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半导体物理基础知识1.1导体，绝缘体和半导体 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区分给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。导体，绝缘体和半导体的大致范围。 物体物体电阻率电阻率导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 CM10e91.2半导体材料硅的晶体结构1.2.1几种常见元素的原子结构几种常见元素的原子结构 硅太阳电池生产中常用的硅（硅太阳电池生产中常用的硅（Si），），磷（磷（P），），硼（硼（B）元素的原子结构模型如图元素的原子结构模型如图1.2-1所示所示图图1.2-1第三层第三层4个电子个电子第二层第二层8个电子个电子第一层第一层2个电子个电子Si+14P+15B最外层最外层5个电子个电子最外层最外层3个电子个电子siPB 原子最外层的电子称为价电子，有几个原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。价电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。负离子。原子变成离子的过程称为电离。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.2晶体结构晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。在某一温度范围内逐渐软化。1.2.3单晶和多晶单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。1.2半导体材料硅的晶体结构 1.2.4硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的原子的4个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的4个原子组成个原子组成4对共有电子对。这种对共有电子对。这种共有电子对就称为共有电子对就称为“共价键共价键”。如图。如图1.2-2所示。所示。图图1.2-21.2半导体材料硅的晶体结构1.2.5硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重表示一些重要的晶胞。要的晶胞。 (a)简单立方简单立方（Po）(b)体心立方体心立方（Na、W）(c)面心立方面心立方（Al、Au）图图1.2-3正四面实体结构正四面实体结构图图1.2-4金钢石结构金钢石结构1.2半导体材料硅的晶体结构 金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移对角线方向上移1/4互相套构而成（见图互相套构而成（见图1.2-4）。）。 为了简便明了，以后分析问题时只要采用图为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2所示所示的平面结构示意图即可。的平面结构示意图即可。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.6晶面和晶向晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图称为晶向。图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。是几种常用到的晶面和晶向。(100晶面晶面)(110晶面晶面)(111晶面晶面)图1.2-51.2半导体材料硅的晶体结构 1.2.7原子密排面和解理面：原子密排面和解理面： 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图如图1.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。 图1.2-61.2半导体材料硅的晶体结构 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶几个晶 面上面上原子排列的情况，如图原子排列的情况，如图1.2-7所示。所示。 金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质： (a)由于由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。的晶面称为晶体的解理面。 (b)由于由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而慢，而(100)面原子排列密度比面原子排列密度比(111)面低。所以面低。所以(100)面比面比(111)面面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度面腐蚀速度比比(111)面大的多，因此，用面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体，面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。形成绒面状的硅表面。1.2半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)图1.2-7 从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。能带之间的间隙叫做禁带。 未被电子填满的能带称为导带，已被电子未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。(图图1.3-3)1.3固体的能带理论绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体EcEvE9E9导导带带禁禁带带价价带带图1.3-31.3固体的能带理论1.4半导体的导电特性 半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。绝缘体所没有的独特性能。1.4.1导电能力随温度灵敏变化导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高一度，电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降）。而半导体则不一样，温度每升高或降低低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273）时，则成为绝缘）时，则成为绝缘体。体。1.4.2导电能力随光照显著改变导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。1.4.3杂质的显著影响杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。百万的增加。这是最特殊的独特性能。1.4.4其他特性其他特性 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。 1.5半导体的纯度 半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个本身纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。来表示。比如硅材料的纯度达到比如硅材料的纯度达到6个个“9”，就是说硅的纯度达到，就是说硅的纯度达到99.9999%，其余，其余0.0001%（即（即10-6 ）为杂质总含量。半导）为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量，通常还以体材料中的杂质含量，通常还以“PPb” 与与“PPm”来表示。一来表示。一个个PPb就是十亿分之一（就是十亿分之一（10-9 ） 一个一个“PPm”就是百万分之一（就是百万分之一（10-6 ），几种纯度表），几种纯度表示法的相互关系如表示法的相互关系如表1.2所列。所列。 几个“9”PPb(十亿分之一) PPm(百万分之一)610319110-3表表1.21.6半导体的导电原理 1.6.1半导体中的半导体中的“电子电子”和和“空穴空穴”，本征半导体，本征半导体 纯净的半导体，在不受外界作用时，导纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为为“空穴空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如图对电子和空穴。如图1.6-1所示。通常将这种只含所示。通常将这种只含有有“电子空穴对电子空穴对”的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。“本本征征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称为载流子。统称为载流子。1.6半导体的导电原理Eg导带导带(禁带宽禁带宽)价带价带图1.6-11.6半导体的导电原理 1.6.2产生和复合产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为称为“产生产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这就是失了一对电子和空穴，这就是“复合复合”。在一定温度下，又没。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。1.6半导体的导电原理 1.6.3.1 N型半导体型半导体 磷（磷（P)，锑（锑（sb )等五族元素原子的最外层有五个等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置，如图原子所处的晶格位置，如图1.6-2。磷原子最外层五个电子。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称简称N型半导体。图型半导体。图1.6-3表示表示N型半导体材料的能带图。型半导体材料的能带图。而为半导体材料提供一个自由电子的而为半导体材料提供一个自由电子的v族杂质原子，通常称族杂质原子，通常称为施主杂质。为施主杂质。多余电子多余电子图图1.6-21.6半导体的导电原理1.6半导体的导电原理施主施主能级能级导带导带电离能电离能价带价带图图1.6-31.6半导体的导电原理 1.6.3.2 P型半导体型半导体 硼（硼（B）铝（铝（AL）镓（镓（GA）等三族元素原子的等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图图1.6-4所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是形成了一个新的空位，这就是“空穴空穴”。硼原子在接受。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生能移动，不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称型半导体，简称P型半导体。图型半导体。图1.6-5表示表示P型半导体材型半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的族杂质原族杂质原子，通常称之为受主杂质。子，通常称之为受主杂质。1.6半导体的导电原理空键空键接受电子接受电子空穴空穴图图1.6-4