電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)光電二極管光電池原理及步驟

1、綜合實(shí)驗(yàn)(微電子學(xué))硅平面器件制作及性能表征教學(xué)指導(dǎo)書陳炳若 戴鋒2005.12硅平面器件制作及性能表征教學(xué)大綱一實(shí)驗(yàn)?zāi)康奈㈦娮蛹夹g(shù)的進(jìn)步，給社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入了巨大的活力。微電子學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵航?jīng)過電子材料、半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件原理、半導(dǎo)體集成電路、微電子技術(shù)實(shí)踐等課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在具備一定專業(yè)理論的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，對以硅平面工藝為代表的半導(dǎo)體器件的制作過程以及材料、器件的性能及表征方法有比較全面的了解，并在實(shí)驗(yàn)過程中訓(xùn)練基本的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)分析和解決問題的能力。二實(shí)驗(yàn)要求 硅PN結(jié)是雙極器件的基本單元，PN結(jié)的制作過程基本能反映硅平面器件的全部核心工

2、藝，雙極晶體管和集成電路都是由PN結(jié)衍生出來的。另外，考慮到課程學(xué)時數(shù)的限制，擬選取硅PN結(jié)光電二極管和太陽電池的制作為硅平面器件制作的實(shí)驗(yàn)對象，要求學(xué)生：了解并掌握硅PN結(jié)光電二極管和太陽電池的材料參數(shù)與器件特性的關(guān)系、器件制作的工藝流程及工藝條件的設(shè)計，完成硅PN結(jié)光電二極管和太陽電池的制作； 了解并掌握相關(guān)的硅材料及器件的性能參數(shù)及表征方法； 認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報告，并進(jìn)行成品率考核，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和成就感。三實(shí)驗(yàn)大綱 硅平面器件制作及性能表征由兩大部分組成，一是硅平面器件的制作，二是材料與器件性能表征，各36 學(xué)時，完成的全部內(nèi)容共需72學(xué)時。但考慮到器件制作過程中工藝監(jiān)控所需要的基本實(shí)驗(yàn)

3、技能，硅平面器件制作中必須加做幾個性能表征實(shí)驗(yàn)，共需54學(xué)時，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時數(shù)的安排，選作部分或全部。 硅平面器件制作(54學(xué)時)，具體要完成：選用不同襯底材料，制作PN結(jié)光電二極管和太陽電池 硅材料參數(shù)的設(shè)計 2學(xué)時 制作工藝參數(shù)的設(shè)計 2學(xué)時 硅平面工藝的全部前道工序 30學(xué)時硅平面工藝的輔助工藝 2學(xué)時并加做以下實(shí)驗(yàn)三、四、五和九。 材料與器件性能表征（36 學(xué)時），具體要完成：實(shí)驗(yàn)一. 雙極型晶體管特性的測量與分析 4學(xué)時實(shí)驗(yàn)二. 場效應(yīng)晶體管特性的測量與分析 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)三. 硅光電器件管芯特性的測量與分析 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)四. 硅材料電阻率及擴(kuò)散薄層電阻的測量 4學(xué)時實(shí)驗(yàn)五.

4、硅光電池光照特性的測量與分析 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)六. 功率晶體管熱參數(shù)的測量 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)七. 硅光電器件光譜響應(yīng)特性的測量 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)八. 單晶體的激光定向及材料缺陷的顯示與觀察 4學(xué)時 實(shí)驗(yàn)九. 用橢偏儀測量透明介質(zhì)薄膜的厚度和折射率 4學(xué)時四.教材與參考書教 材：1半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)教程（第1版）天津大學(xué)出版社，鄭云光，1989年。 2光敏感器件及其應(yīng)用（第1版）科學(xué)出版社，齊丕智, 1987年。參考書：1 半導(dǎo)體專業(yè)實(shí)驗(yàn)，講義，鄢和平 陳偉秀，1984年。2 半導(dǎo)體器件工藝原理（第1版），人民教育出版社，廈門大學(xué)，1977年。五.考核方式實(shí)驗(yàn)報告、動手能力的課堂考核。第一部分 硅平面器件制作(54

5、學(xué)時)實(shí)驗(yàn)要求PN結(jié)是結(jié)型器件的核心，PN結(jié)的制作幾乎包括了硅平面器件的所有基本工藝過程，綜合考慮本教學(xué)實(shí)習(xí)基地的工作基礎(chǔ)、學(xué)時數(shù)及教學(xué)實(shí)習(xí)基地承受能力的限制，本實(shí)驗(yàn)要求完成：1. 完成硅PN結(jié)光電二極管(PD)的工藝條件設(shè)計與制作的前道工序；2. 完成單晶硅太陽能電池(PV)的工藝條件設(shè)計與制作的前道工序；3. 學(xué)習(xí)并完成與制作工藝相關(guān)的監(jiān)控測試和PD、PV芯片性能的測試；相關(guān)實(shí)驗(yàn)包括: 用橢偏儀測量二氧化硅層厚度和折射率、硅材料電阻率及擴(kuò)散薄層電阻的測量、導(dǎo)電類型的判斷、硅光敏器件管芯特性的測量與分析、硅光電池光照特性的測量與分析。 4 以科研小論文形式完成實(shí)驗(yàn)報告，實(shí)驗(yàn)報告要求包括詳細(xì)的

6、工藝流程、工藝條件及工藝條件的設(shè)計（依據(jù)）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含成品率）、問題與分析。目 錄工藝流程基本工藝原理光電器件的基礎(chǔ)理論一. 工藝流程pn結(jié)光電二極管和太陽電池的核心都是一個pn結(jié)，其制作的主要工藝流程如下：1硅光電二極管： N型、（111）面硅襯底材料 測襯底的材料電阻率 清洗、氧化測二氧化硅層的厚度和折射率 光刻擴(kuò)散區(qū) 清洗、預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)）、再分布（主擴(kuò)）測擴(kuò)散層的方塊電阻 磨片、清洗襯底材料導(dǎo)電類型的判斷 磷吸雜 光刻引線孔 清洗、蒸鋁電極 反刻鋁電極 蒸金 初測 逐個測管芯的光電流、暗電流、擊穿電壓，判斷優(yōu)劣、統(tǒng)計成品率 后道2硅太陽電池：N型（或P型）（100）面硅襯底材料 測襯底

7、的材料電阻率 表面處理、制絨面 清洗、氧化 測二氧化硅層的厚度和折射率 光刻擴(kuò)散區(qū) 清洗、預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)）、再分布（主擴(kuò)）測擴(kuò)散層的方塊電阻 磨片、清洗 襯底材料導(dǎo)電類型的判斷 磷吸雜 光刻引線孔 清洗、蒸鋁電極 反刻鋁電極 涂銀漿 初測 逐個測管芯的短路電流、開路電壓，并與已知的商品硅太陽電池相比較，判斷優(yōu)劣、統(tǒng)計成品率 后道二. 基本工藝原理（一）氧化1. 氧化層的作用：（1）雜質(zhì)掩蔽作用：二氧化硅薄膜能作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜，必須具備兩個條件：一是二氧化硅薄膜要有足夠的厚度以阻擋雜質(zhì)的擴(kuò)散；二是只對那些在二氧化硅薄膜中的擴(kuò)散速度比在硅中擴(kuò)散速度小得多的雜質(zhì)才有掩蔽作用。所以一定厚度的二氧化硅

8、（SiO2）層有對某些雜質(zhì)擴(kuò)散有掩蔽作用，使雜質(zhì)擴(kuò)散只發(fā)生在我們選擇的地方，二氧化硅層的這個重要的性質(zhì)，是我們制造各種類型的晶體管和集成電路的重要基礎(chǔ)。（2）表面保護(hù)作用：二氧化硅層的化學(xué)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)致密，能與硅表面牢固地結(jié)合，利用它把已形成的pn結(jié)復(fù)蓋起來，就能大大地減少器件表面受外界環(huán)境變化的影響，提高了晶體管工作的穩(wěn)定性。（3）絕緣作用：二氧化硅有良好的絕緣性能，利用它可以將硅片不同的部分隔離起來，這是制造大功率晶體管和集成電路的良好基礎(chǔ)。2. 氧化方式：（1）干氧氧化：使硅片在高溫下（1000以上）與干燥的氧氣作用，在硅片表面生成一層二氧化硅。這種方法形成的氧化層，結(jié)構(gòu)較致密，質(zhì)量較

9、好，但氧化速度很慢；（2）水汽氧化：使硅片在高溫下（1000以上）與水汽直接作用，生成氧化層。這種方法生長的二氧化硅結(jié)構(gòu)較疏松，掩蔽、保護(hù)和絕緣性能較差，但它的生長速度較快；（3）濕氧氧化：讓氧化通過一定溫度（85-95）的去離子水，帶一些水汽、變成濕潤的氧氣在高溫下與硅片作用，生成二氧化硅層。這樣得到的氧化層，生長速度較快，質(zhì)量也較好。在生產(chǎn)中，一般采用干氧濕氧干氧，交替使用的氧化方法，由于濕氧氧化生長的二氧化硅薄膜表面存在硅烷醇（SiOH），和光刻膠粘潤不良，光刻時易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象，若再通一段時間的干氧，可使硅烷醇轉(zhuǎn)變成硅氧烷（SiOSi），成為疏水表面，從而改善二氧化硅表面與光刻膠的接觸，

10、使光刻時不易產(chǎn)生浮膠。另外可以在較短的時間內(nèi)，獲得較好的氧化層。3. 氧化條件（供參考）：溫度1130 水溫95 氧氣流量500.ml/分干氧氧化20分鐘、再通濕氧氧化30分鐘、再通干氧氧化20分鐘，得到氧化層的厚度約為600800nm。氧化層厚度的設(shè)計，主要考慮擴(kuò)散結(jié)深的要求，可以根據(jù)后面所附的圖表自行設(shè)計氧化條件。（二）光刻通常采用的接觸式曝光的光刻工藝是光學(xué)照相和化學(xué)腐蝕相結(jié)合、在SiO2薄層上或者金屬薄層上獲得所需的精細(xì)圖形的方法，是微電子技術(shù)的基礎(chǔ)。薄層上需要獲得的精細(xì)圖形首先用制版的方法做成光刻掩膜版（簡稱光刻版、相當(dāng)于照相底片），光刻掩膜版根據(jù)圖形需要，有的地方透光，有的地方不透

11、光。光學(xué)照相是在一種感光膠膜上進(jìn)行的，這種膠膜相當(dāng)于照相膠卷上的藥膜，但同時有抗腐蝕性，因而稱之為光致抗蝕劑（又稱光刻膠），主要分為正膠和負(fù)膠兩種。我們實(shí)驗(yàn)中用負(fù)膠。負(fù)膠的特點(diǎn)是：膠膜凡是被光照射到的地方，發(fā)生了交鏈反應(yīng)，變成為大分子，經(jīng)過曝光的膠膜在顯影液中會保留下來，以保護(hù)膠膜下的薄膜在后續(xù)的腐蝕工藝中不被腐蝕。而正膠則相反，光照使其發(fā)生分解反應(yīng)，利用合適顯影液就會溶除曝光部分的膠膜。經(jīng)腐蝕后獲得與光刻掩模版相對應(yīng)的圖形。隨著微電子器件尺寸越來越小，光刻工藝的進(jìn)步是最基本的技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)中光刻由七個小的工藝組成，其工藝流程示意圖如下：1. 涂膠將光刻膠滴在清潔干燥的硅片上，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)

12、盤的離心力，將多余的膠甩去，在硅片表面形成均勻膠膜。對涂膠的要求是：膠膜均勻，達(dá)到預(yù)定的厚度，與氧化膜粘附良好，無灰塵，夾雜物等。涂膠的均勻度一般是憑操作者的眼睛來觀察的，即從膠層在硅片邊緣呈現(xiàn)的不同顏色的干涉條紋的情況，來判斷膠膜的均勻性。如果彩色干涉條紋寬而且少，有規(guī)則，則膠層較均勻；反之，彩色干涉條紋密而多，則膠層不均勻。2. 前烘（低固）將涂好膠的硅片置于恒溫干燥箱中，加溫到7590、2030分鐘，以便部分去除膠膜中的溶劑，增加膠膜的耐磨性。也可采用紅外熱板等前烘方法。影響前烘效果的主要因素是溫度和時間。烘焙不足時（溫度太低或時間太短），在膠膜與硅片交界面處，膠中的溶劑未充分揮發(fā)掉，在

13、曝光時就會阻礙抗蝕劑中分子的交聯(lián)，在顯影時一部分膠被溶除，形成浮膠或圖形變形。烘焙過頭時，會導(dǎo)致膠膜翹曲硬化，形成不易溶于顯影液的薄膜，顯影不干凈或膠面發(fā)皺、發(fā)黑，失去抗蝕能力。3. 套準(zhǔn)曝光其作用是利用光刻機(jī)將光刻掩膜版（光刻版）上的圖形復(fù)印到硅片上。實(shí)驗(yàn)中，曝光采用的是接觸式曝光，將前烘后的硅片放在可以精細(xì)調(diào)節(jié)的光刻機(jī)上，將光刻版覆蓋在硅片上，在顯微鏡下，仔細(xì)調(diào)整兩者之間的相對位置，將光刻版的圖形移動到硅片的指定位置上，移動過程中光刻版和硅片要有一定的距離，不能互相摩擦、以免擦傷膠膜。光刻版和硅片套準(zhǔn)后，再將光刻版和硅片頂緊，使之緊密接觸，并用高壓汞燈產(chǎn)生藍(lán)紫光曝光，曝光時間視膠膜種類，厚

14、薄、干稠、光強(qiáng)、氣候等條件，通過實(shí)驗(yàn)選取，一般為20秒鐘左右。曝光時間過短，膠膜感光不足，光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)不夠充分，光刻膠的抗蝕性能力就會降低，顯影時部分膠會溶解。此時在顯微鏡下會觀察到膠膜發(fā)黑。曝光時間過長，會使光刻膠不感光部分的邊緣微弱感光，產(chǎn)生光暈現(xiàn)象，腐蝕后邊界模糊或出現(xiàn)皺紋，使分辨率降低。曝光后的膠膜發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在膠膜上得出光刻版的“潛影”。4. 顯影視光刻膠種類不同而異，我們的實(shí)驗(yàn)采用丁酮為顯影液，未被曝光的膠膜溶解在丁酮中，因而將光刻膠中的“潛影”圖形顯現(xiàn)出來。然后依次在丙酮和去離子水中漂洗干凈。顯影時間不足，會使顯影不干凈，應(yīng)該去除光刻膠的地方還會留下一薄層不易覺察到的底

15、膜，影響以后的腐蝕正常進(jìn)行，形成斑紋或小島，并使膠膜邊緣出現(xiàn)厚度遞減過渡區(qū)，造成邊緣毛刺，圖形模糊。若顯影時間過長，顯影液使光刻膠發(fā)生軟化、膨脹，顯影液從硅片表面向圖形邊緣滲入，發(fā)生鉆溶，使圖形邊緣變壞；有時會出現(xiàn)浮膠現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至大片剝落形成脫膠。為了保證顯影質(zhì)量，顯影后的硅片必須認(rèn)真進(jìn)行鏡檢，看圖形是否套準(zhǔn)，顯影干凈沒有，圖形邊緣是否清晰，有無脫膠現(xiàn)象等。若出現(xiàn)上面情況應(yīng)及時調(diào)整顯影時間，嚴(yán)重的必須返工。5. 堅膜（高固）將顯影干凈的硅片置于更高溫度的恒溫干燥箱中，目的是去除顯影液和水分，使光刻膠進(jìn)一步聚合，提高膠膜抗蝕能力；并讓光刻膠更牢固地附著在硅片上，以加強(qiáng)對硅片的保護(hù)。堅膜的溫度

16、和時間要適當(dāng)選擇，若堅膜不足，膠膜沒有烘透，不夠堅固，在腐蝕時會發(fā)生浮膠或嚴(yán)重鉆蝕。堅膜過度，會使膠膜因熱膨脹產(chǎn)生翹曲和剝落，腐蝕時也會發(fā)生鉆蝕或浮膠。我們的實(shí)驗(yàn)條件約為180、40分鐘。6. 腐蝕用化學(xué)腐蝕的辦法將沒有光刻膠保護(hù)的地方的薄層去除。以便將光刻膠上顯現(xiàn)的圖形轉(zhuǎn)移到薄層上。例如，若薄層為二氧化硅，則采用含HF的腐蝕液（HF：NH4F：H20=3mL：6g：10mL），適量的氟化銨起緩和作用，以防止光刻膠膜的脫落和鉆蝕。若薄層為金屬鋁，則可采用磷酸為腐蝕液。腐蝕時溫度一般選取為40左右。溫度太低，腐蝕時間要相應(yīng)延長，光刻膠長時間在腐蝕液中浸泡，容易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象；溫度太高，腐蝕速度太快

17、，也容易脫膠或鉆蝕。腐蝕時間由腐蝕速度和氧化層厚度來確定。一般選取一片進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，以確定腐蝕時間。腐蝕時間控制的是否得當(dāng)，直接影響光刻質(zhì)量。若腐蝕時間過短，氧化層未腐蝕干凈，就會影響擴(kuò)散效果。腐蝕時間過長，腐蝕液會穿透膠膜產(chǎn)生浮膠或邊緣的側(cè)向腐蝕。二氧化硅的腐蝕速度與氧化層的質(zhì)量有關(guān)，在40下大約為150200nm/min。腐蝕過程十分重要，不當(dāng)?shù)牟僮骺赡軙斐晒杵膱髲U。因而在操作過程中，要將硅片洗凈，經(jīng)常在顯微鏡下觀察是否腐蝕干凈，若出現(xiàn)鉆蝕、脫膠等不良情形，要及時采取相應(yīng)的措施，甚至返工。7. 去膠在腐蝕未完成之前，硅片表面的膠膜都有保護(hù)作用，不能劃傷。在腐蝕完成后，膠膜要去除干凈，以

18、便進(jìn)行下一個工序。二氧化硅上的膠膜，可以采用濃硫酸煮，高溫碳化的方法。也可以用號液煮沸，放置冷后，沖凈待用。鋁層上的膠膜，采用氧化去膠的方法。光刻是微電子技術(shù)的核心工藝之一，一個器件的制作，需要多次不同的光刻過程才能完成，光刻決定了芯片的表面質(zhì)量。光刻質(zhì)量簡而言之是，光刻完成后必須將該去除的地方（窗口）要完全去除，其余的地方要完整保留，邊緣完整清晰。（三）擴(kuò)散 在高溫條件下，利用二氧化硅對雜質(zhì)的掩蔽作用，讓有用的雜質(zhì)通過光刻開出的窗口進(jìn)入硅片中，形成pn結(jié)。例如在N型材料上進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成P型區(qū)，或在P型材料上進(jìn)行磷擴(kuò)散，形成N型區(qū)。擴(kuò)散的方法有很多，如固一固擴(kuò)散、液態(tài)液擴(kuò)散。在我們的實(shí)驗(yàn)中硼

19、擴(kuò)散和磷擴(kuò)散均采用片狀源擴(kuò)散。擴(kuò)散過程分兩步進(jìn)行，即預(yù)擴(kuò)散和主擴(kuò)散，兩步擴(kuò)散才能獲得合適的表面濃度和結(jié)深。預(yù)擴(kuò)在溫度900左右的氮?dú)夥障逻M(jìn)行，時間約15分鐘。預(yù)擴(kuò)過程中，外部始終保持恒定的雜質(zhì)源濃度，即恒定表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)服從余誤差分布，預(yù)擴(kuò)在硅片的表面形成一個濃度很高的P型層（對硼擴(kuò)散），這層的厚度很小，約100nm，雜質(zhì)濃度由擴(kuò)散溫度下的雜質(zhì)固溶度決定，可達(dá)1021個原子/Cm3。但這樣的P型擴(kuò)散層不適于作器件，還必須把濃度降低，P型層的厚度（結(jié)深）還需增大，為此還需進(jìn)行一次主擴(kuò)散，使硼雜質(zhì)來一次再分布。主擴(kuò)散在1130下進(jìn)行，時間35分鐘左右，這樣，P型層厚度（即pn結(jié)的深度結(jié)深Xj）約

20、2.1。表面濃度約51018個原子/Cm3。主擴(kuò)散過程為去源擴(kuò)散，沒有新的雜質(zhì)源補(bǔ)充，利用預(yù)擴(kuò)散過程中得到的很薄的一層P型層作源，這種擴(kuò)散方式稱為限定表面源擴(kuò)散，雜質(zhì)服從高斯分布。磷擴(kuò)散的基本原理和過程同硼擴(kuò)散。擴(kuò)散要求對表面濃度和結(jié)深有良好的控制，表面濃度的大小是通過薄層電阻ps和Xj的測量而得到的。擴(kuò)散過程決定了pn結(jié)形成的好壞，其濃度和結(jié)深根據(jù)器件的電學(xué)參數(shù)的要求而定，濃度和結(jié)深則取決于擴(kuò)散條件（擴(kuò)散時間與溫度），擴(kuò)散條件根據(jù)已知的工藝數(shù)據(jù)（見后）確定。（四）磨片與磷吸雜（對N襯底材料）磨片有兩個目的，一是去除硅片背面不必要的P型擴(kuò)散層；二是將硅片減薄到必要的厚度，以利于后道工序的劃片分

21、割。實(shí)驗(yàn)中采用金剛砂研磨的方法進(jìn)行磨片。具體做法是：在加熱的玻璃片上涂蠟，將硅片正面粘在玻璃片上，要保證硅片和玻璃片之間沒有空氣，固定良好。在一塊更大的平板玻璃板放上一些金剛砂和清水，將硅片貼在平板玻璃板上磨“8”字，磨片時用力要適中、均勻。磨片后的硅片一定要進(jìn)行測試，通常采用熱探針法，觀察電流方向，判斷硅片表面是N型還是P型、不必要的P型擴(kuò)散層是否磨去。磨片達(dá)到預(yù)期目的后，去除蠟，并用去離子水清洗。將硅片仔細(xì)清洗干凈之后，放入石英管內(nèi)進(jìn)行磷吸雜處理。磷吸雜對于降低器件暗電流，提高光電流有十分積極的作用。磷吸雜工藝還可增加襯底材料背面的雜質(zhì)濃度，極大改善歐姆接觸性質(zhì)。注意：磷吸雜不同于磷擴(kuò)散，

22、它是一個改變器件性能的技術(shù)。對于太陽電池，磷處理的作用是在N襯底材料上制作一個高濃度N型層，形成一個高低結(jié)，稱為背場，背場的漂移電場有助于太陽電池收集光生載流子，提高電池轉(zhuǎn)換效率（可以自己分析一下）。（五）真空蒸發(fā)通過前面工藝完成硼或磷擴(kuò)散以后，已形成一個或兩個pn結(jié)，組成二極管或者三極管管芯。為了引出電極，須在硅片的正面蒸鍍一層鋁，背面蒸鍍一層金，并使之與硅成合金，成為良好的歐姆接觸，然后就可進(jìn)行引線工作了。真空蒸發(fā)的原理是這樣的：當(dāng)真空室通過機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽真空，真空度達(dá)到10-5mmHg時，加熱蒸發(fā)源（鋁或金），開始時蒸發(fā)源熔化，繼續(xù)加熱，金屬源將由液態(tài)變?yōu)檎羝蛩拿姘朔斤w濺，遇到硅片

23、后就沉積在硅片上，經(jīng)過1、2分鐘后，硅片表面就獲得了一層金屬。作為蒸發(fā)源的加熱材料，常用鎢，鉬和鉭，它們的熔點(diǎn)分別是3387，2262和2996，用得最多的是鎢絲。真空蒸發(fā)沉積在硅表面的金屬鋁和金，牢固度不高，為此必需在蒸發(fā)過程中，進(jìn)行合金。具體的蒸鋁工藝如下：（1）清洗硅片。（2）放置鋁片。將清潔處理后的高純鋁片繞在加熱源鎢絲上。（3）放置硅片。將硅片正面朝上置于加熱平板上，然后轉(zhuǎn)動擋板遮住硅片，蓋上鐘罩。（4）抽取真空。按真空鍍膜機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作，先開機(jī)械泵，當(dāng)真空度高于10-2乇之后，開擴(kuò)散泵通冷卻水，加熱擴(kuò)散泵油，使擴(kuò)散泵開始工作。（5）襯底預(yù)熱。待真空度達(dá)到10-5乇之后，加熱襯底

24、，當(dāng)襯底溫度升到300400時，恒溫5分鐘，然后讓襯底冷卻。預(yù)熱處理可去除硅片表面所吸附的雜質(zhì)并獲得干燥清潔的表面，使蒸發(fā)的金屬膜與硅片表面粘附的更牢固。（6）預(yù)蒸。在襯底溫度為200左右，真空度為510-5乇以上時，將鎢絲通電加熱，使鋁熔化成球狀，粘潤在鎢絲上并開始預(yù)蒸。在這個過程中，鋁中所含有的蒸汽壓高的雜質(zhì)先被揮發(fā)掉，從而提高了鋁的純度。此時活動擋板仍遮住硅片。（7）蒸發(fā)。當(dāng)熔融鋁表面的雜質(zhì)全部揮發(fā)掉后，即可打開擋板使鋁淀積在硅片上。當(dāng)鋁快蒸發(fā)完或厚度達(dá)到了要求，轉(zhuǎn)動擋板遮住硅片，防止微量的鋁鎢化合物蒸發(fā)到硅表面上，停止加熱蒸發(fā)源。蒸發(fā)完畢后，待襯底溫度降至100以下時，按真空鍍膜機(jī)操作

25、規(guī)章關(guān)閉擴(kuò)散泵。待擴(kuò)散泵冷卻后，關(guān)閉機(jī)械泵，打開鍍膜室，取出硅片，檢查硅片的表面質(zhì)量。（六）初測在整個管芯制作完成，尚未與外部引線連接形成商品之前，必須按產(chǎn)品電學(xué)參數(shù)要求對管芯逐個進(jìn)行初步測試。由于管芯尚未形成外引線，初測在探針臺上進(jìn)行。測試內(nèi)容及測試條件、 指標(biāo)要求根據(jù)各個產(chǎn)品的要求而定。不合格的管芯要做好標(biāo)記。對于初測過程中發(fā)現(xiàn)的批次性的問題，要及時進(jìn)行分析，并反饋的前面的工序之中。（七）后道工序后道工序是裝配工序，這包括劃片、分片、裝架、燒結(jié)、焊線、中測、封帽、老化、總測等的許多工序。由于課時限制，本實(shí)驗(yàn)不做后道工序。（八）制絨面本道工序只針單晶硅太陽能電池，目的是為了保證硅片對太陽能的

26、利用率，增加其在相同光照下對光的吸收。PV制絨面采用兩步腐蝕法，經(jīng)切割后的硅片表面有一層1020厚的切割損壞層，在電池制備前必須去除，一般采用20的濃NaOH溶液，在恒溫85下對硅片預(yù)處理。為了有效地降低硅表面的發(fā)射，除了沉積減反膜之外，表面織構(gòu)也是一個可行的工藝。理想的表面織構(gòu)（絨面）為倒金字塔形。常用的織構(gòu)制備方法為機(jī)械刻槽法和化學(xué)腐蝕法。機(jī)械刻槽利用形刀在硅表面摩擦以形成規(guī)則的V形槽，從而形成規(guī)則的、反射率低的表面織構(gòu)層?；瘜W(xué)腐蝕法可以在硅表面形成不規(guī)則的倒金字塔形織構(gòu)，由于多晶硅的各向異性，化學(xué)腐蝕方法難以應(yīng)用到多晶硅電池表面織構(gòu)的制備上。而（100）晶向的單晶硅能經(jīng)由腐蝕得到理想的絨

27、面結(jié)構(gòu)，因而可以對其表面進(jìn)行各種處理以達(dá)到減反射的作用。所以晶硅太陽電池常用（100）晶向的單晶硅片。絨面的腐蝕劑常用2的NaOH溶液（2g NaOH和98ml 水）和8ml 異丙醇，在75下對硅片處理，其中每進(jìn)行一次處理都要將硅片用去離子水清洗干凈。硅與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)式如下： Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2生成的硅酸鈉易溶于水。（九）化學(xué)清洗 硅平面器件制作的每一個過程都需要嚴(yán)格的清潔處理，針對不同的雜質(zhì)，清潔處理的方式也不同，實(shí)驗(yàn)中清洗硅片常用的兩種化學(xué)清洗液為：一號液 NH3H2O：H2O2：去離子水H2O = 1：2：7,二號液 HCL: H2O2:

28、去離子水H2O = 1：2：7把盛有硅片和清洗液的石英燒杯放在電爐上加熱,沸騰處理23分鐘, 冷卻后，用冷、熱去離子水反復(fù)對硅片進(jìn)行沖洗，烘干待用。（十）生產(chǎn)安全微電子制作工藝中要用到多種化學(xué)試劑、化學(xué)物質(zhì)、氣體、易碎器皿等，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，注意自身安全，愛護(hù)公共財物。具體要求隨同工藝過程講解。附 硅平面工藝條件設(shè)計中常用的圖表：三基礎(chǔ)理論（一）pn結(jié)的光伏效應(yīng)平衡的pn結(jié)存在一個勢壘，在勢壘區(qū)中，p型一邊由失去空穴帶負(fù)電的受主離子組成，在n型一邊則由失去電子帶正電的施主離子組成，是一個空間電荷區(qū)。在勢壘區(qū)的邊界之間存在一個接觸電勢差VD，平衡的pn結(jié)接觸電勢差VD為：若對硅pn結(jié)，NP=

29、51015cm-3，Nn=1020cm-3，ni=1.51010cm-3，計算得出在室溫下VD為0.9伏。這個電位差降落在勢壘區(qū)內(nèi)部，在pn結(jié)外引線上是測量不出來的。當(dāng)光照在pn結(jié)上。如圖1（a），若入射光的光子能量大于禁帶寬度時，價帶電子接受了光子的能量，將激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生非平衡電子空穴對，在小信號情況下，在n型表面中產(chǎn)生的電子空穴對，由于熱運(yùn)動，光生少子空穴發(fā)生擴(kuò)散，一旦擴(kuò)散到勢壘區(qū)就會受到VD的作用而掃向p區(qū)一邊。在勢壘區(qū)中，光激發(fā)的電子空穴對，將在VD的作用下分別向兩邊運(yùn)動，空穴向p區(qū)，電子向n區(qū)。同樣，光入射到p區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對，也將發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動，而光生少子電子一旦擴(kuò)散到勢壘區(qū)中，

30、就被VD作用掃向n區(qū)一邊。也就是說由于VD的存在，光生電子將向n區(qū)一邊集中，光生空穴將向p區(qū)一邊集中。若光不斷地照射，光生電子空穴對不斷地產(chǎn)生，在VD的作用下，光生電子空穴對不斷地向pn結(jié)兩邊集中，其結(jié)果是p區(qū)一邊因空穴積累而帶正電，n區(qū)一邊因電子積累而帶負(fù)電。若pn結(jié)外部為開路時，一方面由于光生電子空穴對的運(yùn)動使VD下降，使上述集中趨勢減少，另一方面，光生電子空穴對也要不斷地復(fù)合而減少。當(dāng)光照強(qiáng)度一定時，將達(dá)到一個新的平衡，如圖1（b）。這時，在pn結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù)。由于兩邊積累的電子與空穴是自由載流子，在pn結(jié)的外引線上，就可以測量出兩端的電壓。這個過程就是pn結(jié)

31、的光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。 圖1(a) 光照下pn結(jié)中載流子的運(yùn)動 圖1(b) 光照pn結(jié)光生伏特勢的建立若光不斷地照射，并將圖1（b）的p區(qū)與n區(qū)用導(dǎo)線短路，這時就有電流通過外接導(dǎo)線，電流的方向是由帶正電位的p區(qū)流向帶負(fù)電位的n區(qū)。在pn結(jié)勢壘區(qū)的內(nèi)部，電流的方向則是從n區(qū)流向p區(qū)，這個電流方向正好與圖1（a）光生載流子運(yùn)動產(chǎn)生的電流方向一致?？梢?，這種光生電流的方向與pn結(jié)在外加正向電壓下的電流方向是相反的。若正向電流以If表示，那么光生電流則以-IL表示。一般情況下，pn結(jié)材料和引線總有一定的串聯(lián)電阻Rs，pn結(jié)工作時也必須接有負(fù)載電阻RL，一般而言RLRs，所以若在圖1（b）的兩邊

32、接一個負(fù)載電阻RL時，如圖2，就有電流I通過RL，在RL上降落的電壓為V，p區(qū)一端為正，n區(qū)一端為負(fù)，這個電壓又構(gòu)成pn結(jié)的正向電壓，使pn結(jié)通過正向電流If，所以RL上的電流是If與（-IL）之和。If為：式中Is為反向飽和電流，因此，在光照下通過RL上的電流I為：（1）若外電路的電流為0，即外電路開路時，由上式得到開路電壓Voc。一般情況下，ILIS，括號中的1可略去。在一定的光照下，Voc應(yīng)盡可能地提高，為此需提高IL，降低電流Is。隨入射光強(qiáng)的增大，IL上升，開路電壓Voc也增大。圖3為硅pn結(jié)的Voc隨入射光強(qiáng)的變化?？梢?，在弱光強(qiáng)范圍內(nèi)。Voc變化較顯著，在強(qiáng)光照范圍內(nèi)，Voc趨向

33、飽和?；谏鲜鯲oc隨光照強(qiáng)度的變化，Voc又可作為光強(qiáng)度的測量手段，特別是在弱光強(qiáng)范圍內(nèi)。Voc不僅與光照強(qiáng)度有關(guān)，還與溫度T以及Is有關(guān)，因而與材料的性質(zhì)有關(guān)。對一個n+-P結(jié)，NnNp（2）式中，Ln、Lp為對應(yīng)的少子擴(kuò)散長度，只有在勢壘區(qū)和附近一個擴(kuò)散長度范圍中產(chǎn)生的光生載流子才對光電流有貢獻(xiàn)。圖2光照pn結(jié)負(fù)載電阻RL上的正向電壓 圖3 硅pn結(jié)Voc隨光照強(qiáng)度的變化 （3）這說明Voc隨低摻雜一邊的濃度增加而增大，也說明Voc與ni（包括Eg、T等因素）有關(guān)。若對一個硅n+p結(jié)，NP=1017cm-3，Dn=13cm2/秒，Ln=35m，IL/A=35mA/cm2，室溫下Voc=6

34、20mV。Voc與Eg的關(guān)系（略去（3）式括號中的1）：（4）Voc與材料的禁帶寬度Eg成正比。由（4）式看到Voc隨溫度的變化，包括禁帶寬度Eg隨溫度的變化以及Nc、Nv等隨溫度的變化。對于硅dVoc/dT-2.88mV/，即溫度每增加1，開路電壓Voc降低2.88mV。（二）太陽能電池pn結(jié)光伏效應(yīng)的一個重要應(yīng)用是作太陽能電池。多年來，硅太陽能電池已成為人造空間飛行體通信設(shè)備的主要電能源，在地面設(shè)施中，在那些不易獲得工業(yè)電能而耗電又較少的特殊場合下，太陽能電池也有著重要的應(yīng)用。在圖2中，若RL=0，則得到短路電流ISC，這也是pn結(jié)光伏效應(yīng)能給出的最大電流。RL0時，負(fù)載上所獲得的電功率為

35、其電流與電壓的乘積。選擇適當(dāng)?shù)腞L，可以獲得最大的電功率。如圖4，最大的功率輸出由伏安特性所能給出的最大矩形面積確定，最大功率Pm=ImVm。由（1）式得任意情況下的輸出功率為： （5）由得到V=Vm時，P有最大值。即：（6）利用這個結(jié)果可改寫（1）式：（7）（8）將e代入上式，且ILIs時得：（9） （10）若入射光功率為Pi，則最大轉(zhuǎn)換效率為：（11）要提高轉(zhuǎn)換效率，必須提高Voc與ISC。比值ImVm/ISCVoc稱為曲線因子或填充因子，較好的太陽能電池曲線因子可達(dá)0.7左右。利用pn結(jié)的光伏效應(yīng)作太陽能電池，還必須考慮到太陽能的光譜分布。太陽能光譜分為AM0與AM1條件。AM0分布為高

36、層空間不考慮大氣吸收的分布，AM1分布則是太陽能在地面的分布，其中有許多大氣成份的吸收峰。AM0條件下太陽能功率密度達(dá)135mw/cm2，AM1條件下太陽能功率密度達(dá)100mw/cm2。由（4）式知，隨Eg的增大，Voc上升，但隨Eg的增加，短路電流ISC下降，使得光伏效應(yīng)能獲得的電功率（比例于ISCVoc）隨Eg的變化出現(xiàn)極大值。Si、GaAs、GaAsxP1-x(大約x0.5)等材料，是作太陽能電池較好的材料，它們都可以通過合理的設(shè)計，來獲得轉(zhuǎn)換效率的最大值。 是什么原因影響實(shí)際太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高呢？主要是串聯(lián)電阻、雜質(zhì)分布、少子壽命及表面反射等因素。由于太陽能光譜分布能量的峰值在波

37、長為500nm的附近，在這種波長下硅的光吸收系數(shù)較大，達(dá)104cm-1，表明這部分光能在硅中透射深度很小，為了有效地轉(zhuǎn)換太陽能光譜中峰值波長附近的能量為電能，結(jié)型太陽能電池的表面擴(kuò)散層必須很薄，由于薄層電阻的存在，流過光電流時就存在一個串聯(lián)電阻RS，將消耗一部分電能，使實(shí)際轉(zhuǎn)換效率下降。同時，由于表面沾污及離子吸附等因素又形成一個與pn結(jié)并聯(lián)的結(jié)電阻Rsh。圖5示出了考慮到這些因素的太陽能電池的等效電路。圖4 太陽電池的最大的功率輸出 圖5 太陽電池的等效電路在負(fù)載電阻上的電壓為V，結(jié)上的電壓為（VIRS），（1）式變?yōu)椋海?2）于是得到：（13）利用此式對不同的RS、Rsh作圖于圖6。從圖中

38、看到Rsh即便小至100，對伏安特性的影響仍很小。說明太陽電池對于環(huán)境有良好的穩(wěn)定性。但串聯(lián)電阻RS的影響很大，隨RS的增大，圖中第四象限的光電特性由近似矩形向三角形過渡，即使RS很小也使圖形變化甚大，這就使得最大功率矩形面積減少。將圖中的結(jié)果列于表1，可以進(jìn)一步看出串聯(lián)電阻的影響。表1 RS對最大轉(zhuǎn)換效率的影響Rs（）0123.551020相對效率10.770.570.370.270.140.07為了減少擴(kuò)散層串聯(lián)電阻的影響，高效硅太陽能電池擴(kuò)散層的引線多采用如圖7所示的密柵線的圖形，細(xì)線條寬約（3050）m，每厘米（2030）條，可依硅片面積大小不同作兩條或多條稍寬的主柵線。柵線條寬不宜太

39、大，條數(shù)不宜太多，否則占去了光照面積，損失了入射功率。圖6串聯(lián)電阻RS對轉(zhuǎn)換效率的影響 圖7太陽電池的密柵結(jié)構(gòu)提高硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的另一個途徑是作濃度較低、具有漂移場的淺結(jié)擴(kuò)散層，要求擴(kuò)散層不存在所謂“死層”。實(shí)際的熱擴(kuò)散法引入的雜質(zhì)層往往容易形成如圖8中a線的分布，在接近表面處有一段雜質(zhì)分布較平，這就是所謂“死層”，在這里雜質(zhì)濃度較高，光生少子壽命低，容易在這一層中復(fù)合而“死”掉，光生少子對光電流沒有貢獻(xiàn)。高效太陽能電池的雜質(zhì)分布應(yīng)如圖8中的b線分布，沒有“死層”，在雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)都有少子漂移場，可以有效地使產(chǎn)生在表面層中的光生少子得到收集，有利于轉(zhuǎn)移效率的提高。圖8 熱擴(kuò)散法形成的雜質(zhì)分布

40、死層 圖9 半導(dǎo)體材料吸收系數(shù)隨波長的變化太陽能電池表面對光的反射也是影響轉(zhuǎn)移效率的重要原因，圖9、圖10分別給出了不同半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)隨波長的變化以及硅材料表面的反射系數(shù)隨波長的變化關(guān)系。硅在波長0.5m處，反射系數(shù)約為37%，當(dāng)波長為1m，反射系數(shù)逐漸變化到32%。為了減少反射損耗，表面須加抗反射膜。抗反射膜的厚度為光學(xué)波長的四分之一，其折射率為，n0為空氣的折射率，ns為半導(dǎo)體材料的折射率?？梢岳靡谎趸琛⒍趸?、氧化鉭等材料作抗反射膜。嚴(yán)格說來，抗反射作用只是對一種波長的光。但對其它的波長的光也有減反射的作用。好的抗反射層可使反射系數(shù)減小到5%以下。利用化學(xué)腐蝕的方法，對硅的表

41、面進(jìn)行腐蝕，由于晶體結(jié)構(gòu)中不同晶向的原子之間鍵合力大小不同，腐蝕速度不一樣，腐蝕后的表面是凸凹不平的，可在特殊的晶面，如（100）面，形成倒金字塔結(jié)構(gòu)，如圖11所示。當(dāng)光垂直入射到這樣的表面上時，會發(fā)生多次反射與吸收，達(dá)到對光充分吸收的目的。這樣的器件在比較寬的光譜范圍內(nèi)，反射系數(shù)可降到5%左右，構(gòu)成所謂無反射電池，即絨面電池，也俗稱“黑”電池。圖10 硅材料的表面反射系數(shù)與波長關(guān)系 圖11 化學(xué)腐蝕形成倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)由（3）式可知。Voc隨低摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的增加而上升，因此應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇電阻率較低的襯底材料。但由于隨電阻率下降，少子壽命與擴(kuò)散長度減小，使短路電流ISC減小，因而電阻率要優(yōu)

42、選一個最佳值。圖12（a）為硅太陽能電池峰值轉(zhuǎn)換效率與材料電阻率的關(guān)系。圖中10s、0.1s、1ns均為表面擴(kuò)散層少子的壽命值。從圖中計算結(jié)果看到，襯底材料電阻率選擇在（0.31）.cm較適當(dāng)。圖12（a）峰值轉(zhuǎn)換效率與電阻率的關(guān)系 （b）峰值轉(zhuǎn)換效率與基區(qū)厚度的關(guān)系圖12（a）中，相同壽命值中，效率較高的是n+pp+結(jié)構(gòu)的電池，效率較低的是n+p電池，兩者的差別緣于pp+高低結(jié)形成的漂移場，稱為背面反射場，簡稱背場，背場對在pp+結(jié)附近產(chǎn)生的光生少子有加速漂移運(yùn)動的作用，加速少子向勢壘區(qū)中運(yùn)動，以提高轉(zhuǎn)移效率。圖12（b）是背面反射場的有無對硅太陽能電池峰值效率影響的計算結(jié)果。襯底材料的厚度

43、對轉(zhuǎn)換效率也有一定的影響。隨厚度的增大，體電阻成為串聯(lián)電阻，影響效率。若厚度太小，不僅影響太陽能中波長較長的光的吸收，而且機(jī)械強(qiáng)度下降。基區(qū)厚度要有一個適當(dāng)?shù)闹?，基區(qū)厚度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響也表示在圖12（b）中。圖12的中計算中所用到的參數(shù)為；n+區(qū)的深度為0.25m，表面濃度1020cm-3，p區(qū)厚250m，p+區(qū)深度5m濃度1019cm-3，n+區(qū)少子壽命10s、0.1s、1ns，表面復(fù)合速度103cm/sec，抗反射膜厚度800埃（SiO），輻射條件為AM0。由于串聯(lián)電阻對轉(zhuǎn)換效率有極大的影響，歐姆接觸問題就成為太陽能電池的一個重要問題，也就是要制作接觸電阻盡可能小的歐姆接觸。當(dāng)前

44、的硅太陽能電池，表面層與背面多用多層結(jié)構(gòu)，如Ti-Pd-Ag，并進(jìn)行良好的合金化而制得。太陽能電池要獲得推廣應(yīng)用的重要問題在于降低成本，對于硅太陽電池來說就是要降低單晶硅的成本，簡化工藝，另一個重要方面就是開發(fā)非晶硅太陽電池，多晶薄膜電池、聚光電池等。以GaAs作材料的太陽電池有比硅太陽電池要高的轉(zhuǎn)換效率，因此GaAs太陽電池也成為一個重要的方面。GaAs的Eg大，能夠在更高的溫度下工作，因此，可以通過聚光GaAs電池在多太陽日下工作（如100個太陽光強(qiáng)度）。以上著重介紹了硅基太陽電池的工作原理和制作要點(diǎn)，近些年由于能源的緊缺，給包括太陽能在內(nèi)的可再生能源的利用注入了強(qiáng)大的動力，太陽電池制作的

45、技術(shù)水平不斷提高，新材料和新工藝不斷涌現(xiàn)，商品高效晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已超過20%，已見報道的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.7%。希望同學(xué)們注意不斷學(xué)習(xí)新知識，了解學(xué)科前沿。（三）光電器件pn結(jié)光生伏特效應(yīng)的另一個重要運(yùn)用是光電器件，即光傳感器，可用于光電探測。主要包括光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD）、光電三極管、達(dá)林頓結(jié)構(gòu)光電三極管等等。其基本結(jié)構(gòu)還是pn結(jié)，但對材料、制作工藝、參數(shù)指標(biāo)的要求與太陽電池是非常不同的，光電探測器的主要參數(shù)有光電流、暗電流、擊穿電壓、響應(yīng)度、光譜響應(yīng)曲線、響應(yīng)時間、線性度等等，前三個參數(shù)對每只管子都必須測量。1硅光電二極管(1)基本結(jié)構(gòu)pn結(jié)型光電二

46、極管與普通半導(dǎo)體二極管一樣，都具有一個pn結(jié)，引出兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦阅?。但是，由于光電二極管是光敏器件，因此，在外形和結(jié)構(gòu)方面有它自己的特點(diǎn)。首先，在外形方面，光電二極管的管殼上有一個能透射光線的窗口，以便光通過窗口而照射在管芯上，窗口上往往還鑲嵌著玻璃透鏡，見圖13。其次，在管芯方面，光電二極管的pn結(jié)面積做得較大，電極面積則作得較小，這樣可以增加受光面積。pn結(jié)的結(jié)深作得較淺（小于100nm），以提高光電轉(zhuǎn)換效率。為提高器件性能的穩(wěn)定性，Si光電二極管都采用硅平面工藝來制作，管芯表面生長一層二氧化硅保護(hù)層。（2）工作原理光電二極管的工作原理仍基于pn結(jié)光伏效應(yīng)

47、，這在前面已講過了。如果pn結(jié)的兩個外部電極之間是開路的，則可在兩電極之間測出開路電壓Voc，對Si光電二極管，Voc的值一般為0.450.6伏。如果pn結(jié)的兩個外部電極之間是短路的，則n區(qū)和p區(qū)中光生的電子和空穴將通過結(jié)的外電路流動，從而形成短路電流ISC，這是作為太陽能電池工作狀態(tài)時的主要參數(shù)。如果受光照的光電二極管上加有反向電壓，則管芯中那些光激發(fā)產(chǎn)生的載流子在內(nèi)、外兩個電場的共同作用下參與導(dǎo)電，從而形成電流。此電流也是反向電流，但比無光照射時pn結(jié)的反向電流大得多。通常，把光照下流過光電二極管的反向電流稱為管子的光電流；不受光照的pn結(jié)反向漏電流稱為暗電流。既然光電二極管的光電流是光生

48、載流子參與導(dǎo)電形成的，而光生載流子的數(shù)目又直接取決于光照強(qiáng)度，因此，光電流必定隨入射光的強(qiáng)度變化而改變。這就表明，加有反向電壓的光電二極管能夠把光信號變成光電流信號。（3）特性（a）電流-電壓特性圖14表示了光電二極管在不同工作模式下的電流電壓特性曲線，圖中實(shí)線表示完全沒有外部光線照射時的硅二極管的特性曲線。當(dāng)光從外部照射時，在pn結(jié)附近產(chǎn)生了電子和空穴，由各電極輸出電流或電壓，其特性如圖中虛線所示，也就是說，出現(xiàn)了反向電流。而所獲得的短路電流幾乎與光能成正比?，F(xiàn)設(shè)ISC為短路電流，Voc為開路電壓，圖14中太陽電池工作于第四象限，而加反向偏壓的光電二極管則工作于第三象限，這個曲線我們在半導(dǎo)體

49、管特性圖示儀上可以觀察到。圖13 光電器件的外形圖 圖14 光電二極管的電流電壓特性曲線(b)光譜響應(yīng)特性光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。光子能量的大小與光的波長有關(guān)。光的波長越長，它的光子所具有的能量就越小。對波長不同的入射光來說，只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光子才能激發(fā)出光生載流子。因此，光電二極管對光的響應(yīng)存在著最長的波長極限，此極限稱為長波限，其值可根據(jù)下式估算： （14）式中，為發(fā)光的峰值波長（nm）；Eg為禁帶寬度（eV）。在常溫下，Si材料的禁帶寬度Eg為1.12eV，GaAs材料的禁帶寬度約等于1.8eV。因此，Si光電二極管的長波限約為1100nm，而GaAs二極管的長

50、波限約為700nm。對于入射光而言，波長越短，能量越大。但是，對于光電二極管來說，由于入射光的波長越短，硅片表面的反射損失就越大，從而使實(shí)際被管芯吸收的能量越少。所以，光電二極管還存在著入射光的短波限，一般Si光電二極管的短波限約為400nm。Si光電二極管的光譜響應(yīng)曲線是一條平滑的曲線，在4001100nm的范圍內(nèi)，Si光電二極管對不同波長的入射光的光電響應(yīng)的靈敏度是不同的。最高響應(yīng)靈敏度所對應(yīng)的入射光波長稱為峰值波長，Si光電二極管的峰值波長約900nm。不同波長的入射光在硅材料中被吸收的情況是不同的（見圖9）。波長短的光容易被硅材料吸收，透入硅中的深度淺，波長長的光不容易被硅材料吸收，因

51、而透入深度深。通常，波長為9001100nm的入射光可透入硅材料中幾十微米；而波長為400500nm的入射光則只能透入零點(diǎn)幾微米。但是，入射光所產(chǎn)生的光生載流子只有能擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的那部分才有能成為光電流；如果光生載流子離勢壘區(qū)太遠(yuǎn)，則有可能在擴(kuò)散途中被復(fù)合掉，因而不會使光電流增加，這樣便降低了入射光的量子效率。因此，為了提高入射光的量子效率，應(yīng)使人射光盡量照射在pn結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)。為此，在制造硅光電二極管時，應(yīng)使pn結(jié)盡量靠近硅片表面，以便更充分地利用短波光來提高管子的短波響應(yīng)靈敏度。另外，選用高電阻率（大于500cm）的硅單晶來制造硅光電二極管的管芯，便可使管芯的勢壘區(qū)在加反向電壓后擴(kuò)展到幾十微

52、米，從而可以吸收長波光，提高管子響應(yīng)長波光的靈敏度。（c）暗電流ID在無光照的條件下，加有一定的反向工作電壓的光電二極管的反向漏電流，稱為光電二極管的暗電流，其值等于反向飽和電流、復(fù)合電流、表面漏電流和熱電流之和。管子的暗電流越小越好。暗電流小的管子，性能穩(wěn)定、噪音低、檢測弱信號的能力強(qiáng)。通常，pn結(jié)型光電二極管在50伏反向電壓下的暗電流小于100nA，pin結(jié)型和雪崩型光電二極管在15伏反向電壓下的暗電流小于10nA。光電二極管暗電流的大小與管芯的受光面積、所加電壓和環(huán)境溫度有關(guān)。管芯的受光面積大、所加電壓高和環(huán)境溫度高都會使暗電流增大。一般，環(huán)境溫度每升高3040，暗電流增大10倍。（d）

53、噪聲特性對微弱入射光的檢測能力取決于元件的噪聲特性。噪聲的種類有熱噪聲和由暗電流引起的散粒噪聲等，但在零偏壓工作時，僅有熱噪聲，即： （15）式中B表示噪聲帶寬。當(dāng)外加反向偏壓時，以散粒噪聲為主，其數(shù)值由下式表示，即： （16）式中的I表示光電流加暗電流。（e）響應(yīng)速度光電二極管的響應(yīng)特性，與pn結(jié)上電荷的積累以及積累的電荷通過電極傳到外部電路的速度有關(guān)，即用上升時間和下降時間來表示。一般地說，輸出信號從峰值的10%上升90%所需時間稱為上升時間，其數(shù)值可以用下式計算：tr=2.2Cj(RL+Rs) （17）但是，通常由于RLRS，所以可寫為：tr=2.2CJ.RL （18）式中，Cj為pn結(jié)

54、電容、RS為串聯(lián)電阻、RL為負(fù)載電阻。如果減少Cj或RL，就可以提高響應(yīng)速度。對于光電元件而言，為了減少Cj，就必須將受光面積（即結(jié)面積）減少，或有必要將反偏壓VR和硅基片的電阻率增大，其關(guān)系為： （19）（f）溫度特性光電二極管使用時的環(huán)境溫度對器件的靈敏度和暗電流有很大影響。位于價帶上的電子，由于溫度的影響而躍遷至導(dǎo)帶，因此暗電流均勻地增加。也就是說，溫度上升10，暗電流就會增加24倍，這是硅材料固有的性質(zhì)。2pin型硅光電二極管對于以高速響應(yīng)為目標(biāo)的光電二極管來說，為了減小pn結(jié)的電容，在p與n區(qū)之間設(shè)計一個i層的高阻抗層結(jié)構(gòu)，即在n型硅片上制作一層低椮雜的高阻層，即i層（本征層）在該層

55、上再形成p層。其工作原理：來自p層外側(cè)的入射光，主要由i層吸收，從而產(chǎn)生空穴和電子。使用元件時要外加反向偏壓，以使空穴朝p層移動，而電子朝n層移動，再由兩電極流到外電路。pin硅光電二極管正常工作時，外加反向偏壓使整個i層耗盡，i層有接近100%的量子效率，此外，比通常光電二極管寬得多的i層耗盡層，使得pin管有小得多的單位面積結(jié)電容，因此，pin管兼有靈敏度和響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn)。但由于i層的存在，pin型光電二極管的光譜靈敏度在短波方向減弱，使短波限紅移，使用于近紅外區(qū)域時最大靈敏度波長為lm。它可用于：電視攝像機(jī)等的遙控裝置、伺服跟蹤信號檢測器等。它的外形多作成半圓形的塑料透鏡，所以其受光方向

56、多數(shù)為圓形。還可設(shè)計一種紐扣形高可靠的pin型光電二極管，通過將其與紅色的LED相組合，可用于光通信方面。其峰值靈敏度波長為700nm的短波。pin型硅光電二極管允許功耗大，而暗電流小于1A，其響應(yīng)速度在0.1S以下，而兩端子間的電容量也小。3雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管的特點(diǎn)是高速響應(yīng)性和放大功能。雪崩光電二極管（APD）的基片材料可采用硅和鍺等材料。其結(jié)構(gòu)是在n型基片上制作p層，然后再配置上p+層。一般上部的電極作成環(huán)狀，這是考慮到能獲得穩(wěn)定的“雪崩”效應(yīng)。外來的光線通過薄的P+層，然后被P層吸收，從而產(chǎn)生了電子和空穴。由于在p層上存在著105V/cm的電場，因此位于價帶上的電子

57、被沖擊離子化后，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，電子和空穴不斷地產(chǎn)生。這樣一來，由一個光子產(chǎn)生的電子和空穴變成了M倍。如果反向擊穿電壓為VB，反向偏壓為V，則電子和空穴增加的倍數(shù) （20）式中n = 36。通常，可以在M為20300的范圍內(nèi)工作。工作時，穩(wěn)定的偏壓是非常必要的。這種元件可用作0.8m范圍的光纖通信的受光裝置和光磁盤的受光器件，能有效地處理微弱光線的問題。當(dāng)量子效率為68%以上時，可得到大于300MHz的高速響應(yīng)。工作電壓小于180V時，則暗電流僅為0.3nA。采用鍺的APD所使用的波長范圍接近于1m，由于它專用于光纖通信，所以其響應(yīng)速度高達(dá)600MHZ以上。偏壓在30V以下時，可獲得高于55

58、%的量子效率。暗電流很大，為0.5A左右。4硅光電三極管該元件與光電二極管不同，它具備三極管的放大功能。它的構(gòu)造是在n+型硅片上外延生長一層n型硅，它相當(dāng)于三極管的集電區(qū)。然后在n型硅上形成p層，作為基區(qū)。在該基區(qū)的一部分上再形成一個小的n+區(qū)來作為發(fā)射區(qū)?；鶇^(qū)比發(fā)射區(qū)大得多，這是為了讓外面的光充分照射在基區(qū)上。硅光電三極管工作時，要外加與一般三極管一樣的電壓，但是，由于光的輸入，在基極與集電極的p-n結(jié)附近產(chǎn)生了基極電流，使電注入的直流基極電流發(fā)生偏移。通常，多數(shù)使用的光電三管沒有基極，基極電流由光注入產(chǎn)生。也就是說，入射光在基極和集電極的pn結(jié)附近被吸收，形成電子和空穴，電子向集電極方向移

59、動。空穴向基極方向移動，形成了基極電流IbL。再由三極管的放大作用。使得IbL變成放大了倍的集電極電流。將前級光電三極管輸出的集電極電流，輸入到后級光電三極管的基極，得到達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的光電管，若每級光電三極管的放大倍數(shù)為，則這種元件的放大倍數(shù)為倍，所獲得終端集電極電流足以驅(qū)動繼電器等。達(dá)林頓式連接的光電三極管的入射光可以非常小，當(dāng)輸入光功率為0.1mW/cm2時，可獲得約2mA的集電極電流。所以達(dá)林頓管在使用時，要注意用限流電阻保護(hù)。第二部分 材料與器件性能表征 (36學(xué)時)實(shí)驗(yàn)要求通過完成以下九個實(shí)驗(yàn)，掌握半導(dǎo)體材料和器件性能的表征方法及基本的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。目 錄實(shí)驗(yàn)

60、一. 雙極型晶體管特性的測量與分析 實(shí)驗(yàn)二. 場效應(yīng)晶體管特性的測量與分析 實(shí)驗(yàn)三. 硅光電器件管芯特性的測量與分析 實(shí)驗(yàn)四. 硅材料電阻率及擴(kuò)散薄層電阻的測量 實(shí)驗(yàn)五. 硅光電池光照特性的測量與分析 實(shí)驗(yàn)六. 功率晶體管熱參數(shù)的測量 實(shí)驗(yàn)七. 硅光電器件光譜響應(yīng)特性的測量 實(shí)驗(yàn)八. 單晶體的激光定向及材料缺陷的顯示與觀察 實(shí)驗(yàn)九. 用橢偏儀測量透明介質(zhì)薄膜的厚度和折射率 實(shí) 驗(yàn) 卡 片 實(shí)驗(yàn)一 雙極型晶體管特性的測量與分析實(shí)驗(yàn)要求1弄清雙極型晶體管主要參數(shù)的物理意義和使用圖示儀的基本方法。2測試樣品為3AX31和3DG6，弄清這兩類器件的類型和引腳，任選一只按共發(fā)射極接法進(jìn)行測量。3測量該晶