太阳电池材料及其生产基础概述

半导体生产与洁净度
太阳电池材料与生产基础
微电子的发展史－集成电路的发展
1、1904年和1906年真空二极管和真空三极管的问 世；
2、1950年世界上第一个结型晶体管诞生； 3、1958年世界上第一块集成电路研制成功； 4、日本公司将集成电路从军事用途带入民用领域。
微电子的发展史－太阳能电池的发展
• n型半导体的多数载流子——电子在电场作用下向外加电压的“正端 ”移动，而少数载流子——空穴在电场作用下向外加电压的“负端”移 动，在半导体内构成电流。电流方向与带负电的电子运动方向相反 。
电流方向
空穴移动方向
电子移动方向
n型半导体
Ｐ型半导体的工作原理
• p型半导体的多数载流子——空穴在电场作用下向外加电压的“负端 ”移动，而少数载流子——电子在电场作用下向外加电压的“正端”移 动，在半导体内构成电流。电流方向与带正电的空穴运动方向相同 。
• 结论：pn结具有只让电流从一个方向通过的单向导通性。
电流方向
pn
pn
i
（a）
pn结加压的实验
（b）
分析之一外加正向电压
当pn结正向连接时，即p区接电池正极，n区接电池负极，这时外加 电压在pn结中产生的电场方向是由p区指向n区的，恰好与pn结原来 形成的电场方向相反。
p
n
-+
空穴移动方向
- + 电子移动方向
1. 1951年在贝尔实验室诞生； 2. 60年代用于航天领域，转换效率为10%； 3. 70年代技术迅速发展，使用于民用领域；转换效
率为20%； 4. 90年代在规模生产，效率不断提高；销售量以每
年25%的速度递增。
半导体基本知识
➢ 定义 1. 导体： 能导电的物体；（如：银、铜、铝等） 2. 绝缘体：不容易导电的物体；（如：橡皮、塑料
、玻璃等） 3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体
。（如：锗、硅、硒等）
半导体的特性
➢ 有两种载流子——电子和空穴。纯净的（不含杂 质）的半导体（称本征半导体）中有一个电子就 必然有一个空穴。即电子和空穴的数量相等。
本征半导体示意图
电子 空穴
半导体的导电性
➢ 与导体和绝缘体不同，半导体的导电性能受温度 的影响很大。
• 当温度升级1℃时，它的电导率就要增加百分之几 到百分之十几，这是由于半导体中的本征载流子 随温度升高而增加的缘故。而导体和绝缘体的电 导率随温度的变化却很小。
Ｎ型半导体
➢ 掺入杂质锑（或磷、砷之类）：新产生的电子数量远远超过原来未 掺入杂质前的电子或空穴的数量。电子的数目以压倒多数超过空穴 ，导电作用主要由电子来决定，电子称为“多数载流子，空穴称“少 数载流子”。 这种类型半导体叫电子型半导体，简称n型半导体。
p
n
-
薄层B
(b)空穴由p区扩散到n区
载流子在半导体中的扩散
• 由于空穴和电子的扩散，使薄层A 带正电，而薄层B带负电，因此在 薄层A、B间产生一个电场，如下图 。这个电场的方向是由n区指向p区 。这个电场会阻止电子继续往p区 扩散也阻止空穴继续往n区扩散， 但是刚开始电子和空穴的扩散占优 势。 随着电子和空穴的不断扩散， n区和p区失去的电子和空穴越来越 多，薄层A和B越来越厚，形成的电 场的作用越来越强。最后，电场的 作完全抵消了扩散，达到了动态平 衡状态。
n型半导体示意图
电子 空穴
Ｐ型半导体
➢ 掺入杂质铟（或铝、硼之类）：这块半导体中会产生许多新的电子 和空穴。空穴的数目以压倒多数超过电子，导电作用主要由空穴来 决定，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。 这种类型半导体 叫空穴型半导体，简称p型半导体。
p型半导体示意图
电子 空穴
Ｎ型半导体的工作原理
，但由于少数载流子数量很少，反向电流是很小 的。
➢ 因此，我们可以把pn结看成是电流通道上的一道 开关，接上正向电压时（即p型半导体接电池正极 ，n型半导体接电池负极），开关打开让电流通过 ，我们称此时pn结“导漏”接上反向电压时开关关上 ，阻止电流通过，我们称此时pn结“截止”。pn结这 种只让电流单方向通过的性能称pn结的单向导电 性。
+
-+
—
-+ -+ -+
pn结电场方向 外加正向电压产生的电场方向
正向电流很大
（a）外加正向电压时阻挡层变薄 外加电场方向对pn结的影响
分析之二－外加反向电压
• 当pn结反向连接时，即p区接电池负极 ，n区接电池正极，这时外加电压在pn 结中产生的电场方向是由n区指向p区 的，恰好与pn结原来形成的电场方向 一致。
• 薄层A和薄层B称为“pn结”，又称“阻 挡层”，厚度大约为10-4～10-5cm 。
BA
-+ -+
p -+ n -+ -+ -+ -+ pn结电场方向
电子和空穴扩散在pn交界处产生 的电场
• 实验：在pn结两端接上电池，电池正极接p型半导体，负极接n型 半导体，如图（a），电流表有读数。电池正极接n型半导体，负极 接p型半导体，如图（b），电流表的读数接近零。
• 因此，pn结中原来的电场被削弱了， — 阻挡层厚度减少了。P区的空穴n区的 电子在这个外加电场作用下不不断走 向交界处。空穴由左方向流向右方和 电子由右方流左方都相当于电流由左 方流向右方。由于p区空穴很多，n区 电子很多，这股电流很大，这就是正 向连接时出现大电流的原因。外加正 向电压越大，在pn结中外加电场的作 用就越强，更进一步削弱原来pn结的 电场，所以电流更要增加。
电流方向
电子移动方向
空穴移动方向
p型半导体
二、P-N结的单向导电性
• 由于两边空穴和电子数量分布的不均匀：
• n型区域中邻近p型区域一边的薄层A中就有一部分电子扩散到p区 。薄层A失去了一些电子，带正电。如图（a)
p
n
+ + + + + +
薄层A
(a)电子由n区扩散到p区
载流子在半导体中的扩散
• p型区域中邻近n型区域一边的薄层b中就有一部分空穴扩散到n区 。薄层B失去了一些空穴，带负电。如图（b）

p
n
-+
空穴
移动 - +
-+
- + 电子
+
移动
- + pn结电场
- + 方向
外加反向电压产生的电
场反方向向电流很小
（b）外加反向电压时阻挡层 变厚
外加电场方向对pn结的影响
➢ 因此，pn结中原来的电场被加强了，阻挡层厚度 增加了。n区中的多数载流子——电子和p区中的 多数载流子——空穴很难能过pn结向对方移动， 这就是反向连接时电流极小的原因。但是，这时p 区中的少数载流子——电子和n区中的少数载流子 ——空穴在反向电场帮助向交界移动，电子由左 方流向右方和空穴由右方流向左方形成反向电流