太陽電池及其應用技術講座（一）
半導體基礎知識
謝建，馬勇剛，廖
華，蘇慶益，李景天，楊麗娟
（雲南師範大學太陽能研究所，雲南昆明６５００９２）
中圖分類號：ｔｍ６１５文獻標誌碼：ｂ文章編號
１矽晶體半導體的導電能力介於導體和絕緣體之
間，電阻率大約為矽、鍺、砷化鎵和硫化鎘等材料都是半導體。半導體材料的電阻率隨著溫度的公升高和輻照強度的增大而減小；在半導體中加入微量的雜質（稱為摻雜），對其導電性質有決定性的影響。這是半導體材料的重要特性。
矽是最常見和應用最廣的半導體材料，矽的原子序數為１４，它的原子核外有１４個電子，這些電子圍繞著原子核作層狀的分布運動，第一層２個，第二層８個，還剩４個排在最外層，稱為價電子，矽的物理化學性質主要由它們決定。
矽晶體和所有的晶體一樣，都是由原子（或離子、分子）在空間按一定規則排列而成。這種對稱的、有規則的排列叫做晶體的晶格。
一塊晶體如果從頭到尾都按一種方向重複排列，即長程有序，就稱其為單晶體。在矽的晶體中，每個矽原子近鄰有４個矽原子，每２個相鄰原子之間有一對電子，它們與２個相鄰原子核都有相互作用，稱為共價鍵。正是靠共價鍵的作用，使矽原子緊緊結合在一起，構成了晶體。
由許多小顆粒單晶雜亂地排列在一起的固體稱為多晶體。
非晶體沒有上述特徵，但仍保留了相互間的結合形式，１個矽原子仍有４個共價鍵，短程看是有序的，長程是無序的，這樣的材料稱為非晶體。
２摻雜半導體
實際使用的半導體都摻有少量的某種雜質，
這裡所指的「雜質」是有選擇的。
如果在純淨的矽中摻入少量的五價元素磷，這些磷原子在晶格中取代矽原子，並用它的４個價電子與相鄰的矽原子進行共價結合。磷有５個價電子，用去４個還剩１個，這個多餘的價電子雖然沒有被束縛在價鍵裡面，但仍受到磷原子核的正電荷的吸引。不過，這種吸引力很弱，只要很少的能量就可以使它脫離磷原子到晶體內成為自由電子，從而產生電子導電運動。
同時，磷原子缺少１個電子而變成帶正電的磷離子。由於磷原子在晶體中起著施放電子的作用，所以把磷等五價元素叫做施主型雜質（或叫ｎ型雜質）。在摻有五價元素（即施主型雜質）的半導體中，電子的數目遠遠大於空穴的數目，半導體的導電主要是由電子來決定，導電方向與電場方向相反，這樣的半導體叫做電子型半導體或ｎ型半導體。
如果在純淨的矽中摻入少量的三價元素硼，它的原子只有３個價電子，當硼和相鄰的４個矽原子作共價結合時，還缺少１個電子，要從其中１個矽原子的價鍵中獲取１個電子填補，這樣就在矽中產生了乙個空穴，硼原子接受了乙個電子而成為帶負電的硼離子。硼原子在晶體中起著接受電子而產生空穴的作用，所以叫做受主型雜質（或叫ｐ型雜質）。在含有三價元素（即受主型雜質）的半導體中，空穴的數目遠遠超過電子的數目，半導
收稿日期作者簡介：謝建（１９５５－），男，雲南劍川人，教授，碩士研究生導師，從事可再生能源技術研究和教學工作
可再生能源
第２５卷第１期２００７年２月
體的導電主要是空穴決定的，導電方向與電場方向相同，這樣的半導體叫做空穴型半導體或ｐ型
半導體。圖１是ｎ型和ｐ型矽晶體結構示意圖。
在單位體積（ｃｍ３）
中，電子或空穴的數目叫做「載流子濃度」，它決定著半導體電導率的大小。
沒有摻雜的半導體稱為本徵半導體，其中電子和空穴的濃度是相等的。在含有雜質和晶格缺陷的半導體中，電子和空穴的濃度不相等。把數目較多的載流子叫做「多數載流子」，簡稱「多子」；把數目較少的載流子叫做「少數載流子」，簡稱「少子」。
例如，ｎ型半導體中，電子是「多子」，空穴是「少子」，ｐ型半導體中則相反。３導體中電子的能級和能帶圖
物質是由原子構成的，而原子是由原子核及圍繞原子核運動的電子所組成。電子在原子核周圍運動時，每一層軌道上的電子都有確定的能量。最裡層軌道的電子距原子核距離最近，受原子核的束縛最強，相應的能量最低；第二層軌道具有較大的能量；越外層的電子受原子核的束縛越弱，能量越大。
圖２是單個矽原子的電子能級示意圖，字母ｅ表示能量，腳注ｌ，２，３……表示電子軌道層數，括號中的數字表示該軌道上的電子數。圖中表明，每層電子軌道都有乙個對應的能級。不存在具有兩層軌道中間的能量狀態的電子。
以人造衛星繞地球的環行運動作乙個比喻。
越外層的電子軌道相當於越高的人造衛星軌道，
若把人造衛星送到更高的軌道上去，必須給它更大的能量，這就是說，軌道越高，能量也越高。為了形象地表示電子在原子中的運動狀態，用一系列高低不同的水平橫線來表示電子運動所能取的能量值，這些橫線就是標誌電子能量高低的電子能級。
在晶體中，原子之間的距離很近，相鄰原子的電子軌道相互交迭，互相作用。這些由很多條能量相差很小的電子能級形成乙個「能帶」。
圖３表示了單個原子的每個電子能級對應的
能帶。外層的電子由於受相鄰原子的影響較大，它所對應的能帶較寬；內層電子互相影響小，它所
對應的能帶較窄。電子在每個能帶中的分布通常是先填滿能量較低的能級，然後逐步填充較高的能級。
內層電子能級所對應的能帶都是被電子填滿的，最外層價電子能級所對應的能帶，能否被填滿，主要取決於晶體的種類。如銅、銀、金等金屬晶體，它們的價電子能帶有一半的能級是空的，而矽、鍺等的價電子能帶全被電子填滿。４禁帶、價帶和導帶晶體中的電子不存在２個能帶中間的能量狀態，即電子只能在各能帶內運動，在能帶之間的區域沒有電子態，這個區域叫做「禁帶」。
電子的定向運動就形成電流。這種運動是因為它受到外電場的作用，使電子獲得了附加的能量，電子能量增大，就有可能使電子從較低的能帶躍遷到較高的能帶。
完全被電子填滿的能帶，稱為「滿帶」；最高的滿帶容納價電子，稱為「價帶」；價帶上面完全沒有電子的稱為「空帶」。有的能帶只有部分能級上有電子，一部分能級是空的。這種部分填充的能帶，在外電場的作用下，可以產生電流。
沒有被電子填滿、處於最高滿帶上的乙個能帶稱為「導帶」。圖４所示的是導體、半導
（１）ｎ型矽晶體（２）ｐ型矽晶體
圖１ｎ型矽晶體和ｐ型矽晶體結構圖
自由電子ｎ型摻
雜原子空穴
ｐ型摻雜原子
圖３單原子的電子能級對應的固體能帶
能級能級
能級能帶禁帶能帶禁帶能帶
圖２矽原子的電子能級示意圖
ｅ１（２）
謝建，等半導體基礎知識
１０３可再生能源
１０４體、絕緣體的能帶圖。
由圖４（ｂ）看出，價電子要從價帶越過禁帶跳
躍到導帶裡去參加導電運動，必須從外界獲得大
於或等於ｅｇ的附加能量，ｅｇ的大小就是導帶底
部與價帶頂部之間的能量差，稱為「禁帶寬度」或
「帶隙」。禁帶寬度的常用單位是ｅｖ。在室溫下，矽
的禁帶寬度為１．１２ｅｖ，這就是說，由外界給予價
帶裡的電子１．１２ｅｖ的能量，電子就有可能越過
禁帶跳躍到導帶裡。
半導體的禁帶寬度比金屬大，但卻遠小於絕
緣體。半導體在絕對零度時，電子填滿價帶，導帶
是空的，此時它與絕緣體一樣不能導電。當溫度高
於絕對零度時，晶體內部產生熱運動，使價帶中少
量電子獲得足夠的能量，跳躍到導帶（這個過程叫
做激發），此時半導體就具有一定的導電能力。激
發到導帶的電子數目是由溫度和晶體的禁帶寬度
決定的。溫度越高，激發到導帶的電子越多，導電
性越好；溫度相同，禁帶寬度小的晶體激發到導帶
的電子就多，導電性就好。
在摻雜半導體中，雜質原子的能級處於禁帶
之中，形成雜質能級。五價雜質原子形成施主能
級，位於導帶的下面；三價雜質原子形成受主能
級，位於價帶的上面（圖５）。
施主（或受主）能級上的電子（或空穴）跳躍到
導帶（或價帶）中去的過程稱為電離。電離過程所
需的能量就是電離能。必須注意，所謂空穴從受主
能級激發到價帶的過程，實際上就是電子從價帶
激發到受主能級中去的過程。由於它們的電離能
很小，施主能級距離導帶底和受主能級距離價帶
頂都十分近。在一般的使用溫度下，ｎ型半導體中
的施主雜質或ｐ型半導體中的受主雜質幾乎全部
電離。５電子和空穴
晶格完整且不含雜質的半導體稱為本徵半導
體。半導體在絕對零度時，電子填滿價帶，導帶是
空的。此時的半導體和絕緣體的情況相同，不能導
電。當溫度高於絕對零度時，價電子在熱激發下有
可能克服共價鍵束縛從價帶躍遷到導帶，使其價
鍵斷裂。電子從價帶躍遷到導帶後，在價帶中留下
乙個空位，稱為空穴，具有乙個斷鍵的矽晶體如圖
６所示。
空穴能被相鄰滿鍵上的電子填充而出現新的
空穴，價帶中的空穴被相鄰的價電子填充而產生
新的空穴的重複過程，可以比較簡單地描述成空
穴在晶體內的移動，這種移動相當於電子在價帶
中的運動。我們也可以把空穴看成是帶正電的物
質粒子，所帶電荷與電子相等，符號相反。自由電
子和空穴在晶體內的運動都是無規則的，並不能
產生電流。如果有電場存在，自由電子將沿著電場
方向的相反方向運動，空穴則與電場同方向運動，
半導體就是靠導帶的電子和價帶空穴的定向移動
來形成電流的，電子和空穴都被稱為載流子。半導
體的本徵導電能力很小，它是由電子和空穴２種
載流子傳導電流，而在金屬中僅有自由電子一種
載流子傳導電流。
為便於理解，我們用乙個理想化的兩層停車
場來對半導體中電流流動的過程作乙個簡單的模
擬描述。如圖７（ａ）所示，用汽車代表電子，下層車
庫表示價帶，上層車庫表示導帶。下層車庫完全被
汽車填滿，而上層車庫完全空著。下層因為沒有供
汽車移動的餘地，任何一輛車都不能運動。如果如
圖７（ｂ）所示，一輛車從下層移到了上層，那麼這
輛汽車在上層就可任意移動。這輛汽車相當於半導體中從價帶躍遷到導帶的電子。現在，在下層中存在乙個空位，空位旁的汽車可移動到空位上去，相當於空位也在移動。
６載流子的產生、復合和輸運
由於晶格的熱振動，電子不斷從價帶被「激發」到導帶，形成一對電子和空穴。這就是載流子產生的過程。
不存在電場時，電子和空穴在晶格中作無規則運動，電子和空穴常常碰在一起，即電子跳到空穴的位置上，把空穴填補掉，這時電子和空穴對就隨之消失。這種現象叫做電子和空穴的復合，即載流子復合。按能帶論的觀點，復合就是導帶中的電子落進價帶的空能級，使一對電子和空穴消失。
在一定的溫度下，晶體內不斷產生電子和空穴，電子和空穴不斷復合，如果沒有外來的光、電、熱的影響，那麼，單位時間內產生和復合的電子、空穴數目達到相對平衡，晶體的總載流子濃度保持不變，這叫做熱平衡狀態。
在外界因素的作用下（例如，ｎ型矽受到光照），價帶中的電子吸收光子能量跳入導帶，在價帶中留下等量空穴，電子和空穴的產生率就大於復合率。這些多於平衡濃度的光生電子和空穴稱為非平衡載流子。由光照而產生的非平衡載流子稱為光生載流子。
半導體中存在能夠導電的自由電子和空穴，這些載流子有２種輸運方式：漂移運動和擴散運動。
載流子在熱平衡時作不規則的熱運動，運動方向不斷改變，平均位移等於零，不會形成電流，這種現象叫做散射運動。
在外加電場的作用下，導體中的載流子按照一定方向的運動，形成電流，稱為漂移運動。
（**待續）
謝建，等
半導體基礎知識１０５
太陽電池材料試題
姓名班級學號 密封線請在本線寬度範圍內出題 新餘學院 2010 2011學年第二學期新能源科學與工程學院 09級光伏 材料工程專業各班 太陽電池矽材料生產技術 閉卷 a 試卷出卷人 劉儀柯批准人 一 名詞解釋 20分，每個4分 太陽能級矽 a si 縮頸工藝物理吸附 pecvd 二 填空 30分，每...
太陽電池材料種類
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太陽電池及其應用第三章全文20121224教材
第三章矽太陽電池工藝 製造矽太陽電池包括擴散制結 製作電極和減反射膜三個主要工序。太陽電池與其他半導體器件的主要區別是需要乙個大面積的淺結實現能量轉換。電極用來輸出電能，減反射膜的作用是使電池輸出功率進一步提高。為使電池成為有用的器件，電池製造工藝中還包括除去背結和腐蝕周邊兩個輔助工序。一般說來，結...