。这个过程称为热激发。,-,本征半导体主要靠热激发产生电子,-,空穴对，称为本征激发。,-,电子与空穴在运动中相遇时，导带电子释放能量回到价带的空能级中，电子和空穴成对消失，这一现象称为,“,复合,”,。在任一时候，本征半导体中的导带电子和价带空穴的数目总是相等的。如用,n,代表电子浓度,(,个,/,厘米,3,），用,p,代表空穴浓度，则有：,n = p =,n,i,n,i,是本征载流子浓度。温度越高，,n,i,越大；,Eg,越小，,n,i,越大,本征半导体的导电机构,价 带,导带,h,E,g,=,1.1,eV,电子和空穴总是成对出现的。,室温（,300 K,）下几种半导体材料的,n,i,和,Eg,材料 锗 硅 砷化镓,-,n,型半导体和,p,型半导体,在锗和硅中，掺入,V,族元素如磷、砷、锑等施主杂质，提供电子，以电子导电为主称为,n,型半导体,掺入,III,族元素如硼、铝、镓、铟等受主杂质，提供空穴，以空穴导电为主称为,p,型半导体,掺入的杂质一般取代晶格中的硅原子的位子。,- 深能级杂质和浅能级杂质,在半导体中掺入微量的杂质（简称掺杂）是为了改变半导体的导电类型，提供载流子，增强半导体的导电能力。如,V,族元素磷、砷、锑等施主杂质和,III,族元素硼、铝、镓、铟等受主杂质等。这类杂质的能级分别靠近导带底和价带顶，故称为浅能级杂质。另一类杂质如铜、铁、镍、金等重金属，它们的能级靠近禁带中央，离开导带或价带较远，故称为深能级杂质。主要可促进半导体中载流子的成生和复合，可形成复合中心。,杂质半导体的导电机构,杂质半导体,),n,型半导体,四价的本征半导体,Si,、等，掺入少量五价的,杂质,（,impurity,）,元素（如,P,、,As,等）形成电子型半导体,称,n,型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的,能级在禁带中紧靠空带处,E,D,10,-2,eV,，,极易形成电子导电。,该能级称为,施主,（,donor,）,能级。,n,型半导体,导带,价 带,施主能级,E,D,Eg,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,P,空穴,少数载流子,)型半导体,四价的本征半导体,Si,、,e,等，掺入少量,三价的,杂质,元素（如、,Ga,、,n,等）,形成空穴型半导体，称,p,型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的,能级在禁带中紧靠满带处，,E,D,10,-2,eV,，,极易产生空穴导电。,该能级称,受主,（,acceptor,）,能级。,导 带,E,a,价 带,受主能级,P,型半导体,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,+,B,E,g,电子,少数载流子,晶体硅原子结构二维构造投影图,掺杂半导体结构示意图,纯硅的电阻率为,2.5 x 10,5,cm,，如果每一百万个硅原子有一个被一个砷原子取代，电阻率将下降到,0.2,cm,，即电导率可增加,1250,000,倍。,掺杂半导体结构示意图,掺磷掺铟半导体,掺硼与掺磷的,p/n,型半导体硅原子排列结构示意图,半导体的导电机制,硅掺杂浓度术语（浓度：原子数,/,立方厘米）,杂质 类型 极轻掺 轻掺 中掺杂 重掺杂,10,19,五价,n n,-,n,-,n n+,三价,p p,-,p,-,p p+,费米能级的物理意义,：,该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。,半导体的导电机制,多数载流子和少数载流子,在杂质半导体中电子和空穴浓度不再相等。在,n,型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；而,p,型半导体则相反，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，少数载流子简称少子。,在室温下，杂质全部电离，故每个杂质均提供一个载流子。一般情况下，掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以多子浓度远大于少子浓度。,杂质补偿,空穴与电子相遇抵消，称杂质补偿,施主杂质与受主杂质的浓度差决定导电类型,杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度,n,d,），,又有受主杂质（浓度,n,a,），,两种杂质有补偿作用：,若,n,d,n,a,为,n,型（施主）,若,n,d,n,a,为,p,型（受主）,利用杂质的补偿作用，,可以制成,P-,结。,半导体的导电机制,非平衡载流子,当处于热平衡的半导体受到外界作用时，将产生比平衡态时多出来的载流子，称为非平衡载流子,光、电等作用,复合与寿命,非平衡态载流子从产生到消失（或复合）的平均存在时间定义为非平衡态载流子的平均寿命。,寿命是半导体材料的重要参数。一般说寿命往往是指非平衡少数载流子寿命，简称,少子寿命,复合中心,直接复合 空穴与电子直接相遇 （砷化镓）,间接复合，通过复合中心 （硅、锗）,复合中心： 一为重金属， 二是晶体缺陷,半导体的导电机制,半导体中载流子的运动,主要有载流子的热运动和散射，载流子的飘移运动和载流子的扩散运动,载流子的热运动和散射,无规则运动，热运动，温度越高，热运动越激烈,与原子或其它粒子碰撞， 改变运动方向,散射,散射机构：,晶格散射和杂质散射,半导体的导电机制,载流子的飘移运动,-,外电场作用,-,飘移速度和电场强度成正比,v = E,公式中,为载流子的迁移率（厘米,/,秒,伏），不同材料的迁移率不同。,-,常温下（,300,K,）几种半导体的迁移率,锗 硅 砷化镓,n,3900 1400 10000,p,1900 500 450,半导体的导电机制,半导体的电阻率,电阻率是半导体材料的一个重要参数， 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。,对,n,型和,p,型半导体，其电阻率,与迁移率之间分别有如下关系：,= 1/ nq,n,= 1/pq,p,其中,n,、,p,分别是电子和空穴浓度,一般情况下，电阻率反映载流子浓度，并与它成反比关系,电阻率随温度变化而变化。,在低温下，杂质电离随温度降低而减少，载流子浓度减少，所以电阻率随温度降低而升高,在高温下，由于本征激发， 载流子浓度随温度升高而增加，所以电阻率随温度升高而降低,半导体的导电机制,硅的电阻率与杂质浓度关系曲线,半导体的导电机制,载流子的扩散运动,-,在制造半导体材料和器件时要掺杂。掺杂过程是杂质原子由材料表面向体内扩散的过程,-,产生扩散的原因是，物质粒子进行无规则的热运动，扩散运动的条件是物质粒子浓度分布不均匀。因此，由高浓度出向低浓度出扩散,-,半导体中载流子扩散运动是由热运动和浓度差形成的载流子从高浓度处向低浓度处的迁移运动。载流子的扩散运动是一种 定向电荷迁移，所以形成扩散电流。,-,载流子,飘移运动,的快慢以,迁移率,来表示。同样，载流子,扩散运动,的快慢用,扩散系数,来表示。,主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收。当入射光能量大于半导体材料禁带宽度时，价带中电子便会被入射光激发，越过禁带跃迁至导带而在价带中留下空穴形成电子空穴对。这种由于电子在价带和导带的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。,2.3,半导体的光吸收,价 带,导带,h,Eg,直接带隙半导体和间接带隙半导体的光吸收,价带顶和导电低的波矢在同一位置,价带顶和导带低的波矢在不同位置,直接带隙半导体-直接跃迁-只需要满足能量守恒-无需声子参加,间接带隙半导体-间接跃迁-需要同时满足能量守恒和动量守恒-需声子参加,半导体的吸收系数（,absorption coefficient,）,1),半导体晶体的吸光程度由,光的频率,和材料的,禁带宽度,所决定。当频率低、光子能量,h,比半导体的禁带宽,度,Eg,小时，大部分光都能穿透；随着频率变高，吸,收光的能力急剧增强。,2),吸收某个波长的光的能力用,吸收系数（,）,来定义。,I=I,0,exp(-ax),I,0,入射光强度，,x,是离表面的距离,3),半导体的光吸收由各种因素决定，这里仅考虑到在太阳电池上用到的电子能带间的跃迁。一般禁带宽度越宽，对某个波长的吸收系数就越小。除此以外，光的吸收还依赖于导带、价带的态密度。,1,）吸收系数是波长的函数，不同的波长的光在其被吸收之前，在半导体内穿透的距离不同,2,）吸收深度等于吸收系数的导数,-1,此时入射光的强度衰减了,1/e3,）高能光子（短波长，如蓝光） 有高的吸收系数，这些光在距离表面很薄的地方就被吸收（对硅电池，是在几微米）,4,）低能光子（长波，如红光）则需要距离表面更远的地方才能被吸收，有些甚至无法吸收而透过材料,吸收深度,1.,硅是间接跃迁半导体，吸收系数上升比较平缓，将光充分吸收需要较厚的材料厚度，光可达到距离表面,20,微米以上距离的地方，在此还能产生电子,-,空穴对,2.GaAs,化合物半导体是直接跃迁型材料，吸收系数上升比较剧烈，在禁带宽度附近吸收系数急剧增加，很薄（,2,微米左右）的区域就能将光充分吸收，产生电子,-,空穴对。,3.,利用直接带隙材料制造太阳电池时，需要的材料厚度很薄，而利用间接带隙材料时，则需要较厚的厚度，否则就不能保证光的充分吸收。,4.,当然制造电池时需要的材料厚度不仅仅与吸收系数有关，还与少数载流子的寿命有关。,本征吸收的条件：,hv,Eg, h=,6.6260693(11)10（-34） Js,吸收长波限：,0,= 1.24(m)/Eg(eV),对于晶体硅，,0,=1100nm,晶体硅、非晶硅、微晶硅吸收系数,第三节,p-n,结,3.1,构成及原理,3.2p-n,结特性,3.3p-n,结制备,PN,结含义：,把一块,n,型半导体和一块,p,型半导体结合在一起，存在有,p,型区和,n,型区，那么，二者交界面的,过渡区,即称为,PN,结,。,P,N,PN,结,表示方法:小写符号表示窄带隙材料，大写表示宽带隙材料,结的两边可以是同类型掺杂，如n-GaAs/N-Al,x,Ga,1-x,As,异质结电池，CdTe,CuInGaSe,非晶硅薄膜与晶硅之间的形成的HIT电池,+,3.1,PN,结的形成,内建场大到一定,程度,不再有净电,荷的流动，达到,了新的平衡。,在型,n,型交界面,附近形成的这种特,殊结构称为,P-N,结，,约,0.1,m,厚。,P-N,结,n,型,p,型,内建场阻止电子,和空穴进一步扩,散，记作 。,空间电荷区,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P,-,type,N,-,type,Diffusion current,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,浓度差,电场作用,内电场,E,Space-charge,region,Drift current,空间电荷区中没有载流子，又称耗尽层,P-N,结处存在电势差,U,o,。,也阻止,N,区,带负电的电子进,一步向,P,区扩散,它阻止,P,区,带正电的空穴进,一步向,N,区扩散,U,0,电子能级,电势曲线,电子电势能曲线,P-N,结,导带,导带,P-N,结,施主能级,受主能级,价带,价带,PN,结的能带结构,3.2,PN,结的伏安特性,耗尽区边界是突变的，耗尽区外是中性的，因此注入的少数载流子在准中性的p区和n区是纯扩散运动采用玻尔兹曼近似，将耗尽区边界了两端的载流子浓度数值，通过它们的电势差相联系,耗尽区内既无产生也无复合，区内电子流和空穴流是恒定的,小注入近似，注入的少数载流子比多数载流子浓度小很多，当一外电压V接入PN结，由于准中性区载流子浓度高，电阻小。因此，,外加电压主要作用于载流子极少的空间电荷区,。,几条假设,外电场作用下的pn结,（,a,）外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相反,空间电荷区两端电压从,V,B,V,B,V,，变小，这样就打破了原有的动态平衡状态,扩散,漂移，有电流从,P,N,，即多子的扩散电流（包括电子扩散电流和空穴扩散电流）形成正向电流。,（,b,）使空间电荷区变窄,加正向电压使,P,区中的多数载流子空穴和,N,区中的多数载流子电子都要向空间电荷区运动。当,P,区的空穴和,N,区的电子进入空间电荷区后,就要分别中和一部分负离子和正离子,使空间电荷量减少,空间电荷区宽度变窄,正向偏压,外电场作用下的,PN,结,a),此时外加电压在阻挡层内形成的电场与内建电场方向相同,空间电荷区两端电压从,V,B,V,B,+V,，变大，这样也打破了原有的动态平衡状态,漂移,扩散，少子的漂移电流（包括电子漂移电流和空穴漂移电流）形成反向电流Is，从,N,P,。,b),使空间电荷区变厚,反向偏压,结加正向电压，呈低电阻，具有较大的正向扩散电流,结加反向电压，呈高电阻，具有很小的反向漂移电流,结具有单向导电性,击穿,单向导电性,正向特性,反向特性,I,(mA),U,(V),0,晶体管,pn,结,I-V,特性,反向饱和电流,PN,结的电容效应,PN,结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。,一是势垒电容,Cb,，,二是扩散电容,Cd,。,势垒电容,Cb,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,当外加,反向电压（漂移）,使,PN,结上压降发生变化时，,耗尽层的厚度,也相应地随之改变，这相当,PN,结中存储的,电荷量,也随之变化，犹如电容的充放电（变容二极管）。,PN,结,正偏,时，由,N,区扩散到,P,区的电子（,非平衡少子,），与,外电源,提供的空穴相复合，形成,正向电流,。刚扩散过来的电子就堆积在,P,区内紧靠,PN,结的附近，到远离交界面处，形成一定的,浓度梯度,分布曲线。电压增大，正向（扩散）电流增大。,扩散电容,Cd,扩散电容示意图,扩散电容是由,多子扩散,后，在,PN,结的,另一侧面,积累而形成的。,扩散电容示意图,当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以,PN,结两侧堆积的,多子的浓度梯度分布,也不同，这就相当电容的充放电过程。,反之，由,P,区扩散到,N,区的空穴，在,N,区内也形成类似,的浓度梯度分布曲线。,势垒电容和扩散电容均是非线性电容,3.3,PN,结制备,1）合金法,2）扩散法（常用）,杂质分布：,xx,j,，,N(x)=N,A,3）离子注入法：在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料,4）外延生长法（异质结）,下接硅材料制备,