1、11半导体课程设计报告 设 计 题 目 氧化锌基理想突变 pn 结的设计与性能分析 专业班级 12 应用物理 姓名 学号 指 导 教 师 完 成 时 间 2015.6.25 2015 年 6 月 25 日摘要：氧化锌是一种直接带隙的半导体材料，室温下的半导体禁带宽度是 3.37eV，并且具有高达 60meV 的激子束缚能，在发光二极管，探测器，光催化等诸多领域有广阔22的应用前景。Pn 结太阳能电池结构的核心组成部分，因此，设计构造一个具有优良性能的 pn 结对太阳能电池的伏安特性，转换效率具有极为重要的意义。在单晶硅太阳能电池中，看其发展历程，太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应用
2、和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数是其重要参数，在有确定的太阳能光照夏才具有重要的参考意义。如果测试光源的特性和太阳光偏差大，则测得的数据不能反映其真实的情况。由于真实环境下复杂的多，太阳的光照强度变化区间大，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。应用背景关键词：太阳能电池，pn 结，氧化锌，伏安特性，突变，载流子浓度在当前社会处于经济科技和生产能力高速发展的时期，人类生活水平和生产力快速发展，由此带来的结果还有能耗剧增，能源出现短缺，环境污染严重，气候出现极端变化。当前最主要的
3、能源是化石能源，来自于地球数亿年的生物储存，这些能源短期内是无法再生的，而且化石燃料燃烧会产生很多废气，比如 CO2、SO2 以及大量粉尘，同时也引起了温室效应，严重危害了社会发展1。为了能够可持续发展，人们必须改变能源消耗方式，开发新能源。我国第十二个五年规划纲要中指出，要“调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系”2。 风能、潮汐能、核能、太阳能、地热能、生物能和水能等现在能够为人们使用的新能源，相对于其他几种能源，太阳能因其具有易获取，可再生，无污染，清洁，绿色，安全，已经成为新能源的重中之重，很多国家以及机构都十分重视太阳能的获取开发，相继开展实行“阳光计划”。光
4、伏能源以其具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，被认为是二十一世纪最重要的新能源。一 半导体n 型半导体n 型半导体；“n”表示负电的意思，在这类半导体中，参与导电的主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的“施主”杂质。所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的五价元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质。如果在某一半导体的杂质总量中，施主杂质的数量占多数，则这种半导33体就是 n 型半导体。如果在硅单晶中掺入五价元素砷、磷。则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后，磷外层的五个电子中，四个电
5、子组成共价键，多出的一个电子受原子核束缚很小，因此很容易成为自由电子。所以这种半导体中，电子载流子的数目很多，主要靠电子导电，叫做电子半导体，简称 n 型半导体。p 型半导体p 型半导体；“p”表示正电的意思。在这种半导体中，参与导电的主要是带正电的空穴，这些空穴来自于半导体中的“受主”杂质。所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半导体中的价电子，产生同数量的空穴，从而改变了半导体的导电性能。例如，半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主。如果某一半导体的杂质总量中，受主杂质的数量占多数，则这半导体是 p 型半导体。如果在单晶硅上掺入三价硼原子，则硼原子与硅原子组成共价键。由于硼原子数目比硅
6、原子要少很多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替。 硼是三价元素，外层只有三个价电子，所以当它与硅原子组成共价键时，就自然形成了一个空穴。这样，掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体内几乎没有自由电子，主要 靠空穴导电，所以叫做空穴半导体，简称 p 型半导体。pn 结在一块半导体中，掺入施主杂质，使其中一部分成为 n 型半导体。其余部分掺入受主杂质而成为 p 型半导体，当 p 型半导体和 n 型半导体这两个区域共处一体时，这两个区域之间的交界层就是 p-n 结。p-n 结很薄，结中电子和和空穴都很少，但在靠近
7、n 型一边有带正电荷的离子，靠近 p 型一边有带负电荷的离子。这是因为，在 p 型区中空穴的浓度大，在 n 型区中电子的浓度大，所以把它们结合在一起时，在它们交界的地方便要发生电子和空穴的扩散运动。由于 p 区有大量可以移动的空穴，n 区几乎没有空穴，空穴就要由 p 区向 n 区扩散。同样 n 区有大量的自由电子，p 区几乎没有电子，所以电子就要由n 区向 p 区扩散。随着扩散的进行，p 区空穴减少，出现了一层带负电的粒子区；n 区电子减少，出现了一层带正电的粒子区。结果在 pn 结的边界附近形成了一个空间电荷区，p 型区一边带负电荷的离子，n 型区一边带正电荷的离子，因而在结中形成了很强的局
8、部电场，方向由 n 区指向 p 区。当结上加正向电压（即 p 区加电源正极，n 区加电源负极）时，这电场减弱，n 区中的电子和 p 区中的空穴都容易通过，因而电流较大；当外加电压相反时，则这电场增强，只有原 n 区中的少数空穴和 p 区中的少数电子能够通过，因44而电流很小。因此 pn 结具有整流作用。当具有 pn 结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p 区的电子移到 n 区，n 区的空穴移到 p区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。这现象称为 pn 结的光生伏特效应。其会产生电场如下图示：图 1PN 结中存在着两种载流子的运动。一种是多子克服电场的阻力
9、的扩散运动；另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动。因此，只有当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定。由于两种运动产生的电流方向相反，因而在无外电场或其他因素激励时，PN 结中无宏观电流。二 参数说明表一 氧化锌半导体材料的性质 性质 符号 氧化锌本征载流子浓度（cm -3） ni 1016杂质电离能（eV） Ed 0.044迁移率 电子cm2/(v*s) 空穴JnJp200550禁带宽度 Eg 3.37eV束缚激子 60meV空间群 P6ymc介电常数 e 8.65655表二 物理常数名称 数值波尔兹曼常数 k0 1.380*10-23J/K电子伏特
10、eV 1.602*10-19J普朗克常量 h 6.625*10-34Js电子静止质量 9.108*10-31kg室温（300K）的 k0T 值 0.026eV热力学零温度 0K -273.16Co三 性能指标分析1.pn 结中载流子的分布. 取 p 区电势为 0，则势垒区中的一点 x 的电势为正值。越接近 n 区的点，其电势越高，到势垒区边界 xn 处的 n 区电势最高为 VD，如图示，x n 与 xp 分别为 n 区和 p 区的势垒边界。对电子而言，相应的 p 区比 n 区的电势能 E(xn)=Ecn=-qVD。势垒区点 x 处的电势能为 E(x)=-qV(x),比 n 区的高 qVD-qV
11、D（x） 。 P 区少子电子浓度：n(x)=nn0 exp(qV(x)-qVD)/k0T同理，x 点处空穴的浓度：P(x)=pn0 exp(qVD-qV(x)/k0Tq电子电荷nn0电子密度pn0 空穴密度k0波耳兹曼常数66T温度VD电势图 2 电势 图 3 电势能一般室温下，对于大部分势垒区，其杂质虽然都已电离，但载流子比起 n 区和 p 区的来少的多，好像已经耗尽。也称势垒区的耗尽层，载流子浓度小，可忽略，空间中电荷密度就等于电离杂质浓度。2.pn 结的电压特性正向偏压时, 注入势垒区的载流子有一部分形成复合电流, 其大小与 exp ( qV/ 2kT ) 成正比, 总电流密度为扩散电流
12、密度与复合电流密度之和。对于硅, 在较低正向偏压下, 复合电流占主要地位, 因而总电流大于理想条件下的电流, 正向偏压较高时, 复合电流可以忽略。正向电流很大时, 器件体电阻及电极接触电阻上的压降不可忽略, 这样, 加在 P-N 结势垒区的电压就减小了, 正向电流增加就比较缓慢, 在体电阻及电极接触电阻上的压降占主要地位时, 电流电压关系便成为由电阻决定的线性关系。77图 4 反向偏压 图 5 正向偏压反向偏压时, 势垒区电场增强, 通过复合中心产生的电子空穴对在复合之前被强电场驱走, 使得载流子产生率大于复合率, 形成产生电流。J G= qGX D 这个电流与势垒宽度 X D 成正比, G
13、为净产生率 1 随着反向偏压的增加, 势垒宽度增大, 所以反向电流不饱和, 随反向偏压增大而增大 1 基于上面的考虑, 可以建立实际 P-N 结的一个等效电路模型, 如图 1, R sh 为考虑到载流子的产生与复合电流而增加的一个并联电阻; Rs 为 P-N 结体电阻及电极接触电阻的等效串联电阻; Csh 为 P-N 结的结电 ,理想情况下, Rsh 阻值为无穷大, Rs 阻值为零, Csh 为零, 在直流偏压下, 电容效应可以忽略 1 在外电压 V 作用下, 由图 1 可以得出等效电路的电流电压关系J= J D+(V- JR s)/ R sh式中, J D 为通过理想 P-N 结势垒区的电流
14、密度, 由肖克莱方程式( 1) 给出, 将其代入得J= J s ex pq( V- J Rs )/kT- 1 +V - JR s /R sh， 由式( 4) 可以看出, 在正向偏压较小时, 由于 Rsh 为有限大, 式中第二项大于零, 因而电流大于理想 P-N 结的电流, 如图 2 中 a 段; 当正向偏压比较大时, 正向电流很大, R s 上的压降就会比较大, 而 P-N 结势垒区的压降 V D 趋于饱和, 式( 4) 括号中( V - J Rs) 趋于定值, 即电流密度与电压成线性关系, 在 J-V 图上为一条直线, 如图 2 中 c 段, 其斜率由 Rs 决定; 在加反向偏压时, 势垒区
15、的产生电流等效于 R sh 上通过的电流, 由于 J s 很小, 与之相比, 式( 4) 中的第二项便不可忽略, 且在反向电压增大时, 第二项起主要作用, 而第一项趋于定值- J s , 又因为 Rsh Rs , 反向伏安特性可以化为88J= V/ R sh- J s可以看出, 反向偏压较大时, 电流与电压成线性关系, 在 J-V 图上为一条直线, 如图 2 中 d 段, 斜率由 Rsh 决定 1 图 2 为根据式( 4) 所得的仿真结果, 所取电阻值 R s= 0. 01k . cm , 2Rsh = 1k . cm, Rs / Rsh= 1:100.由图中可以看出, 描述 P-N 结等效电
16、路伏安特性的曲线左右两端都趋近于直线, 且直线斜率分别等于旁路电阻和串联电阻的倒数值。3.pn 结的电容特性势垒电容，G 为杂质浓度梯度即对线性缓变结来说，1/C3 与 v 呈直线关系。由直线斜率(等于) 和截距可求出杂质浓度梯度 G 和 VD。pn 结电容等于势垒电容和扩散电容之和.正向偏压时, 由于正向电流 JD 较大, 扩散电容CD=qJD/kT 大于势垒电容,. 反偏时，, 流过 Pn 结的是很小的反向饱和电流，扩散电容也就很小， 这时势垒电容起主要作用,. 所以,C-V 测量法须加反向偏压,VD,通过外推延长线与 v 轴的交点获得。四 工艺可行性分析 对于 pn 接的制作，我们是采用
17、生长法，分六步：第一步在氧气氛中, Si 衬底上生长1 5 nm 厚的 SiO2 薄层, 生长温度为 1 000 0C 左右, 这样可减少薄膜与衬底之间的界面态以及获得好的反向输运特性。第二步是生长 p 型 ZnO, 生长温度为 150 350 0C ,采用两步生长法: 先用低温慢速率( 2000C , 0. 05nm/s) 生长 20 nm 左右的过渡层; 再采用一般速率( 300 0C , 0. 1 nm/s) , 生长 0. 5 1. 0 um 的 p 型 ZnO( 对生长速率没有特别的要求, 一般不要太快, 否则不能反型。) , 再置于 700 C、空气气氛中退火0.5 h。第三步是制
18、备底电极, 材料为 Au/Ti 合金。第四步生长 1 nm 厚的 SiO2 薄层, 采用溅射法, 靶材为石英。第五步生长 n 型 ZnO, 用一般速率( 3000C , 0. 2 nm/s) , 厚度为 0. 5 1. 0um。第六步生长顶电极(Al） 。在此基础上加以封装, 可得到具有 p-i n 夹层结构的 ZnO p-n 结原型器件。五总结氧化锌是一种直接带隙的半导体材料，室温下的半导体禁带宽度是 3.37eV，并且具有高达 60meV 的激子束缚能，广泛用于压敏、光催化、光电极、涂料、彩电电影等领域。ZnO p-n 结，掺杂后，其具有良好的性能，各种性能趋于优化。通过实践周的了解学习太
19、阳能电池的核心结构，对太阳能电池有了更深的了解，对以后的学习有很大的帮助。99理论和实践相结合的方法学习专业知识具有很好的学习效果和效率，促进我们专业知识的形成，相信将来能学有所成，学以致用，造福人类。六参考文献：1 刘恩科、朱秉升、罗晋生编著，半导体物理学，电子工业出版社，2008 年第七版。2 何杰，夏建白半导体科学与技术北京：科技出版社3【俄】Michael E. Levinshtein, Sergey I., 【俄】Rumyantsev,【美】Michael S. Shur 编著，杨树人、殷景志译，先进半导体材料性能与数据手册，化学工业出版社，2003 年第一版。4【美】施敏编著，赵鹤鸣, 钱敏, 黄秋萍译， 半导体器件物理与工艺 ，苏州大学出版社, 2002 年第二版。
