半導體材料

1、第六章,半導體材料,,,半導體材料是構成許多有源元件的基體材料，在光通訊設備、信息的儲存、處理、加工及顯示方面都有重要應用，如半導體激光器、二極管。半導體集成電路、半導體存儲器和光電二極管等等。它是能源、信息、航空、航天、電子技術必不可少的一種功能材料，在電子信息材料中占有極其重要的地位。當前，半導體材料已成為投資密集、人才密集、技術密集的高技術新興產業(yè)，受到電子科學與材料科學界的極大關注，美、日等國都把它列入人尖端材料范疇。半導體工業(yè)

2、的發(fā)展水平是衡量一個國家先進程度的重要標志之一。本章在介紹半導體相關知識的基礎上，講述了半導體材料的分類、制備工藝和應用情況。,前 言,,,內容簡介,半導體材料特性及其發(fā)展 半導體材料的物理基礎 半導體材料的分類 半導體材料的應用 硅基太陽能電池材料,6.1半導體材料特性及其發(fā)展,物質按其導電的難易程度可以分為三大類：導體、半導體和絕緣體。 導體：善于傳導電流的物體，其電阻率很小。（導電能力最強，

3、電解液，碳，金屬，金屬元素價電子數少于4個。） 絕緣體：電阻率極高的物體。（導電能力最弱，橡膠，石英，價電子數8個。） 半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間。（導電能力介于二者之間，價電子數4個。） 半導體材料的電阻率在10-4Ω·cm－10l0Ω·cm之間。但是單從電阻率的數值上來區(qū)分是不充分的，比如在儀器儀表中使用的一些電阻

4、材料的電阻率數值也在這個范圍之內，可它們并不是半導體材料。,半導體材料特性半導體材料發(fā)展,1)電阻率受雜質含量的影響極大。如果一塊純硅摻入百萬分之一的雜質，就會使它的電阻率降低一百萬倍。所以人們可以通過控制雜質的含量來精確控制其導電能力，制造出各種符合需要的元器件。2)電阻率變化受外界條件影響很大。利用半導體對溫度變化十分敏感的特性，人們可以制造出能感受萬分之一攝氏度溫度變化的熱敏電阻，用于自動化控制裝置。同樣，利用半導體對光的敏感

5、特性，可開發(fā)各種類型的光敏電阻，用作自動控制元件。如 CdS。InSb等可用于制作紅外光探測元件。3)半導體元器件體積小、質量輕。一片手指大小的單晶硅片上就可集成成千上萬個精致的晶體管，人們用肉眼根本分辨不出來，只有在放大凡萬倍的顯微鏡下才能看清楚。,6.1.1 半導體材料的特性,4）可靠性高，壽命長?，F代晶體管的壽命比電子管長100倍－1000倍，被稱為“半永久性”器件；而集成電路又比分立元件電路可靠性高100倍，大規(guī)模集成電路又

6、比中、小規(guī)模集成電路可靠性高100倍以上。5）省電、效率高、成本低。世界上第一臺電子管計算機要使用接近一個火車頭的功率來驅動，而現在同樣功能的半導體計算機只要兩節(jié)電池就足夠了。 因此，人們通常把電阻率在范圍內且對外界因素，如電場、磁場、光、溫度、壓力及周圍環(huán)境氣氛非常敏感的材料稱為半導體材料。,6.1.1 半導體材料的特性,6.1.2 半導體材料發(fā)展,關于半導體的研究可以追述到19世紀30年代。1833年法拉第（Far

7、aday）發(fā)現硫化銀的電導率隨溫度的升高而增大。1874年布勞恩（Braun）發(fā)現硫化鉛與金屬探針的接觸處有整流效應，揭示了半導體材料的最基本性質。從19世紀后期到20世紀初，人們對半導體材料進行了大量的研究。后來人們把注意力逐步集中到單晶鍺和單晶硅的制備與提純上，到第二次世界大戰(zhàn)期間，已用上了用Ge制造的微波檢波器。1947年J．巴丁（Bradeen）等人用Ge制成點接觸晶體管，開創(chuàng)了半導體科學技術的新紀元。1958年J.S.

8、C.基比爾（Kilby）制成了第一塊集成電路，為其后大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展奠定了基礎。,6.1.2 半導體材料發(fā)展,而后，以GaAs（GaAs）為代表的化合物半導體和固溶體半導體的研究促進了微波器件、異質結和光電子器件的發(fā)展，1962年用GaAS材料第一次制成了半導體激光器。 1972年（AlGa）As/GaAs超晶格半導體材料的誕生，標志著人類已經進人設計、制造、研究人工半導體材料的新領域。 目前，半導體材料和光電子材

9、料已成為21世紀信息社會的兩大高科技產業(yè)的基礎材料。它的發(fā)展將會使通信、高速計算、大容量信息處理、存儲與顯示、空間防御、電子對抗以及武器裝備的微型化、智能化等產生巨大的技術進步。,（1）能帶的形成,a、外層電子共有化,對大量原子有規(guī)則地排列成晶體時，由于原子離得很近，每個電子不僅受到本身原子核的作用，而且受到鄰近原子核的影響,內層電子因受原子核的牢牢束縛而影響較?。粌r電子或外層電子卻不同，外層電子受鄰近原子的作用更強，容易脫離原來的原子

10、而進入到其他原子當中。 即電子不再分屬各個原子所有，而是屬于整個原子所共有，這稱電子的共有化。,6.2 半導體材料的物理基礎,一、晶體的能帶結構,因為當有N個相同的自由原子時，每個原子內的電子有相同的分立的能級，它們是N重簡并的，當這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個非?？拷哪芗墸?0-22ev），因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。通常在一定條件下

11、電子不能占有的能量范圍稱為禁帶。,b、能帶的形成,（2）電子填空能帶的情況,a、滿帶：各能級都被兩個自旋相反電子填滿的能帶。,,,滿帶,,當電子從原來狀態(tài)轉移到另一狀態(tài)時，另一電子必作相反的轉移。沒有額外的定向運動。滿帶中電子不能形成電流。,導帶,,電子可在外場作用下躍遷到高一級的能級形成電流。故稱為導帶。,b、導帶：能級沒有被電子填滿的能帶。,c、空帶：各能級都沒有被電子填充的能帶。,d、價帶：價電子所處的帶稱為價帶。,（3）導體、半

12、導體、絕緣體的能帶結構,a、導體：價帶是導帶或等效導帶。,導帶,滿帶,滿帶,空帶,滿帶,空帶,重疊,相連,b、絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大。,滿帶,空帶,例如金剛石中兩個碳原子相距15納米時，Eg=5.33電子伏。,c、半導體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小。,導體、半導體、絕緣體的不同，主要是能帶結構不同。,禁帶,例如硅?Eg=1.14電子伏，鍺?Eg=0.67電子伏，砷化鎵?Eg=1.43電子伏。,金屬導電與半導體導電的差別

13、：金屬導電的載流子是自由電子，半導體導電的載流子是導帶中的電子和價帶中的空穴。,半導體的基本能帶情況： 價帶基本填滿（OK時價帶為滿帶），導帶基本上全空，兩者中間的禁帶很窄。這就意味著，其價電子不需太多的熱、電、磁或其他形式的能量就使其激發(fā)到導帶中去，價帶頂隨之產生空穴。半導體的導電即是依靠導帶底的少量電子或者價帶頂的少量空穴實現的。,（4）半導體能帶結構的基本特征 －直接帶隙和間接帶隙半導體,直接帶

14、隙,間接帶隙,二、本征半導體、空穴、及其導電作用,本征半導體：完全純凈、結構完整的半導體晶體。 純度：99.9999999%，“九個9” 它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。T=0K 且無外界激發(fā)，只有束縛電子，沒有自由電子，本征半導體相當于絕緣體。T=300K，本征激發(fā)，少量束縛電子擺脫共價鍵成為自由電子。不含雜質的純凈半導體，很少實際應用。,,共價鍵內的電子稱為

15、束縛電子,,,,掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子,本征半導體,半導體導電的兩個方面,自由電子的運動束縛電子的運動,與金屬導電相比，金屬導電只有自由電子的運動，因為金屬沒有共價鍵，而半導體有共價鍵,所以有兩個方面。,空穴,直接描述束縛電子的運動不太方便。 用我們假想的（自然界不存在的）、帶正電的、與束縛電子反方向運動的那么一種粒子來描述束縛電子的運動比較方便，這種粒子起名叫做“空穴”。,三、半導體中的載流子－電子和空穴,,

16、,,,Eg,,,,,,,,,,,,,躍遷,傳導電子,空穴,空穴的有效質量是價帶頂電子有效質量的負值，即為正。,,導電機制：,（本征導電）,導帶底電子沿外加電場反方向漂移價帶頂電子沿外加電場方向的漂移,嚴格地說，只有在絕對零度時，價帶被電子填滿，導帶是空的，此時材料地電導率為0。隨著溫度的升高，價帶中的部分電子躍遷到導帶，并在價帶中留有等量的空穴。電子的這種運動稱為熱激發(fā)。 半導體的導電類型實際上有電子導電和空穴導電兩種類型。禁帶

17、寬度越寬，激發(fā)越困難。 一般認為，半導體材料的禁帶寬度小于等于2.5ev；絕緣體的禁帶寬度大于等于2.5ev。 在具有一定禁帶寬度的半導體材料中，載流子數量是溫度的函數。,本征半導體的載流子濃度,四、雜質半導體：有n型和p型,n型：本征半導體中摻入微量五價的雜質原子，多余電子導電。,例在四價鍺（Ge）元素半導體中摻入五價砷（AS）所形成的半導體。摻入AS以后，五個價電子中，有四個電子與周圍的Ge組成共價鍵晶體，還多余一個電

18、子，此電子成為自由電子。,施主能級和施主電離,當雜質提供帶有電子的能級時，如上圖所示，電子由施主能級激發(fā)到導帶遠比由價帶激發(fā)容易。這種主要依靠電子導電的半導體，稱為n型半導體。,p型：本征半導體中摻入微量三價的雜質原子，空穴導電。,例在四價鍺（Ge）元素半導體中摻入三價硼（B）所形成的半導體摻入B以后，B是三價，與周圍的Ge組成共價鍵晶體，還缺少一個電子，從而形成一個空穴，形成空穴導電。,,受主能級和受主電離,當雜質提供禁帶中空的能級

19、時，如圖所示，電子由價帶激發(fā)到受主能級比激發(fā)到導帶容易得多。這種主要依靠空穴導電的半導體，稱為p型半導體。,雜質能級上的電子和空穴分布,應用Fermi-Dirac分布可以得到：,施主能級被電子占據的概率,受主能級被空穴占據的概率,電離施主濃度,電離受主濃度,五、平衡載流子與非平衡載流子,平衡載流子濃度： 電荷輸運現象中，外場的作用，只是改變載流子在一個能帶中能級之間的分布，而沒有引起電子在能帶之間的躍遷，在導帶和價帶中的

20、載流子數目都沒有改變。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。  但是, 有另外一種情況：在外界作用下，能帶中的載流子數目發(fā)生明顯改變，即產生非平衡載流子。                    

21、   大多數情況下,非平衡載流子都是在半導體的局部區(qū)域產生的.它們除了在電場作用下的漂移運動以外,還要作擴散運動。,漂移電流與擴散電流,半導體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運動會引起導電電流。,引起載流子定向運動的原因有兩種：,由于電場而引起的定向運動――漂移運動。（漂移電流）,由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動――擴散運動。（擴散電流）,（一）漂移電流（drift current）,在電

22、子濃度為n,空穴濃度為p的半導體兩端外加電壓V，在電場E的作用下，空穴將沿電場方向運動，電子將沿與電場相反方向運動：,(二）擴散 電 流（diffusion current）,五、非平衡載流子,非平衡載流子的產生： （1）光輻照 （2）電注入,光電導是指半導體受到光照而使其電導率發(fā)生變化的現象。左圖表示光電導和照射波長關系（光電導光譜特性）的典型關系曲線，縱軸是光照之下電導的變化與原電導之比。從左圖可以看出，當光照到半導體上，價

23、帶上的電子接收能量，使電子脫離共價鍵。當光的能量達到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導帶，在晶體中產生一個自由電子和一個空穴，這兩種載流子都參與導電，由光產生的附加電導稱為光電導。,光電導,光電導與波長的關系曲線（a）和能帶圖（b）,光電導光譜特性的測量，已成為確定半導體禁帶寬度的有效方法，即 式中Eg—禁帶寬度（又稱能帶隙）；

24、 E-——施主雜質能級（導帶底能級）； E＋——受主雜質能級（價帶頂能級） h——普朗克常數； ——光電導急劇增加時的光頻。 從上圖的能帶圖可知，只有能量大于的光子，才能激發(fā)價帶電子到導帶，產生電子和空穴，引起光電導現象－本征光電導。,,,光電導,一、 PN結的形成,在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將

25、在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:,因濃度差 ? 多子的擴散運動?由雜質離子形成空間電荷區(qū),? 空間電荷區(qū)形成內電場,? 內電場促使少子漂移,?內電場阻止多子擴散,ＰＮ 結,最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,PN結的形成過

26、程,PN 結形成的過程可參閱上圖 。,二、 PN結的單向導電性,如果外加電壓使PN結中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；,PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)， PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。,P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。,(1) PN結加正向電壓時的導電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內

27、電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現低阻性。,PN結加正向電壓時的導電情況如下圖。,PN結加正向電壓時的導電情況,(2) PN結加反向電壓時的導電情況,外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結呈現高阻

28、性。,在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。,PN結加反向電壓時的導電情況如圖。,PN結加反向電壓時的導電情況,PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。,PN結加反向電壓時的導電情況,p－n結及其應用 典型的通過

29、p－n結的電流和電壓的關系。當電壓是使帶正電的空穴由p區(qū)至n區(qū)、帶負電的電子由n區(qū)到p區(qū)時，電流隨電壓增長很快；而電壓方向相反時，則電流很小。 利用這種現象，發(fā)展了高效率的半導體整流器； 在p－n結的基礎上發(fā)展了整個晶體管技術。當光照時，可在n區(qū)與p區(qū)之間產生電勢差－光電伏特效應。利用這種效應，發(fā)展了效率較高的半導體光電池，提供了一條把光能直接轉換為電能的有效途徑。,,,6.3 半導體材料的分類,半導體材料的分類方法很多，按

30、其物質和結構屬性可分為元素半導體、化合物半導體、固溶體半導體、非晶半導體、有機半導體和超晶格半導體；按化學組成可分為無機半導體和有機半導體，無機半導體又分為晶態(tài)半導體和非晶態(tài)半導體，晶態(tài)半導體又分為元素半導體和化合物半導體；按晶體結構可分為Si等金剛石結構半導體、GaAs閃鋅礦結構半導體和CdS等密排六方結構半導體，下面僅對無機半導體材料予以介紹。,6.3 半導體材料的分類,1.元素半導體材料 根據半導體材料的純度和是

31、否有意摻雜元素的種類，還可將元素半導體材料劃分為本征半導體和雜質半導體。 （l）本征半導體 本征半導體:非常純且缺陷極少的半導體。 本征半導體中導電的電子－空穴對是由共價鍵破裂產生的。在 OK時，本征半導體的價帶被電子全部充滿，而導帶又全空，此時不存在任何自由載流子，故絕緣。一旦溫度升高，由于熱激發(fā)便會使價帶中的電子越過禁帶進入導帶，產生一定導電性?？梢姳菊靼雽w中，導電也是由熱激活產生的，所以它也與空位密度和溫

32、度有關。利用半導體對溫度的敏感性而制作出熱敏感電阻。,6.3 半導體材料的分類,1.元素半導體材料 （2）雜質半導體 摻入高一價的元素，如Si、Ge中加人P、Sb、Bi、As(砷)等，造成半導體的載流子是電子，這樣的半導體是n型半導體。 摻入少一價電子的元素，如 Si、Ge中加人 B、Al、In、Ga等，造成半導體的載流子是空穴，這樣的半導即是p型半導體。,6.3 半導體材料的分類,2.化合物半

33、導體材料 化合物半導體的種類繁多，性質各異，因此可以滿足不同要求，有廣闊的應用前景。特別是當它們具備了Si、Ge所沒有的特性時，就顯得更為突出。Ⅲ－V族、Ⅱ－VI族、IV族和氧化物半導體材料得到了優(yōu)先發(fā)展。（1）Ⅲ－V族化合物半導體 特點:①它具有優(yōu)異的高溫動作性能，優(yōu)良熱穩(wěn)定性和耐輻射性。 ②具有適于高頻、高速開關的優(yōu)點。 ③可制成禁帶寬度、點陣常數、遷移率等連續(xù)變化半導體材料。 應用：在

34、這類化合物中（GaAs、AlSb、GaSb、InAs），曾發(fā)現有明顯的光電效應。如 GaAs和 InAs主要應用在太陽能電池中；InAs還是一種光電導、光電磁或 p－n結伏特效應的近紅外探測器的良好材料；InSb的禁帶寬度較小，是制造紅外線探測器和濾波器的良好材料。在新型半導體材料中，Ⅲ－V族化合物有取代硅的趨勢。,6.3 半導體材料的分類,2.化合物半導體材料 (2)Ⅱ－VI族半導體 Ⅱ－N族化合物是由Ⅱ族元素（Z

35、n、Cd、Hg）和 VI族元素（O、S、Se、Te）相互作用而成的。 特點:該類半導體材料具有直接躍遷型能帶結構，禁帶范圍較寬，發(fā)光色彩比較豐富。另外，它們的電導率變化范圍也很廣，而且隨溫度升高可以使禁帶寬度變小，從而使電子從價帶升到導帶。 應用：此類化合物半導體材料在激光器、發(fā)光二極管、熒光管和場致發(fā)光器件等方面有廣闊的應用前景。例如用可見光照射CdS可以激勵光電導特性；又如 CdTe薄膜能產生高達 100V的光電壓

36、，是一種良好的太陽能電池用半導體材料。,6.3 半導體材料的分類,2.化合物半導體材料 (3)IV－IV族化合物半導體 其中的代表是SiC 和Ge－Si合金。(4)多元化合物半導體 多元化合物半導體：大多數多元化合物半導體為固溶體，故也稱半導體固溶體。按照金屬固溶體稱為合金，非金屬固溶體稱為混晶的習慣，多元化合物半導體有時也被稱作混晶半導體?？紤]到半導體中有些并不形成連續(xù)固溶體，故我們把兩種元素以上的化合物半

37、導體統(tǒng)稱為多元化合物半導體。①三元化合物半導體可用來制作激光器、制作紅色發(fā)光二極管。②四元化合物半導體制作優(yōu)質器件和延長器件的使用壽命。,6.3 半導體材料的分類,2.化合物半導體材料 (5)薄膜半導體①同質外延型，如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/ GaP；②異質外延型，如 Si/A12O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；③超晶格薄膜，如 GaAs—GaAlAs（周期重復）/GaAs；④非晶薄

38、膜，如αSi/玻璃或金屬，αSi－αSi－αSi1-xGax/玻璃或金屬。 薄膜半導體獨特的結構使它可以解決用體單晶難以解決或根本無法解決的問題，如： ①固溶體的偏析； ②提高半導體純度及晶體完整性； ③生長異質結； ④生長特殊結構； ⑤制造三維電路。,鍺、硅半導體,Ge、Si的物理性質,鍺、硅半導體,Ge、Si的晶體結構,鍺、硅半導體,Ge、Si的能帶結構,鍺、硅半導體,Ge、Si單晶中

39、的雜質,Ⅲ、Ⅳ族雜質：受主或施主其它雜質：復合中心或陷井，對導電性影響不大,鍺、硅半導體,Ge、Si單晶中的缺陷,位錯：一方面，吸引其周圍點缺陷，增加少子壽命 一方面，晶格畸變增大，使載流子復合，少子壽命減小刃位錯：懸掛鍵，受主能級,位錯密度與載流子壽命的關系,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體的一般性質,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體的晶體結構,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體的化學鍵和極性,Ⅲ、Ⅳ

40、族化合物半導體,GaAs半導體的能帶結構,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,InSb半導體的能帶結構,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,,,,,,,,GaP半導體的能帶結構,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,GaAs中的雜質和缺陷,Ⅲ、Ⅳ族化合物半導體,施主： Se, S, Te取代As受主：Zn,Be,Mg,Cd,Hg取代Ga兩性雜質：Si,Ge,Sn,Pb中性雜質：B,Al,In,空位是重要的點缺陷,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體的一般性質,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅱ、Ⅳ族

41、化合物半導體的一般性質,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的晶體結構,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的能帶結構,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體,Ⅱ、Ⅳ族化合物的雜質,Ⅱ、Ⅳ族化合物半導體,6.4 半導體材料的應用,l.半導體材料在集成電路上的應用(1)鍺單晶：適合制作高頻器件和低噪音器件；目前在激光和紅外技術領域中得到廣泛應用。(2)硅單晶：具有高、中阻值的硅單晶主要用來制造整流二極管和可控硅整流器；只有中阻值的p型單晶硅主要用于集

42、成電路；硅的外延片則是制作各種晶體管的主要材料。(3)砷化鎵：適于制作高速集成電路、微波集成電路和光集成電路，在光電器件、固體微波器件。發(fā)光二極管及電子計算機中得到廣泛應用。GaAs可制作半絕緣材料。,6.4 半導體材料的應用,2.半導體材料在光電子器件中的應用(1)半導體太陽能電池材料 硅是重要的半導體太陽能電池材料，除此之外，其他許多半導體材料均可制作太陽能電池，但由于它們的禁帶寬度不同。吸收太陽光的能量也有所差異。

43、(2)半導體光電陰極材料 光照到半導體表面時，若光子能量較大，半導體表面的電子受到激發(fā)就可能逸出體外，這種現象稱為光電子發(fā)射，利用這個原理做成的陰極稱之為光電陰極。有光電子發(fā)射的陰極，通過電場加速并配以熒光成像，即可制成光轉換器、微光管、光電倍增器、高靈敏電視攝像管、圖像增加器等。(3)半導體激光器材料 制作半導體激光器的材料很多，有短波也有長波；激發(fā)方式可以是電注式，也有電子束激勵及光激勵等；但它們必須具有直接躍遷型

44、的能帶結構。,6.4 半導體材料的應用,3.半導體材料在微波器件上的應用 微波通訊技術中常用的半導體微波器件主要有場效應晶體管、體效應晶體管（GaAs）。硅雪崩二極管、電調變容二極管、PIN二極管、GaAS變容管和回形針等。4.半導體材料在電聲耦合器上的應用 GaAs是制作電聲耦合器的優(yōu)良材料。它可用來作微波延遲線、濾波器、放大器等。 5.半導體材料在傳感器中的應用對制作傳感器用的材料有如下幾點要求：1）變換功

45、能（效果）大： 2）感應范圍要廣； 3）靈敏度和精度要高； 4）穩(wěn)定性和再現性好； 5）體積小、結構簡單、使用壽命長。 半導體材料是制造各類傳感器的重要物質基礎，它的應用為儀器的微型化、數字化、高精度化開辟了廣闊的前景。,4.5 硅基太陽能電池材料,太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。也是清潔能源，不產生任何的環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當中；大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研

46、究領域，是其中最受矚目的項目之一。制作太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉換反應，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅基太陽能電池和薄膜電池，這里主要講的硅基太陽能電池。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,1.硅太陽能電池工作原理與結構 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構如下：,圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。,4.5.

47、1 硅基太陽能電池原理,當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照下圖：,圖中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生入圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive）型半導體。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有

48、五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。黃色的為磷原子核，紅色的為多余的電子。如下圖。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,P型半導體中含有較多的空穴，而N型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。 當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導

49、體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示）,4.5.1

50、 硅基太陽能電池原理,由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n結(如圖 梳狀電極)，以增加入射光的面積。　　另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜（如圖），實際工業(yè)生產基本都是用化學氣相沉積沉積一層氮化硅膜，厚度在1000埃左

51、右。將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池(通常是36個)并聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。,4.5.1 硅基太陽能電池原理,2.硅太陽能電池的生產流程   通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350～450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。,習題,1. 簡述半導體材料的特性。3.用能帶理論闡述半導體材料的半導特性。4.何謂光電