半导体的基本知识(讲义)
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2016/8/26
33
需要的少子寿命t在１０微秒以上。 何 为 载 流 子 ？ 在半导体中，导电是靠电子和空穴的移动 来完成的，因此电子和空穴被统称为载流 子。
2016/8/26
25
何为多数载流子与少数载流子? 在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等， 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少 数载流子，P型半导体中，空穴是多数载流子， 电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂 质激发载流子与本征激发载流子之和，少数载流 子简称少子，只由本征激发产生。
2016/8/26
4
半导体——在导体和绝缘体之间还有一种
被称为半导体的物质。主要有硅、锗、砷
化镓、锑化锢、磷化镓、磷化锢等。其中 硅和锗为单一元素的半导体，而砷化镓等 为化合物半导体。
5
2016/8/26
半导体的特征（我们仅以硅例）
半导体具有以下一些特征：
半导体的导电性能可以通过掺入微量的杂 质（简称“掺杂”）来控制，加入微量杂 质能显著改变半导体的导电能力，这是半 导体能够制成各种器件，从而获得广泛应 用的一个重要原因。
2016/8/26
23
少子寿命
半导体生产中的常用参数，用表示，单位 微秒。 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴 是少数载流子。 在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子 是少数载流子。
24
2016/8/26
寿命标志着少数载流子浓度减少到原值为
１／ 时所经历的时间，一般太阳能电池所
半导体的基本知识
（讲义）
２００７年８月
1
2016/8/26
前
言
随着世界范围内的能源紧张，在可
以预计的将来，石油和煤炭将资源 枯竭，同时那种既消耗资源又产生 污染的能源生产方法最终将被人类 所淘汰，太阳能这种取之不尽，用 之不竭的新型能源已经被人类所认 识和发展。
2
2016/8/26
3
近年来，世界各国都已将太阳能光伏产业 作为新型能源来发展，我们国家近年来也 涌现出许多从事研究和生产太阳能光伏产 业的企业。 目前，用于生产太阳能电池的主要材料为 单晶硅，俗称太阳能单晶硅。 下面就半导体单晶硅的一些基本知识作如 下讲述：
若ND≈NA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空 穴刚好全部复合而抵消，即称为高度补偿。
2016/8/26
28
分凝
杂质在晶体中，由于液态凝出的固相的化
学成分和液相不同，所以随着凝固的进行，
液相成分不断变化，因而先后凝出的固相 成分也不同，这种现象称为分凝现象。
29
2016/8/26
2016/8/26
20
施主和受主杂质均称为替位式杂质。 但事实上，一块半导体中常常同时含有施 主和受主杂质，当施主数量超过受主时， 半导体就是N型的，反之，受主数量超过施 主时则是P型的。 一般在N型单晶的生产中，通常以掺磷为主， 在P型单晶中以掺硼为主，目前太阳能单晶 的生产中，以掺硼的P型为主。
施主在导电性上相互抵消的现象叫做杂质的“补偿”。
27
2016/8/26
在有“补偿”的情况下，决定导电能力的是施主和受 主浓度之差，同样，受主浓度的NA大于施主浓度ND 的情形也是完全类似的。由于补偿只余下NA-ND个空 穴成为导电的载流子。 即当ND>NA时，半导体是N型
当NA>ND时，半导体是P型
2016/8/26
15
晶向
晶体中由位于同一平面的原子所组成的
平面称为晶面，晶格中每一个平行排列
的直线方向称为晶向（见下图）。
16
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<100>晶面 <100>晶向
17
2016/8/26
单晶生长按生长方向主要有两种，即<111>和 <100>，目前在太阳能单晶的生产中，基本上 都是采用拉<100>方向的，其特征为表面有四 根对称的棱线。
在晶体中，原子的排列发生错乱的区域称为位 错。 在大多数情况下，发生位错的主要原因往往是 在高温下，由于材料内的应力引起材料发生范 性形变，当硅在700℃以上就由脆性转变为范 性，在应力作用下很容易发生范性形变，晶体 中的大量位错主要就是在这种高温范性形变中 产生的。
2016/8/26
31
晶体中的范性形变实际上是晶面和晶面间
发生了相对移动，称为滑移。
位错主要分为“刃位错”、“螺位错”、 “层错”一般将小于3000/C㎡的单晶称为 无位错单晶。
32
2016/8/26
总结
由于在半导体的特性中存在着即使加入微量的 杂质，都会对半导体的导电特性起很大的作用 的现象。所以在半导体的生产中始终贯穿着一 个“纯”字，因此在半导体的生产过程中，对 环境卫生，操作工艺都有着很严格的要求，所 有从事半导体行业的每个从业人员都必须对此 有高度的认识，这样才能生产出合格的产品。
2016/8/26
19
P型——当硅中掺入Ⅲ族元素的杂质（硼B， 铝Al，镓Ga等），这些Ⅲ族杂质可以向硅 提供一个空穴，而本身接受一个电子成为 带负电的离子，通常把这种杂质叫受主杂 质，当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主 提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半 导体叫做P型半导体，相应的杂质也叫做P 型杂质。
2016/8/26
10
T 1600℃
等温区
1420℃
升温区
升温区 t 60分 300分
11
2016/8/26
晶体具有各向异性，对称性，解理面
各向异性为晶体的机械，电学，热学，
光学等物理和化学性质随方向不同而不 同。 晶体生长中的对称性具体表现为晶棒表 面会长有对称的棱线。
12
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长中具体表现为有棱线生长。
14
2016/8/26
多晶体——多晶体则有许多取向不同的单晶体 （或称晶粒）组成，多晶体内的原子在局部范 围内呈规则排列，但不同局部区域中原子排列 的方向不同，呈杂乱无序状态。如在单晶生长 中原有正常晶体受外界影响如掺入杂质所致， 则原正常生长的单晶受到破坏而成为多晶状态， 具体表现为原有的棱线消失，晶体表面呈现无 规则杂乱的迹象。
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26
杂质补偿
在一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施 主数量超过受主时，半导体就是N型的，反之，受主 数量超过施主时则是P型的。
更具体地讲，在N型的半导体中，单位体积有ND个施 主，同时还有NA个受主，但NA<ND，这时施主放出 的ND个电子将有NA个去填补受主造成的缺位，所以 只余下ND-NA个电子成为供电的载流子，这种受主和
6
2016/8/26
为了说明微量杂质对半导体导电能力的影 响，现举例说明：如我们要拉制目标电阻
率为P型0.5～2的太阳能单晶，采用原料为
N型电阻率大于20，投料80kg，母合金电
阻率为 10E-3，经计算80kg投料需要掺入
母合金数量为10.32g。
7
2016/8/26
温度光照和电阻变化对半导体的导电性能起着 很大的作用。 硅的熔点1420℃ 硅的比重为2.33克/立方厘米 本征——指半导体本身的性质以区别于外来掺 杂的影响，而完全靠半导体本身提供载流子的 状况，理论上本征半导体是纯净的，事实上在 未掺杂的半导体中，纯只是相对的。
2016/8/26
导体、绝缘体、半导体的区别
导体——凡能导电的物质均为导体，如金 属类物质，常有的为金、银、铜、铁、铝 等,它们的电阻率一般在10*E-4欧姆厘米以 下。 绝缘体——凡不能导电的物质均为绝缘体， 生活中常有的物质有橡胶，塑料，木材， 玻璃，陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它 们的电阻率在10*E9欧姆厘米以上。
2016/8/26
8
有两种载流子参加导电——在半导体中，
参与导电的载流子有两种，即“电子”与
“空穴”，而且同一种半导体材料，既可 以形成以电子为主的导电，也可以形成以 空穴为主的导电。
9
2016/8/26
半导体的一些常用名称的 表述及含义
晶体和非晶体 晶体通常有规则的几何形状，生活中盐就 是典型的立方体晶体结构，而蜡，塑料等 都没有规则的形状均都不能称作晶体 晶体具有固定的熔点如硅的熔1420℃， 在熔化过程中是等温的，一旦完全熔化后 溶液温度会迅速上升，其熔化的温度曲线 为（见下图）：
如果平行于两根棱线之间划片，则片子能
很顺利地沿线脆裂，并得到光直的边缘，
如果沿其他方向划片其效果会截然不同。 这种容易沿某些晶面劈裂的特性称为解理 性，而这些容易劈裂的晶面叫做解理面。
13
2016/8/26
单晶体和多晶体
单晶体——单晶体内的原子都按同一规律
同一方向有序地周期性的排列，在单晶生
例如：从掺杂的硅熔体中生长单晶，因为凝出的 单晶含杂质较熔体为少，可是随着单晶生长，熔 体中杂质浓度不断增加，由于这种原因，拉出的 单晶中头部杂质较少，尾部较多，这就是典型的 杂质分凝现象。 常用掺杂元素中的分凝系数： 硼（B）0.8 磷（P）0.35 锑（Sb）0.02
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Байду номын сангаас
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位错
18
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型号
半导体生长中按其掺入的杂质分为二类， 即N型和P型二种。 N型——当硅中掺入Ⅴ族元素的杂质（磷P， 砷As，锑Sb等），这些杂质原子可以向硅 提供一个自由电子，而本身成为带正电的 离子，通常把这种杂质叫施主杂质，当硅 中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电 子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N 型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。
2016/8/26
21
电阻率
半导体生产中常用的一种参数，用字母ρ表
示，单位Ω㎝，它反映了半导体内杂质浓
度的高低和半导体材料导电能力的强弱。
22
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常用半导体的电阻率主要分类有以下几种： 高阻15～60 中阻6～15 低阻0.1～6 轻掺0.09～0.1 重掺0.001～0.09 目前太阳单晶的生产中主要为P型0.5～3、 P型３～６
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需要的少子寿命t在１０微秒以上。 何 为 载 流 子 ？ 在半导体中，导电是靠电子和空穴的移动 来完成的，因此电子和空穴被统称为载流 子。
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何为多数载流子与少数载流子? 在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等， 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少 数载流子，P型半导体中，空穴是多数载流子， 电子是少数载流子。多数载流子简称多子，是杂 质激发载流子与本征激发载流子之和，少数载流 子简称少子，只由本征激发产生。
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半导体——在导体和绝缘体之间还有一种
被称为半导体的物质。主要有硅、锗、砷
化镓、锑化锢、磷化镓、磷化锢等。其中 硅和锗为单一元素的半导体，而砷化镓等 为化合物半导体。
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半导体的特征（我们仅以硅例）
半导体具有以下一些特征：
半导体的导电性能可以通过掺入微量的杂 质（简称“掺杂”）来控制，加入微量杂 质能显著改变半导体的导电能力，这是半 导体能够制成各种器件，从而获得广泛应 用的一个重要原因。
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少子寿命
半导体生产中的常用参数，用表示，单位 微秒。 在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴 是少数载流子。 在P型半导体中，空穴是多数载流子，电子 是少数载流子。
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2016/8/26
寿命标志着少数载流子浓度减少到原值为
１／ 时所经历的时间，一般太阳能电池所
半导体的基本知识
（讲义）
２００７年８月
1
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前
言
随着世界范围内的能源紧张，在可
以预计的将来，石油和煤炭将资源 枯竭，同时那种既消耗资源又产生 污染的能源生产方法最终将被人类 所淘汰，太阳能这种取之不尽，用 之不竭的新型能源已经被人类所认 识和发展。
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近年来，世界各国都已将太阳能光伏产业 作为新型能源来发展，我们国家近年来也 涌现出许多从事研究和生产太阳能光伏产 业的企业。 目前，用于生产太阳能电池的主要材料为 单晶硅，俗称太阳能单晶硅。 下面就半导体单晶硅的一些基本知识作如 下讲述：
若ND≈NA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空 穴刚好全部复合而抵消，即称为高度补偿。
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分凝
杂质在晶体中，由于液态凝出的固相的化
学成分和液相不同，所以随着凝固的进行，
液相成分不断变化，因而先后凝出的固相 成分也不同，这种现象称为分凝现象。
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20
施主和受主杂质均称为替位式杂质。 但事实上，一块半导体中常常同时含有施 主和受主杂质，当施主数量超过受主时， 半导体就是N型的，反之，受主数量超过施 主时则是P型的。 一般在N型单晶的生产中，通常以掺磷为主， 在P型单晶中以掺硼为主，目前太阳能单晶 的生产中，以掺硼的P型为主。
施主在导电性上相互抵消的现象叫做杂质的“补偿”。
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在有“补偿”的情况下，决定导电能力的是施主和受 主浓度之差，同样，受主浓度的NA大于施主浓度ND 的情形也是完全类似的。由于补偿只余下NA-ND个空 穴成为导电的载流子。 即当ND>NA时，半导体是N型
当NA>ND时，半导体是P型
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晶向
晶体中由位于同一平面的原子所组成的
平面称为晶面，晶格中每一个平行排列
的直线方向称为晶向（见下图）。
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<100>晶面 <100>晶向
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2016/8/26
单晶生长按生长方向主要有两种，即<111>和 <100>，目前在太阳能单晶的生产中，基本上 都是采用拉<100>方向的，其特征为表面有四 根对称的棱线。
在晶体中，原子的排列发生错乱的区域称为位 错。 在大多数情况下，发生位错的主要原因往往是 在高温下，由于材料内的应力引起材料发生范 性形变，当硅在700℃以上就由脆性转变为范 性，在应力作用下很容易发生范性形变，晶体 中的大量位错主要就是在这种高温范性形变中 产生的。
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31
晶体中的范性形变实际上是晶面和晶面间
发生了相对移动，称为滑移。
位错主要分为“刃位错”、“螺位错”、 “层错”一般将小于3000/C㎡的单晶称为 无位错单晶。
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2016/8/26
总结
由于在半导体的特性中存在着即使加入微量的 杂质，都会对半导体的导电特性起很大的作用 的现象。所以在半导体的生产中始终贯穿着一 个“纯”字，因此在半导体的生产过程中，对 环境卫生，操作工艺都有着很严格的要求，所 有从事半导体行业的每个从业人员都必须对此 有高度的认识，这样才能生产出合格的产品。
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19
P型——当硅中掺入Ⅲ族元素的杂质（硼B， 铝Al，镓Ga等），这些Ⅲ族杂质可以向硅 提供一个空穴，而本身接受一个电子成为 带负电的离子，通常把这种杂质叫受主杂 质，当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主 提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半 导体叫做P型半导体，相应的杂质也叫做P 型杂质。
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T 1600℃
等温区
1420℃
升温区
升温区 t 60分 300分
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晶体具有各向异性，对称性，解理面
各向异性为晶体的机械，电学，热学，
光学等物理和化学性质随方向不同而不 同。 晶体生长中的对称性具体表现为晶棒表 面会长有对称的棱线。
12
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长中具体表现为有棱线生长。
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多晶体——多晶体则有许多取向不同的单晶体 （或称晶粒）组成，多晶体内的原子在局部范 围内呈规则排列，但不同局部区域中原子排列 的方向不同，呈杂乱无序状态。如在单晶生长 中原有正常晶体受外界影响如掺入杂质所致， 则原正常生长的单晶受到破坏而成为多晶状态， 具体表现为原有的棱线消失，晶体表面呈现无 规则杂乱的迹象。
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杂质补偿
在一块半导体中常常同时含有施主和受主杂质，当施 主数量超过受主时，半导体就是N型的，反之，受主 数量超过施主时则是P型的。
更具体地讲，在N型的半导体中，单位体积有ND个施 主，同时还有NA个受主，但NA<ND，这时施主放出 的ND个电子将有NA个去填补受主造成的缺位，所以 只余下ND-NA个电子成为供电的载流子，这种受主和
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为了说明微量杂质对半导体导电能力的影 响，现举例说明：如我们要拉制目标电阻
率为P型0.5～2的太阳能单晶，采用原料为
N型电阻率大于20，投料80kg，母合金电
阻率为 10E-3，经计算80kg投料需要掺入
母合金数量为10.32g。
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温度光照和电阻变化对半导体的导电性能起着 很大的作用。 硅的熔点1420℃ 硅的比重为2.33克/立方厘米 本征——指半导体本身的性质以区别于外来掺 杂的影响，而完全靠半导体本身提供载流子的 状况，理论上本征半导体是纯净的，事实上在 未掺杂的半导体中，纯只是相对的。
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导体、绝缘体、半导体的区别
导体——凡能导电的物质均为导体，如金 属类物质，常有的为金、银、铜、铁、铝 等,它们的电阻率一般在10*E-4欧姆厘米以 下。 绝缘体——凡不能导电的物质均为绝缘体， 生活中常有的物质有橡胶，塑料，木材， 玻璃，陶瓷等都是不能导电的绝缘体，它 们的电阻率在10*E9欧姆厘米以上。
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有两种载流子参加导电——在半导体中，
参与导电的载流子有两种，即“电子”与
“空穴”，而且同一种半导体材料，既可 以形成以电子为主的导电，也可以形成以 空穴为主的导电。
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半导体的一些常用名称的 表述及含义
晶体和非晶体 晶体通常有规则的几何形状，生活中盐就 是典型的立方体晶体结构，而蜡，塑料等 都没有规则的形状均都不能称作晶体 晶体具有固定的熔点如硅的熔1420℃， 在熔化过程中是等温的，一旦完全熔化后 溶液温度会迅速上升，其熔化的温度曲线 为（见下图）：
如果平行于两根棱线之间划片，则片子能
很顺利地沿线脆裂，并得到光直的边缘，
如果沿其他方向划片其效果会截然不同。 这种容易沿某些晶面劈裂的特性称为解理 性，而这些容易劈裂的晶面叫做解理面。
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单晶体和多晶体
单晶体——单晶体内的原子都按同一规律
同一方向有序地周期性的排列，在单晶生
例如：从掺杂的硅熔体中生长单晶，因为凝出的 单晶含杂质较熔体为少，可是随着单晶生长，熔 体中杂质浓度不断增加，由于这种原因，拉出的 单晶中头部杂质较少，尾部较多，这就是典型的 杂质分凝现象。 常用掺杂元素中的分凝系数： 硼（B）0.8 磷（P）0.35 锑（Sb）0.02
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Байду номын сангаас
30
位错
18
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型号
半导体生长中按其掺入的杂质分为二类， 即N型和P型二种。 N型——当硅中掺入Ⅴ族元素的杂质（磷P， 砷As，锑Sb等），这些杂质原子可以向硅 提供一个自由电子，而本身成为带正电的 离子，通常把这种杂质叫施主杂质，当硅 中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电 子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N 型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。
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21
电阻率
半导体生产中常用的一种参数，用字母ρ表
示，单位Ω㎝，它反映了半导体内杂质浓
度的高低和半导体材料导电能力的强弱。
22
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常用半导体的电阻率主要分类有以下几种： 高阻15～60 中阻6～15 低阻0.1～6 轻掺0.09～0.1 重掺0.001～0.09 目前太阳单晶的生产中主要为P型0.5～3、 P型３～６