半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1、半導(dǎo)體課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè) 計(jì) 題 目 以硅為襯底的ZnO 基理想突變pn結(jié)的設(shè)計(jì)與性能分析 目錄摘要.2關(guān)鍵詞.21. 太陽(yáng)電池研究背景.22. 半導(dǎo)體的分類(lèi).32.1 n型半導(dǎo)體32.2 p型半導(dǎo)體32.3 pn結(jié).43. pn結(jié)的形成-形成PN結(jié)的原理.53.1 PN結(jié) 及其形成過(guò)程54.Pn結(jié)工作性能75. Pn結(jié)特性.75.1 PN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種.86.常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池工藝流程.87.P-N 結(jié)的伏安特性分析及等效電路.98. p n 結(jié)雜質(zhì)濃度分布.128.1 測(cè)試基本原理.129. 試樣的制備139.1 靶材料的選擇和制備.139.2 氣體的選擇.139.3 生

2、長(zhǎng)順序、溫度以及速率的控制.1410. 參考文獻(xiàn).15摘要本文以單晶硅太陽(yáng)能電池為主體，由單晶太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程出發(fā)，太陽(yáng)電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能的半導(dǎo)體器件，從應(yīng)用和研究的角度來(lái)考慮，其光電轉(zhuǎn)換效率、輸出伏安特性曲線(xiàn)及參數(shù)是必須測(cè)量的，而這種測(cè)量必須在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下進(jìn)行才有參考意義。如果測(cè)試光源的特性和太陽(yáng)光相差很遠(yuǎn)，則測(cè)得的數(shù)據(jù)不能代表它在太陽(yáng)光下使用時(shí)的真實(shí)情況，甚至也無(wú)法換算到真實(shí)的情況，考慮到太陽(yáng)光本身隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化，因此必須規(guī)定一種標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光條件，才能使測(cè)量結(jié)果既能彼此進(jìn)行相對(duì)比較，又能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光下的測(cè)試數(shù)據(jù)估算出實(shí)際應(yīng)用時(shí)太陽(yáng)電池的性能參數(shù)。關(guān)鍵詞pn結(jié)，常規(guī)晶體硅太陽(yáng)

3、電池工藝流程，伏安特性，突變，非平載流子濃度。1. 太陽(yáng)電池研究背景隨著能源的短缺和環(huán)境的迅速惡化，大力發(fā)展新能源己成為世界性的主題之一。光伏產(chǎn)業(yè)作為可再生能源的重要領(lǐng)域，近十幾年得到迅速發(fā)展，在改善能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染、提高人民生活質(zhì)量起到越來(lái)越重要的作用，開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源己成為各國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先領(lǐng)域。 全球?qū)μ?yáng)電池需求快速增長(zhǎng)，促使制造太陽(yáng)電池的技術(shù)水平不斷提高。第二代太陽(yáng)電池技術(shù)快速的發(fā)展逐漸成熟，第三代新概念的太陽(yáng)電池的研制也在不斷取得新的成果。太陽(yáng)能電池是最早的半導(dǎo)體功能器件，也是最清潔的可再生資源。早在19世紀(jì)80年代，便出現(xiàn)了第一塊薄膜硒電池，然而這些早期的器件

4、和30年代流行的氧化亞銅器件一樣，沒(méi)有足夠的發(fā)電效率，只能用于大面積的光電探測(cè)方面。20世紀(jì)50年代單晶硅技術(shù)的進(jìn)展才使得在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。雖然取得了一些進(jìn)展，但是太陽(yáng)能電池仍然太貴。50年代末硅太陽(yáng)能電池在空間飛行器上的應(yīng)用推動(dòng)了太陽(yáng)能電池的發(fā)展，形成了小型的產(chǎn)業(yè)規(guī)模以滿(mǎn)足空間飛行器上用電池的需求。由于產(chǎn)品的增加和工藝的改進(jìn)，近三十年來(lái)地面上使用的太陽(yáng)能電池的成本大幅度下降。隨著對(duì)一系列薄膜電池的研究，成本得以進(jìn)一步降低，可以預(yù)計(jì)，未來(lái)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。除了在小型遠(yuǎn)程供電領(lǐng)域的應(yīng)用外，太陽(yáng)能電池在大面積應(yīng)用領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力日益增強(qiáng)。例如太陽(yáng)光電資源在住宅區(qū)的應(yīng)用就具有誘人的前景。特

5、別是在全球氣候變暖、人類(lèi)生態(tài)環(huán)境惡化、常規(guī)能源短缺并造成環(huán)境污染的形勢(shì)下，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略普遍被世界各國(guó)接受。光伏能源以其具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、資源的相對(duì)廣泛性和充足性、長(zhǎng)壽命以及免維護(hù)性等其它常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能源。2. 半導(dǎo)體的分類(lèi)2.1 n型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體；“n”表示負(fù)電的意思，在這類(lèi)半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的主要是帶負(fù)電的電子，這些電子來(lái)自半導(dǎo)體中的“施主”雜質(zhì)。所謂施主雜質(zhì)就是摻入雜質(zhì)能夠提供導(dǎo)電電子而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。例如，半導(dǎo)體鍺和硅中的五價(jià)元素砷、銻、磷等原子都是施主雜質(zhì)。如果在某一半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量中，施主雜質(zhì)的數(shù)量占多數(shù)，則這種半導(dǎo)體

6、就是n型半導(dǎo)體。如果在硅單晶中摻入五價(jià)元素砷、磷。則在硅原子和砷、磷原子組成共價(jià)鍵之后，磷外層的五個(gè)電子中，四個(gè)電子組成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子受原子核束縛很小，因此很容易成為自由電子。所以這種半導(dǎo)體中，電子載流子的數(shù)目很多，主要靠電子導(dǎo)電，叫做電子半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng) n型半導(dǎo)體。2.2 p型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體；“p”表示正電的意思。在這種半導(dǎo)體中，參與導(dǎo)電的主要是帶正電的空穴，這些空穴來(lái)自于半導(dǎo)體中的“受主”雜質(zhì)。所謂受主雜質(zhì)就是摻入雜質(zhì)能夠接受半導(dǎo)體中的價(jià)電子，產(chǎn)生同數(shù)量的空穴，從而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。例如，半導(dǎo)體鍺和硅中的三價(jià)元素硼、銦、鎵等原子都是受主。如果某一半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量中，受主雜質(zhì)的

7、數(shù)量占多數(shù)，則這半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體。如果在單晶硅上摻入三價(jià)硼原子，則硼原子與硅原子組成共價(jià)鍵。由于硼原子數(shù)目比硅原子要少很多，因此整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。 硼是三價(jià)元素，外層只有三個(gè)價(jià)電子，所以當(dāng)它與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，就自然形成了一個(gè)空穴。這樣，摻入的硼雜質(zhì)的每一個(gè)原子都可能提供一個(gè)空穴，從而使硅單晶中空穴載流子的數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體內(nèi)幾乎沒(méi)有自由電子，主要 靠空穴導(dǎo)電，所以叫做空穴半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)p型半導(dǎo)體。2.3 pn結(jié)在一塊半導(dǎo)體中，摻入施主雜質(zhì)，使其中一部分成為n型半導(dǎo)體。其余部分摻入受主雜質(zhì)而成為p型半導(dǎo)體，當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體這兩個(gè)區(qū)域共處

8、一體時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域之間的交界層就是p-n結(jié)。p-n結(jié)很薄，結(jié)中電子和和空穴都很少，但在靠近n型一邊有帶正電荷的離子，kao近p型一邊有帶負(fù)電荷的離子。這是因?yàn)?，在p型區(qū)中空穴的濃度大，在n型區(qū)中電子的濃度大，所以把它們結(jié)合在一起時(shí)，在它們交界的地方便要發(fā)生電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于p區(qū)有大量可以移動(dòng)的空穴，n區(qū)幾乎沒(méi)有空穴，空穴就要由p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散。同樣n區(qū)有大量的自由電子，p區(qū)幾乎沒(méi)有電子，所以電子就要由n區(qū)向p 區(qū)擴(kuò)散。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，p區(qū)空穴減少，出現(xiàn)了一層帶負(fù)電的粒子區(qū)；n區(qū)電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū)。結(jié)果在pn結(jié)的邊界附近形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，p型區(qū)一邊帶負(fù)電荷的離子，n型區(qū)

9、一邊帶正電荷的離子，因而在結(jié)中形成了很強(qiáng)的局部電場(chǎng)，方向由n區(qū)指向p區(qū)。當(dāng)結(jié)上加正向電壓（即p區(qū)加電源正極，n區(qū)加電源負(fù)極）時(shí)，這電場(chǎng)減弱，n區(qū)中的電子和p區(qū)中的空穴都容易通過(guò)，因而電流較大；當(dāng)外加電壓相反時(shí)，則這電場(chǎng)增強(qiáng)，只有原n區(qū)中的少數(shù)空穴和 p區(qū)中的少數(shù)電子能夠通過(guò)，因而電流很小。因此pn結(jié)具有整流作用。當(dāng)具有pn結(jié)的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場(chǎng)作用下，p區(qū)的電子移到n區(qū)，n區(qū)的空穴移到p區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢(shì)差。這現(xiàn)象稱(chēng)為pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于這些特性，用pn結(jié)可制成半導(dǎo)體二極管和光電池等器件。如果在pn結(jié)上加以反向電壓（n區(qū)加在電

10、源正極，p區(qū)加在電源負(fù)極），電壓在一定范圍內(nèi)，pn結(jié)幾乎不通過(guò)電流，但當(dāng)加在pn結(jié)上的反向電壓越過(guò)某一數(shù)值時(shí)，發(fā)生電流突然增大的現(xiàn)象。這時(shí)p-n結(jié)被擊穿。pn結(jié)被擊穿后便失去其單向?qū)щ姷男阅埽Y(jié)并不一定損壞，此時(shí)將反向電壓降低，它的性能還可以恢復(fù)。根據(jù)其內(nèi)在的物理過(guò)程，pn結(jié)擊穿可分為雪崩擊穿和隧道擊穿兩種。由于pn結(jié)具有這種特性，一方面可以用它制造半導(dǎo)體二極管，使之工作在一定電壓范圍之內(nèi)作整流器等；另方面因擊穿后并不損壞而可用來(lái)制造穩(wěn)壓管或開(kāi)關(guān)管等器件。 3. pn結(jié)的形成-形成PN結(jié)的原理3.1 PN結(jié) 及其形成過(guò)程 在雜質(zhì)半導(dǎo)體 中， 正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用相互抵消，因此保持電

11、中性。 1、載流子的濃度差產(chǎn)生的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，N型區(qū)內(nèi)的電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)的空穴而電子很少，這樣電子和空穴很多都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，因此，有些電子要從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散， 也有一些空穴要從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散。2、電子和空穴的復(fù)合形成了空間電荷區(qū)電子和空穴帶有相反的電荷，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生復(fù)合（中和），結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)的電中性被破壞。 P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的離子， 這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，它們不能移動(dòng)，因此稱(chēng)為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近，

12、形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)。3、空間電荷區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)E又阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在空間電荷區(qū)后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)，由于該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò)散后在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)。因?yàn)閮?nèi)電場(chǎng)的方向與電子的擴(kuò)散方向相同，與空穴的擴(kuò)散方向相反，所以它是阻止載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的。首先是空穴的產(chǎn)生。當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)摻入硼原子后，相當(dāng)于占據(jù)了一個(gè)硅原子（鍺原子）的位置，因?yàn)榕鹪幼钔鈱又挥?個(gè)電子，當(dāng)這些電子與周?chē)柙樱ㄦN原子）形成共價(jià)鍵的時(shí)候，自然就空出一個(gè)位置。因此，周?chē)墓柙樱ㄦN原子）的電子很容易就可以跑到空出的位置

13、上，從而形成空穴。所謂空穴的移動(dòng)，其實(shí)是這些電子在移動(dòng)，方向相反，我覺(jué)得這一點(diǎn)和導(dǎo)體內(nèi)電流方向與自由電子移動(dòng)相反差不多。其次是PN結(jié)正負(fù)電荷的產(chǎn)生。先要說(shuō)明擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的區(qū)別。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)指的是由于濃度的差異而引起的運(yùn)動(dòng)；而漂移運(yùn)動(dòng)則是指在電場(chǎng)作用下載流子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在P型半導(dǎo)體部分區(qū)域摻入磷原子或在N型半導(dǎo)體部分區(qū)域摻入硼原子之后，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)電子和空穴會(huì)在交界處復(fù)合，磷原子失去電子變成正電荷，硼原子得到電子變成負(fù)電荷，形成內(nèi)部電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散。當(dāng)加上正向電壓（正偏）且大于0.5V時(shí)，在外電場(chǎng)的作用下，多子向PN結(jié)運(yùn)動(dòng)，負(fù)電荷得到空穴中和，正電荷得到電子中和，因而PN結(jié)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較之前

14、又會(huì)變強(qiáng)。同時(shí)，因?yàn)殡娫床粩嘌a(bǔ)充電子和空穴，使得多子的運(yùn)動(dòng)得以持續(xù)形成電流。當(dāng)加上反向電壓（反偏）時(shí)，與內(nèi)部電場(chǎng)方向一致，多子向PN結(jié)反方向移動(dòng)使PN結(jié)變寬，只有少子的漂移運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閿?shù)目很少，所以形成的反向電流近乎于0，可認(rèn)為阻斷。要注意的是，若反向電壓過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?。原因是電?chǎng)強(qiáng)制性地將電子拉出變成自由電子；而且當(dāng)反向電流很大時(shí)發(fā)熱也會(huì)很厲害，而半導(dǎo)體受溫度影響很大，當(dāng)溫度升高時(shí)導(dǎo)電性會(huì)急劇增加。綜上所述，PN結(jié)中存在著兩種載流子的運(yùn)動(dòng)。一種是多子克服電場(chǎng)的阻力的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；另一種是少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的漂移運(yùn)動(dòng)。因此，只有當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電場(chǎng)

15、才能相對(duì)穩(wěn)定。由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向相反，因而在無(wú)外電場(chǎng)或其他因素激勵(lì)時(shí)，PN結(jié)中無(wú)宏觀電流。 4. Pn結(jié)工作性能：一般的pn結(jié)光(電)二極管的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便；但對(duì)光的響應(yīng)速度較慢（由于p-n結(jié)電容的影響），則不能高頻使用；而且表面的p+區(qū)光吸收作用較強(qiáng)，則光檢測(cè)靈敏度較低。 為了提高二極管對(duì)光的檢測(cè)靈敏度，可從三個(gè)方面來(lái)加以改進(jìn)： a）采用淺p-n結(jié)，以減小光照面中性區(qū)對(duì)光能的吸收； b）圖中的p+區(qū)采用寬禁帶寬度的半導(dǎo)體材料（稱(chēng)為窗口材料），以減小p+區(qū)對(duì)光能的吸收； c）增寬p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)寬度，以增大有效作用區(qū)。例如，制作成pin結(jié)的型式，這就是pin光電二極管（pin

16、-PD），它在光的檢測(cè)靈敏度方面要比一般的PD高得多； d）在pin二極管上加上一個(gè)較高的反向電壓（接近擊穿電壓），使得能夠產(chǎn)生載流子的倍增效應(yīng)，這就可以把微軟的光信號(hào)加以放大，更加提高了靈敏度。這種光電二極管就是所謂雪崩光電二極管（APD）?，F(xiàn)在遠(yuǎn)距離光通信中廣泛使用的光接收器件也就是APD。5. Pn結(jié)特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ姡喊裀型區(qū)接電池負(fù)極，而N型區(qū)接正極，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：把電壓增高到幾十伏，電流的指示只有幾個(gè)或幾十個(gè)微安，此時(shí)PN結(jié)的電阻很大，反向電流很快就達(dá)到飽和不再增加了。這說(shuō)明電流只能沿著一個(gè)方向流過(guò)PN結(jié)，這個(gè)現(xiàn)象就叫做單向?qū)щ姟N結(jié)的電容效：PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的

17、因素決定。一是勢(shì)壘電容CB ，二是擴(kuò)散電容CD 。5.1 PN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種1、雪崩擊穿阻擋層中的載流子漂移速度隨內(nèi)部電場(chǎng)的增強(qiáng)而相應(yīng)加快到一定程度時(shí)，其動(dòng)能足以把束縛在共價(jià)鍵中的價(jià)電子碰撞出來(lái)，產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)，新產(chǎn)生的載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，再去碰撞其它中性原子，又產(chǎn)生新的自由電子空穴對(duì)，如此連鎖反應(yīng)，使阻擋層中的載流子數(shù)量急劇增加，象雪崩一樣。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中，阻擋層寬，碰撞電離的機(jī)會(huì)較多，雪崩擊穿的擊穿電壓高。2、齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)兩邊摻雜濃度很高時(shí)，阻擋層很薄，不易產(chǎn)生碰撞電離，但當(dāng)加不大的反向電壓時(shí)，阻擋層中的電場(chǎng)很強(qiáng)，足以把中性原子中的價(jià)電

18、子直接從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，產(chǎn)生新的自由電子空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程 稱(chēng)為場(chǎng)致激發(fā)。一般擊穿電壓在6V以下是齊納擊穿，在6V以上是雪崩擊穿。6.常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池工藝流程常規(guī)晶體硅太陽(yáng)電池工藝流程(1)表面織構(gòu):為減少硅片表面光反射，經(jīng)過(guò)酸洗刻蝕在硅片表面形成凹坑，產(chǎn)生陷光效果，增加對(duì)光的吸收。 (2)擴(kuò)散制P一結(jié):原始硅片是P型，通過(guò)擴(kuò)散磷雜質(zhì)形成N型層，與P型襯底構(gòu)成P-N 結(jié)。 (3) PECVD鍍減反膜:在電池的絨面上面鍍一層Si3N;減反膜，與表面織構(gòu)匹配可大大增 強(qiáng)對(duì)光的吸收，提高電池對(duì)光的利用率。(4)絲網(wǎng)印刷Ag電極:電池內(nèi)部產(chǎn)生的電流需要電極收集才能與外電路相接，也即歐姆接觸的制作。 (

19、5) A!背場(chǎng)印制:印刷重?fù)诫s高純金屬Al通過(guò)燒結(jié)在硅片背面形成P +-P高低結(jié)，將長(zhǎng)波 光反射到發(fā)射區(qū)，可增加長(zhǎng)波光響應(yīng)吸收、降低背表面的電子復(fù)合速率還起到背電極歐姆接觸作用。良好的Al-Si合金層降低了接觸電阻，Al還有吸雜的作用，在快速燒結(jié)過(guò)程，部分雜質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散被AI-Si合金層吸收。 (6)快速燒結(jié):銀、鋁漿料電極印刷后并不能和Si片形成良好的歐姆接觸，經(jīng)過(guò)燒結(jié)爐讓 有機(jī)溶劑充分揮發(fā)，再經(jīng)過(guò)不同溫區(qū)燒結(jié)形成Al-Si和Ag-Si合金層，獲得良好的歐姆接觸。(7)測(cè)試分選:測(cè)試過(guò)程自動(dòng)分選機(jī)按電池片的電參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，然后再經(jīng)過(guò)人工質(zhì)檢按表面質(zhì)量分檔。7.P-N 結(jié)的伏安特性分析及等效電路

20、理想P-N 結(jié)模型滿(mǎn)足小注入、突變耗盡層及玻耳茲曼邊界條件, 且不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作用 21 其電流電壓關(guān)系可由肖克萊方程給出,即J= J s expqv/kt-1( 1)式中, V 為P-N 結(jié)兩端的電壓, J 為通過(guò)P-N 結(jié)的電流密度, J s 為反向飽和電流1 當(dāng)正向偏壓較大時(shí), 括號(hào)中的指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1, 因而第二項(xiàng)可以忽略, 電流密度與電壓呈指數(shù)增加關(guān)系, 反向偏壓時(shí),當(dāng)q| V | >> kT 時(shí), 指數(shù)項(xiàng)趨于0, 電流不隨電壓改變, 趨于飽和值Js。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn), 肖克萊方程與實(shí)際P-N 結(jié)的伏安特性偏離較大, 主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面: 1) 正向電壓較小時(shí)

21、, 理論值比實(shí)驗(yàn)值小, 正向電壓較大時(shí), J-V關(guān)系變?yōu)榫€(xiàn)性關(guān)系; 2) 反向偏壓時(shí), 反向電流比理論值大許多, 反向電流不飽和, 隨反向偏壓的增大略有增加， 這說(shuō)明理想模型不能真實(shí)反映實(shí)際器件的特性, 需要建立更為完善的P-N 結(jié)模型，在實(shí)際器件中, 載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合會(huì)對(duì)P-N 結(jié)中的空間電荷場(chǎng)產(chǎn)生影響, 從而導(dǎo)致P-N 結(jié)電流電壓特性偏離理想方程。正向偏壓時(shí), 注入勢(shì)壘區(qū)的載流子有一部分形成復(fù)合電流, 其大小與ex p ( qV/ 2kT ) 成正比, 總電流密度為擴(kuò)散電流密度與復(fù)合電流密度之和。對(duì)于硅, 在較低正向偏壓下, 復(fù)合電流占主要地位, 因而總電流大于理想條件下的電流,

22、正向偏壓較高時(shí), 復(fù)合電流可以忽略。正向電流很大時(shí), 器件體電阻及電極接觸電阻上的壓降不可忽略, 這樣, 加在P-N 結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電壓就減小了, 正向電流增加就比較緩慢, 在體電阻及電極接觸電阻上的壓降占主要地位時(shí), 電流電壓關(guān)系便成為由電阻決定的線(xiàn)性關(guān)系。反向偏壓時(shí), 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng), 通過(guò)復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在復(fù)合之前被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)走, 使得載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率, 形成產(chǎn)生電流。J G= qGX D (2)這個(gè)電流與勢(shì)壘寬度X D 成正比, G 為凈產(chǎn)生率1隨著反向偏壓的增加, 勢(shì)壘寬度增大, 所以反向電流不飽和, 隨反向偏壓增大而增大1基于上面的考慮, 可以建立實(shí)際P-N 結(jié)的一個(gè)等效電

23、路模型, 如圖1, R sh為考慮到載流子的產(chǎn)生與復(fù)合電流而增加的一個(gè)并聯(lián)電阻; Rs 為P-N 結(jié)體電阻及電極接觸電阻的等效串聯(lián)電阻; Csh為P-N 結(jié)的結(jié)電,理想情況下, Rsh 阻值為無(wú)窮大, Rs 阻值為零, Csh為零, 在直流偏壓下, 電容效應(yīng)可以忽略1在外電壓V 作用下, 由圖1 可以得出等效電路的電流電壓關(guān)系J= J D+(V- JR s)/ R sh. ( 3)式中, J D 為通過(guò)理想P-N 結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電流密度, 由肖克萊方程式( 1) 給出, 將其代入得J= J s ex pq( V- J Rs )/kT- 1 +V - JR s /R sh. ( 4)，由式( 4)

24、可以看出, 在正向偏壓較小時(shí), 由于Rsh 為有限大, 式中第二項(xiàng)大于零, 因而電流大于理想P-N結(jié)的電流, 如圖2 中a 段; 當(dāng)正向偏壓比較大時(shí), 正向電流很大, R s 上的壓降就會(huì)比較大, 而P-N 結(jié)勢(shì)壘區(qū)的壓降V D 趨于飽和, 式( 4) 括號(hào)中( V - J Rs) 趨于定值, 即電流密度與電壓成線(xiàn)性關(guān)系, 在J-V 圖上為一條直線(xiàn), 如圖2 中c 段, 其斜率由Rs 決定; 在加反向偏壓時(shí), 勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流等效于R sh 上通過(guò)的電流, 由于J s 很小, 與之相比, 式( 4) 中的第二項(xiàng)便不可忽略, 且在反向電壓增大時(shí), 第二項(xiàng)起主要作用, 而第一項(xiàng)趨于定值- J s

25、, 又因?yàn)镽sh >> Rs , 反向伏安特性可以化為J= V/ R sh- J s .( 5)可以看出, 反向偏壓較大時(shí), 電流與電壓成線(xiàn)性關(guān)系, 在J-V 圖上為一條直線(xiàn), 如圖2 中d 段, 斜率由Rsh決定1 圖2 為根據(jù)式( 4) 所得的仿真結(jié)果, 所取電阻值R s= 0. 01k . cm2 , Rsh = 1k . cm2, Rs / Rsh= 1:100.由圖中可以看出, 描述P-N 結(jié)等效電路伏安特性的曲線(xiàn)左右兩端都趨近于直線(xiàn), 且直線(xiàn)斜率分別等于旁路電阻和串聯(lián)電阻的倒數(shù)值。8. p n 結(jié)雜質(zhì)濃度分布8.1 測(cè)試基本原理 對(duì)突變結(jié)根據(jù)Pn 結(jié)電容理論, 若假設(shè)耗

26、盡層成立，存在下列關(guān)系；勢(shì)壘電容 為約化濃度,A為結(jié)區(qū)面積即對(duì)突變結(jié)來(lái)說(shuō)1/C2, 與V呈線(xiàn)性關(guān)系直線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)與V 軸的交截點(diǎn)，,即為結(jié)的內(nèi)建電位VD由直線(xiàn)斜率(等于,2/eA2 E0EsN*) 可求出N*，當(dāng)pn結(jié)為單邊突變結(jié)時(shí), 約化濃度可用低濃度一側(cè)的摻雜濃度代替。對(duì)線(xiàn)性緩變結(jié)勢(shì)壘電容，G 為雜質(zhì)濃度梯度即對(duì)線(xiàn)性緩變結(jié)來(lái)說(shuō)，1/C3 與v呈直線(xiàn)關(guān)系。由直線(xiàn)斜率(等于) 和截距可求出雜質(zhì)濃度梯度G 和VD。pn結(jié)電容等于勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和.正向偏壓時(shí), 由于正向電流JD較大, 擴(kuò)散電容CD=qJD/kT大于勢(shì)壘電容,. 反偏時(shí)，, 流過(guò)Pn結(jié)的是很小的反向飽和電流，擴(kuò)散電容也就很小， 這

27、時(shí)勢(shì)壘電容起主要作用,. 所以,C-V測(cè)量法須加反向偏壓,VD,通過(guò)外推延長(zhǎng)線(xiàn)與v軸的交點(diǎn)獲得。9. 試樣的制備本文將報(bào)道我們用射頻反應(yīng)濺射過(guò)量氧注入法減少自補(bǔ)償( 主要來(lái)自于氧缺陷) 的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行退火處理, 實(shí)現(xiàn)了向p 型的轉(zhuǎn)型。采用直流濺射與過(guò)量氧反應(yīng)法也制備成了p-ZnO 薄膜。在此p-ZnO 薄膜上用常規(guī)方法生長(zhǎng)n-ZnO后, 構(gòu)成ZnO 同質(zhì)p-n 結(jié)。ZnO 同質(zhì)p-n 結(jié)的制備大致可分為以下三個(gè)步驟9.1 靶材料的選擇和制備: 當(dāng)生長(zhǎng)p 型ZnO 薄膜時(shí), 采用純度為優(yōu)于4N 的純凈鋅靶。當(dāng)生長(zhǎng)n型ZnO 薄膜時(shí), 采用壓制P燒結(jié)成型的ZnOBAl 陶瓷靶, 它的原料為

28、純度優(yōu)于4N 的ZnO 粉末和1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3粉末, 采用兩步燒結(jié)法: 第一步,將制成的粉末靶材在低于800 e 下燒結(jié), 取出后壓碎, 重新制成粉末靶材; 第二步, 將二次制得的靶材在1 000 1 100 e 下燒結(jié), 即得到濺射用的陶瓷靶。9.2 氣體的選擇: 高純Ar 為濺射氣體, 高純O2為反應(yīng)氣體( 亦兼濺射氣體) ; 當(dāng)生長(zhǎng)p 型ZnO 薄膜時(shí), 在反應(yīng)室中充過(guò)量的O2 , qv ( O2 ) :qv ( Ar) =( 5 10):( 1 3) / sccm, 反應(yīng)室的背景真空度不低于3 x 10-4 Pa, 充氣后反應(yīng)室中氣體壓力控制在1 3 Pa。當(dāng)生長(zhǎng)n 型ZnO 薄膜