半導(dǎo)體基本知識(shí)

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1、一、半導(dǎo)體基本知識(shí)太陽(yáng)電池是用半導(dǎo)體材料硅做成的。容易導(dǎo)電的是導(dǎo)體，不易導(dǎo)電的是絕緣體，即不像導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)電又不像絕緣體那樣不容易導(dǎo)電的物體叫半導(dǎo)體，譬如：鍺、硅、砷化緣等。世界上的物體都是由原子構(gòu)成的，從原子排列的形式來(lái)看，可以把物體分成2大類，晶體和非晶體。晶體通常都有特殊的外形，它內(nèi)部的原子按照一定的規(guī)律整齊地排列著；非晶體內(nèi)部原子排列亂七八糟，沒有規(guī)則；大多數(shù)半導(dǎo)體都是晶體。半導(dǎo)體材料硅是原子共價(jià)晶體，在晶體中，相鄰原子之間是以共用電子結(jié)合起來(lái)的。硅是第四族元素，硅原子的電子層結(jié)構(gòu)為2、8、4，它的最外層

2、的四個(gè)電子是價(jià)電子。因此每個(gè)硅原子又分別與相鄰的四個(gè)原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，每個(gè)共價(jià)鍵都是相鄰的兩個(gè)原子分別提供一個(gè)價(jià)電子所組成的。如果硅晶體純度很高，不含別的雜質(zhì)元素，而且晶體結(jié)構(gòu)很完美，沒有缺陷，這種半導(dǎo)體叫本征半導(dǎo)體，而且是單晶體。而多晶體是由許多小晶粒聚合起來(lái)組成的，每一晶體又由許多原子構(gòu)成。原子在每一晶粒中作有規(guī)則的整齊排列，各個(gè)晶粒中原子的排列方式都是相同的。但在一塊晶體中，各個(gè)晶粒的取向（方向）彼此不同，晶粒與晶粒之間并沒有按照一定的規(guī)則排列，所以總的來(lái)看，原子的排列是雜亂無(wú)章的，這樣的晶體，我們叫它多晶

3、體。半導(dǎo)體有很特別的性質(zhì)：導(dǎo)電能力在不同的情況下會(huì)有非常大的差別。光照、溫度變化、適當(dāng)摻雜都會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)，尤其利用摻雜的方法可以制造出五花八門的半導(dǎo)體器件。但摻雜是有選擇的，只有加入一定種類和數(shù)量的雜質(zhì)才能符合我們的要求。我們重點(diǎn)看一下硼和磷這兩種雜質(zhì)元素。硼是第三族主族元素，硼原子的電子層結(jié)構(gòu)為2、3，由于硼原子的最外電子層只有三個(gè)電子，比硅原子缺少一個(gè)最外層電子，因此當(dāng)硼原子的三個(gè)最外層價(jià)電子與周圍最鄰近的三個(gè)硅原子的價(jià)電子結(jié)合成共價(jià)鍵時(shí)，在與第四個(gè)最鄰近的硅原子方向留下一個(gè)空位。這個(gè)空位叫空穴

4、，它可以接受從鄰近硅原子上跳來(lái)的電子，形成電子的流動(dòng)，參與導(dǎo)電。硼原子在硅晶體中起著接受電子的作用，所以叫硼原子為受主型雜質(zhì)。摻有受主型雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電率主要是由空穴決定的，這種半導(dǎo)體又叫空穴型或P型半導(dǎo)體。磷是周期表中第五族元素，磷原子的電子層結(jié)構(gòu)為2、8、5，它的最外層的五個(gè)電子是價(jià)電子。由于磷原子比硅原子多一個(gè)最外層電子，因此當(dāng)磷原子的四個(gè)價(jià)電子與周圍最鄰近的四個(gè)硅原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵后，還剩余一個(gè)價(jià)電子。這個(gè)價(jià)電子很容易成為晶體中的自由電子參與導(dǎo)電。磷原子在硅晶體中起施放電子的作用，所以叫磷原子為施主

5、型雜質(zhì)。摻有施主型雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電率主要是由電子決定的，這種半導(dǎo)體又叫電子型半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。二、擴(kuò)散基本知識(shí)我們知道，太陽(yáng)能電池的心臟是一個(gè)PN結(jié)。我們需要強(qiáng)調(diào)指出，PN結(jié)是不能簡(jiǎn)單地用兩塊不同類型（p型和n型）的半導(dǎo)體接觸在一起就能形成的。要制造一個(gè)PN結(jié)，必須使一塊完整的半導(dǎo)體晶體的一部分是P型區(qū)域，另一部分是N型區(qū)域。也就是在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)P型和N型半導(dǎo)體的接觸。我們制造PN結(jié)，實(shí)質(zhì)上就是想辦法使受主雜質(zhì)在半導(dǎo)體晶體內(nèi)的一個(gè)區(qū)域中占優(yōu)勢(shì)（P型），而使施主雜質(zhì)在半導(dǎo)體內(nèi)的另外一個(gè)區(qū)域中占優(yōu)勢(shì)（N型），這樣

6、就在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中實(shí)現(xiàn)了P型和N型半導(dǎo)體的接觸。我們制作太陽(yáng)電池的多晶硅片是P型的，也就是說(shuō)在制造多晶硅時(shí)，已經(jīng)摻進(jìn)了一定量的硼元素，使之成為P型的多晶硅。如果我們把這種多晶硅片放在一個(gè)石英容器內(nèi)，同時(shí)將含磷的氣體通入這個(gè)石英容器內(nèi)，并將此石英容器加熱到一定的溫度，這時(shí)施主雜質(zhì)磷可從化合物中分解出來(lái)，在容器內(nèi)充滿著含磷的蒸汽，在硅片周圍包圍著許許多多的磷的分子。我們用肉眼觀察硅片時(shí)，認(rèn)為晶片是密實(shí)的物體，實(shí)際上硅片也是像海綿一樣充滿著許多空隙，硅原子并不是排列得非常嚴(yán)實(shí)，它們的之間存在著很大的縫隙。因此磷原

7、子能從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過(guò)硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散。當(dāng)硅晶體中摻入磷后，磷原子就以替代的方式占據(jù)著硅的位置。理想晶體中原子的排列是很整齊的，然而在一定的溫度下，構(gòu)成晶體的這些原子都圍繞著自己的平衡位置不停地振動(dòng)，其中總有一些原子振動(dòng)的比較厲害，可以具有足夠高的能量，克服周圍原子對(duì)它的作用，離開原來(lái)的位置跑到其它地方去，這樣就在原來(lái)的位置上留下一個(gè)空位。替位或擴(kuò)散是指雜質(zhì)原子進(jìn)入晶體后，沿著晶格室位跳躍前進(jìn)的一種擴(kuò)散。這種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的特征是雜質(zhì)原子占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點(diǎn)的正常位置，不改變?cè)牧系木w結(jié)構(gòu)

8、。在靠近硅晶片表面的薄層內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)去的磷原子最多，距表面愈遠(yuǎn)，磷原子愈少。也就是說(shuō)，雜質(zhì)濃度（磷濃度）隨著距硅表面距離的增加而減少。從以上分析中我們可以看到，濃度差別的存在是產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的必要條件，環(huán)境溫度的高低則是決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快慢的重要因素。環(huán)境溫度愈高，分子的運(yùn)動(dòng)越激烈，擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行得就越快。當(dāng)然，擴(kuò)散時(shí)間也是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的重要因素，時(shí)間愈長(zhǎng)，擴(kuò)散濃度和深度也