光伏原理(第二章).ppt

第二章 半导体材料的基本性质 2.1 半导体的晶体结构 2.2 半导体的能带结构 2.3 半导体的杂质和缺陷 2.4 半导体的电学性质 2.5 半导体的光学性质 2.1 半导体的晶体结构 2.1.1 晶体 2.1.2 晶体结构 2.1.3 晶体类型 2.1 半导体的晶体结构 晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。 晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。 晶胞参数 我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。 构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、β、γ称为晶胞参数。 它们决定了晶胞的大小和形状。 七大晶系 密排堆积方式 密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。 常见的密排堆积方式的种类有： 简单立方堆积 体心立方堆积 面心立方堆积 密排六方堆积 金刚石型堆积 面心立方堆积 金刚石型堆积 半导体的晶体结构 晶体类型 金属晶体 通过金属键而形成的晶体 离子晶体 通过离子键而形成的晶体 分子晶体 通过分子间作用力而形成的晶体 原子晶体 通过共价键形成的晶体 Si原子最外层有四个电子： 3s2 3p2 半导体的导带，价带和禁带宽度 禁带宽度 禁带宽度(Band gap):是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。 要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。 允许能态的占有几率 关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子能级的分布服从费米－狄拉克统计分布规律。 在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为 k是玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K；T为绝对温度；EF为费米能级。 费米－狄拉克函数曲线 2.3 半导体中的杂质和缺陷 2.3.1 本征半导体 2.3.2 n型半导体 2.3.3 p型半导体 2.3.1 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 本征半导体也存在电子和空穴两种载流子 但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，n＝p。 实际晶体不是理想情况 1. 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附近振动； 2. 半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质； 3. 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷 2.3.2 杂质半导体 为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体，可以分为： N型半导体和P型半导体 后面以硅掺杂为例子进行说明 硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，硅原子间以共价键的方式结合成晶体。 2.3.3 N型半导体 P是第V族元素，每一个P原子具有5个价电子 P替位式掺入Si中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电中心P＋和一个多余的价电子 N型半导体的概念 在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。 V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。 施主电离能和施主能级 多余的价电子束缚在正电中心P＋的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。 使价电子摆脱束缚所需要的能量称为杂质电离能 多子和少子 N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。 电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。 2.3.4 P型半导体 B是第III族元素，每一个B原子具有3个价电子 B替位式掺入Si中，当它和周围的原子形成了共价键时，还缺少一个价电子，必须从别处硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴 相当于形成了一个负电中心B－和一个多余的空穴 P型半导体的概念 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导体)。 常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等 III族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。 受主电离能和受主能级 多余的空穴束缚在负电中心B－的周围，但这种束缚作用比共价