【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 導(dǎo)體。 在半導(dǎo)體內(nèi)，由于摻雜的不同，使部分區(qū)域是 n型，另一部分區(qū)域是 p型，它們交界處的結(jié)構(gòu)稱為 pn結(jié) (PN junction)。 由于Ｎ區(qū)的電子向 P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴向 N區(qū)擴(kuò)散，在 p型半導(dǎo)體和 n型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè) 由n?p的 電場(chǎng)，稱為 內(nèi)建場(chǎng) 。PN結(jié)PN結(jié)n型p型PN結(jié)處電偶層的形成 n區(qū) (電子多、空穴少 )的電子向 p區(qū)擴(kuò)散， p區(qū) (空穴多、電子少 )的空穴向 n區(qū)擴(kuò)散，在交界面處形成正負(fù)電荷的積累，交界處形成 電偶層 ，此特殊結(jié)構(gòu)即為 pn結(jié)，厚度約為 107m (?m)。PN結(jié) 內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度 ,不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作 。PN結(jié)穩(wěn)定后， n區(qū)相對(duì) p區(qū)有電勢(shì)差 U0 (n比 p高 )。 pn 結(jié)也稱 勢(shì)壘區(qū) 。 電子電勢(shì)能曲線U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線PN結(jié)它阻止 P區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向 N區(qū) 擴(kuò)散；也阻止 N區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向 P區(qū) 擴(kuò)散。PN結(jié)PN結(jié)的形成在 交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。PN結(jié)PN結(jié)的形成在 交界面，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過復(fù)合 ,出現(xiàn)空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)耗盡層PN結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成 PN結(jié)。PN結(jié) 在 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于 N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而 P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。于是，有一些電子要從 N型區(qū)向 P型區(qū)擴(kuò)散，也有一些空穴要從 P型區(qū)向 N型區(qū)擴(kuò)散。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使 P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子 ,N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在 P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的 PN結(jié)。文字總結(jié)： PN結(jié)的形成PN結(jié) 擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的 N區(qū)指向帶負(fù)電的 P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反它是阻止擴(kuò)散的。文字總結(jié)： PN結(jié)的形成PN結(jié) 另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使 N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使 P區(qū)的少數(shù)載流子電子向 N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從 N區(qū)漂移到 P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來交界面上 P區(qū)所失去的空穴，從 P區(qū)漂移到 N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來交界面上 N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)， PN結(jié)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。文字總結(jié)： PN結(jié)的形成PN結(jié)PN結(jié)處能帶的彎曲 空帶空帶施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶PN結(jié)pn結(jié)的形成使其附近能帶的形狀發(fā)生 了變化。對(duì)帶正電的空穴 ，其電勢(shì)能曲線類似于圖中上部的電勢(shì)曲線，效果是阻止左邊 p區(qū)的空穴向右擴(kuò)散； 對(duì)帶負(fù)電的電子來說 ，它的電勢(shì)能曲線如圖的下部所示，阻止右邊 n區(qū)的電子向左擴(kuò)散。PN結(jié) 考慮到 PN結(jié)的存在 , 半導(dǎo)體中電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)這內(nèi)建場(chǎng)帶來的電子附加勢(shì)能，所以電子的 能帶會(huì)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象 。PN結(jié)處能帶的彎曲 能帶的彎曲對(duì) n區(qū)的電子和 p區(qū)的空穴都形成一個(gè)勢(shì)壘，阻礙 n區(qū)電子和 p區(qū)空穴進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。這一勢(shì)壘區(qū)也稱 阻擋層 (deplection zone) PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 由于 pn結(jié)處阻擋層的存在，把電壓加到 pn結(jié)兩端時(shí)，阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)生變化。p型 n型I(1) 正向偏壓在 pn結(jié)的 p端接電源正極， n端接負(fù)極，這叫對(duì) PN結(jié)加 正向偏壓 (如圖 )。此時(shí) 與 反向，阻擋層勢(shì)壘削弱、變窄，有利于空穴向 n型區(qū)、電子向 p型區(qū)移動(dòng)，即形成正向電流 (mA級(jí) )PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧与妷涸酱?，正向電流也越大，而且呈非線性的伏安特性。 V（伏）302010（毫安）正向0IPN結(jié)的單向?qū)щ娦?2) 負(fù)向偏壓在 pn結(jié)的 p型一端接電源負(fù)極，另一端接正極，這叫對(duì)pn結(jié)加 反向偏壓 。此時(shí) 與 同向，阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，不利于空穴向 n型區(qū)、電子向 p型區(qū)移動(dòng)。沒有正向電流。p型 n型IE阻E外 但是，由于少數(shù)載流子的存在，在外電場(chǎng)作用下，會(huì)形成很弱的反向電流，稱為 漏電流 (?A級(jí) )。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 當(dāng)反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大，這稱為反向擊穿 。擊穿電壓V (伏 )102030I（微安）反向2030 由上可知， pn結(jié)可以作成具有整流、開關(guān)等作用的 晶體二極管 (diode)。 PN結(jié)的反向擊穿 PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)加正向電壓是指 P端加正電壓， N端加負(fù)電壓，也稱正向接法或正向偏置。PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)抵消內(nèi)電場(chǎng)的作用，使耗盡層變窄，形成較大的擴(kuò)散電流。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用，使耗盡層變寬，形成很小的漂移電流。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的伏安特性 正向特性反向特性反向擊穿PN結(jié)的電流方程為其中， IS 為 反向飽和電流 ， UT≈26mV，半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性摻雜特性 摻入微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱摻雜）能顯著地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性溫度特性 溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來說，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，而金屬的電阻率具有正當(dāng)溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性環(huán)境特性 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象）。此外半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和氣氛的作用等而變化。半導(dǎo)體的特性應(yīng)用 熱 敏 電 阻 根據(jù)半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而迅速下降的現(xiàn)象制成的半導(dǎo)體器件，稱為 熱敏電阻(thermosensitive resistance) 。熱敏電阻有體積小，熱慣性小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。 半導(dǎo)體的特性應(yīng)用光敏 電 阻 半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。利用這種特性制成的半導(dǎo)體器件稱為 光敏電阻 (photosensitive resistance)。光敏電阻是自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要元件 。 半導(dǎo)體的特性應(yīng)用溫差 熱電 偶 把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫度，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)，稱為 半導(dǎo)體溫差熱電偶 。溫度每差一度，溫差電動(dòng)勢(shì)能夠達(dá)到、甚至超過 1毫伏 。利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī) 。 半導(dǎo)體的特性應(yīng)用集成 電 路 pn結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大功 能的晶體三極管 (trasistor)，以及其他各種晶體管。進(jìn)一步可將它們作成集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路 。半導(dǎo)體的特性應(yīng)用 1947年 12月 23日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組， W. Shockley ， J. Bardeen， W. Brattain做出了世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。?固定針 B探針固定針 AGe晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。人類歷史上的第一個(gè)晶體管半導(dǎo)體的特性應(yīng)用人類歷史上的第一塊集成電路1958年 9月 Texas InstrumentsJack Kilby2022年 諾貝 爾 獎(jiǎng)半導(dǎo)體的特性應(yīng)用pnp電信號(hào)cbVeb VcbRe~后來，晶體管又從點(diǎn)接觸型發(fā)展到 面接觸型 。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長，很快成為第二代電子器件。半導(dǎo)體的特性應(yīng)用INMOS T900 微 處 理器每一個(gè)集成塊(圖中一個(gè)長方形部分 )約為手指甲大小，它有 300多萬個(gè)三極管 半導(dǎo)體的特性應(yīng)用1971年制造的第一個(gè)單片機(jī)Intel 4004， 2300個(gè)晶體管10微米技術(shù) , 640bytes， 108KHzPentium IV5500萬個(gè)晶體管 術(shù)半導(dǎo)體的特性應(yīng)用半 導(dǎo) 體激光器 半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。p型 GaAs 和 n型 GaAs構(gòu)成的 PN結(jié)（通過摻雜補(bǔ)償工藝制得）最簡(jiǎn)單的 GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器核心部分：半導(dǎo)體的特性應(yīng)用長 L = 250～ 500 ?m寬 w = 5～ 10 ?m厚 d = ～ ?m它的 激勵(lì)能源 是外加電壓 (電泵 )。在正向偏壓下工作。解理面PN結(jié)PN結(jié)典型尺寸：半導(dǎo)體的特性應(yīng)用 當(dāng)正向電壓大到一定程度時(shí)，在某些特定的能級(jí)之間造成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 的狀態(tài)，形成電子與空穴復(fù)合發(fā)光。 由自發(fā)輻射引起受激輻射。 PN結(jié)本身就形成一個(gè) 光學(xué)諧振腔 ，它的兩個(gè)端面就相當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，形成激光振蕩，適當(dāng)鍍膜后可達(dá)到所要求的很高的反射系數(shù)，并利于選頻。有大量載流子躍遷到較高能量的能級(jí)上。半導(dǎo)體的特性應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：功率可達(dá) 100 mW效率高制造方便成本低所需電壓低 (只需 )體積小極易與光纖接合光生伏特效應(yīng) 當(dāng)光照射在 pn結(jié)上時(shí)，光子會(huì)產(chǎn)生 電子 空穴對(duì) 。? ? e－ + h+ 在 偶電層內(nèi) 強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子將移到 n型中，而空穴則移到 p型中。從而使 pn結(jié)兩邊分別帶上 正、負(fù)電荷 。這樣 pn結(jié)就相當(dāng)于一個(gè) 電池 。??176。 176。pn+_光 由光照射，使 pn結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱 光生伏特效應(yīng) 。利用太陽光照射 pn結(jié)產(chǎn)生電池的裝置叫 太陽能電池 。太陽能電池應(yīng)用前景十分廣泛。太陽電池材料pn結(jié)是半導(dǎo)體器件，也是太陽電池的核心。 根據(jù)太陽光譜實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的需求，由理論分析得知，一般太陽電池最常用的半導(dǎo)體材料的帶隙在 1～ 2 eV之間 。而在 eV左右可獲得最高的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽電池材料半導(dǎo)體材料分為直接帶隙和間接帶隙 。 直接帶隙的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)相同的動(dòng)量值，為此，電子從導(dǎo)帶向價(jià)帶的躍遷無需動(dòng)量的變化。直接帶隙半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)大，而間接帶隙半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)小，通俗地講就是，吸收同樣多的太陽光，間接帶隙的半導(dǎo)體材料的厚度要求比直接帶隙半導(dǎo)體材料要厚得多。如：對(duì)于直接帶隙的半導(dǎo)體 GaAs而言，吸收全部的太陽光僅需要微米級(jí)的厚度，而晶體硅材料必須 100 ?m以上才有可能。太陽電池材料 晶體硅材料是間接帶隙半導(dǎo)體材料，它的帶隙寬度（ eV）與 eV有較大的差值 ， 嚴(yán)格來說，硅不是最理想的太陽電池材料 。 但是，硅是地殼表層除了氧以外的豐度排在第二位的元素，本身無毒，主要是以沙子和石英狀態(tài)存在，易于開采提煉，特別是借助于半導(dǎo)體器件工業(yè)的發(fā)展，晶體硅生長、加工技術(shù)日益成熟等因素， 晶體硅成了太陽電池的主要材料 。 盡管如此，人類一直沒有放棄尋找和合成更合理、更廉價(jià)的材料 。高純硅材料的制備過程耗能耗時(shí)，特別是晶體硅生長技術(shù)要求高，導(dǎo)致 硅材料價(jià)格昂貴 。從太陽電池的實(shí)際要求來看，不需要像半導(dǎo)體集成電路或分立器件那樣對(duì)硅材料的純度和結(jié)晶有那樣高的要求。太陽電池材料理想的太陽電池材料應(yīng)當(dāng)具有以下條件：174。 直接帶隙、帶隙寬度在 ～ eV之間，接近 eV 可達(dá)到最大光電轉(zhuǎn)換效率 ；174。 無毒，在地球上豐度高；174。 較好的力學(xué)性能，便于加工；174。 較高的光電轉(zhuǎn)換效率；174。 性能穩(wěn)定，耐候性好，具有較長的使用壽命；174。 便于制備，特別是能適合大面積、薄膜化生產(chǎn)。第三節(jié)167。3. 硅片的生產(chǎn)硅材料 太陽電池產(chǎn)品需要高純的原料，對(duì)于太陽電池要求硅材料的純度至少是 % ，即在 1千萬個(gè)硅原子中最多允許 2個(gè)雜質(zhì)原子的存在。而對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)要求的純度還要