3.5晶体硅太阳电池设计-硅材料基础.doc

硅的基本性质概述硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理及化学性质（300K）如下表所示：性质符号单位硅（Si）原子序数214原子量M28.085原子密度T/cm35.221022晶体结构金刚石型晶格常数Q5.43熔点Tm1420密度g/ cm32.329/2.533介电常数011.9本征栽流子浓度ni个/ cm31.51010本征电阻率icm2.3105电子迁移率nCm2/(VS)1350空穴迁移率pCm2/(VS)480电子扩散系数DnCm2/S34.6空穴扩散系数DpCm2/S12.3禁带宽度（25）Egev1.12导带有效态密度Nccm-32.81019价带有效态密度NNcm-31.041019器件最高工作温度250（一） 硅的电学性质 两大特点： 一 是导电性介于半岛体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4104cm 二 是导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的是无掺杂的硅导电性极差。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加。 例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。（二）硅的化学性质 硅在自然界中多以氧化物为主有化合物状态存在。 硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。1. 热氧化反应在硅表面生成氧化层 Si + O2 Si O2 Si + H2O Si O2+ H2 上述有反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。2. 硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应。 300 Si +Cl2 Si Cl4 280 Si +HCl SiHCl3+H2 上面两个反应常用来制造高纯硅，硅的基本材料Si Cl4和SiHCl33. 硅与酸的化学反应硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl， H2SO4，HNO3,HF及 水所腐蚀，但与某种混合液所腐蚀。（1） 硅与HFHNO3 混合液的化学反应Si + HNO3 + HF H2SiF6 + NO2 + H2OHNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，HF就不易与硅发生反应，在缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。（2） 硅与HFCrO3混合液有化学反应 此混合液是硅单向缺陷的择优腐蚀显？剂，缺陷部位腐蚀快。（3） 硅与金属的作用 硅与金属作用可生成多种硅化物，TiSi2,W Si2,MoSi等都有良好的导电，耐高温等特性，主要用电子器件的互联引线。（4） 硅与Si O2的化学反应 1400 Si +SiO2 SiO 在直接法（CZ）制备硅单晶时，要使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体发生反应 。 反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的主要来源。 所以在控制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以直接有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。（三） 硅的半导体性质 1. 硅原子 2. 硅晶体的能带结构 晶体的能带代表的物理定义： 它反应了晶体中电子的运动状态具有介于弧立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。 设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此弧立，那么，许多电子都处在相同的能级上。 实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N 个弧立原子的一个能级扩层成？分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。 硅材料科学与技术3. 导体，半导体及绝缘体的能带图4. 直接带隙和间接带隙半导体 硅材料科学与技术 不同材料的价带结构大致相似，价带顶位于K0处，但导带底的位置却因材料不同有较大的差异。a. 当导带低和价带顶都位于K0处，称为直接带隙半导体。例如:GaAs, InSb , InP等b. 当导带不在K0处，称为间接带隙半导体。例如: Si, Ge等。 5 . 硅晶体的禁带宽度Eg 禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。 Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长相对应。 Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T0K时，Eg趋于一个常数。 硅材料科学与技术 6. 硅中杂质的能级 以上我们讨论的都是理想晶体，无缺陷无掺杂，禁带中没有其它能级存在，但实际的半导体都会有一定有杂质，所形成有电导超过本征导电。硅材料科学与技术a. 浅能级杂质在硅中的，族元素，杂质能级非常靠近介带或导带，对硅的电？性能起着关键性影响。b. 深能级杂质 在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如： 金，银，铜，铁等重金属杂质。电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子的寿命降低。 7. 缺陷能级 半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。 8. 导电类型 （1） 本征半导体 （2） 非本征半导体 a. 硅中施主和N型半导体 b .硅中受主与P型半导体 c. 补偿作用 在一般情况下，硅中既有施主杂质也有受主杂质。 当NDNA时，硅单晶为N型半导体 当NAND时，硅单晶为P型半导体 当NA ND时，硅单晶为高补偿半导体，其电阻率很大，以至接近本征电阻率，这种材料如果单从电阻率判断容易误认为高纯半导体，它的少子寿命很低 9. 载流子浓度 a. 载流子浓度随温度的变化 半导体器件物理与工艺 b .费米能级与温度和杂技浓度关系 半导体器件物理与工艺 10. 输远性质 （1）电导 由于半导体中有电子和空穴两种载流子，因此半导体中的导电作用应该是电子和空穴导电总和。 电阻率： （2）载流子的迁移率 载流子在