硅晶体中的平衡载流子与非平衡载流子

基础课件－硅材料基础知识硅材料基础知识主要内容：一、概述二、硅的结构、分类与来源三、硅的物理性质四、硅的化学性质五、硅的物理参数及测量六、硅的应用及注意事项一、概述硅材料的基础知识，课程包括较多，有固体物理、量子力学、半导体物理、半导体化学、半导体器件工艺、半导体材料等方面的知识；内容较多，如半导体电子状态和能级、载流子的发布、导电性、非平衡载流子、P－N结、金属与半导体的接触、表面理论、光电效应、磁电效压阻效应、异质结等。

这里只介绍半导体材料的最基本的内容。

1、材料按导电性能划分，可分为：导体、绝缘体、半导体三类。

导体——容易导电的材料。

如各种金属、石墨等。

一般的，电阻率<0.2Ω·cm 绝缘体——很难导电的材料。

如橡胶、玻璃、背板、EVA、SiO2、Si3N4等。

一般的，电阻率>20000Ω·cm半导体——介于两者之间的材料。

如Si、Ge、GaAs、ZnO等，它具有一些独特的性质。

注：a、金属靠电子导电，溶液靠离子导电，半导体导电靠电子或空穴导电。

b、空穴就是电子的缺少。

2、半导体材料，按组成结构可分为：元素半导体、化合物半导体、非晶半导体、有机半导体。

3、半导体器件对材料的要求：3.1禁带宽度适中（一般0.5～1.5电子伏，硅是1.08）3.2载流子迁移率高（一般1000～5000cm2/V·s）3.3纯度高3.4电阻率要求可靠、均匀（一般0.001～100000 ，硅本征2.3×105）3.5晶体的完整性二、硅的结构、分类与来源1、硅的原子理论1.1元素周期表中，第三周期、第IVA 族元素，原子序数14，原子量28电子排布1S 22S 22P 63S 23P 2 ,化合价为＋4价（＋2价）1.2硅有三种同位素28Si ：92.21％、29Si ：4.70％、30Si ：3.09％、1.3晶体结构：金刚石结构（正四面体），原子间以共价键结合。

半导体技术名词解释题1、半导体：半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

2、本征半导体：本征半导体是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。

3、直接带隙半导体：直接带隙半导体是导带底和价带顶在k空间中处于同一位置的半导体。

4、间接带隙半导体：间接带隙半导体材料导带底和价带顶在k空间中处于不同位置。

5、极性半导体：在共价键化合物半导体中，含有离子键成分的半导体为极性半导体。

6、能带、允带、禁带：当N个原子相互靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带。

此时电子不再属于某个原子而是在晶体中做共有化运动，分裂的每个能带都称为允带，允带包含价带和导带两种。

允带间因为没有能级称为禁带。

7、半导体的导带：半导体的导带是由自由电子形成的能量空间。

即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

8、半导体的价带：价带是指半导体或绝缘体中，在0K时能被电子占满的最高能带。

9、禁带宽度：禁带宽度是指导带的最低能级和价带的最高能级之间的能。

10、带隙：带隙是导带的最低点和价带的最高点的能量之差。

11、宽禁带半导体材料：一般把禁带宽度E g≥ 2.3 eV的半导体材料归类为宽禁带半导体材料。

12、绝缘体的能带结构：绝缘体中导带和价带之间的禁带宽度比较大，价带电子难以激发并跃迁到导带上去，导带成为电子空带，而价带成为电子满带，电子在导带和价带中都不能迁移。

13、杂质能级：杂质能级是指半导体材料中的杂质使严格的周期性势场受到破坏，从而有可能产生能量在带隙中的局域化电子态,称为杂质能级。

14、替位式杂质：杂质原子进入半导体硅以后，杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。

15、间隙式杂质：杂质原子进入半导体以后，杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质。

16、施主杂质比晶格主体原子多一个价电子的替位式杂质，它们在适当的温度下能够释放多余的价电子，从而在半导体中产生非本征自由电子并使自身电离。

微秒是10-6秒）。

所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子——空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡载流子。

对于P型硅而言：新增加的电子叫作非平衡少数载流子；而新增加的空穴叫作非平衡多数载流子。

对于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少数载流子；而新增加的电子叫作非平衡多数载流子。

当光照停止后，这些非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。

非平衡载流子的寿命长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，因为硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。

少子寿命是一个重要的参数，用于高能粒子探测器的FZ硅的电阻率高达上万Ωcm，少子寿命上千微秒；用于IC工业的CZ硅的电阻率一般在5—30Ωcm范围内，少子寿命值多要求在100μs以上；用于晶体管的CZ硅的电阻率一般在30—100Ωcm，少子寿命也在100μs以上；而用于太阳能电池CZ硅片的电阻率在0.5—6Ωcm，少子寿命应≥10μs。

5. 氧化量：指硅材料中氧原子的浓度。

太阳能电池要求硅中氧含量＜5×1018原子个数/cm3。

6. 碳含量：指硅材料中碳原子的浓度。

太阳能电池要求硅中碳含量＜5×1017原子个数/cm3。

7、晶体缺陷另外：对于IC用硅片而言还要求检测：微缺陷种类及其均匀性；电阻率均匀性；氧、碳含量的均匀性；硅片的总厚度变化TTV；硅片的局部平整度LTV等等参数。

一、我公司在采购中常见的几种硅材料1.Cell：称为电池片，常常是电池片厂家外销的产品，它实际是一个单元电池。

2.Wafer：这通常指的是硅片，可能是圆片，也可能是方片。

圆片包括：硅切片，硅磨片、硅抛光片、图形片、污渍片、缺损片。

3.Ingot：常常指的是单晶硅锭，且是圆柱形的硅锭，也有用指多晶硅铸锭的。

硅在元素周期表中的序号是14，相对原子量为28，密度2.32-2.34克/厘米。

常温下是固体，熔点是1410~1414度，沸点则要2355度。

硅是IV族元素，外层有四个电子，所以，外层有五个电子的V 族元素就被称为施主元素，因为多余的那个好象是做善事一样可以共大家使用，产生导电性。

而外层只有三个电子的III族元素，则被成为受主元素，因为外面少一个电子，好象有一个空穴一样，所以周围的硅原子所带有的外层的电子老是要来填满它，这样，那个空穴就好象也会到处跑，像个正电子一样，电子和空穴就被统称为载流子。

最常被用来作为施主杂质的元素是磷，主要原因是它无毒而且比较容易得到，进行掺杂也比较容易。

最常被用来作为受主杂质的元素是硼，主要原因也和磷一样，但它比磷还有一个更加明显的优点，就是，它在硅中的分凝系数很接近于1。

----这是什么意思呢？掺杂时，要将硅和杂质一起熔化，然后拉单晶。

而单晶是从上到下逐渐生长的，所有的杂质元素在硅晶体的生长时，在硅的晶体和液体的界面上（固液界面），在固体和液体中的浓度是不同的，其在固体中的浓度与在液体中的浓度之比，就称为分凝系数。

分凝系数越接近与1，则在固体和液体中的比例一样，这样所拉出的单晶的杂质浓度就越均匀。

而分凝系数越接近于零，则在固体和液体的比例差别越大，这样，先拉出来的单晶的头部，杂质就会很少，而到单晶的底部，杂质浓度就会很大。

硼在固液界面静止情况下的分凝系数为0.8，在固液界面运动的时候，会超过0.9，所以，拉制的单晶里，从头到尾，所掺杂的硼的浓度很均匀。

而磷的分凝系数为0.36，在实际拉晶时，分凝系数可以超过0.5，虽然小了些，但在V族元素里，已经是分凝系数最大的元素了硅单晶的主要技术参数硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

导电类型导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。

P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷,外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。

一、填空题1. 自由电子的能量与波数的关系式为（0222)(m k h k E =），孤立原子中的电子能量（大小为2220408n h q m E n ε-=的分立能级），晶体中的电子能量为（电子共有化运动）所形成的（准连续）的能带。

2. 温度一定时，对于一定的晶体，体积大的能带中的能级间隔（小），对于同一块晶体，当原子间距变大时，禁带宽度（变小）。

3. 玻尔兹曼分布适用于（非简并）半导体，对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率为（)ex p()ex p()(00T k E T k E E f F B -⋅=），费米分布适用于（简并）半导体，对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率为（)ex p(11)(0T k E E E f F -+=），当EF 满足（T k E E T k E E V F F C 0022≤-≤-或）时，必须考虑该分布。

4. 半导体材料中的（能带结构（直接复合））、（杂质和缺陷等复合中心（间接复合））、（样品形状和表面状态（表面复合））等会影响非平衡载流子的寿命，寿命值的大小反映了材料晶格的（完整性），是衡量材料的一个重要指标。

5. Si 属于（间接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区的（<100>方向）上由布里渊区中心点Г到边界X 点的（0.85倍）处，导带极值附近的等能面是（长轴沿<100>方向的旋转椭球面），在简约布里渊区，共有（6）个这样的等能面。

6. Ge 属于（间接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区的（<111>方向）上由布里渊区边界L 点处，导带极值附近的等能面是（长轴沿<111>方向的旋转椭球面），在简约布里渊区，共有（4）个这样的等能面。

7. GaAs 属于（直接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区中心点Г处，极值附近的等能面是（球面），在简约布里渊区，共有（1）个这样的等能面。

在布里渊区的（<111>方向）边界L 点处，存在高于能谷值0.29eV 的次低能谷，简约布里渊区一共有（8）个这样的能谷。

1•迁移率参考答案：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。

迁移率的表达式为：-1*m可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。

影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。

- neq pei p2•过剩载流子参考答案：在非平衡状态下，载流子的分布函数和浓度将与热平衡时的情形不同。

非平衡状态下的载流子称为非平衡载流子。

将非平衡载流子浓度超过热平衡时浓度的部分，称为过剩载流子。

非平衡过剩载流子浓度：A n =n _n0,A p = p _p0，且满足电中性条件：A n =^p。

可以产生过剩载流子的外界影响包括光照（光注入）、外加电压（电注入）等。

2对于注入情形，通过光照或外加电压（如碰撞电离）产生过剩载流子：np n，对于抽取2情形，通过外加电压使得载流子浓度减小：n p：：：n。

3. n型半导体、p型半导体N型半导体：也称为电子型半导体.N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体•在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体•在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电•自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成•掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强•P型半导体：也称为空穴型半导体P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体•在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体•在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电•空穴主要由杂质原子提供自由电子由热激发形成•掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强•4. 能带当N个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。

半导体物理学名词解释1、直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。

2、间接复合：指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。

3、俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。

4、施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。

5、受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。

6、多数载流子：半导体材料中有电子和空穴两种载流子。

在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。

在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。

7、能谷间散射：8、本征半导体：本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

9、准费米能级：半导体中的非平衡载流子，可以认为它们都处于准平衡状态（即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态）。

对于处于准平衡状态的非平衡载流子，可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布；当然，采用准Fermi能级这个概念，是一种近似，但确是一种较好的近似。

基于这种近似，对于导带中的非平衡电子，即可引入电子的准Fermi能级；对于价带中的非平衡空穴，即可引入空穴的准Fermi能级。

10、禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。

11、价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。

12、导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

13、束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。

14、浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。

一填空题1.根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备工艺也不同，主要的制备工艺有两种，分别是（区域熔炼法和切克劳斯基法）。

3.在热平衡状态半导体中, 载流子的产生和复合的过程保持动态平衡，从而使载流子浓度保持定值，则处于此种状态下的载流子为(平衡载流子)。

处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0（此处0是下标），可以比他们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为（非平衡载流子）。

4使纵向电阻率逐渐降低的效果与使电阻率逐渐升高的效果达到平衡，就会得到纵向电阻率比较均匀的晶体。

方法：（变速拉晶法，双坩埚法），（）。

5多晶硅的生产方法主要包含：(SiCl4法、硅烷法、流化床法、西门子改良法)。

6硅片的主要工艺流程包括：单晶生长→整形→(切片)→晶片研磨及磨边→蚀刻→(抛光)→硅片检测→打包。

7纯净半导体Si中掺V族元素的杂质，当杂质电离时释放电子。

这种杂质称(施主杂质)8.在P型半导体的多数载流子是：(空穴)9. 总厚度变差TTV是指：(硅片厚度的最大值与最小值之差)10. .常用的半导体电阻率测量方法有：(直接法、二探针法、三探针法、四探针法、多探针。

）。

1、在晶格中，通过任意两点连一直线，则这直线上包含了无数个相同的格点，此直线称为_______晶列_____。

2、精馏是利用不同组分有不同的______沸点______，在同一温度下，各组分具有不同蒸汽压的特点进行分离的。

3、物理吸附的最大优点是其为一种_____可逆_______过程，吸附剂经脱附后可以循环使用，不必每次更换吸附剂。

4、多晶硅的定向凝固，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固体中建立起特定方向的____温度梯度________。

5、工业硅生产过程中一般要做好以下几个方面：_、观察炉子情况，及时调整配料比_、_____选择合理的炉子结构参数和电气参数___；及时捣炉，帮助沉料_和______保持料层有良好的透气性6、改良西门子法包括五个主要环节：Si HCl3的合成；SiHCl3精馏提纯；SiHCl3的氢还原；尾气的回收；Si Cl4的氢化分离7、由高纯的多晶硅生长单晶硅基本是以_____区熔法；直拉法两种物理提纯生长方法为主。

晶体硅组件电致光（EL）检测应用及缺陷分析作者：王盛强李婷婷来源：《科技创新与应用》2016年第01期摘要：面对日益严重的生态环境和传统能源短缺等危机，光伏组件制造行业迅猛发展，光伏组件质量控制环节中测试手段的不断增强，原来的外观和电性能测试已经远远不能满足行业的需求。

目前一种可以测试晶体硅太阳电池及组件潜在缺陷的方法为行业内广泛采用，文章基于电致发光（Electroluminescence）的理论，介绍利用近红外检测方法，可以检测出晶体硅太阳电池及组件中常见的隐性缺陷。

主要包括：隐裂、黑心片、花片、断栅、短路等组件缺陷，同时结合组件测试过程中发现的缺陷对造成的原因加以分析总结。

关键词：太阳能电池；组件；电致发光；缺陷分析；检测1 概述随着社会对绿色清洁能源的需求量急剧飙升，我国的组件生产量将进一步扩大，2010年中国太阳能电池产量达10673MW，占世界总额的44.7%，位居世界前列。

缺陷检测是太阳能电池组件生产制备过程中的核心步骤，因硅电池单元一般采用硅棒切割生产，在生产过程中容易受到损伤，产生虚焊、隐裂、断栅等问题，这些问题对电池的转换效率和使用寿命有着严重的影响，严重时将危害组件甚至光伏发电系统的稳定性[1]。

为了提高组件的效率及合格率，并能够针对各生产环节中产生的缺陷情况及时调整维护生产设备，需配备大量的在线缺陷检测设备。

电致发光（EL）检测由于其质量高、成本低、且能快速、准确识别出组件电池单元常见缺陷等特点，在组件封装生产环节中得到了广泛应用，该检测应用对整个光伏产业具有深刻意义和重大价值[1]。

2 电致发光（EL）测试原理在太阳能电池中，少子的扩散长度远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时因复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。

在正向偏压下，p-n结势垒区和扩散区注入了少数载流子。

这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是太阳电池电致发光的基本原理[2]。

太阳能电池电致发光（Electroluminescence）测试，又称场致发光测试，简称EL测试。

一、填空题1. 自由电子的能量与波数的关系式为（0222)(m k h k E =），孤立原子中的电子能量（大小为2220408n h q m E n ε-=的分立能级），晶体中的电子能量为（电子共有化运动）所形成的（准连续）的能带。

2. 温度一定时，对于一定的晶体，体积大的能带中的能级间隔（小），对于同一块晶体，当原子间距变大时，禁带宽度（变小）。

3. 玻尔兹曼分布适用于（非简并）半导体，对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率为（)ex p()ex p()(00T k E T k E E f F B -⋅=），费米分布适用于（简并）半导体，对于能量为E 的一个量子态被电子占据的概率为（)ex p(11)(0T k E E E f F -+=），当EF 满足（T k E E T k E E V F F C 0022≤-≤-或）时，必须考虑该分布。

4. 半导体材料中的（能带结构（直接复合））、（杂质和缺陷等复合中心（间接复合））、（样品形状和表面状态（表面复合））等会影响非平衡载流子的寿命，寿命值的大小反映了材料晶格的（完整性），是衡量材料的一个重要指标。

5. Si 属于（间接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区的（<100>方向）上由布里渊区中心点Г到边界X 点的（0.85倍）处，导带极值附近的等能面是（长轴沿<100>方向的旋转椭球面），在简约布里渊区，共有（6）个这样的等能面。

6. Ge 属于（间接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区的（<111>方向）上由布里渊区边界L 点处，导带极值附近的等能面是（长轴沿<111>方向的旋转椭球面），在简约布里渊区，共有（4）个这样的等能面。

7. GaAs 属于（直接）带隙半导体。

导带极小值位于布里渊区中心点Г处，极值附近的等能面是（球面），在简约布里渊区，共有（1）个这样的等能面。

在布里渊区的（<111>方向）边界L 点处，存在高于能谷值0.29eV 的次低能谷，简约布里渊区一共有（8）个这样的能谷。

2、举例说明晶体缺陷主要类型。

晶体缺陷主要包含有以下四种，分别为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷点缺陷：弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷线缺陷：位错(棱位错、刃位错、螺旋位错)面缺陷：层错（外延层错、热氧化层错）4、简述光生伏特效应。

1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n结；2）p、n区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流子；3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；4）非平衡载流子在内建电场作用下，n区空穴向p区扩散，p区电子向n区扩散；5）若p-n结开路，在结的两边积累电子—空穴对,产生开路电压。

5、简述硅太阳能电池工作原理。

当拥有等于或者大于硅材料禁带宽度的光子照射到硅材料上，在价带上的电子吸收这个光子的能量，跃迁到导帶上，并且在价带上留下一个空穴。

即是在禁带两端产生了电子—空穴对。

而硅电池本身即为一个PN结，产生的电子—空穴对即是注入的非平衡载流子，在内建电场的作用下，非平衡载流子分离，产生电流并在在整个硅电池两端形成电压。

6、如何从石英砂制取硅？简要框图说明从石英到单晶硅的工艺。

工业硅制备原理：多晶硅生产工艺：法、硅烷法、流化床法、改良西门子法（、、）单晶硅的生长7、简述半导体硅中的杂质对其性能的影响.本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子构成四个共价键，当掺入少量的五价原子（如P、As）时，就形成了n型半导体，由量子力学知识可知，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，DED～10-2eV，极易形成电子导电。

则半导体中的电子变为主要载流子，在室温下，除了本征激发之外还受到杂质电离的影响，载流子浓度增加，使半导体的电导率上升；而当掺入的杂质为三价原子时（如B、Ga、In等），多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，DED～10-2eV，极易形成空穴导电，空穴为其主要载流子，与N型材料类似的，在室温下，由于杂志电离效果的存在，掺杂后的半导体硅的载流子浓度增大，电导率增大。

8、以P掺入Si为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和N型半导体。