新能源发电系统设计 (5).ppt
任务二：认识半导体基础010203CONTENT目 录P、N型材料与PN结半导体材料硅介绍小结半导体材料硅介绍 1.半导体的基础知识 在自然界中，物体根据导电性能和电阻率的大小分为三类，导体、半导体、绝缘体。导体，导电能力强的物体，电阻率为10-9l0-6cm；绝缘体，不能导电或者导电能力微弱到可以忽略不计的物体，电阻率为108l020cm；半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，电阻率为10-5l02cm。半导体材料硅介绍 2、硅元素及晶体结构 硅是地壳中最丰富的元素之一，含量仅次于氧，丰度为27.3%，在自然界一般以硅酸盐或二氧化硅的形式存在于岩石、砂砾等矿物中；硅（Si）原子序数14，原子核外14个电子，绕核运动，分层排列：内层2个电子(满)，第二层8个电子(满)，第三层4个电子(不满)。相对原子质量28，属于元素周期表上第三周 期，IVA 族 元 素，硅 原 子 的 电 子 排 布 为1s22s22p63s23p2。硅的晶体结构 硅晶体中的硅原子在空间按面心立方晶格结构无限排列，长程有序。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个硅原子间有一对电子与这两个原子的原子核都有相互作用，称为共价键。基于共价键作用，是硅原子紧密地结合在一起，构成晶体。半导体材料硅介绍 3、单单晶体，多晶体，非晶体晶体，多晶体，非晶体硅晶体和所有的晶体都是由原子(或离子、分子)在空间按一定规则排列而成。这种对称的、有规则的排列叫做晶体的晶格。l 一块晶体如果从头到尾都按一种方向重复排列，即长程有序，称其为单晶体。l 由许多小颗粒单晶杂乱无章地排列在一起的固体称为多晶体。l 非晶体没有上述特征，但仍保留了相互间的结合形式，如一个硅原子仍有四个共价键，短程看是有序的，长程无序，这样的材料称为非晶体，也叫做无定形材料。半导体材料硅介绍小组任务：硅材料除了用来做光伏电池片，还有哪些应用？PN结除了形成电池片，还有哪些应用。选5各小组汇报。半导体材料硅介绍晶硅材料的用途硅矿治金级工业硅电子级多晶硅太阳能级多晶硅单、多晶硅棒光伏电池单、多晶硅片光伏电站单晶硅抛光片晶圆加工IC测试封装分立器件IC设计终端产品P、N型材料与PN结1半导体物理初步知识1）能级和能带图 电子在原子中的轨道运动状态具有不同的能量能级(E),单一的电子能级，分裂成能量非常接近但又大小不同的许多电子能级，形成一个“能带”。单原子的电子能级对应的固体能带 P、N型材料与PN结1半导体物理初步知识2）禁带、价带和导带 电电子只能在各能子只能在各能带带内运内运动动，能，能带带之之间间的区域没有的区域没有电电子子态态,这这个区域叫做个区域叫做“禁禁带带”，用，用Eg 表示。表示。完全被完全被电电子填子填满满的能的能带带称称为为“满带满带”，最高的，最高的满带满带容容纳纳价价电电子，称子，称为为“价价带带”,价价带带上面完全没有上面完全没有电电子的称子的称为为“空空带带”。有的能有的能带带只有部分能只有部分能级级上有上有电电子子,一部分能一部分能级级是空的。是空的。这这种部分填充的能种部分填充的能带带,在外在外电场电场的作的作用下用下,可以可以产产生生电电流。流。而没有被而没有被电电子填子填满满、处处于最高于最高满带满带上的一个能上的一个能带带称称为为“导带导带”。P、N型材料与PN结3）金属，半导体与绝缘体的区别金属的导带和价带重叠在一起，不存在禁带，在一切条件下具有良好的导电性。半导体有一定的禁带宽度，价电子必须获得一定的能量（Eg）“激发”到导带才具有导电能力。激发的能量可以是热或光的作用。常温下，每立方厘米的硅晶体，导带上约有l010个电子，每立方厘米的导体晶体的导带中约有1022个电子。绝缘体禁带宽度远大于半导体，常温下激发到导带上的电子非常少，固其电导率很低。1半导体物理初步知识P、N型材料与PN结4）电子和空穴 1半导体物理初步知识 电子从价带跃迁到导带（自由电子）后，在价带中留下一个空位，称为空穴，空穴移动也可形成电流。电子的这种跃迁形成电子-空穴对。电子和空穴都称为载流子。电子-空穴对不断产生，又不断复合。P、N型材料与PN结本征半导体中载流子数目极少，导电能力仍然很低。但如果在其中掺入微量的杂质，所形成的杂质半导体的导电性能将大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为N型和P型两大类。2、掺杂半导体P、N型材料与PN结在本征半导体(锗或硅)中掺入三价元素硼形成P型半导体。P型半导体中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。2、掺杂半导体1）P型半导体P、N型材料与PN结在本征半导体(锗或硅)中掺入五价元素磷形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2、掺杂半导体2）N型半导体P、N型材料与PN结把P、N型两种半导体材料通过特殊的工艺放在一起形成PN结。在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。3、PN结P、N型材料与PN结形成机理：1、扩散：N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。2、空间电荷区：扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子,N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区。又称耗尽区。3、漂移：空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，它是阻止扩散的。3、PN结P、N型材料与PN结形成机理：1、扩散：2、空间电荷区：又称耗尽区。3、漂移：3、PN结P、N型材料与PN结形成机理：当太阳能电池受到阳光照射时，p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光伏效应。光电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。4、光生伏打效应
