单晶硅简介.ppt

多余电子 图1.6-2 空键 接受电子 空穴 P-N结 P型 N型 N型 P-N结 P型 在热平衡状态下，由于扩散，从P区越过势垒向N区移动的空穴数目等同于空间电荷区附近N区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建电场的作用下漂移到P区的数目，因此P-N结没有电流流过。对于电子也可做同样的论述。 单晶硅的介绍 新能源科技协会课程 —肖康宇— 单晶硅的定义 熔融的单质硅在凝固时硅原子以金石晶排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来结晶成单晶硅。 单晶硅的性质 晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色，密度2.32-2.34克／立方厘米，熔点1414℃，沸点2900℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质。 硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧等多种元素化合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液。 硅棒 硅锭 硅片 硅的提纯方法 西门子改良法生产工艺 流化床法 硅烷法——硅烷热分解法 冶金法生产太阳能级多晶硅 气液沉积法生产粒状太阳能级多晶硅 重掺硅废料提纯法生产太阳能级多晶硅 硅的提纯 一般来说，工业制取高纯单晶硅主要采用以下方法： ①首先由石英砂和焦炭在电弧炉中制取纯度较低的粗硅 SiO2+2C==(3273K)Si+2CO↑ ②然后将粗硅转化为有挥发性并易提纯的四氯化硅或三氯氢硅 Si+2Cl2==（723~773K）SiCl4 Si+3HCl==(523~573K)SiHCl3+H2↑ ③再用精馏法提纯SiCl4或SiHCl3，在电炉中用氢气还原，得到纯度较高的硅 SiCl4+2H2==(加热)Si+4HCl ④最后我们用区域熔融法进一步提纯并制成高纯单晶硅 西门子改良法的优点与设备 优点是：节能降耗显著、成本低、质量好、采用综合利用技术，对环境不产生污染，具有明显的竞争优势。 主要设备有：氯化氢合成炉，三氯氢硅沸腾床加压合成炉，三氯氢硅水解凝胶处理系统，三氯氢硅粗馏、精馏塔提纯系统，硅芯炉，节电还原炉，磷检炉，硅棒切断机，腐蚀、清洗、干燥、包装系统装置，还原尾气干法回收装置；其他包括分析、检测仪器，控制仪表，热能转换站，压缩空气站，循环水站，变配电站，净化厂房等 西门子改良法生产工艺 （1）石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98%并生成工业硅，其化学反应SiO2+C→Si+CO2↑ （2）为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。把工业硅粉碎并用无水氯化氢(HCl)与之反应在一个流化床反应器中，生成拟溶解的三氯氢硅(SiHCl3)。其化学反应Si+HCl→SiHCl3+H2↑反应温度为300度，该反应是放热的。同时形成气态混合物(Н2, НС1, SiНС13, SiC14, Si)。 （3）第二步骤中产生的气态混合物还需要进一步提纯，需要分解: 过滤硅粉，冷凝SiНС13,SiC14，而气态Н2,HCl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3, SiCl4，净化三氯氢硅（多级精馏）。 （4）净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应SiHCl3+H2→Si+HCl。 该方法是以SiCl4、H2、HCl和工业硅为原料，在高温高压流化床内（沸腾床）生成SiHCl3，将SiHCl3再进一步歧化加氢反应生成SiH2Cl2，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅粉的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。由于在流化床反应炉内参与反应的硅表面积大，故该方法生产效率高、电耗低、成本低。该方法的缺点是安全性较差，危险性较大，且产品的纯度也不高。不过，它还是基本能满足太阳能电池生产的使用。故该方法比较适合大规模生产太阳能级多晶硅。 流化床法 硅烷法——硅烷热分解法 硅烷（SiH4）是以四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。以前只有日本小松掌握此技术，由于发生过严重的爆炸事故后，没有继续扩大生产。但美国Asimi和SGS公司仍采用硅烷气热分解生产纯度较高的电子级多晶硅产品。 太阳能级多晶硅新工艺技术 除了上述改良西门子法、硅烷热分解法、流化床反应炉法三种方法生产电子级与太阳能级多晶硅以外，还涌现出几种专门生产太阳能级多晶硅新工艺技术。 冶金法生产太阳能级多晶硅 选择纯度较好的工业硅（即冶金硅）进行水平区熔单向凝固成硅锭，去除硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分后，进行粗粉碎与清洗，在等离子体融解炉中去除硼杂质，再进行第二次水平区熔单向凝固成硅锭，去除第二次区熔硅锭中金属杂质聚集的部分和外表部分，经粗粉碎与清洗后，在电子束