半导体材料导论7-1
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半导体材料第1讲-绪论
1
现在的问题是这种材料非常难生长，硅上长硅，砷化镓上长GaAs，它可以长得很好。但是这种材料大多都没有块体材料，只得用其它材料做衬底去长。比如说氮化镓在蓝宝石衬底上生长，蓝宝石跟氮化镓的热膨胀系数和晶格常数相差很大，长出来的外延层的缺陷很多，这是最大的问题和难关。另外这种材料的 加工、刻蚀也都比较困难。目前科学家正在着手解决这个问题。如果这个问题一旦解决，就可以为我们提供一个非常广阔的发现新材料的空间。
半导体材料
陈易明
物 质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称 为绝缘体。电阻率ρ≥109Ωcm
01
而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。电阻率ρ≤10-6Ωcm
02
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。 10-3≤ ρ ≤109
从集成电路的线宽来看，我国目前集成电路工艺技术水平最高水平在45nm(中芯国际)
硅单晶及其外延
硅的直径为什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸发展，而是从8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》，所谓《摩尔定律》就是每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。
同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。
01
半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。
半导体材料导论描述课件
半导体材料在集成电路、微电 子器件、光电子器件等领域发 挥着关键作用，推动着科技的 进步与发展。
半导体材料在能源转换和存储 、传感器、生物医疗等领域也 具有广泛应用，为人类生活带 来便利。
半导体材料的发展趋势与前景
随着科技的不断发展，新型半导体材 料不断涌现，如二维材料、氧化物半 导体等，具有更优异的性能和更广泛 的应用前景。
硅基半导体是指以硅为基底制造 的半导体材料。自20世纪50年 代以来，硅基半导体一直是半导
体产业的主流技术。
目前，硅基半导体在集成电路、 微电子、光电子、通信等领域得 到了广泛应用，是现代信息技术
的基石之一。
随着技术的不断进步，硅基半导 体的性能不断提高，制造成本不 断降低，使得其应用领域不断拓
展。
半导体材料导论描述 课件
目录
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战 • 案例分析：硅基半导体的应用与发展 • 总结与展望
CHAPTER 01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于金属和绝缘体之间，其导电能力随温度、光照和杂质等因 素发生变化。
硅基半导体的优势与局限性
硅基半导体的优势在于其成熟度高、 可靠性好、稳定性高、制造成本低等 。
然而，硅基半导体的局限性也很明显 ，如硅材料的带隙较窄、光电性能较 差等，限制了其在某些领域的应用。
硅基半导体的未来发展方向
1
随着科技的不断发展，硅基半导体将继续在高性 能计算、物联网、人工智能等领域发挥重要作用 。
详细描述
半导体是指那些在一定条件下能够导电的材料，其导电能力随温度、光照和杂质 等因素发生变化。在常温下，纯净的半导体通常表现为绝缘体，但当温度升高或 受到光照等外部因素影响时，其导电性能会显著增强。
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技日新月异的时代，半导体已经成为了无处不在的关键元素。
但究竟什么是半导体呢？半导体，从本质上来说，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性能既不像铜、铝等金属那样优秀，能够轻易地让电流通过，也不像橡胶、塑料等绝缘体那样几乎完全阻止电流的流动。
常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。
以硅为例，它在元素周期表中位于金属和非金属的交界位置，这使得它的原子结构具有独特的性质，从而表现出半导体的特性。
半导体的这种特殊导电性，使得我们能够通过对其进行巧妙的处理和控制，实现各种各样神奇的功能。
二、半导体的特性半导体具有一些非常重要的特性，正是这些特性使得它们在现代电子技术中发挥着无可替代的作用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著改变。
温度升高时，其电阻会减小；温度降低时，电阻则会增大。
利用这一特性，我们制造出了热敏电阻，用于温度测量、温度控制等领域。
2、光敏特性半导体在受到光照时，其导电能力会大大增强。
基于这一特点，我们开发出了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入微量的杂质元素，可以极大地改变其导电性能。
这种掺杂过程就像是给半导体“调味”，不同的“调料”（杂质）和不同的“用量”（掺杂浓度）会让半导体展现出不同的电学特性。
三、半导体的制造工艺了解了半导体的基本概念和特性后，我们来看看半导体是如何被制造出来的。
制造半导体的过程就像是在微观世界里进行一场精细的“雕刻”。
首先是原材料的准备，通常是高纯度的硅晶圆。
然后，通过一系列复杂的工艺步骤，在晶圆上构建出各种微小的结构和器件。
其中，光刻技术是关键的环节之一。
它就像是在晶圆上用“光”来绘制精细的电路图。
通过将特定的光刻胶涂覆在晶圆表面，然后用紫外线等光源透过掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成需要的图案。
接下来是掺杂，将杂质原子引入到特定的区域，以改变其电学性质。
关于半导体材料优秀课件
电场E
4 1
2
3
4 1
2
3
则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
v
eE cp
m
* p
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
p
e cp
m
* p
同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
Jdrf
IeNAvtNevv
A At
E
A
v
V
eN
载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
Jdrf eNvE
一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
v E
Jdrf eN veN E
其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
4 1
2
3
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则在弱场下，电场所导致的定向漂移速度和热运动速
度相比很小（~1%），因而加外场后空穴的平均漂移
时间并没有明显变化。利用用平均漂移时间，可求得
平均最大漂移速度为：
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关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
因而空穴迁移率可表示为：
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同理，电子的平均漂移速度为：
f
假设有一个斜坡（足够长）， 一块石头（圆的），不考虑摩擦作用， mg 从坡顶滚下，则石头将作匀加速运动 直至坡底。
但若坡上生长了很多树木， 石头在滚落过程中不时地会与这些树 木相碰撞。碰撞改变了石头的速度大 小和运动方向。则最终石头以平均的 速度滚落山坡。
•没有考虑到石头自身运动的影响。 •碰撞方式不同
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
碰撞：载流子的散射；即载流子速度的改变。 经典碰撞。实际的接触为碰撞。 类比：堵车时，汽车的移动速度和方向，不断由于 其它汽车的位置变化而变化。尽管没有实际接触，但 由于阻碍车的存在，造成了汽车本身速度大小和方向 的改变。这类似于载流子的散射，也即碰撞。
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载流子浓度 单位电量
关于半导体材料优秀课件
化合物半导体材料与器件
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一般说来，在弱场情况下，载流子的定向漂移速度与外 加电场成正比，即：
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其中μ称作载流子的迁移率。 因而有电导率和迁移率的关系：
半导体材料导论
1.2半导体材料的类别
对半导体材料可从不同的角度进行分类例如：
根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、 化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。 在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段，
2.1.1 存在两种载流子的证明 H I
—
H I +
+
负电荷
—
图2.1 霍尔效应原理
d x
（a）负电荷载流子
d x
（b）正电荷载流子
○ 正电荷
从这个电位差的正反，就可以知道载流子是带正电或负电。其原理是洛仑茨力作用的结 果，也就是当电流通过磁场时，不管载流子是正还是负，只要电流方向一定，那么它的作 用力的方向也就相同，这就使得载流子的分配偏在同一方向，如图2.1所示。 显然，载流子的电荷不同，它的霍尔电动势也不相同。可见，霍尔电动势的方向取决于 载流子带的电荷是正还是负。 用此法测量金属时，证明绝大多数的金属都是靠带负电荷的载流子--电子进行导电的。
载流子浓度：金属的电导率比半导体要高出几个数量级的原因从（2-1）式看，只 能是载流子浓度的差别。 在金属中，价电子全部解离参加导电，例如导电性能好的金属铜的载流子浓度
为8.5×1022/cm3，而半导体材料的载流子浓度则在106~1020/cm3范围内，与金属相
差可达十几个数量级。于是，金属的电导率一般要高于半导体材料是显而易见的了。 而绝缘体因其载流子浓度接近于零，所以不导电。 既然金属中的价电子全部参加导电，因此无法再增加载流子，也无法束缚住载流
《半导体》 讲义
《半导体》讲义一、什么是半导体在我们的日常生活中，半导体扮演着至关重要的角色。
从智能手机、电脑到汽车、家电，几乎所有的现代电子设备都离不开半导体。
那么，究竟什么是半导体呢？简单来说，半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
导体，比如金属，具有良好的导电性，而绝缘体，如塑料、橡胶等，则几乎不导电。
半导体的独特之处在于，它的导电性可以通过控制杂质的含量和施加外部条件（如电场、光照、温度等）来改变。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
其中，硅是目前应用最广泛的半导体材料，这是因为它在地球上的储量丰富，且具有良好的物理和化学性质。
二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，正是这些特性使得它们在电子领域得到了广泛的应用。
1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著的改变。
利用这一特性，可以制成热敏电阻，用于温度测量、温度控制等方面。
2、光敏特性在光照的作用下，半导体的导电性会增强。
基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。
3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入少量的杂质元素，可以显著改变其导电性。
例如，在硅中掺入磷元素可以形成 N 型半导体，掺入硼元素则形成 P 型半导体。
三、半导体的制造工艺要将半导体材料制成可用的电子器件，需要经过一系列复杂的制造工艺。
1、晶圆制备首先，需要从硅矿石中提炼出高纯度的硅，并将其制成单晶硅锭。
然后，通过切割等工艺将硅锭加工成薄而圆的晶圆。
2、光刻这是半导体制造中非常关键的一步。
通过在晶圆表面涂上光刻胶，然后用紫外线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，未曝光的光刻胶会被去除，从而在晶圆表面形成所需的图案。
3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上形成电路的微观结构。
4、掺杂通过离子注入等方法，向晶圆中掺入杂质，形成不同类型的半导体区域。
5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片并提供与外部电路的连接接口。
四、半导体在集成电路中的应用集成电路是半导体技术的重要应用领域。
光电子材料与器件-7-LD1
半导体激光器
Semiconductor Laser
1
§3.3 半导体激光器(Semiconductor Lasers)
Laser--Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
3.3.1 半导体激光器
1.基本结构---正偏pn结
p
hν
EFn – EFp > hν≥ Eg：简并半导体
EC
EF
EV
EC
EF
EC n
EV
EV
EFp
粒子数翻转--又称电子限定 辐射复合区域
EC EV
10
二、光子限定
1.物理意义
np—p 型区折射率；
p
ny —有源区折射率；
n
nn —n型区折射率。
根据斯捏耳(Snell Law):
θc = arc sin(np/ny) θc = arc sin(nn/ny)
光子被反射
有：ny>np; ny>nn
光波导---又称光子限定
有源区-复合发光区 hν θ1
θc
11
2.光在平板介质波导中的传输特性 (对称三层介质波导)
x
+d/2
n1
传播方向：Z 考虑TE波： Ez=0
波导宽度(y)>>厚度(x)：
y 0 z n2
-d/2
n1
不考虑y方向变化，有 0 y
根据Maxwell方程，只有Ey存在，其波动方程满足：
B21 • NC • f
E 2
• NV • 1 f E1 •
B12 • NV • f E1 • NC • 1 f E 2 • 0
Semiconductor Laser
1
§3.3 半导体激光器(Semiconductor Lasers)
Laser--Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
3.3.1 半导体激光器
1.基本结构---正偏pn结
p
hν
EFn – EFp > hν≥ Eg：简并半导体
EC
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EF
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EFp
粒子数翻转--又称电子限定 辐射复合区域
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10
二、光子限定
1.物理意义
np—p 型区折射率；
p
ny —有源区折射率；
n
nn —n型区折射率。
根据斯捏耳(Snell Law):
θc = arc sin(np/ny) θc = arc sin(nn/ny)
光子被反射
有：ny>np; ny>nn
光波导---又称光子限定
有源区-复合发光区 hν θ1
θc
11
2.光在平板介质波导中的传输特性 (对称三层介质波导)
x
+d/2
n1
传播方向：Z 考虑TE波： Ez=0
波导宽度(y)>>厚度(x)：
y 0 z n2
-d/2
n1
不考虑y方向变化，有 0 y
根据Maxwell方程，只有Ey存在，其波动方程满足：
B21 • NC • f
E 2
• NV • 1 f E1 •
B12 • NV • f E1 • NC • 1 f E 2 • 0
半导体物理学刘恩科第七版第1章半导体中的电子态解析
电子可处于两个分裂能级上，为两个原子所共有。 能级的分裂与能级的简并度有关。
例如：2P 能级为三重简并的，可分裂为6个能级
19
八个原子互相靠近时能级分裂的情况：每 个能级分裂为八个相距很近的能级（间距 不同、原子壳层不同，原子能级分裂情 况均不一样）。
20
C、能带的形成（能级分裂）
n个原子，n度简并的s能级，形成晶体后分裂为n个十 分靠近的能级。N个能级组成一个能带，电子可 处于这 些能带中---即电子在晶体中作共有化运动。
砷化镓
晶胞：六方对称
共价键＋较强离子 键
硫化铅、硒化铅、 碲化铅等。 （也会形成闪 锌矿结构）
氯化钠
原胞：立方体
其它类型
其它类型结构、非晶、多晶等半导体 12
作业
13
1.2 半导体中的电子状态和能带
与孤立原子的关系：
本质上，半导体晶体是由一系列孤立的原 子按周期性排列组合而成，因而它的电子状态 也与孤立原子有所相同之处。要了解半导体内 的电子状态，有必要先了解孤立原子内的电子 状态。
三个基本步骤： A、孤立原子的能级 B、共有化运动 C、能带的形成（能级分裂）
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A、孤立原子中的能级
玻耳的 氢原子 理论
氢原子能级公式
En
mq4
8
2 0
n2h2
氢原子第一玻耳轨道半径
r1
0h2 m q2
两个公式还可用于类氢原子
更精确求解表明：孤立原子的电子能量不但与主量子数n，也
与角量子数l有关，n、l相同的电子，能量相同，形成所谓电
4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类 似，但其正四面体的中心有一个原子，面 心立方的中心没有原子。
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第7章 半导体材料的应用 徐桂英 材料学院无机非金属材料系
第7章
半导体材料的应用
半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透 镜等。 7.1 半导体器件的分类 半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（discrete part），另一类为集成电路 （integrated circiut，简称IC）。 分立器件可分为： （1）晶体二极管； （2）晶体三极管； （3）发光二极管； （4）激光管； （5）电力电子器件； （6）电子转移器件； （7）能量转换器件； （8）敏感元件。 集成电路可分为： （1）Si 集成电路； （2）GaAs集成电路； （3）混合集成电路。 其中Si集成电路按其结构又可分为： （1）双极型电路； （2） 金属-氧化物-半导体（MOS）型电路； （3）双极MOS（BiMOS）电路等。 各种器件所用的材料及主要原理见表7.1。下面就一些有代表性的器件作一简要的介绍。
可见光的波长为390~760nm，根据(7-2)式计算，应选择禁带宽度在1.64~3.18eV之间的半
导体。 硅、锗的禁带宽度小，且为间接禁带，不能作发光二极管材料。 GaAs是直接禁带，其禁带宽度为1.43eV，是良好的红外发光管材料，该器件已批量生产。 在可见光区域内使用的半导体材料有GaP、GaN、SiC及各种固溶体。 固溶体在发光二极管中得到大量应用的原因是可以利用其组成的变化来调整其禁带宽度， 表7.2列出了发光二极管所用的主要半导体材料及其结构。 磷化镓的禁带宽度为2.26eV，但它的禁带是间接型的。为了提高GaP的发光效率，在其中 掺入N或Zn-O对，这些杂质在其中可形成等电子陷阱，通过这种陷阱所形成束缚激子的复合 亦可发光。这方面的机理已超出本书范围，所以只在这里提一下。 GaP是发光二极管使用最多的晶体材料。
•
按光学特性分：聚光电池、背反射电池、紫光电池和绒面电池。
按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类： （1）单晶硅太阳能电池 （2）多晶硅太阳能电池 （3）非晶硅太阳能电池 （4）多元化合物太阳能电池 （5）聚光太阳能电池
下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。
按材料组成和结构分类：
晶体硅 硅材质 HIT异质材料夹层 （异质结） 非晶硅薄膜
7.3 太阳电池 其基本结构亦为pn结，通常只有一个pn结。 它的工作原理见图7.2。 太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。 电磁波的能量可用hn 来表示，其中h为普 朗克常数，n为电磁波的频率。当太阳光照 到带pn结的半导体表面时，其中hn≥Eg， 即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价 带中的电子，使之形成电子-空穴对 。这些 电子与空穴受结内建电场的作用，p区与n 区的少数载子可穿过pn结向对方流动，也 就是说，p区中的电子流入n区 ，而p区中 的空穴则受内建电场的排斥则留p区，n 区 的少数载流子空穴也同样流向p区。这样 pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。 这种效应称为光生伏打效应。将p区与n区 用导线联结，就可形成电流，这就是太阳 电池发电的原理，见图7.2。
反向饱 和电流 击穿电流 Vb--击穿电压
电流
V
毫安。
图7.1 pn结二极管的伏安特性
V扩 反向电流是由于少数载流子产生的，即 在p区有少量的电子，因为在p区主要是 空穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同 样在n区也有少数载流子--空穴。这些载 流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成 电流，这种电流强度与所加的电压无关， 因此在被击穿前是一个常数。 在正常掺杂浓度下，击穿是由于pn结的 反向偏置电压高到一定的程度时，少数载 流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离 现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增， 失去整流的效应。 对用作整流器的二极管而言，耐反向电 压是个重要的指标，材料的电阻率愈高， 耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几 千伏。
表7.1 主要半导体器件所用材料及其工作原理
*由于本书内容的限制，未对这些效应与原理加以说明。
7.2 晶体二极管
二极管是具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件。其原理已在第四章中介绍过。 当这两块半导体结合成一个整体时，如图3.6(b), p 型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大 量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非 无休止的，因为这种扩 散打破了边界附近的电中性， 空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便 形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电 势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势 场（电场），或称扩散电势。 这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防 止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平 衡的电势用V扩表示，这就构成pn结。 dP dN
S
n
n
D
G
P+
内虚线所示，这样在这个电荷区之间便形成一
个沟道。于是就可以调节从源（S ）到漏（D） 之间的电阻，直至完全关断。
图7.4 场效应晶体管工作原理示意图
因为这种类型的晶体管只靠多数载流子导电，与少数载流子的寿命无关，少数载流子寿命短
的材料也可制作这类器件。
用作此种晶体管的材料有硅、砷化镓等。 与其类似的还有肖特基势垒栅场效应晶体管和绝缘栅效应晶体管。 所有的场效应管，只有一种载流子（电子或空穴）参加导电故称为单极型晶体管。
非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有 希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光 电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－２美元 时，便足以同现在的发电方式竞争。 特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。 如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠 而成的太阳能电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃 煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使 用。
单硅晶块
多晶硅块
微晶硅薄膜
镉碲（II-VI族化合物）薄膜太阳能电池 化合物 半导体 III-V族化合物 多元化合物(铜铟镓二硒、 GaAlAs/GaAs、InP、CdS/Cu2S、 CuInSe2 ）等太阳能电池
目前最主要 光伏材料
染料敏化太阳能电池
单晶硅太阳能电池变换效率最高已达２０％以上，但价格也 最贵。
不同太阳能电池的市占率
当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是 主要技术。图 1 给出了 2005 年，世界光 伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为 87%[2]。 硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产 硅太阳电池的原材料非常容易获得。而且 硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由 于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技 术之上，所以，这个技术被普遍地接受和 理解。
2005 年世界光伏市场中，各种太阳电 池占据的比重[2]
目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中 占据主要地位，但是在能源供应中并不是 主要的供应来源。无论是国内还是国外， 它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与 水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的 电力价格是比较高的，所以，它的成本回 收周期需要很长时间。居高不下的成本是 限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键 因素。
图7.5 发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时）
当在结上加上正向电压时，大量的空穴进入p区，大量的电子流入n 区，这就可形 成不断复 合、不断提供载流子的过程。 如果禁带是直接跃迁型的（即直接禁带），那么这复合所释放的能量就可以变成光，光的波 长l 为： l =hc/Eg 时， l=1240/Eg (nm) (7-2) 如果材料的禁带是间接型的，电子与空穴直接复合的几率很小，是通过声子进行复合，而声 子把能量传给晶格，造成材料发热，这就形成了非辐射复合。 所以多采用直接禁带材料作发光二极管，对某些间接禁带材料只有采取专门的措施，才能用 于发光。 (7-1) 其中h为普朗克常数； c为光速；Eg为禁带宽度。因h与c均为常数 ，如Eg的单位为电子伏(eV）
（b） 图3.6 pn结原理示意图 （a）
P
N
V扩
当加上外加电场V外时： 如果正极接到p 型区，负极接到n型区， 见图3.6中(c)，因为半导体材料具有一定 的电导率，因此电压降的主要部分却落在 了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相 反，于是降低了内建电场，减少了阻挡层 的厚度，使电流顺利通过。 而当电场方向相反时，内建电场与外加 电场相叠加，见图3.6中(d)，增加了阻挡 层的厚度，使电流不能通过。这就是结的 整流作用。 当电压方向使pn结导通时，称为正向偏 置， 当电压方向使阻挡层加厚时，称为反向 偏置。
V扩
V外
（c）
V扩 V外
（d）
图3.6 pn结原理示意图
I
正向
二极管主要应用于整流与检波。 交流电压加在pn结上时，如使正电压接于 p型区，负电压接于n型区时电流就通过， 而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安 特性如图7.1。 从 图中可以看出当电压为正向偏置时，所获 电流为正向电流，可达几千安培，而电压为反 向偏置时，通过的电流为几毫安培，或小于1
的作用下进入p区而到达C极，即收集极。从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管
工作的基础。 通过专门的设计，特别是把中间的基区作得很薄，使从发射极注入的载流子在基极内被复合得 很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这
虽对电流未起放大作用，但由于B-C 间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生电压放大和功率
以pnp为例来说明基本工作原理（见图7.3）。
首先我们先看 E-B间的pn结，根据3.2节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量 的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏置，即n区的 电子受电场的作用不能进入p区，但空穴可自由地进入p区。于是从E处到达n区的空穴就在电场
（d） （c ）
V外
V扩
V外
图3.6 pn结原理示意图
二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。
第7章
半导体材料的应用
半导体材料的应用总的说来可分为两大类，一类是制作半导体器件；一类是作光学窗口、透 镜等。 7.1 半导体器件的分类 半导体器件可分为两大类，一类称为分立器件（discrete part），另一类为集成电路 （integrated circiut，简称IC）。 分立器件可分为： （1）晶体二极管； （2）晶体三极管； （3）发光二极管； （4）激光管； （5）电力电子器件； （6）电子转移器件； （7）能量转换器件； （8）敏感元件。 集成电路可分为： （1）Si 集成电路； （2）GaAs集成电路； （3）混合集成电路。 其中Si集成电路按其结构又可分为： （1）双极型电路； （2） 金属-氧化物-半导体（MOS）型电路； （3）双极MOS（BiMOS）电路等。 各种器件所用的材料及主要原理见表7.1。下面就一些有代表性的器件作一简要的介绍。
可见光的波长为390~760nm，根据(7-2)式计算，应选择禁带宽度在1.64~3.18eV之间的半
导体。 硅、锗的禁带宽度小，且为间接禁带，不能作发光二极管材料。 GaAs是直接禁带，其禁带宽度为1.43eV，是良好的红外发光管材料，该器件已批量生产。 在可见光区域内使用的半导体材料有GaP、GaN、SiC及各种固溶体。 固溶体在发光二极管中得到大量应用的原因是可以利用其组成的变化来调整其禁带宽度， 表7.2列出了发光二极管所用的主要半导体材料及其结构。 磷化镓的禁带宽度为2.26eV，但它的禁带是间接型的。为了提高GaP的发光效率，在其中 掺入N或Zn-O对，这些杂质在其中可形成等电子陷阱，通过这种陷阱所形成束缚激子的复合 亦可发光。这方面的机理已超出本书范围，所以只在这里提一下。 GaP是发光二极管使用最多的晶体材料。
•
按光学特性分：聚光电池、背反射电池、紫光电池和绒面电池。
按照光伏电池材料的组成和结构，可以将其分成如下几类： （1）单晶硅太阳能电池 （2）多晶硅太阳能电池 （3）非晶硅太阳能电池 （4）多元化合物太阳能电池 （5）聚光太阳能电池
下面将按材料组成和结构予以较详细的分类。
按材料组成和结构分类：
晶体硅 硅材质 HIT异质材料夹层 （异质结） 非晶硅薄膜
7.3 太阳电池 其基本结构亦为pn结，通常只有一个pn结。 它的工作原理见图7.2。 太阳光是由不同频率的电磁波所组成的。 电磁波的能量可用hn 来表示，其中h为普 朗克常数，n为电磁波的频率。当太阳光照 到带pn结的半导体表面时，其中hn≥Eg， 即能量大于其禁带宽度的光就可以激发价 带中的电子，使之形成电子-空穴对 。这些 电子与空穴受结内建电场的作用，p区与n 区的少数载子可穿过pn结向对方流动，也 就是说，p区中的电子流入n区 ，而p区中 的空穴则受内建电场的排斥则留p区，n 区 的少数载流子空穴也同样流向p区。这样 pn结就起了分割载流子的作用而形成电势。 这种效应称为光生伏打效应。将p区与n区 用导线联结，就可形成电流，这就是太阳 电池发电的原理，见图7.2。
反向饱 和电流 击穿电流 Vb--击穿电压
电流
V
毫安。
图7.1 pn结二极管的伏安特性
V扩 反向电流是由于少数载流子产生的，即 在p区有少量的电子，因为在p区主要是 空穴，而少量的电子是呈平衡状态的，同 样在n区也有少数载流子--空穴。这些载 流子落入到阻挡层则被吸引到对方，形成 电流，这种电流强度与所加的电压无关， 因此在被击穿前是一个常数。 在正常掺杂浓度下，击穿是由于pn结的 反向偏置电压高到一定的程度时，少数载 流子具有很大的能量，以致发生碰撞电离 现象，顿时产生大量的载流子使电流猛增， 失去整流的效应。 对用作整流器的二极管而言，耐反向电 压是个重要的指标，材料的电阻率愈高， 耐压愈高。单个硅的二极管的耐压可达几 千伏。
表7.1 主要半导体器件所用材料及其工作原理
*由于本书内容的限制，未对这些效应与原理加以说明。
7.2 晶体二极管
二极管是具有一个pn结，或具有与pn结相类似的肖特基势垒的器件。其原理已在第四章中介绍过。 当这两块半导体结合成一个整体时，如图3.6(b), p 型半导体中有大量的空穴，而n型半导体中有大 量的电子，他们向相对方向扩散，但这种扩散并非 无休止的，因为这种扩 散打破了边界附近的电中性， 空穴进入n型区与电子复合，而失去电子的离子便 形成正电势；在p型区则因同样的道理而形成负电 势，这样便在边界附近形成了电位差，称为内建势 场（电场），或称扩散电势。 这个势场根据同性相斥、异性相吸的原理，会防 止空穴与电子的进一步扩散，而达到平衡，这个平 衡的电势用V扩表示，这就构成pn结。 dP dN
S
n
n
D
G
P+
内虚线所示，这样在这个电荷区之间便形成一
个沟道。于是就可以调节从源（S ）到漏（D） 之间的电阻，直至完全关断。
图7.4 场效应晶体管工作原理示意图
因为这种类型的晶体管只靠多数载流子导电，与少数载流子的寿命无关，少数载流子寿命短
的材料也可制作这类器件。
用作此种晶体管的材料有硅、砷化镓等。 与其类似的还有肖特基势垒栅场效应晶体管和绝缘栅效应晶体管。 所有的场效应管，只有一种载流子（电子或空穴）参加导电故称为单极型晶体管。
非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最有 希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光 电变换效率达到１０％，每瓦发电设备价格降到１－２美元 时，便足以同现在的发电方式竞争。 特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多。 如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠 而成的太阳能电池，光电变换效率可达３６％，快赶上了燃 煤发电的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在卫星上使 用。
单硅晶块
多晶硅块
微晶硅薄膜
镉碲（II-VI族化合物）薄膜太阳能电池 化合物 半导体 III-V族化合物 多元化合物(铜铟镓二硒、 GaAlAs/GaAs、InP、CdS/Cu2S、 CuInSe2 ）等太阳能电池
目前最主要 光伏材料
染料敏化太阳能电池
单晶硅太阳能电池变换效率最高已达２０％以上，但价格也 最贵。
不同太阳能电池的市占率
当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是 主要技术。图 1 给出了 2005 年，世界光 伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为 87%[2]。 硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产 硅太阳电池的原材料非常容易获得。而且 硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由 于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技 术之上，所以，这个技术被普遍地接受和 理解。
2005 年世界光伏市场中，各种太阳电 池占据的比重[2]
目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中 占据主要地位，但是在能源供应中并不是 主要的供应来源。无论是国内还是国外， 它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与 水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的 电力价格是比较高的，所以，它的成本回 收周期需要很长时间。居高不下的成本是 限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键 因素。
图7.5 发光二极管发光原理示意图（外加正向偏压时）
当在结上加上正向电压时，大量的空穴进入p区，大量的电子流入n 区，这就可形 成不断复 合、不断提供载流子的过程。 如果禁带是直接跃迁型的（即直接禁带），那么这复合所释放的能量就可以变成光，光的波 长l 为： l =hc/Eg 时， l=1240/Eg (nm) (7-2) 如果材料的禁带是间接型的，电子与空穴直接复合的几率很小，是通过声子进行复合，而声 子把能量传给晶格，造成材料发热，这就形成了非辐射复合。 所以多采用直接禁带材料作发光二极管，对某些间接禁带材料只有采取专门的措施，才能用 于发光。 (7-1) 其中h为普朗克常数； c为光速；Eg为禁带宽度。因h与c均为常数 ，如Eg的单位为电子伏(eV）
（b） 图3.6 pn结原理示意图 （a）
P
N
V扩
当加上外加电场V外时： 如果正极接到p 型区，负极接到n型区， 见图3.6中(c)，因为半导体材料具有一定 的电导率，因此电压降的主要部分却落在 了阻挡层上，这时外加电场与内建电场相 反，于是降低了内建电场，减少了阻挡层 的厚度，使电流顺利通过。 而当电场方向相反时，内建电场与外加 电场相叠加，见图3.6中(d)，增加了阻挡 层的厚度，使电流不能通过。这就是结的 整流作用。 当电压方向使pn结导通时，称为正向偏 置， 当电压方向使阻挡层加厚时，称为反向 偏置。
V扩
V外
（c）
V扩 V外
（d）
图3.6 pn结原理示意图
I
正向
二极管主要应用于整流与检波。 交流电压加在pn结上时，如使正电压接于 p型区，负电压接于n型区时电流就通过， 而当电压方向相反时电流就被阻挡，其伏安 特性如图7.1。 从 图中可以看出当电压为正向偏置时，所获 电流为正向电流，可达几千安培，而电压为反 向偏置时，通过的电流为几毫安培，或小于1
的作用下进入p区而到达C极，即收集极。从而在反向偏置的pn结中产生了电流，这就是晶体管
工作的基础。 通过专门的设计，特别是把中间的基区作得很薄，使从发射极注入的载流子在基极内被复合得 很少，大部分进入到收集极，使其电流接近于发射极电流，而且随发射极的电流变化而变化，这
虽对电流未起放大作用，但由于B-C 间处于反向偏置、反向电阻很高，于是产生电压放大和功率
以pnp为例来说明基本工作原理（见图7.3）。
首先我们先看 E-B间的pn结，根据3.2节所述，它处于正向偏置，即pn结的导通方向，有大量 的空穴由发射极E进入n区，我们再看看另一个pn结，根据其电源的接法属于反向偏置，即n区的 电子受电场的作用不能进入p区，但空穴可自由地进入p区。于是从E处到达n区的空穴就在电场
（d） （c ）
V外
V扩
V外
图3.6 pn结原理示意图
二极管可用于整流、检波、混频、稳压、参量放大等。所用的材料为硅、锗、硒、砷化镓等。