[材料科学]晶体硅太阳电池设计 半导体基础知识.ppt

半导体基础知识 一 半导体材料 固体材料按其导电性能可分为三类绝缘体半导体导体 典型的电阻率如下 有哪些半导体 元素半导体 element 由一种材料形成的半导体物质 化合物 compolund 半导体 由两种或两种以上元素形成的物质 二元化合物GaAs 砷化镓SiC 碳化硅Zns 硫化锌GaN 氮化镓三元化合物AlGa11As 砷化镓铝AlIn11As 砷化铟铝 孤立硅原子的图示 本征半导体 当半导体中的杂质远小于由热产生的电子空穴时 此种半导体称为本征半导体 IntrinsicSemiconductor 此时EF在禁带中央 非本征半导体 当半导体被掺入杂质时 本征半导体就成为非本征 extrinsic 半导体 施主与受主 施主 当杂质掺入半导体中时 若能释放一个电子 这种杂质被称为施主 如 磷 砷就是硅的施主 受主 当杂质掺入半导体中时 若能在半导体中产生一个空穴 这种杂质称为受主 如 硼 铝就是硅的受主 N型半导体 以电子为多数导电载流子的半导体称为N型半导体 电子为多子 空穴为少子 P型半导体 以空穴为多数导电载流子的半导体称为P型半导体 空穴为多子 电子为少子 本征半导体的载流子浓度 ni n0 p0n0 p0 ni2热平衡条件 非本征半导体的载流子浓度 一般情况下 电阻率与杂质浓度的关系 n型半导体 p型半导体 本征半导体 平衡载流子 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下 载流子浓度是一定的 这种处于热平衡状态下的载流子浓度 称为平衡载流子浓度 n0p0 ni2 非平衡载流子 处于非平衡状态的半导体 其载流子浓度也不再是n0和p0 可以比他们多出一部分 多出这部分载流子称为非平衡载流子 用 n和 p表示 光照产生非平衡载流子 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命 由于相对于非平衡多数载流子 非平衡少数载流子的影响处于主导地位 因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命 复合理论 直接复合 directrecombination 间接复合 indirectrecombination 表面复合 surfacerecombination 直接复合 由电子在导带与价带间直接跃进而引起的非平衡载流子的复合过程 间接复合 非平衡载流子通过复合中心的复合 表面复合 是指在半导体表面发生的复合过程表面处的杂质和表面处特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级 因而 就复合机构讲 表面复合仍然是间接复合 实际测得的少子寿命应是体内复合和表面复合的综合结果 设这两种复合是单独平行发生的 用表示体内复合 用表示表面复合 总的复合机率为 称为有效寿命 复合过程中能量的释放 载流子复合时 一定要释放多余的能量 放出能量的方法有三种 发射光子 即伴随着复合 将有发光现象 常称为发光复合或辐射复合 发射声子 载流子将多余的能量传给晶格 加强晶格的振动 使硅体发热 将能量给予其它载流子 增加它们的动能 称为俄歇 Auger 复合 二 P N结 P N结是怎么形成的 在一块n型 或P型 半导体上 用适当的工艺方法把P型 或n型 杂质掺入其中 使不同区域分别具有n型和p型的导电类型 在二者的交界处就形成了p n结 2 P N结的杂质分布 3 能带图 Banddiagram 4 平衡PN结的电场 电势和结宽 以突变结为例 电荷分布 5 不同偏压条件下 P N结的能带图 P N结的电流电压特性 理想特性 4个假设 耗尽区为突变边界小注入耗尽区内无产生和复合边界载流子浓度和结的静电势有关 P N结理想曲线 引起理想曲线与实际曲线差别的主要原因有 表面效应势垒区中的产生及复合大注入条件串联电阻效应 非理想的P N结电流电压特性 一般而言 扩散电流的特点是 它与成正比复合电流的特点是 它与成正比实际结果可以被表示成 n称为理想系数 idealit