太陽(yáng)電池基礎(chǔ)

太陽(yáng)電池基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)§1.太陽(yáng)電池發(fā)展史第2頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能太陽(yáng)是距離地球最近的恒星，直徑約1390000km,體積和質(zhì)量是地球的130萬(wàn)倍和33萬(wàn)倍。表面溫度約為5800K，主要由氫和氦組成。其中氫占80%，氦占19%。太陽(yáng)內(nèi)部處于高溫高壓狀態(tài)，不停進(jìn)行著熱核反應(yīng)，由氫聚變成氦，并將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。青藏高原是我國(guó)太陽(yáng)能資源最好的地區(qū)，而四川盆地云雨天氣多，太陽(yáng)能資源相對(duì)較差。第3頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能當(dāng)太陽(yáng)光照射到地球時(shí)，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，只有約70%的光線能到達(dá)地球表面。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層。第4頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池發(fā)展史太陽(yáng)能光伏發(fā)電最核心的器件——太陽(yáng)電池。從1839年法國(guó)科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏現(xiàn)象）算起，太陽(yáng)能電池已經(jīng)經(jīng)過(guò)了160多年的漫長(zhǎng)的發(fā)展歷史。從總的發(fā)展來(lái)看，基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步都起到了積極推進(jìn)的作用。對(duì)太陽(yáng)電池的實(shí)際應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用的是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室關(guān)于單晶硅太陽(yáng)電池的研制成功，在太陽(yáng)電池發(fā)展史上起到里程碑的作用。至今為止，太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理沒(méi)有發(fā)生改變。第5頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池發(fā)展史太陽(yáng)電池后來(lái)的發(fā)展主要是薄膜電池的研發(fā)，如非晶硅太陽(yáng)電池、CIS太陽(yáng)電池、CdTe太陽(yáng)電池和納米燃料敏化太陽(yáng)電池等，此外主要的是生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，如絲網(wǎng)印刷、多晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝的成功開(kāi)發(fā)，特別是氮化硅薄膜的減反射和鈍化技術(shù)的建立以及生產(chǎn)工藝的高度自動(dòng)化等。第6頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池發(fā)展史回顧歷史有利于了解光伏技術(shù)的發(fā)展歷程，按時(shí)間的發(fā)展順序，將于太陽(yáng)電池發(fā)展有關(guān)的歷史事件匯總?cè)缦拢?839年法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為光伏效應(yīng)。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效應(yīng)，并制作第一片硒太陽(yáng)能電池。1883年美國(guó)發(fā)明家CharlesFritts描述了第一塊硒太陽(yáng)能電池的原理。第7頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池發(fā)展史1904年Hallwachs發(fā)現(xiàn)銅與氧化亞銅（Cu/Cu2O）結(jié)合在一起具有光敏特性；德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)表關(guān)于光電效應(yīng)的論文。1918年波蘭科學(xué)家Czochralski發(fā)展生長(zhǎng)單晶硅的提拉法工藝。1921年德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦由于1904年提出的解釋光電效應(yīng)的理論獲得諾貝爾（Nobel）物理獎(jiǎng)。貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室研究人員D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson報(bào)道4.5%效率的單晶硅太陽(yáng)能電池的發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)月后效率達(dá)到6%。第8頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池發(fā)展史2000年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò)399MW；X.Wu，R.G.Dhere，D.S.Aibin等報(bào)道碲化鎘（CdTe）太陽(yáng)能電池效率達(dá)到16.4%；單晶硅太陽(yáng)能電池售價(jià)約為3USD/W。2002年世界太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量超過(guò)540MW；多晶硅太陽(yáng)能電池售價(jià)約為2.2USD/W。第9頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)計(jì)未來(lái)世界太陽(yáng)2020年太陽(yáng)能發(fā)電成本與化石能源成本相接近，德國(guó)可再生能源占20%。2030年太陽(yáng)能發(fā)電達(dá)到10%~20%；德國(guó)將關(guān)閉所有的核電站。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展第10頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月預(yù)計(jì)未來(lái)世界太陽(yáng)2050年世界太陽(yáng)能發(fā)電利用將占世界能源總能耗30%~50%份額。2100年以煤、石油、天然氣為代表的化石能源基本枯竭，人類主要利用太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等潔凈可再生能源。人類將充分利用太陽(yáng)能發(fā)電。能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展第11頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展史1958年我國(guó)開(kāi)始研制太陽(yáng)能電池。1959年中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制成功第一片具有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池。1971年3月在我國(guó)發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星——科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐一號(hào)上首次應(yīng)用由天津電源研究所研制的太陽(yáng)能電池。1979年我國(guó)開(kāi)始利用半導(dǎo)體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽(yáng)能電池。第12頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展史我國(guó)大陸包括正在建設(shè)的太陽(yáng)電池或太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)量可達(dá)10MW以上的廠家有很多，如：無(wú)錫尚德，保定天威英利，寧波太陽(yáng)能，南京中電光伏，上海太陽(yáng)能科技，云南天達(dá)和常州天合等。我國(guó)已成為世界重要的光伏工業(yè)基地之一，初步形成一個(gè)以光伏工業(yè)為源頭的高科技光伏產(chǎn)業(yè)鏈。隨著我國(guó)“可再生能源法”的實(shí)施，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電將得到快速發(fā)展。預(yù)計(jì)在3～5年內(nèi)我國(guó)在太陽(yáng)能光伏電池研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將形成一個(gè)世界級(jí)的產(chǎn)業(yè)基地，并將在國(guó)際太陽(yáng)能光伏工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要的地位。第13頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)電池分類晶體硅太陽(yáng)電池（包括單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池）非晶硅太陽(yáng)電池薄膜太陽(yáng)電池化合物太陽(yáng)電池有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池第14頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)§2.半導(dǎo)體材料與理論第15頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體定義固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為：導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。第16頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體種類按照成分可分為：有機(jī)半導(dǎo)體無(wú)機(jī)半導(dǎo)體（元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體）按照晶體結(jié)構(gòu)可分為：非晶體半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體（單晶、多晶）按照特性、功能可分為：微電子材料、光電子材料、傳感材料…….第17頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體種類

元素半導(dǎo)體共有12種，包括硅、鍺、硼、碳、灰錫、磷、灰砷、灰銻、硫、硒、碲、碘。其中只有硅、鍺和硒在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。第18頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶體概念簡(jiǎn)單立方晶格

面心立方晶格Au、Ag、Cu、Al…

體心立方晶格

Li、Na、K、Fe…六角密排晶格

Be，Mg，Zn，Cd…晶體：有規(guī)則對(duì)稱的幾何外形；

物理性質(zhì)(力、熱、電、光…)各向異性；有確定的熔點(diǎn)；

微觀上，分子、原子或離子呈有規(guī)則的周期性排列，形成空間點(diǎn)陣(晶格)。第19頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多晶結(jié)構(gòu)晶界第20頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單晶結(jié)構(gòu)第21頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅原子結(jié)構(gòu)+14284Si+4硅原子結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化模型

硅，一種四價(jià)的非金屬元素，在自然界分布極廣，地殼中約含27.6%，主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在。元素符號(hào)Si，相對(duì)原子量為28.08653，在元素周期表中的lVA族（第四主族），第三周期。第22頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月每個(gè)原子的價(jià)電子分別與相鄰的四個(gè)原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵，在空間形成排列有序的單晶體結(jié)構(gòu)純凈的單晶半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體第23頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月價(jià)電子（熱激發(fā)）自由電子-空穴對(duì)復(fù)合平衡本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體第24頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)在半導(dǎo)體中有兩種載流子這就是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電原理的本質(zhì)區(qū)別a.電阻率大(2)本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)b.導(dǎo)電性能隨溫度變化大帶正電的空穴帶負(fù)電的自由電子本征半導(dǎo)體不能在半導(dǎo)體器件中直接使用本征半導(dǎo)體第25頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在外電場(chǎng)作用下，電子的定向移動(dòng)形成電流++++++++--------第26頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在外電場(chǎng)作用下，空穴的定向移動(dòng)形成電流++++++++--------第27頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本征半導(dǎo)體缺點(diǎn)

1、電子濃度=空穴濃度；

2、載流子少，導(dǎo)電性差，溫度穩(wěn)定性差！不適宜制造半導(dǎo)體器件，通常要摻入一些雜質(zhì)來(lái)提高導(dǎo)電能力。本征半導(dǎo)體第28頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體(ImpuritySemiconductor)：在純凈的半導(dǎo)體中適當(dāng)摻入雜質(zhì)可提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制按導(dǎo)電機(jī)制，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為n型(電子導(dǎo)電)和p型(空穴導(dǎo)電)兩種。

第29頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiP圖中摻入的五價(jià)P原子在晶體中替代Si的位置，構(gòu)成與Si相同的四電子結(jié)構(gòu)，多出的一個(gè)電子在雜質(zhì)離子的電場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。第30頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體磷原子硅原子SiPSiSi多余電子第31頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體形成：本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)原子，如磷（P）。載流子：自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。簡(jiǎn)化圖

雜質(zhì)半導(dǎo)體第32頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雜質(zhì)半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素(如B、Ga、In等)形成空穴型半導(dǎo)體，也稱p型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSi+B圖中在硅晶體中摻入少量的硼，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相臨的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。第33頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體形成：本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)原子，如硼（B）等。載流子：空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。簡(jiǎn)化圖

（a）結(jié)構(gòu)示意圖圖1-5P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雜質(zhì)半導(dǎo)體第34頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾個(gè)基本概念：本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體自由電子、空穴多數(shù)載流子、少數(shù)載流子N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體無(wú)論是N型還是P型半導(dǎo)體都是電中性，對(duì)外不顯電性。雜質(zhì)半導(dǎo)體多子的濃度決定于摻雜原子的濃度少子的濃度決定于溫度第35頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)1、P-N結(jié)的形成在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,該區(qū)就成為p型半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體內(nèi)，由于摻雜的不同，使部分區(qū)域是n型，另一部分區(qū)域是p型，它們交界處的結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)(P-Njunction)。由于Ｎ區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)由np的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建場(chǎng)。第36頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度,不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作。第37頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)PN結(jié)的形成在交界面，由于兩種載流子的濃度差，出現(xiàn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。PN第38頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)PN結(jié)的形成在交界面，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)復(fù)合,出現(xiàn)空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)耗盡層PN第39頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)穩(wěn)定后，n區(qū)相對(duì)p區(qū)有電勢(shì)差U0(n比p高)。p-n結(jié)也稱勢(shì)壘區(qū)。

電子電勢(shì)能曲線U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線P-N結(jié)它阻止P區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向N區(qū)擴(kuò)散；也阻止N區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向P區(qū)擴(kuò)散。第40頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)PN結(jié)的形成PN結(jié)當(dāng)擴(kuò)散電流等于漂移電流時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，形成PN結(jié)。第41頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，由于N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，而P型區(qū)內(nèi)空穴很多電子很少，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別。這樣，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。于是，有一些電子要從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。它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子,N區(qū)一邊失去電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。半導(dǎo)體中的離子不能任意移動(dòng)，因此不參與導(dǎo)電。這些不能移動(dòng)的帶電粒子在P和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，就是所謂的PN結(jié)。文字總結(jié)：PN結(jié)的形成第42頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)擴(kuò)散越強(qiáng)，空間電荷區(qū)越寬。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)以后，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)就形成了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，其方向是從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。顯然，這個(gè)電場(chǎng)的方向與載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反它是阻止擴(kuò)散的。文字總結(jié)：PN結(jié)的形成第43頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)另一方面，這個(gè)電場(chǎng)將使N區(qū)的少數(shù)載流子空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)的少數(shù)載流子電子向N區(qū)漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。從N區(qū)漂移到P區(qū)的空穴補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)所失去的空穴，從P區(qū)漂移到N區(qū)的電子補(bǔ)充了原來(lái)交界面上N區(qū)所失去的電子，這就使空間電荷減少，因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄。當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，PN結(jié)便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移，阻止多子擴(kuò)散。最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。文字總結(jié)：PN結(jié)的形成第44頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月載流子濃度差復(fù)合內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子擴(kuò)散幫助少子漂移擴(kuò)散漂移動(dòng)態(tài)平衡內(nèi)電場(chǎng)多子擴(kuò)散產(chǎn)生空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)PN結(jié)穩(wěn)定PN結(jié)的形成過(guò)程PN結(jié)第45頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦杂捎趐-n結(jié)處阻擋層的存在，把電壓加到p-n結(jié)兩端時(shí)，阻擋層處的電勢(shì)差將發(fā)生變化。p型n型I(1)正向偏壓在p-n結(jié)的p端接電源正極，n端接負(fù)極，這叫對(duì)P-N結(jié)加正向偏壓(如圖)。此時(shí)與反向，阻擋層勢(shì)壘削弱、變窄，有利于空穴向n型區(qū)、電子向p型區(qū)移動(dòng)，即形成正向電流(mA級(jí))第46頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧与妷涸酱?，正向電流也越大，而且呈非線性的伏安特性。

V（伏）302010（毫安）正向00.21.0I第47頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦?2)負(fù)向偏壓在p-n結(jié)的p型一端接電源負(fù)極，另一端接正極，這叫對(duì)p-n結(jié)加反向偏壓。此時(shí)與同向，阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，不利于空穴向n型區(qū)、電子向p型區(qū)移動(dòng)。沒(méi)有正向電流。p型n型IE阻E外但是，由于少數(shù)載流子的存在，在外電場(chǎng)作用下，會(huì)形成很弱的反向電流，稱為漏電流(A級(jí))。第48頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大，這稱為反向擊穿。擊穿電壓V(伏)-10-20-30I（微安）反向-20-30由上可知，p-n結(jié)可以作成具有整流、開(kāi)關(guān)等作用的晶體二極管(diode)。

P-N結(jié)的反向擊穿

第49頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)加正向電壓是指P端加正電壓，N端加負(fù)電壓，也稱正向接法或正向偏置。第50頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)抵消內(nèi)電場(chǎng)的作用，使耗盡層變窄，形成較大的擴(kuò)散電流。第51頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用，使耗盡層變寬，形成很小的漂移電流。第52頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P-N結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的伏安特性

正向特性反向特性反向擊穿PN結(jié)的電流方程為其中，IS為反向飽和電流，UT≈26mV，第53頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1、摻雜特性摻入微量的雜質(zhì)（簡(jiǎn)稱摻雜）能顯著地改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。雜質(zhì)含量改變能引起載流子濃度變化，半導(dǎo)體材料電阻率隨之發(fā)生很大變化。在同一種材料中摻入不同類型的雜質(zhì)，可以得到不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料。第54頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性2、溫度特性溫度也能顯著改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度升高而迅速增加，即半導(dǎo)體的電阻率具有負(fù)的溫度系數(shù)，而金屬的電阻率具有正當(dāng)溫度系數(shù)，且其隨溫度的變化很慢。第55頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性3、環(huán)境特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨光照而發(fā)生變化（稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象）。此外半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還會(huì)隨所處環(huán)境的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力和氣氛的作用等而變化。第56頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用1、熱敏電阻根據(jù)半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而迅速下降的現(xiàn)象制成的半導(dǎo)體器件，稱為熱敏電阻(thermosensitiveresistance)。熱敏電阻有體積小，熱慣性小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制技術(shù)。第57頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用2、光敏電阻半導(dǎo)體硒，在照射光的頻率大于其紅限頻率時(shí)，它的電阻值有隨光強(qiáng)的增加而急劇減小的現(xiàn)象。利用這種特性制成的半導(dǎo)體器件稱為光敏電阻(photosensitiveresistance)。光敏電阻是自動(dòng)控制、遙感等技術(shù)中的一個(gè)重要元件。第58頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用3、溫差熱電偶把兩種不同材料的半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，并使兩個(gè)接頭具有不同的溫度，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差電動(dòng)勢(shì)，稱為半導(dǎo)體溫差熱電偶。溫度每差一度，溫差電動(dòng)勢(shì)能夠達(dá)到、甚至超過(guò)1毫伏。利用半導(dǎo)體溫差熱電偶可以制成溫度計(jì)，或小型發(fā)電機(jī)。第59頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用4、集成電路p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大功能的晶體三極管(trasistor)，以及其他各種晶體管。進(jìn)一步可將它們作成集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。第60頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用1947年12月23日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組，W.Shockley，J.Bardeen，W.Brattain做出了世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。固定針B探針固定針AGe晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。人類歷史上的第一個(gè)晶體管第61頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用人類歷史上的第一塊集成電路1958年9月TexasInstrumentsJackKilby2000年諾貝爾獎(jiǎng)第62頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用pnp電信號(hào)cbVebVcbRe~后來(lái)，晶體管又從點(diǎn)接觸型發(fā)展到面接觸型。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長(zhǎng)，很快成為第二代電子器件。第63頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用INMOST900微處理器每一個(gè)集成塊(圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分)約為手指甲大小，它有300多萬(wàn)個(gè)三極管

第64頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的特性應(yīng)用1971年制造的第一個(gè)單片機(jī)Intel4004，2300個(gè)晶體管10微米技術(shù),640bytes，108KHzPentiumIV5500萬(wàn)個(gè)晶體管0.13微米技術(shù)第65頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光生伏特效應(yīng)當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，形成PN結(jié)時(shí)，由于多數(shù)載流子的擴(kuò)散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個(gè)不斷增強(qiáng)的從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)。導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移。達(dá)到平衡后，擴(kuò)散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在PN結(jié)上，而且光能大于PN結(jié)的禁帶寬度，則在PN結(jié)附近將產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，產(chǎn)生的非平衡載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢(shì)（電壓），破壞了原來(lái)的平衡。如果將PN結(jié)與外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏特現(xiàn)象或光生伏特效應(yīng)。PN結(jié)第66頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光生伏特效應(yīng)當(dāng)光照射在p-n結(jié)上時(shí)，光子會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。e－+h+??°°pn+_光由光照射，使p-n結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱光生伏特效應(yīng)。利用太陽(yáng)光照射p-n結(jié)產(chǎn)生電池的裝置叫太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池應(yīng)用前景十分廣泛。第67頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的制備P38第68頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)§3.硅片的生產(chǎn)第69頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅材料

太陽(yáng)電池產(chǎn)品需要高純的原料，對(duì)于太陽(yáng)電池要求硅材料的純度約是99.99%～99.9999%。而對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)要求的純度還要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。硅材料是用二氧化硅(SiO2)作為生產(chǎn)原料，將其熔化并除去雜質(zhì)就可制取粗級(jí)硅，也稱冶金級(jí)硅、工業(yè)硅、金屬硅。第70頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅材料多晶硅按純度分類可以分為冶金級(jí)（工業(yè)硅）、太陽(yáng)能級(jí)、電子級(jí)。1、冶金級(jí)硅(MetallurgicalGrade,MG)：是硅的氧化物在電弧爐中被碳還原而成。一般含Si為90～99%。2、太陽(yáng)級(jí)硅(SolarGrade,SG)：純度介于冶金級(jí)硅與電子級(jí)硅之間，至今未有明確界定。一般認(rèn)為含Si在99.99～99.9999（4～6個(gè)9）3、電子級(jí)硅(ElectronicGrade,EG)：一般要求含Si>99.9999%以上，超高純達(dá)到99.9999999%～99.999999999%（9～11個(gè)9）。其導(dǎo)電性介于10-4～1010歐厘米。第71頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能級(jí)硅太陽(yáng)能級(jí)硅是電子級(jí)硅生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)品，按照質(zhì)量排序主要包括以下幾種：電子級(jí)硅的次級(jí)產(chǎn)品→等外品硅大塊料→小塊料→單晶硅錠頭尾料→廠內(nèi)循環(huán)返回料→堝底料→其它來(lái)源的硅料

雜質(zhì)含量：10～100ppm電阻率：0.5～1ohm-cm以上(B、P)(1)少子壽命(ms)(2)單位硅料消耗（克硅/瓦或噸硅/兆瓦）(3)太陽(yáng)電池組件總成本評(píng)價(jià)因素：第72頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能級(jí)硅

現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是不管是單晶還是多晶硅太陽(yáng)電池，都使用大尺寸、超薄的硅片。隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硅片的規(guī)格和質(zhì)量也提出更高的要求，適合微細(xì)加工的大直徑硅片在市場(chǎng)中的需求比例將日益加大。目前，硅片主流產(chǎn)品是200mm，逐漸向300mm過(guò)渡，研制水平達(dá)到400mm～450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。大尺寸：第73頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能級(jí)硅而厚度開(kāi)始從330m向240m、220m甚至可減少到100m以下。德國(guó)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所使用40m超薄硅片，制作的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到20%。這些技術(shù)的推廣使用將節(jié)省大量的硅材料，可明顯降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本，有利地促進(jìn)太陽(yáng)電池工業(yè)的發(fā)展。薄厚度：第74頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)能級(jí)硅雜質(zhì)：(1)周期表中III或V族元素，如硼（B）、磷（P）等電離能低，對(duì)電導(dǎo)率影響顯著，作摻雜劑P型摻硼（受主），N型摻磷（施主）(2)I副族和過(guò)渡金屬元素，如Fe、Zn、Mn、Cr等電離能高，起復(fù)合中心的作用破壞PN結(jié)特性，少子壽命降低，轉(zhuǎn)換效率下降(3)碳、氧、氮等元素形成化合物，結(jié)晶缺陷，性能不均勻，硅片變脆第75頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沙子變黃金晶體硅——沙子變黃金硅：遍地的沙子硅在地殼中的豐度為27.7%，在所有的元素中居第二位，但大部分以氧化物的形式存在。地殼中含量最多的元素氧和硅結(jié)合形成的二氧化硅SiO2，占地殼總質(zhì)量的87%。我國(guó)高氧化含量的石英和硅石藏量豐富，分布很廣，全國(guó)各地幾乎都發(fā)現(xiàn)有高品位的含氧化硅礦，SiO2的含量大都在99%以上。SiO2——硅材料的原料第76頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冶金硅冶金硅：耗費(fèi)能源的低級(jí)產(chǎn)品冶金級(jí)硅是工業(yè)提純的單質(zhì)硅，又稱金屬硅或工業(yè)硅，硅含量的純度約為98.5%-99.5%。、采用生產(chǎn)方法是將二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至2100°C左右，這時(shí)碳就會(huì)將硅還原出來(lái)。SiO2+2C=Si+2CO生產(chǎn)工藝化學(xué)反應(yīng)方程式：第77頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冶金硅冶金硅廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電子等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于鋁工業(yè)的金屬硅約占整個(gè)行業(yè)需求的60%左右，鋼鐵工業(yè)約為15%，有機(jī)硅行業(yè)約為20%，半導(dǎo)體及其他行業(yè)約為5%。在高溫下，SiO2與焦炭反應(yīng)，生成液相的硅沉入電弧爐底部，此時(shí)鐵作為催化劑可有效阻止碳化硅的形成。在電弧爐底部開(kāi)孔可將液相硅收集，凝固后可通過(guò)機(jī)械粉碎，得到冶金級(jí)硅粉。其中含有大量的金屬雜質(zhì)，如鐵、鎳、銅、鋅等。第78頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冶金硅冶金硅的附加產(chǎn)品包括硅微粉、邊皮硅、黑皮硅、金屬硅渣等。其中硅微粉也稱硅粉、微硅粉或硅灰，它廣泛應(yīng)用于耐火材料和混凝土行業(yè)。生產(chǎn)一噸冶金硅，需要消耗12,000～13,000度電，電力成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的60%。因此我國(guó)冶金硅產(chǎn)能主要集中在硅石資源非常豐富、水電充沛的貴州、云南、福建、廣西、四川、湖南等地區(qū)。全球冶金硅生產(chǎn)國(guó)主要有中國(guó)、巴西、挪威、美國(guó)、俄羅斯等，我國(guó)是全球最大的冶金硅生產(chǎn)國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)現(xiàn)在的冶金硅產(chǎn)能至少有150萬(wàn)噸，占全球冶金硅總產(chǎn)能的75%。第79頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冶金硅由于冶金硅行業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻很低，投資1臺(tái)6300KVA的硅爐只需要300～400萬(wàn)元，在2003～2004年間，各地紛紛開(kāi)始投資生產(chǎn)金屬硅，使得中國(guó)的金屬硅產(chǎn)能飛速增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致的結(jié)果是金屬硅價(jià)格長(zhǎng)期低迷，一直在1.0～1.5美元/公斤徘徊?？傮w而言，全球金屬硅的產(chǎn)能及價(jià)格并不能對(duì)目前全球緊缺的多晶硅生產(chǎn)構(gòu)成重大實(shí)質(zhì)性影響。

2005年中國(guó)產(chǎn)冶金硅5-5-3FOB價(jià)格曲線圖單位：美元/噸第80頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多晶硅多晶硅：全球電子工業(yè)及光伏產(chǎn)業(yè)的基石多晶硅是由工業(yè)硅粉氯化，采用物理化學(xué)方法提煉和特定條件下還原生產(chǎn)的新材料。多晶硅是單晶硅生產(chǎn)的基本原料，是現(xiàn)代微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料。目前，100%的集成電路（IntegratedCircuit,IC）及95％的太陽(yáng)能電池是硅制造的。第81頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多晶硅的提純多晶硅主要采用化學(xué)提純、物理提純兩種方法進(jìn)行生產(chǎn)?；瘜W(xué)提純法：物理提純法：西門(mén)子法（氣相沉淀反應(yīng)法）硅烷熱分解法流化床法區(qū)域熔化提純法（FZ）直拉單晶法（CZ）定向凝固多晶硅錠法（鑄造法）第82頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多晶硅的提純化學(xué)提純是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將硅轉(zhuǎn)化為中間化合物，再利用精餾提純等技術(shù)提純中間化合物，使之達(dá)到高純度；然后再將中間化合物還原成硅，此時(shí)的高純硅為多晶狀態(tài)，可以達(dá)到半導(dǎo)體工業(yè)的要求。其共同特點(diǎn)是：中間化合物容易提純。第83頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)西門(mén)子法

德國(guó)西門(mén)子公司于1954年發(fā)明，也叫三氯氫硅氫還原法，是廣泛采用的高純多晶硅制備技術(shù)。它主要利用金屬硅和氯化氫反應(yīng)，生成中間化合物三氯氫硅

Si+3HCl=SiHCl3+H2反應(yīng)除生成三氯氫硅外，還有其它雜質(zhì)，需要精餾化學(xué)提純。第84頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)

將置于反應(yīng)室的原始高純多晶硅細(xì)棒（直徑約5mm）通電加熱到1100攝氏度以上，通入中間化合物三氯氫硅和高純氫氣，發(fā)生還原反應(yīng)，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生成新的高純硅沉積在硅棒上，使硅棒不斷長(zhǎng)大，直到硅棒直徑達(dá)到150-200mm。

SiHCl3+H2=Si+3HCl國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的多晶硅廠絕大部分采用此法生產(chǎn)電子級(jí)與太陽(yáng)能級(jí)多晶硅。第85頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)硅烷熱分解法

優(yōu)點(diǎn)：硅烷容易提純；硅烷分解直接生成多晶硅，不需要 還原反應(yīng)，且分解溫度低。缺點(diǎn)：綜合生產(chǎn)成本高。第86頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)制備硅烷的方法：1、硅化鎂在液氨中與氯化銨反應(yīng)來(lái)制取硅烷。此時(shí)液氨既是溶劑又是催化劑。

Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2

(-30℃、液氨中)日本小松電子公司發(fā)明，美國(guó)Asimi和SGS公司也有應(yīng)用。第87頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)2、利用四氯化硅和金屬硅反應(yīng)生成三氯氫硅，然后三氯氫硅歧化反應(yīng)，生成二氯氫硅，最后二氯氫硅催化歧化反應(yīng)生成硅烷。3SiCl4+2H2+

Si=4SiHCl3

2SiHCl3=

SiH2Cl2+

SiCl4

SiH2Cl2=

SiH4+

SiHCl3

此技術(shù)由美國(guó)聯(lián)合碳化物公司（UnionCarbide）提出。第88頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高純多晶硅的生產(chǎn)

以上兩種方法制得的硅烷可以利用精餾技術(shù)提純，然后通過(guò)反應(yīng)室，細(xì)小的多晶硅硅棒通電加熱到850℃以上，硅烷分解，生成的多晶硅沉積在硅棒上，化學(xué)反應(yīng)為：

SiH4=

Si

+

2H2

第89頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)熔單晶硅區(qū)域熔化提純法（FZ）的最大優(yōu)點(diǎn)在于：純度高、電學(xué)性能均勻、污染小、純度高、轉(zhuǎn)換效率高。與傳統(tǒng)方法相比，對(duì)能源（電力）的消耗將減少60%以上；最大的缺點(diǎn)在于：成本高、價(jià)格昂貴、直徑小、機(jī)械加工性差。第90頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)熔單晶硅制備過(guò)程：首先以高純多晶硅為原料，制成棒狀，并將多晶硅垂直固定；在多晶硅棒的下端放置具有一定晶向的單晶硅，作為單晶生長(zhǎng)的籽晶。然后在真空或氬氣等惰性氣體保護(hù)下，利用高頻感應(yīng)線圈加熱多晶硅棒，使多晶硅棒的部分區(qū)域形成熔區(qū)，并依靠熔區(qū)的表面張力保持平衡和晶體的順利生長(zhǎng)。第91頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)熔單晶硅

晶體生長(zhǎng)首先從多晶硅棒和籽晶的結(jié)合處開(kāi)始，多晶硅棒和籽晶以一定的速度做相反方向的運(yùn)動(dòng)，熔區(qū)從下端沿多晶硅棒緩慢向上端移動(dòng)，使多晶硅逐步轉(zhuǎn)變成單晶硅。第92頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴管熔區(qū)供料棒(多晶硅)高頻感應(yīng)線圈單晶硅摻雜氣體和載體區(qū)熔單晶硅生產(chǎn)示意圖第93頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月區(qū)熔單晶硅懸浮區(qū)熔法生長(zhǎng)硅單晶時(shí)，必須得到一個(gè)穩(wěn)定的熔區(qū)。硅正具備相應(yīng)的特性：熔硅的表面張力大、熔體密度小，與鍺比較，它能更容易得到穩(wěn)定的懸浮熔區(qū)。在實(shí)際生產(chǎn)中，硅區(qū)熔單晶系統(tǒng)常使用高頻加熱，還有一項(xiàng)電磁場(chǎng)的作用力叫磁懸浮力，它與表面張力一樣，對(duì)熔區(qū)起托浮作用，結(jié)果使熔區(qū)的穩(wěn)定性增大很多區(qū)熔單晶硅的原料是化學(xué)氣相沉積的高純多晶硅棒。在單晶體生長(zhǎng)前，用金剛石機(jī)械滾磨的方法將直徑控制在一定尺寸，然后進(jìn)行化學(xué)腐蝕，去除表面的機(jī)械損傷和可能的金屬污染，使表面光亮，并達(dá)到區(qū)熔單晶硅所要求的直徑。第94頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高頻感應(yīng)加熱電磁感應(yīng)原理

1831年，英國(guó)物理學(xué)家faraday發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且提出了相應(yīng)的理論解釋。其內(nèi)容為，當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，如果閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。高頻感應(yīng)加熱，是將工頻（50HZ）交流電轉(zhuǎn)換成頻率一般為1KHZ至上百KHZ，甚至頻率更高的交流電，利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電感線圈轉(zhuǎn)換成相同頻率的磁場(chǎng)后，作用于處在該磁場(chǎng)中的金屬體上。利用渦流效應(yīng)，在金屬物體中生成與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的感生旋轉(zhuǎn)電流（即渦流）。由旋轉(zhuǎn)電流借助金屬物體內(nèi)的電阻，將其轉(zhuǎn)換成熱能。第95頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高頻感應(yīng)加熱在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象。

導(dǎo)體的外周長(zhǎng)越長(zhǎng)，交變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大。第96頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面張力表面張力：液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。

第97頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

用分子力解釋：

液體的內(nèi)聚力是形成表面張力的原因。在液體內(nèi)部，每個(gè)分子都在每個(gè)方向都受到鄰近分子的吸引力（也包括排斥力），因此，液體內(nèi)部分子受到的分子力合力為零。然而，在液體與氣體的分界面上的液體分子在各個(gè)方向受到的引力是不均衡的（見(jiàn)圖），造成表面層中的分子受到指向液體內(nèi)部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液體內(nèi)部。因此，液體會(huì)有縮小液面面積的趨勢(shì)，在宏觀上的表現(xiàn)即為表面張力現(xiàn)象。它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性的薄膜一樣。表面張力第98頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直拉單晶硅直拉法（CZ)也有叫“提拉法”直拉法生長(zhǎng)晶體的技術(shù)是由波蘭的J.Czochralski在1917年發(fā)明的，所以又稱為切氏法(CZ)。1950年Teal等將該技術(shù)用于生長(zhǎng)半導(dǎo)體鍺單晶，然后他又利用這種方法生長(zhǎng)直拉單晶硅，在此基礎(chǔ)上，Dash提出了直拉單晶硅生長(zhǎng)的“縮頸”技術(shù)，G.Ziegler提出了快速引頸生長(zhǎng)細(xì)頸的技術(shù)，構(gòu)成了現(xiàn)代制備大直徑無(wú)位錯(cuò)直拉單晶硅的基本方法。目前，單晶硅的直拉法生長(zhǎng)已是單晶硅制備的主要技術(shù)，也是太陽(yáng)電池用單晶硅的主要制備方法。第99頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直拉單晶硅直拉單晶硅生產(chǎn)示意圖直拉單晶爐的最外層是保溫層，里面是石墨加熱器；在爐內(nèi)下部有一石墨托，固定在支架上，可以上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，在石墨托上放置圓柱形的石墨坩堝，在石墨坩堝中置有石英坩堝，在坩堝上方懸空放置籽晶軸，同樣可以自由上下移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。所有的石墨件和石英件都是高純材料，以防止對(duì)單晶硅的污染。第100頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直拉單晶硅p87位錯(cuò)p133第101頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅片加工p98第102頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)§4.太陽(yáng)電池工藝第103頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工藝流程清洗制絨（超聲波清洗→減薄→噴淋→絨面）→（噴淋→酸洗→噴淋→漂洗→噴淋→甩干）→擴(kuò)散（合片→擴(kuò)散→卸片）

→刻蝕（疊片→上夾具→刻蝕→插片)→洗磷（去磷硅玻璃→噴淋→甩干）→PECVD→絲網(wǎng)印刷[絲印1（背極）→絲印2（背場(chǎng)）→絲印3（柵極）]→燒結(jié)（試燒→批量燒結(jié)）第104頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超聲波清洗機(jī)械切片以后會(huì)在硅片表面形成10—40微米的損傷層，且表面有油脂、松香、石蠟、金屬離子等雜質(zhì)。工藝目的；主要是去除油脂、松香、石蠟等雜質(zhì)。工藝原理；超聲振動(dòng)使油珠滾落，物理去油。條件；去離子水一定量，溫度60—90℃，時(shí)間10—40min。第105頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超聲波清洗機(jī)設(shè)備要求：穩(wěn)定性好，精確度高（溫度、時(shí)間），操作方便（換水方便）。第106頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月減薄工藝目的；去除表面損傷層和部分雜質(zhì)。工藝原理；利用硅在濃NaOH溶液中的各向同性腐蝕除去損傷層。

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑工藝條件；生產(chǎn)常用NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右，溫度85±5℃，時(shí)間0.2—3min

具體據(jù)原始硅片的厚度和表面損傷情況而定。第107頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絨面目的；制作絨面，減少反射，提升硅片對(duì)光吸收效率。原理；利用Si在稀NaOH溶液中的各向異性腐蝕，在硅片表面形成無(wú)數(shù)個(gè)3—6微米的金字塔結(jié)構(gòu)，這樣光照在硅片表面便會(huì)經(jīng)過(guò)多次反射和折射，增加了對(duì)光的吸收。條件；生產(chǎn)常用NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%左右，Na2SiO31.5%—2%，乙醇或異丙醇每次約加200—400ml(50L混合液）。溫度85±5℃,時(shí)間15—45min，具體工藝據(jù)硅片種類、減薄后厚度和上次生產(chǎn)情況而定。質(zhì)量目標(biāo)：絨面后硅片表面顏色深灰無(wú)亮點(diǎn)、均勻、氣泡印小，無(wú)籃腳印、白花等現(xiàn)象。400倍顯微鏡下大小符合標(biāo)準(zhǔn)，倒金字塔結(jié)構(gòu)均勻。第108頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月酸洗目的；去除硅片表面金屬離子和絨面后的殘留藥液，原理；主要利用的是酸堿中和反應(yīng)。條件；10%鹽酸，時(shí)間10min第109頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漂洗目的；去除氧化層（SiO2）。原理；SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O條件；HF溶液8%—10%，時(shí)間10min。清洗工藝每個(gè)小環(huán)節(jié)之后，均需用去離子水將硅片沖洗干凈，以免殘留藥液影響倒下個(gè)小環(huán)節(jié)的正常進(jìn)行。去離子水是指純水，指的是將水中的強(qiáng)電解質(zhì)去除并且將弱電解質(zhì)去除到一定程度的水。其電阻率越大，電導(dǎo)率約小則級(jí)別越高。第110頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月清洗機(jī)設(shè)備要求：穩(wěn)定性好，精確度高，密閉性能好，有抽風(fēng)裝置，便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單安全。第111頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月烘干目的：烘干。原理：熱吹風(fēng)（~75℃）去除硅片表面殘留的水。第112頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散目的；形成PN結(jié)。原理；（POCL3液態(tài)源高溫?cái)U(kuò)散），POCL3在高溫下經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)生成單質(zhì)P，P在高溫下擴(kuò)散進(jìn)入硅片表面，與本已經(jīng)摻B的硅形成PN結(jié)。

4POCl3+3O2→2P2O5+6Cl2

2P2O5+5Si→5SiO2+4P

第113頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散爐設(shè)備要求：精確度高可準(zhǔn)確控制反應(yīng)管的實(shí)際工藝溫度和氣流量。用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作、高精度、高穩(wěn)定性、自動(dòng)控制。第114頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月48所三管擴(kuò)散爐第115頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕目的；去除周邊短路環(huán)。原理：在輝光放電條件下，CF4和O2生成等離子體，交替對(duì)周邊作用，使周邊電阻增大。

CF4→C4++4F-O2→2O2-

F+Si→SiF4SiF4揮發(fā)性高，隨即被抽走。工藝條件：CF4︰O2=10︰1

板流：0.35—0.4A

板壓：1.5—2KV

壓強(qiáng)：80—120Pa

刻蝕時(shí)間：10—16min質(zhì)量目標(biāo);刻邊電阻大于5KΩ，刻邊寬度1—2mm間。第116頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕過(guò)程的主要反應(yīng)

放電過(guò)程e-+CF4→CF3++F+2e

e-+CF4→CF3+F+e-e-+CF3→CF2+F+e-O2+e-→2O+e-

腐蝕過(guò)程Si+4F→SiF4↑3Si+4CF3→4C+3SiF4↑2C+3O→CO↑+CO2↑第117頁(yè)，課件共133頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月等離子體刻蝕機(jī)設(shè)備要求：工藝重復(fù)性好，刻蝕速度快、均勻性好。密封性能好、操作安全第118頁(yè)，課件共