【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分立的能級(jí)會(huì)互相交雜；或變?yōu)榛ハ喁B合的能帶而禁帶消失；或分裂為另外兩組能帶。這種過(guò)程稱(chēng)為軌道的雜化。許多實(shí)際晶體存在軌道雜化現(xiàn)象。 本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈半導(dǎo)體的禁帶一般都比較窄。在絕對(duì)溫度零度時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)如圖 2．5a 所示。滿(mǎn)帶中填滿(mǎn)電子，而導(dǎo)帶中沒(méi)有電子。在外電場(chǎng)作用下，如果滿(mǎn)帶仍然是填滿(mǎn)電子的，外電場(chǎng)不能改變滿(mǎn)帶中電子的量子狀態(tài)，也就是不能增加電子的能量和動(dòng)量，因而不能產(chǎn)生電子的定向運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電流。如果加強(qiáng)電場(chǎng)，或者利用熱或光的激發(fā)，使?jié)M帶中的電子獲得足夠的能量，大于其禁帶寬度 Eg，而躍遷到導(dǎo)帶中去如圖 2．5b。這樣，半導(dǎo)體則可導(dǎo)電。需要說(shuō)明，不但在導(dǎo)帶中構(gòu)成了導(dǎo)電的條件，同時(shí)在滿(mǎn)帶中也構(gòu)成了導(dǎo)電條件。在導(dǎo)帶中，由于自由電子的存在而引起的導(dǎo)電性，稱(chēng)為電子導(dǎo)電性。在滿(mǎn)帶中，導(dǎo)電雖然是由于電子運(yùn)動(dòng)而引起的，但是性質(zhì)與電子導(dǎo)電的情況有所不同。它是“空穴”(空穴只有在基本上填滿(mǎn)了的滿(mǎn)帶中才有意義)的反方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電的，滿(mǎn)帶中的這種導(dǎo)電性，稱(chēng)為空穴導(dǎo)電性。對(duì)于純凈的半導(dǎo)體，在電子導(dǎo)電的同時(shí)，必然也有空穴導(dǎo)電。這兩種導(dǎo)電機(jī)構(gòu)所給出的電流都在外電場(chǎng)的方向上。這種半導(dǎo)體具有電子在導(dǎo)帶中和空穴在滿(mǎn)帶中相互并存的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為本征導(dǎo)電，具有本征導(dǎo)電的半南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)11導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體；簡(jiǎn)單地說(shuō)，絕對(duì)純凈的且沒(méi)有缺陷的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。如硅、鍺、研等都是這一類(lèi)的半導(dǎo)體。非常純的硅是本征硅。在本征硅中，導(dǎo)電的電子和空穴都是由于共價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的。這時(shí)的電子濃度 n 等于空穴濃度 p，這個(gè)濃度稱(chēng)為本征載流子濃度 n1，n 1隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小，在室溫時(shí)硅的 n1約為 1010/cm3。摻雜半導(dǎo)體 根據(jù)需要可以在純凈半導(dǎo)體晶體點(diǎn)陣?yán)?，用擴(kuò)散的方法摻入少量的其他元素的原子。所摻入的原子，對(duì)半導(dǎo)體基體而言，叫做雜質(zhì)。摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體一般可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是在四價(jià)元素如硅或鍺半導(dǎo)體中摻入少量的五價(jià)元素如磷、銻或砷等雜質(zhì)。四價(jià)元素的原子具有四個(gè)價(jià)電子，而所摻入的雜質(zhì)原子將在晶體中替代硅或鍺原子的位置，構(gòu)成與硅或鍺相同的四電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果雜質(zhì)原子成為具有凈正電荷＋e 的離子，所多余的一個(gè)電子在雜質(zhì)離子的電場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。理論計(jì)算證明這種多余的價(jià)電子的能級(jí)將在禁帶中，而靠近導(dǎo)帶的邊緣。因此，這種能級(jí)又稱(chēng)為局部能級(jí)。這種摻雜半導(dǎo)體的能帶與局部能級(jí)如圖 2．6a 所示?？拷鼘?dǎo)帶的短細(xì)線(xiàn)表示雜質(zhì)的多余電子在禁帶中所形成的摻雜局部能級(jí)。雜質(zhì)價(jià)電子在局部能級(jí)中，并不參與導(dǎo)電。但是，在受到熱激發(fā)時(shí)，很容易躍遷到導(dǎo)帶中去，所以這些局部能級(jí)又叫做施主能級(jí)，用 ED表示。半導(dǎo)體施主能級(jí)與導(dǎo)帶底 Ec 之間的能量差值 ΔE D，顯然比禁帶寬度 Eg 小得多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，ΔE D的量值一般僅為百分之幾的電子伏特。溫度不必很高，施主能級(jí)中的電子就可被激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶中去。因此，這種半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子的數(shù)目雖然并不多，但是在常溫下導(dǎo)帶中的自由電子濃度，卻比同一溫度下純凈半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子濃度要大好幾倍，這就大大地減小了半導(dǎo)體的電阻。這種半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是由雜質(zhì)中多余電子經(jīng)激發(fā)后躍遷到導(dǎo)帶中去而形成的。這種摻雜半導(dǎo)體通常稱(chēng)做電子型(n 型)半導(dǎo)體。例如在硅中加入 V 族元素(如磷)以后，見(jiàn)圖 2．7a，在硅的晶格中的一個(gè)磷原子的四個(gè)電子與周?chē)膫€(gè)硅原子的電子形成共價(jià)鍵，還剩一個(gè)價(jià)電子不能被安排在硅晶格正規(guī)價(jià)鍵結(jié)構(gòu)中，因此游離而使磷原子電離。這樣磷在硅中的電離能比硅的禁帶寬度小很多，只有 0．044eV。室溫下硅原子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能已足以使它電離，除非在高攙雜情況(濃度＞10 19／cm 3)。硅中的 V 族元素在室溫下全部電離而提供同等數(shù)量的導(dǎo)電電子，這種提供電子的雜質(zhì)稱(chēng)為施主，在室溫下可以認(rèn)為電子濃度 n≈N D，N D為施主濃度。南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)12第二類(lèi)摻雜半導(dǎo)體是在硅或鍺的純凈晶體中，摻人少量的三價(jià)元素如硼或銦的雜質(zhì)原子。在硅中加進(jìn)Ⅲ族元素(如硼)以后，一個(gè)硼原子在晶格中與周?chē)膫€(gè)硅原子構(gòu)成共價(jià)健時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子，因而很容易從別處奪來(lái)一個(gè)價(jià)電子自身電離成負(fù)離子，如圖 2．7b 所示。那么也就可以認(rèn)為硼原子帶著一個(gè)很易電離的空穴，電離能為，這種雜質(zhì)局部能級(jí)接近于價(jià)帶頂 Ev，價(jià)帶與雜質(zhì)局部能級(jí)之間的能量差值 ΔE A，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般也不到 0．1eV，熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能就可使空穴跳至價(jià)帶。在室溫下硅中的Ⅲ族元素原子將全部電離，而向價(jià)帶提供了同等數(shù)量的空穴。在半導(dǎo)體中，從半導(dǎo)體接受電子的雜質(zhì)稱(chēng)為受主。與之相應(yīng)的能級(jí)稱(chēng)為受主能級(jí)．用 EA表示。這種雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)基本上決定于價(jià)帶中空穴的運(yùn)動(dòng)．所以稱(chēng)為空穴型(p 型)半導(dǎo)體。p 型半導(dǎo)體中空穴濃度較純凈晶體中空穴濃度增加幾倍．所以也大大地減小了半導(dǎo)體的電阻。全部電離時(shí)，空穴濃度 p≈N A，N A為受主濃度。實(shí)際半導(dǎo)體中．不同的雜質(zhì)和缺陷都可能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，比電子從價(jià)帶直接躍遷到導(dǎo)帶去來(lái)得容易。因而雖然有少量雜質(zhì)存在，卻會(huì)顯著地改變導(dǎo)帶中的電子數(shù)和價(jià)帶中的空穴數(shù)，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)可使我們得到需要的導(dǎo)電類(lèi)型，但是，不適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)也可以使半導(dǎo)體成為廢物，因而在摻雜之前必須將半導(dǎo)體提純。南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)13第三章　太陽(yáng)能電池材料與工藝太陽(yáng)電池是 1954 年由 D．M．查平，C．S．富勒和 G．L．皮爾遜發(fā)明的。在此之前，就有銅—氧化銅等光電池，但是，其光電轉(zhuǎn)換效率還不到 1％。太陽(yáng)電池發(fā)明初期主要作為電源用在太空衛(wèi)星上。由于地球上礦物能源有限，并日趨枯竭，引起了人們對(duì)在地面上應(yīng)用太陽(yáng)電池的濃厚興趣。由于光電系統(tǒng)不必將能轉(zhuǎn)變成熱能再轉(zhuǎn)變成動(dòng)能因而不受卡諾循環(huán)限制，并且，這種只靠陽(yáng)光照射直接產(chǎn)生電能的裝置還可利用太陽(yáng)漫射輻射，本身重量經(jīng)，無(wú)活動(dòng)元件，使用安全，天熱無(wú)氣無(wú)放射性，單位質(zhì)量有相當(dāng)大的功率輸出，適宜大型或小型發(fā)電，轉(zhuǎn)換效率與電池大小無(wú)關(guān)等等，所以，盡管目前價(jià)格還比較貴，但隨著生產(chǎn)技術(shù)和效率的改進(jìn)，元件的成本將不斷下降，已有越來(lái)越多的專(zhuān)家們正在努力嘗試將太陽(yáng)電池應(yīng)用于太陽(yáng)光發(fā)電。不少?lài)?guó)家都制定了各種研究計(jì)劃，近年來(lái)也有不少進(jìn)展，它很可能成為人類(lèi)未來(lái)的主要電力來(lái)源。3．1　太陽(yáng)電池材料籠統(tǒng)地講只要能以較高的光伏轉(zhuǎn)換效率且可以保持較低的生產(chǎn)成本的材料都可考慮用作太陽(yáng)電池材料。而在考慮了材料的儲(chǔ)量、工藝性等一系列因素后，目前用于作為太陽(yáng)電池材料的元素并不多。因此，相應(yīng)的太陽(yáng)電池主要有：硅（Si） ，GaAs，Cds／Cu2S，Cds／CdTe，CdS／InP，CdTe/Cu2Te，無(wú)機(jī)、有機(jī)等太陽(yáng)電池。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用中，硅太陽(yáng)電池占了絕大部分，甚至可認(rèn)為是一統(tǒng)天下。硅太陽(yáng)電池又進(jìn)一步分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽(yáng)電池，所謂單晶硅是指硅電池材料的結(jié)構(gòu)為單—晶體(一塊晶體從頭至尾晶格都按一種排列重復(fù))；而由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的稱(chēng)為多晶硅；非晶硅則其材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)則。因此，非晶硅也常稱(chēng)為無(wú)定形硅。在當(dāng)前太陽(yáng)電池的實(shí)際應(yīng)用中，單晶硅電池是最成熟、工業(yè)化程度最高、應(yīng)用面最廣和產(chǎn)量最大的太陽(yáng)電池。因此，對(duì)單晶硅太陽(yáng)電池的材料制作及生產(chǎn)工藝作一介紹以期達(dá)到觸類(lèi)旁通的效果。圖 3．l 是硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)全過(guò)程。南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)14（a）硅片工序（b）電池制造工序圖 3．1 硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)全過(guò)程 材料提純硅是地球外殼第二豐富的元素，其含量占地球的 27％。提煉硅的原始材料是SiO2，也是砂子的主要成分。然而，在目前工業(yè)提煉工藝中，采用的是 SiO2的結(jié)晶態(tài)即石英巖(優(yōu)質(zhì)石英砂)，也稱(chēng)硅砂。我國(guó)的山東、江蘇、湖北、云南、內(nèi)蒙、海南等地都有分布，其工藝流程如下：南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)15用電弧妒冶煉出冶金硅，其反應(yīng)式世界上每年生產(chǎn)上百萬(wàn)噸冶金硅，主要用于煉鋼和煉鋁工業(yè)．所以冶金硅亦稱(chēng)工業(yè)硅。其純度通常為 95％一 99％。 (2)半導(dǎo)體級(jí)硅 用于太陽(yáng)電池或其他半導(dǎo)體器件的硅，其純度級(jí)比冶金級(jí)更高。提純硅的方法采用西門(mén)子工藝。冶金級(jí)硅被轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性的化合物，接著采用分餾方法將其冷凝并提純。然后從這種精練產(chǎn)品中提取超純硅。其過(guò)程：用 HCl 把細(xì)碎的冶金級(jí)硅顆粒變成流體，用銅催化劑加速反應(yīng)進(jìn)行：釋放出的氣體通過(guò)冷凝器，所得到的液體經(jīng)過(guò)多級(jí)分溜得到半導(dǎo)體級(jí)SiHCl3(三氯氫硅)，這是硅酮工業(yè)的原材料。為了提取半導(dǎo)體級(jí)硅，可加熱混合氣體，使半導(dǎo)體級(jí)的 SiHCl3被 H2還原。在此過(guò)程中，硅以細(xì)晶粒的多晶硅形式沉積到電加熱的硅棒上，其反應(yīng)式：用上述方法可以獲得較高純度的多晶硅，它是當(dāng)前制備電路級(jí)硅的主要方法。此過(guò)程不僅需要消耗大量的能量，而且產(chǎn)生率較低，約為 37％。這就是生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)硅比生產(chǎn)冶金級(jí)硅所需耗能量增加很多的主要原因。在這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，成本增加則更大。因此，更有效地提純冶金級(jí)硅一直是改進(jìn)工藝的主要目標(biāo)。高純多晶硅需要進(jìn)行摻雜才能得到所需導(dǎo)電類(lèi)型和電阻率的硅材料，選擇摻雜劑要考慮以下幾點(diǎn)：1)雜質(zhì)導(dǎo)電類(lèi)型；2)固溶度；3)分布性；4)與晶格匹配度；5)電離度。為了防止摻雜劑在摻過(guò)程中大量升華損失，往往事先將摻雜劑做成含量穩(wěn)定的母合金再行熔化。 拉單晶對(duì)于太陽(yáng)電池制造或半導(dǎo)體電子工業(yè)，硅不僅要很純，而且應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)中南昌航空畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)16基本上沒(méi)有缺陷的單晶硅形式。幾十年來(lái)制造高純單晶硅的方法幾乎沒(méi)有理大突破。工業(yè)生產(chǎn)普遍使用的只有兩種方法：直拉工藝(Cz 法，Czochralski process 切克勞斯基法)和區(qū)熔工藝。 (1)直拉法　將多晶硅在石英坩堝中加熱熔化，用一小塊稱(chēng)作籽晶的單晶體(結(jié)晶源)硅與熔融硅接觸．然后一面旋轉(zhuǎn)一面從熔體中拉出，使液體硅沿籽晶這個(gè)結(jié)晶中心和結(jié)晶方向生長(zhǎng)出完整的單晶體。經(jīng)改進(jìn)的工藝方法用圖 3．2 示意。它可使結(jié)晶大口徑化，并能連續(xù)拉出數(shù)條單晶錠。圖 3．2　利用熔融液輸送法連續(xù)拉單晶 (2)區(qū)熔法 利用分凝現(xiàn)象，在沒(méi)有坩堝盛裝的情況下，高頻感應(yīng)加熱多晶硅棒的局部產(chǎn)生一個(gè)熔區(qū)，并使這個(gè)熔區(qū)定向移動(dòng)，由此提純、摻雜，并獲得單晶硅。區(qū)熔法特點(diǎn)是能提高純度，減少含氧量及晶體缺陷。 切片用直拉法或區(qū)熔法制成的單晶硅錠要切成薄片。主要切片方法有；a．外圓切割；b．內(nèi)圓切割；c．多線(xiàn)切割；d．激光切割等。因?yàn)楣璧挠捕葹?7，所以除激光切割外，其它切割工具都要有金剛砂刀口或作為切割添加劑。 精度較高的為內(nèi)圓切割。激光切割一般用于解高純硅。單晶或多晶