模塊三　擴(kuò)散制結(jié)

3.1擴(kuò)散制結(jié)原理3.1.1摻雜與p-n結(jié)的形成（1）摻雜摻雜是把雜質(zhì)引入半導(dǎo)體硅材料的晶體結(jié)構(gòu)中，以改變它的電學(xué)性能（如電阻率）的一種方法。ⅢA族和ⅤA族的一些元素可以作為硅片制造過程中的雜質(zhì)進(jìn)行引入，最常見的受主雜質(zhì)有硼、鋁、鎵、銦，而常見的施主雜質(zhì)有氮、磷、砷、銻（表3-1）。表3-1常用雜質(zhì)種類（2）p-n結(jié)的形成太陽電池的心臟是一個(gè)p-n結(jié)。制作太陽電池的硅片是P型的，也就是說在制造硅片時(shí)，已經(jīng)摻進(jìn)了一定量的硼（B）元素，使之成為P型的硅片。硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共價(jià)鍵連接在一起，硅原子的4個(gè)價(jià)電子和它相鄰的4個(gè)原子組成4對(duì)共有電子對(duì)。這種共有電子對(duì)，稱為“共價(jià)鍵”。硅片摻進(jìn)硼后，由于硼原子的最外層有3個(gè)價(jià)電子，必有一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，稱這個(gè)空位叫“空穴”。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體，稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。同樣，磷（P）原子的最外層有5個(gè)價(jià)電子，只有4個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不在價(jià)鍵上，成為自由電子。摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子。這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體，為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。如果把這種P型硅片放在一個(gè)石英爐管內(nèi)，加熱到一定溫度，并引入含磷的化合物在硅片表面分解出磷，覆蓋在硅片的表面，并向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散。在有磷滲透的一面就形成了N型，在沒有滲透的一面是原始P型的，硅片內(nèi)部就形成了所要的p-n結(jié)。這就是所說的擴(kuò)散。擴(kuò)散的目的是制作p-n結(jié)（圖3-1）。圖3-1p-n結(jié)

3.1.2擴(kuò)散的基本原理

02NR02030014擴(kuò)散制結(jié)原理.ppt

擴(kuò)散是物質(zhì)的一個(gè)基本性質(zhì)，描述了一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的情況。擴(kuò)散分為三種，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。原子、分子和離子的布朗運(yùn)動(dòng)，造成由濃度高的地方向濃度低的地方進(jìn)行擴(kuò)散。雜質(zhì)也能夠在硅晶格中擴(kuò)散，并穿過硅晶格。

晶體硅太陽電池制造采用了高溫化學(xué)熱擴(kuò)散的方式。熱擴(kuò)散利用高溫驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)穿過硅的晶格結(jié)構(gòu)，這種方法受到時(shí)間和溫度的影響。需要3個(gè)步驟：預(yù)淀積、推進(jìn)和激活。

（1）預(yù)淀積

預(yù)淀積為整個(gè)擴(kuò)散過程建立了濃度梯度，硅片表面的雜質(zhì)濃度最高，隨著深度增加雜質(zhì)濃度逐漸降低，從而形成了濃度梯度，這個(gè)梯度可以通過四探針法測(cè)量硅片剖面的電阻率數(shù)值進(jìn)行繪制。Fick定律用數(shù)學(xué)的方法描述了擴(kuò)散過程：穿過一個(gè)截面的粒子數(shù)與濃度梯度成正比。用Fick定律能夠預(yù)測(cè)與硅片表面距離為x處的雜質(zhì)濃度。

預(yù)淀積的過程是，將硅片放置于高溫?cái)U(kuò)散爐內(nèi)，雜質(zhì)原子在高溫環(huán)境下從源轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散爐內(nèi)，并進(jìn)入到硅片表面上很薄的一層，其表面濃度是恒定的。需要注意的是，為了防止雜質(zhì)原子從硅中擴(kuò)散出去，在硅表面上應(yīng)生長(zhǎng)一薄層氧化物（稱為掩蔽氧化層）。

（2）推進(jìn)

熱擴(kuò)散的第二個(gè)步驟是推進(jìn)。推進(jìn)是高溫過程（推進(jìn)溫度通常高于預(yù)淀積溫度），用以使淀積的雜質(zhì)穿過硅晶體，在硅片中形成期望的結(jié)深。這個(gè)過程不會(huì)向硅片中增加雜質(zhì)總量，在高溫環(huán)境下形成的氧化物層會(huì)影響推進(jìn)過程中雜質(zhì)向硅片體內(nèi)的擴(kuò)散：一些雜質(zhì)（如硼）趨向于進(jìn)入氧化物層，而另一些雜質(zhì)（如磷）則會(huì)被退離氧化物（SiO2）層。這種由硅表面氧化引起的雜質(zhì)濃度改變，被稱為雜質(zhì)的再分布。

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（3）激活

熱擴(kuò)散的第三個(gè)步驟是激活。這時(shí)的溫度要再稍微升高一點(diǎn)，使雜質(zhì)原子與晶格中的硅原子鍵合。這個(gè)過程激活了雜質(zhì)原子，改變了硅的電導(dǎo)率。

硅中雜質(zhì)濃度隨著深度而變化，其曲線如圖3-2所示。其中，相關(guān)參數(shù)的定義有3個(gè)，分別為：

①雜質(zhì)的剖面分布，硅中雜質(zhì)濃度與深度的關(guān)系；

②