+4 +4
++ + +
施主离子
电子数远大于空穴数目，导电主要由自由电子决定导电方向与电 场方向相反的半导体，称N型半导体（Negitive）
5.2 P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4
空穴
+4
硼原子
+4
电子空穴对
空穴
+4 +4
P型半导体
－ － －－
+3 +4
－ － －－
2.3半导体的晶体结构
• 晶体：具有明确熔点的物质 • 非晶体：无明确熔点，加热时逐渐软化 • 所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团
在空间按一定规则排列而成 的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或 晶体格子，简称为晶格。 • 单晶体：整块材料从头到尾都按同一规则作周期性 排列的晶体 • 多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构 的小晶体 组成的晶体
cm3
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流 ＋总电流
本征半导体的导电性导电性变化。
5. 杂质半导体
为了获得特殊性能的材料，需要人为将杂质 加到半导体中，这个过程叫掺杂。通过扩散或 离子注入完成。材料的性能取决于杂质种类和 数量
电子空穴对
可见本征激发同时产生
电子空穴对。
+4
+4
外加能量越高（温度
越高），产生的电子空
穴对越多。
与本征激发相反的
+4 +4
现象——复合
自由电子
+4 +4
在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
常温300K时：
硅：1.41010
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.51013
习惯上把外层电子称为价电子，一个原子有几个 外层电子就称它为几价。
• 硅（Si）是第四族元素，称为４价元素； • 硼（B）、铝、镓、铟为３价元素； • 氮、磷（P）、砷为５价元素。 原子和原子的结合，主要靠外层的互相交合以及 价电子运动的变化。
• 电子在原子核周围转动时，每一层轨道上的电 子都有确定的能量，最里层的轨道相应于最低 的能量，第二层轨道具有较大的能量，越是外 层的电子受原子核的束缚越弱而能量越大。
2 半导体及其主要特征 2.1 材料分类
在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导 体、绝缘体和半导体。
• 导体：导电能力强，电阻率10-8~10-6Ω·m，如金银铜铁 等
•绝 缘 体 ： 导 电 能 力 弱 或 基 本 不 导 电 ， 电 阻 率 108~1020Ω·m，橡胶、塑料、木材、玻璃
束缚电子
+4
+4 +4
+4
空穴
+4 +4
自由电子
+4
+4 +4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由 电子。
自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
+4
+4
空穴
+4
(2)光敏性：导体的导电能力随光照的不同而不同。当光照增 强时，导电能力增强，称为光敏性。利用光敏性可制成光 敏元件。
(3)掺杂性：导体更为独特的导电性能体现在其导电能力受杂 质影响极大，称为掺杂性。
例如： 锗的温度从200℃升到300 ℃，电阻率下降一半 纯硅中掺杂百万分之一的硼，电阻率2140降至0.004
1.太阳能电池分类
按照结构分类：
同质结太阳能电池：同一半导体材料 异质结太阳能电池：不同半导体材料 肖特基太阳能电池：金属与半导体界面肖特基势垒 多结太阳能电池：多个pn结，复合半导体电池 液结太阳能电池：电解液和半导体
按照材料分类：
硅太阳能电池：单晶硅、多晶硅、 化合物半导体太阳能电池：具有半导体特性的化合物，砷 化镓、硫化镉 有机半导体太阳能电池：含有一定数量炭-炭键的半导体材 料做成的电池，如萘、、芳烃-卤素络合物、高聚物等 薄膜太阳能电池：用单质、无机物、有机物等材料制作的 薄膜作为机体材料的太阳能电池，如非晶硅薄膜、单晶硅 薄膜、纳米晶薄膜太阳能电池
－ － －－
+4 +4
受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
• 半导体：导电能力居中，电阻率10-5~107Ω·m，锗、硅、 砷化镓等
• 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
2.2 半导体特性
导电能力介于导体与绝缘体之间的，称之为半导体。
(1)热敏性：导体的导电能力对温度反应灵敏，受温度影响大。 当环境温度升高时，其导电能力增强，称为热敏性。利用 热敏性可制成热敏元件。
•绝 缘 体 ： 禁 带 宽 度 5~10eV，难以激发电子
4. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常 称为“九个9”。
本征半导体的共价键结构
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的 半导体称为杂质半导体。
5.1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例 如磷，砷等，称为N型半导体。
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
多数载流子—— 电子 少数载流子—— 空穴
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
• 晶体中，原子电场相互叠加，轨道对应的能级 由单个能级变为能量接近但又不同的能级，称 为能带。
• 外层：能带宽
有的填满
• 内层：能带窄
被电子填满
•金属：无禁带，导带和 价带重合，即使温度0K， 照样导电
•半导体：禁带宽度零点 几eV到4eV之间，0K时， 电子充满价带，导带为 空，不导电，温度升高 后电子从价带跳到导带， 可以导电
2.4 晶体原子组成
硅的原子序数为14，即其原子核周围有14个电子，这些电子按照轨道 层层分布：
典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。
GGee
锗原子
si
硅原子
+14 2 8 4
Ge +32 2 8 18 4
+4
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
• 一种元素的化学性质和物理性质是由其原子结 构决定的，其中外层电子的数目起着最为重要 的作用。