newnergy7-半導(dǎo)體基礎(chǔ)課件

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)一般而言，制作太陽能電池的最基本材料是半導(dǎo)體材料，因而本章將介紹一些關(guān)于半導(dǎo)體物理的基本知識(shí)，包括半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶、本征和摻雜半導(dǎo)體、pn結(jié)以及半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容。一、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)合形式原子或分子通過一定的相互作用結(jié)合而形成晶體。一般的晶體結(jié)合，可以概括為離子性結(jié)合，共價(jià)結(jié)合和分子結(jié)合（范德瓦爾斯結(jié)合）四種不同的基本形式。半導(dǎo)體材料主要靠的是共價(jià)鍵結(jié)合！共價(jià)鍵的特點(diǎn)：飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)鍵；方向性：原子只能在特定方向上形成共價(jià)鍵電子的共有化運(yùn)動(dòng)

當(dāng)兩個(gè)原子相距很遠(yuǎn)時(shí)，如同兩個(gè)孤立的原子，每個(gè)能級(jí)是二度簡并的。當(dāng)兩個(gè)原子互相靠近時(shí)，每個(gè)原子中的電子除了受到本身原子勢(shì)場的作用，還要受到另一個(gè)原子勢(shì)場的作用，其結(jié)果是每一個(gè)二度簡并的能級(jí)都分裂為兩個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，兩個(gè)原子靠得越緊，分裂得越厲害。當(dāng)N個(gè)原子互相靠近形成晶體后，每一個(gè)N度簡并的能級(jí)都分裂成N個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，這N個(gè)能級(jí)組成一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能帶，這是電子不再屬于某一個(gè)原子，而是在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)。分裂的每一個(gè)能帶都稱為允帶，允帶之間因沒有能級(jí)稱為禁帶。2、金屬、絕緣體和半導(dǎo)體

所有固體中均含有大量的電子，但其導(dǎo)電性卻相差很大。量子力學(xué)與固體能帶輪的發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到固體導(dǎo)電性可根據(jù)電子填充能帶的情況來說明。固體能夠?qū)щ姡枪腆w中電子在外電場作用下作定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于電場力對(duì)電子的加速作用，使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化——電子與外電場間發(fā)生了能量交換。從能帶論的觀點(diǎn)來看，電子能量的變化，就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去。對(duì)于所有能級(jí)均被電子所占滿的能帶（滿帶），在外電場作用下，其電子并不形成電流，對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)?！獫M帶電子不導(dǎo)電較復(fù)雜的情況CBVB禁帶0二價(jià)金屬能帶簡化圖二價(jià)金屬價(jià)帶填滿？導(dǎo)電不同原子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶之間可以相互交疊而使得禁帶消除，從而使二價(jià)金屬價(jià)帶成為不滿表現(xiàn)出金屬的導(dǎo)電性。

絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)基本上相似，在價(jià)電子基本占滿的價(jià)帶和基本上全空的導(dǎo)帶之間存在有禁帶。唯一有區(qū)別的是，半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，約為1eV左右，因而在室溫下，價(jià)帶中不少電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶中形成導(dǎo)電電子并在價(jià)帶中留下空穴。因此，原先的空帶和滿帶都變成了部分占滿的能帶，在外電場作用下，導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴都能夠起到導(dǎo)電作用。這是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)體的最大差別。而絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大的能量，在通常溫度下，能激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，所以導(dǎo)電性很差。部分電子熱激發(fā)至導(dǎo)帶，它在半導(dǎo)體中可以自由運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生導(dǎo)電性能，這就是電子導(dǎo)電。T≠0KConductionbandValancebandEg本征激發(fā)：由于從外界吸收熱量后，本征半導(dǎo)體中的電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，其結(jié)果是導(dǎo)帶中增加了一個(gè)電子而在價(jià)帶出現(xiàn)了一個(gè)空穴，這一過程成為本征激發(fā)。T=0K時(shí)，電子全部占據(jù)在價(jià)帶上，導(dǎo)帶上沒有電子，價(jià)帶全滿，導(dǎo)帶全空，半導(dǎo)體不導(dǎo)電！ConductionbandValancebandEgThermalexcitation電子和空穴EvEC電子的有效質(zhì)量電子的群速度正比于E~k關(guān)系曲線的斜率因此電子的加速度為當(dāng)外加電場ε后，電子受電場力-eε，若電子的速度為υ，則電子從外場中獲得的能量為：由空穴的有效質(zhì)量negativepositivenegativeaccelerationpositive軌道雜化Si原子的電子排布Si原子價(jià)電子的軌道示意圖：3s和3p軌道非?？拷?dāng)Si原子與Si原子互相靠近時(shí)，會(huì)使得3s和3p軌道發(fā)生交疊，形成4個(gè)雜化軌道sp雜化相鄰的雜化軌道相互交疊，能帶分裂為ΨA和ΨB兩個(gè)能帶ΨA能量較高，沒有電子占據(jù)，為空帶；ΨB能量較低，被價(jià)電子全部占滿，為滿帶砷化鎵（GaAs）III-V族半導(dǎo)體能帶的形成1、什么是半導(dǎo)體？上一節(jié)中，從電子填充能帶的情況說明了什么是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體是一種具有特殊導(dǎo)電性能的功能材料，其電阻率介于10-4到1010歐姆·厘米之間，介于金屬導(dǎo)體和絕緣體之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)可以隨著材料的純度、溫度及其它外界條件（如光照）的不同而變化。2、本征半導(dǎo)體所謂本征半導(dǎo)體就是一塊沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。在絕對(duì)零度的時(shí)候，價(jià)帶中所有量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都是空的。當(dāng)溫度大于零度時(shí)，就會(huì)有電子從價(jià)帶由于本征激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。由于電子和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，導(dǎo)帶中電子的濃度n0應(yīng)等于價(jià)帶中空穴的濃度p0，即n0=p0。ni稱為本征載流子濃度詳細(xì)推導(dǎo)參閱劉恩科等編“半導(dǎo)體物理學(xué)”3、雜質(zhì)半導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在著偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。包括存在各種雜質(zhì)和缺陷。實(shí)踐表明：半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性能可以通過摻入適量的雜質(zhì)來控制，這是半導(dǎo)體能夠制作成各種器件的重要原因。例如對(duì)于本征半導(dǎo)體硅(Si)摻入百萬分之一的雜質(zhì)，其電阻率就會(huì)從105歐姆·厘米下降到只有幾個(gè)歐姆·厘米。間隙式雜質(zhì)一般比較??；而形成替位式雜質(zhì)時(shí)，則要求替位式雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較接近。如：III、V族元素在Si晶體中都是替位式雜質(zhì)。人工摻雜能夠改變半導(dǎo)體中電子或空穴的濃度，使得半導(dǎo)體中導(dǎo)電性能得到改善。若所摻雜質(zhì)的價(jià)態(tài)大于基質(zhì)的價(jià)態(tài)，在和基質(zhì)原子成鍵時(shí)就會(huì)多余出電子，這種電子很容易在外界能量（熱、電、光能等）的作用下脫離原子的束縛成為自由運(yùn)動(dòng)的電子（導(dǎo)帶電子），所以它的能級(jí)處在禁帶中靠近導(dǎo)帶底的位置（施主能級(jí)），這種雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP+SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSie-

施主雜質(zhì)中的電子進(jìn)入導(dǎo)帶的過程稱為電離過程，離化后的施主雜質(zhì)形成正電中心，它所放出的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中的電子濃度遠(yuǎn)大于價(jià)帶中空穴的濃度，因此，摻施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體呈現(xiàn)電子導(dǎo)電的性質(zhì)，稱為n

型半導(dǎo)體。EcEvED△ED+++施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底部

Si、Ge中Ⅴ族雜質(zhì)的電離能△ED（eV）晶體雜質(zhì)

PAs

Sb

Si

0.0440.0490.039

Ge0.01260.01270.0096施主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下由于電子吸收晶格熱振動(dòng)能量，基本上電離。在純凈半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通常把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型或n

（negative）型半導(dǎo)體。電子是多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子。

若所摻雜質(zhì)的價(jià)態(tài)小于基質(zhì)的價(jià)態(tài)，這種雜質(zhì)是受主雜質(zhì)，它的能級(jí)處在禁帶中靠近價(jià)帶頂?shù)奈恢茫ㄊ苤髂芗?jí)），受主雜質(zhì)很容易被離化，離化時(shí)從價(jià)帶中吸引電子，變?yōu)樨?fù)電中心，使價(jià)帶中出現(xiàn)空穴，呈空穴導(dǎo)電性質(zhì)，這樣的半導(dǎo)體為p

型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB-SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi+EcEvEA---△EA--受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂部受主電離過程實(shí)際上是電子的運(yùn)動(dòng)，是價(jià)帶中的電子得到能量EA后，躍遷到受主能級(jí)上，和束縛在受主能級(jí)上的空穴復(fù)合，并在價(jià)帶中產(chǎn)生了一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的空穴，同時(shí)也就形成了一個(gè)不可移動(dòng)的受主離子。Si、Ge中Ⅲ族雜質(zhì)的電離能△EA（eV）

晶體雜質(zhì)

BAlGa

InSi0.0450.0570.0650.16Ge

0.010.010.0110.011受主雜質(zhì)的電離能小，在常溫下由于晶格熱振動(dòng)，基本上電離。在純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后，價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通常把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型或p（positive）型半導(dǎo)體?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，簡稱多子，電子是少數(shù)載流子，簡稱少子。總之，根據(jù)對(duì)導(dǎo)電性的影響，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)又可分為兩種類型。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)提供電子時(shí)（施主雜質(zhì)），半導(dǎo)體主要靠雜質(zhì)電離后提供的電子導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；另一種雜質(zhì)可以提供禁帶中空的能級(jí)（受主雜質(zhì)），因而價(jià)帶中有些電子可以激發(fā)到受主能級(jí)上而在價(jià)帶中產(chǎn)生大量空穴，這種半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，其主要靠空穴導(dǎo)電。雜質(zhì)補(bǔ)償原理——當(dāng)半導(dǎo)體中同時(shí)摻入施主和受主雜質(zhì)時(shí)？雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中同時(shí)摻入等量的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)補(bǔ)償。施主雜質(zhì)Nd電子受主雜質(zhì)Na空穴EcEvED△EDEANd,Na>ni如果Nd>Na，則n=Nd-Na，有部分電子將和來自受主雜質(zhì)的空穴復(fù)合如果Na>Nd，則p=Na-Np，有部分空穴將和來自施主雜質(zhì)的電子復(fù)合兩性雜質(zhì)：即可成為施主又可成為受主的雜質(zhì)AsGaAsGaGaAsGaAsAsGaSiSiGaAsGaSiAsGaAsGaAsGaGaAsAsSiSiAsAsSiAsGaAsGaGaAsGaAsAsGaAsSiGaAsGaAsAsGaAsGaAsGaGaAsAsGaGaAsAsGaSi濃度較低時(shí)，替代Ga成為施主雜質(zhì)；Si濃度變大時(shí)，部分Si原子將替代As原子成為受主雜質(zhì)，使GaAs成為補(bǔ)償型半導(dǎo)體。深能級(jí)雜質(zhì)：雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或者價(jià)帶比較遠(yuǎn)，雜質(zhì)不容易電離。IV族元素半導(dǎo)體中摻入VI族雜質(zhì)原子（施主）或者II族的雜質(zhì)原子（受主）SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSe2+SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiZn2-SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi++ECEVEDEVECEAAu在Ge中形成的雜質(zhì)能級(jí)Au在Si中形成的雜質(zhì)能級(jí)EVECEAED0.54eV0.26eVEVECEA2EA3EA1ED等電子中心：摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)的價(jià)電子數(shù)與半導(dǎo)體相同。AsGaAsGaGaAsGaAsAsGaPGaGaAsGaPAsGaAsGaAsGaGaAsAsGaGaAsAsGa一個(gè)P原子能夠束縛一個(gè)電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)常稱為激子，因此等電子中心可以束縛一個(gè)激子。用能帶理論解釋金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別。為什么制作太陽能電池的材料會(huì)選取半導(dǎo)體材料，而不選取金屬或絕緣體材料？Hint:用能帶理論解釋金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別：從滿帶不導(dǎo)電，不滿帶導(dǎo)電來解釋金屬和絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別；從帶隙寬度的不同來解釋絕緣體和半導(dǎo)體的不同。金屬、絕緣體和半導(dǎo)體都存在禁帶和允帶，所以不能從禁帶、允帶來解釋。太陽能電池材料為什么選半導(dǎo)體材料：從以下知識(shí)點(diǎn)來解釋：1）半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)與半導(dǎo)體的純度、溫度以及其它外界條件（如光照）有很大關(guān)系；2）半導(dǎo)體中可以主要由電子導(dǎo)電，也可以主要由空穴導(dǎo)電；3）由于半導(dǎo)體中主要載流子可以是電子，也可以是空穴，所以半導(dǎo)體材料可以做成pn結(jié)器件，而太陽能電池主要就是由半導(dǎo)體的pn結(jié)器件所組成。4、費(fèi)米（Fermi）能級(jí)根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)理論。費(fèi)米分布函數(shù)EF稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選區(qū)有關(guān)。EF是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就可以完全確定。費(fèi)米分布函數(shù)的特性T>0K時(shí)：若E<EF，則f(E)>1/2若E=EF，則f(E)=1/2若E>EF，則f(E)<1/2

上述結(jié)果說明：當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能級(jí)比費(fèi)米能級(jí)高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。因此，費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志。而當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之五十。有效狀態(tài)密度導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)母浇碾娮幽軒㈥P(guān)系：EC和EV分別為導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰俊?dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)母浇臓顟B(tài)密度：由于半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子數(shù)和價(jià)帶空穴數(shù)很少，近似用玻爾茲曼分布幾率討論導(dǎo)帶內(nèi)電子數(shù)密度：稱為導(dǎo)帶電子的有效狀態(tài)密度同樣引入價(jià)帶空穴的有效狀態(tài)密度：稱為價(jià)帶空穴的有效狀態(tài)密度本征半導(dǎo)體的載流子密度ni：本征載流子濃度本征半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)表示禁帶正中間的能量位置，常稱為本征能級(jí)。本征半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該在禁帶中Eg/2的位置；T>0K時(shí)，對(duì)于本征半導(dǎo)體仍然可以近似認(rèn)為其費(fèi)米能級(jí)在禁帶中Eg/2的位置。雜質(zhì)半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)對(duì)于n型半導(dǎo)體，假設(shè)施主雜質(zhì)濃度為ND，而施主雜質(zhì)部分電離，則半導(dǎo)體內(nèi)由施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電子濃度為根據(jù)費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率為nD=ND×（電子不占據(jù)施主能級(jí)的幾率）溫度極低的時(shí)候，半導(dǎo)體本身沒有被熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子，因此半導(dǎo)體內(nèi)電子濃度就等于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電子濃度：在低溫下且施主少量電離，滿足條件高溫和強(qiáng)電離情況下，低溫的時(shí)候（T~0K），n型半導(dǎo)體的Fermi能級(jí)位于施主能級(jí)和導(dǎo)帶正中間。隨著溫度升高（T>0K），施主雜質(zhì)電離，仍可以近似認(rèn)為Fermi能級(jí)處于施主能級(jí)和導(dǎo)帶之間。當(dāng)溫度極高時(shí)，半導(dǎo)體的本證載流子密度不斷增大，價(jià)帶中不斷有電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，此時(shí)Fermi能級(jí)逐漸趨近本征能級(jí)，而處于價(jià)帶與導(dǎo)帶中間。同樣對(duì)于p型半導(dǎo)體，其Fermi能級(jí)在溫度不算高時(shí)，處于價(jià)帶與受主能級(jí)之間，而當(dāng)溫度極高時(shí)，半導(dǎo)體本征載流子密度不斷增大，F(xiàn)ermi能級(jí)將又回到價(jià)帶和導(dǎo)帶中間，接近于本征能級(jí)Ei。下圖表示了五種不同摻雜情況的半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位置：從左到右，由強(qiáng)p型到強(qiáng)n型，費(fèi)米能級(jí)EF位置逐漸升高。在強(qiáng)p型中，導(dǎo)帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少，所以可以說，在強(qiáng)p型半導(dǎo)體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低。弱p型中，導(dǎo)帶和價(jià)帶電子稍多，能帶被電子填充的水平也稍高，所以EF也升高了。無摻雜，導(dǎo)帶和價(jià)帶中載流子數(shù)一樣多，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線附近。弱n型，導(dǎo)帶及價(jià)帶電子更多，能帶被填充水平也更高，EF升到禁帶中線以上，到強(qiáng)n型，能帶被電子填充水平最高，EF也最高。平衡載流子n型半導(dǎo)體中，電子數(shù)密度大于空穴數(shù)密度，將電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。p型半導(dǎo)體中，空穴是多子，電子是少子。熱平衡時(shí)，電子數(shù)密度n0和空穴數(shù)p0密度滿足條件其中ni是半導(dǎo)體的本征載流子密度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界的作用，破壞了熱平衡條件，這就使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流