半导体材料的定义与物理基础.pptx
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11
• 晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来 孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠，结果导致：
• 1.电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。
• 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级， 准连续的，可看作一个能带
12
原子能级
禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
13
杂质原子提供 自由电子是多子
由热激发形成 空穴是少子
25
P型半导体
杂质半导体
在本征半导体中掺入三价元素如B。
因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
杂质原子提供 空穴是多子
由热激发形成 自由电子是少子
26
下表总结了不同类型半导体的特性
P型（正）
N型（负）
• 对载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称 为复合中心。
23
杂质半导体
掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
24
N型半导体
杂质半导体
在本征半导体中掺入五价元素如P。
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
掺杂浓度高则分别出现
Ev
29
深能级
• 在半导体硅、锗中，除Ⅲ、Ⅴ族杂质在禁带中形成浅能 级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能 级
30
• 非III、V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离 导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远。 通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。
16
•自由电子 •自由空穴
载流子
17
两种载流子 动画一
共价键内的电子 挣脱原称子为核束束缚缚电的子电子 价带中留下的称空为位自由电子 称为空穴
导带
自由电子定向移动 形成外电电子场流E
禁带EG
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
价带
18
百度文库
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 电子浓度ni = 空穴浓度pi
• 这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地 有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引 入若干个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入 受主能级。（过渡金属价态不稳定）
• 一般情况下含量极少，而且能级较深，它们对半导体中 的导电电子浓度、导电空穴浓度(统称为载流子浓度)和 导电类型的影响没有浅能级杂质显著。
硫化锌等等 • 绝缘体：电阻率在10-6到10-5Ω.cm以下，如云母，
水泥，玻璃，橡胶，塑料等等
3
半导体材料的分类
• 按大范围，分为有机半导体，无机半导体，有机-无机半导体复合 材料，以下仅介绍无机半导体分类
• 组成元素类别可分为元素半导体，化合物半导体 • 从晶体结构，晶体半导体，非晶半导体 • 从特性和功能分，微电子材料，光电子材料，光伏材料
掺杂
Ⅲ族元素（如硼） Ⅴ族元素（如磷）
价键 多子 少子
失去一个电子（空 穴） 空穴
电子
多出一个电子 电子 空穴
2020/12/10
27 27
杂质能级 •施主能级，受主能级 •深能级，浅能级
28
施主与受主杂质能级
半导体的杂质能级和杂质的电离过程能带图
Ec
掺杂浓度低同时出现施主受主能级
深能级
引入贵，过渡金属杂质
4
半导体材料的性质 杂质敏感性 负的电阻率温度系数 光敏性 电场效应和磁场效应
5
• 材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 • 锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料 • 硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料 • 近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制
作中 • 半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料
纲要 •半导体材料是什么 •半导体材料的物理基础 •什么样的半导体材料适合作为光伏材料 •光生伏特效应
1
1.半导体材料是什么
•何谓半导体 •半导体材料的分类 •半导体材料的性质
2
何谓半导体
• 导体，电阻率在1010Ω.cm以上，如各种金属 • 半导体，电阻率在10-5到108Ω.cm，如硅，锗，
•导带上的电子参与导电 •价带上的空穴也参与导电 •半导体具有电子和空穴两种载流子 •金属只有电子一种载流子
20
能带理论（小结）
•能带的形成（能级交叠带来电子共有化以 及能级分裂） •自由电子和空穴
21
能级理论 •杂质半导体 •杂质能级 •费米能级
22
杂质半导体
•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 •半导体材料并不是纯净的，而是含有若干 杂质 •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， 面缺陷
空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的
与外电场方向相反
自由电子始终在导带内运动
空穴流 价电子递补空穴形成的 用 空 穴 移 动 产 生
与外电场方向相同
的电流代表束缚电子
始终在价带内运动
移动产生的电流
19
半导体的导电特征
硅晶体能带的形成过程
14
能带图的意义及简化表示
晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化
Eg>6eV
绝缘体、半导体和导体的简化能带图 a） 绝缘体 b）半导体 c）导体
15
一般用“Ec”表示导 带底的能量，用Ev表 示价带底的能量，Eg 表示禁带宽度。
半导体能带简化表示 a）能带简化表示 b） 能带最简化表示
和能量的轨道上运动,且不辐 射能量 ②基态：能量最低； 能级：轨道的不同能量态； 激发态：电子被激发到高能量 轨道上 ③激发态的电子不稳定，跃迁 到低能级，以光的形式释放 能量。
10
激发态
h E2 E1
基态
E4＝－0.85 eV E3＝－1.51 eV E2＝－3.4 eV
E1＝－13.6 eV
6
2.半导体（光伏）材料的物理基础 •载流子的产生 （能带，载流子） • 载流子的分离（pn结）
7
载流子的产生 •能带理论 •能级理论 •非平衡载流子
8
能带理论 • 能带的形成 • 载流子的定义
9
能带的形成
电子
原子核
En
13.6 n2
ev
E1 13.6eV
E2 3.4eV
• 波尔理论 ①核外电子只能在有确定半径
• 晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来 孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠，结果导致：
• 1.电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。
• 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级， 准连续的，可看作一个能带
12
原子能级
禁带 禁带
能带
允带 允带
允带
13
杂质原子提供 自由电子是多子
由热激发形成 空穴是少子
25
P型半导体
杂质半导体
在本征半导体中掺入三价元素如B。
因留下的空穴很容易俘获 电子，使杂质原子成为负 离子。三价杂质 因而也
称为受主杂质。
杂质原子提供 空穴是多子
由热激发形成 自由电子是少子
26
下表总结了不同类型半导体的特性
P型（正）
N型（负）
• 对载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称 为复合中心。
23
杂质半导体
掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体
24
N型半导体
杂质半导体
在本征半导体中掺入五价元素如P。
由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子
掺杂浓度高则分别出现
Ev
29
深能级
• 在半导体硅、锗中，除Ⅲ、Ⅴ族杂质在禁带中形成浅能 级外，其它各族元素掺入硅、锗中也会在禁带中产生能 级
30
• 非III、V族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离 导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远。 通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。
16
•自由电子 •自由空穴
载流子
17
两种载流子 动画一
共价键内的电子 挣脱原称子为核束束缚缚电的子电子 价带中留下的称空为位自由电子 称为空穴
导带
自由电子定向移动 形成外电电子场流E
禁带EG
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
价带
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百度文库
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 电子浓度ni = 空穴浓度pi
• 这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地 有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引 入若干个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入 受主能级。（过渡金属价态不稳定）
• 一般情况下含量极少，而且能级较深，它们对半导体中 的导电电子浓度、导电空穴浓度(统称为载流子浓度)和 导电类型的影响没有浅能级杂质显著。
硫化锌等等 • 绝缘体：电阻率在10-6到10-5Ω.cm以下，如云母，
水泥，玻璃，橡胶，塑料等等
3
半导体材料的分类
• 按大范围，分为有机半导体，无机半导体，有机-无机半导体复合 材料，以下仅介绍无机半导体分类
• 组成元素类别可分为元素半导体，化合物半导体 • 从晶体结构，晶体半导体，非晶半导体 • 从特性和功能分，微电子材料，光电子材料，光伏材料
掺杂
Ⅲ族元素（如硼） Ⅴ族元素（如磷）
价键 多子 少子
失去一个电子（空 穴） 空穴
电子
多出一个电子 电子 空穴
2020/12/10
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杂质能级 •施主能级，受主能级 •深能级，浅能级
28
施主与受主杂质能级
半导体的杂质能级和杂质的电离过程能带图
Ec
掺杂浓度低同时出现施主受主能级
深能级
引入贵，过渡金属杂质
4
半导体材料的性质 杂质敏感性 负的电阻率温度系数 光敏性 电场效应和磁场效应
5
• 材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 • 锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料 • 硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料 • 近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制
作中 • 半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料
纲要 •半导体材料是什么 •半导体材料的物理基础 •什么样的半导体材料适合作为光伏材料 •光生伏特效应
1
1.半导体材料是什么
•何谓半导体 •半导体材料的分类 •半导体材料的性质
2
何谓半导体
• 导体，电阻率在1010Ω.cm以上，如各种金属 • 半导体，电阻率在10-5到108Ω.cm，如硅，锗，
•导带上的电子参与导电 •价带上的空穴也参与导电 •半导体具有电子和空穴两种载流子 •金属只有电子一种载流子
20
能带理论（小结）
•能带的形成（能级交叠带来电子共有化以 及能级分裂） •自由电子和空穴
21
能级理论 •杂质半导体 •杂质能级 •费米能级
22
杂质半导体
•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 •半导体材料并不是纯净的，而是含有若干 杂质 •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， 面缺陷
空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的
与外电场方向相反
自由电子始终在导带内运动
空穴流 价电子递补空穴形成的 用 空 穴 移 动 产 生
与外电场方向相同
的电流代表束缚电子
始终在价带内运动
移动产生的电流
19
半导体的导电特征
硅晶体能带的形成过程
14
能带图的意义及简化表示
晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化
Eg>6eV
绝缘体、半导体和导体的简化能带图 a） 绝缘体 b）半导体 c）导体
15
一般用“Ec”表示导 带底的能量，用Ev表 示价带底的能量，Eg 表示禁带宽度。
半导体能带简化表示 a）能带简化表示 b） 能带最简化表示
和能量的轨道上运动,且不辐 射能量 ②基态：能量最低； 能级：轨道的不同能量态； 激发态：电子被激发到高能量 轨道上 ③激发态的电子不稳定，跃迁 到低能级，以光的形式释放 能量。
10
激发态
h E2 E1
基态
E4＝－0.85 eV E3＝－1.51 eV E2＝－3.4 eV
E1＝－13.6 eV
6
2.半导体（光伏）材料的物理基础 •载流子的产生 （能带，载流子） • 载流子的分离（pn结）
7
载流子的产生 •能带理论 •能级理论 •非平衡载流子
8
能带理论 • 能带的形成 • 载流子的定义
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能带的形成
电子
原子核
En
13.6 n2
ev
E1 13.6eV
E2 3.4eV
• 波尔理论 ①核外电子只能在有确定半径