1.2.1几种常见元素的原子结构
硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B） 元素的原子结构模型如图1.2-1所示
第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子
最外层5个电子
最外层3个电子
Si +14
P
+15
B
si
P
B
图1.2-1
1.2半导体材料硅的晶体结构
原子最外层的电子称为价电子，有几个 价电子就称它为几族元素。
为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-2所示 的平面结构示意图即可。
正四面实体结构
图1.2-4
金钢石结构
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.6晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等
距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向 称为晶向。图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，
简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重 要的晶胞。
(a)简单立方 （Po）
(b)体心立方 （Na、W）
图1.2-3
(c)面心立方 （Al、Au）
1.2半导体材料硅的晶体结构
金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿 对角线方向上移1/4互相套构而成（见图1.2-4）。
1.2半导体材料硅的晶体结构
(100)
(110)
(111) 图1.2-7
1.3固体的能带理论
1.3.1能带的形成 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，
外层电子（价电子）能量较大。图1.3-1表示所谓能级图。
E5 E4 E3(8) E2(8)
E1(2)
图1.3-1
1.3固体的能带理论
1.3固体的能带理论
导 带 Ec
禁
E9
带
E9
Ev 绝缘体
价 带
半导体
导体
图1.3-3
1.4半导体的导电特性
半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和 绝缘体所没有的独特性能。 1.4.1导电能力随温度灵敏变化
导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高 一度，电组率大约升高0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降 低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电 阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘 体。 1.4.2导电能力随光照显著改变
1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的
规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单 晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅
原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种 共有电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
(100晶面)
(110晶面) 图1.2-5
(111晶面)
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.7原子密排面和解理面： 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原
子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将 如图1.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。
图1.2-6
1.2半导体材料硅的晶体结构
比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。 而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶 胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原 子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110所示。
金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是 原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面 之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：
当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强， 没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。 1.4.3杂质的显著影响
(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在 外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂 的晶面称为晶体的解理面。
(b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓 慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面 的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度 比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的 结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体， 形成绒面状的硅表面。
半导体硅知识优秀课件
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率 越大，说明这种材料的导电能力越弱。表1-1给出以电阻率来区 分导体，绝缘体和半导体的大致范围。
物体 电阻率
Ω· CM
导体 <10e-4
半导体
10e3~10e9
绝缘体 >10e9
1.2半导体材料硅的晶体结构
若原子失去一个电子，称这个原子为正 离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的 负离子。原子变成离子的过程称为电离。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。
原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶 体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有 确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时 在某一温度范围内逐渐软化。
图1.3-2
能带
禁带 能带 禁带 能带
1.3固体的能带理论
从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成 由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每 一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组 密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。 能带之间的间隙叫做禁带。
未被电子填满的能带称为导带，已被电子 填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电 性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。 (图1.3-3)
晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这 个原子的作用。还将受到相邻原子的作用 。相邻原子上的电子 轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以 从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原 子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。
电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能 量相同的轨道之间发生转移。图1.3-2表示出这种共有化轨道 的能级图。