硅晶圆的性能参数

硅晶圆和硅太阳能电池分别是半导体材料和半导体器件的典型代表。半导体特性参数衡量和表征材料及其器件的性能。

由于载流子是半导体材料及器件的功能载体，载流子移动形成电流及电场，同时载流子具有发光、热辐射等特性，因此载流子参数是表征半导体材料及器件载流子输运特性的基础，即载流子参数是硅晶圆和硅太阳能电池特性参数的重要组成部分。

当硅晶圆经过加工、制造形成硅太阳能电池后，由于 pn 结和费米能级的差异，导致载流子分离形成电压，进而有饱和电流、填充因子和光电转化效率等电性能参数直观反映并影响太阳能电池伏安特性。综上分析，硅晶圆的主要特性参数包括载流子参数。 [4] 载流子分为多数载流子和少数载流子，包括电子和空穴。载流子扩散和漂移形成电流构成半导体器件传递信息的基础。载流子输运参数是描述载流子运动和浓度的基本参数，主要包括载流子寿命、扩散系数及前、后表面复合速率等。这些参数直接反映了半导体材料的物理特性和电学性能，影响载流子浓度、迁移率;掺杂浓度是决定载流子浓度另一重要参数，影响材料电阻率和载流子寿命等参数，决定器件性能。 

载流子浓度多数半导体器件为少数载流子器件，如硅太阳能电池。本文后续提到的载流子参数均为少数载流子参数。半导体在热平衡状态下，空穴和电子浓度相等，此时为稳态;当受到外部激励(光、电、热等能量激励)时，半导体处于非平衡状态，电子和空穴均增加，形成过剩载流子。载流子寿命(lifetime)，是指过剩载流子平均存在时间，载流子浓度满足指数衰减规律。 [4]

载流子寿命载流子寿命根据载流子复合类型可分为辐射复合寿命、俄歇复合寿命以及Shockley-Read-Hal(SRH)复合寿命。载流子寿命是反映材料和器件缺陷浓度的重要参数，也是衡量器件开关速度、电流增益、电压等特性的重要指标，同时对半导体激光器、光电探测器以及太阳能电池等光电子器件的电光和光电转化效率起到重要作用。 [4]

表面复合速率载流子既在材料体内发生复合也在表面发生复合。表面复合寿命或表面复合速率(Surface recombination velocity，s)是描述载流子在表面复合快慢的物理量。表面复合寿命越大说明表面复合速率越低，反之，表面复合速率越高。表面粗糙度、表面悬挂键等表面物理性质和状态是影响表面复合速率的关键。表面复合速率是表征材料的表面质量的重要性能参数。 [4]

有效寿命载流子有效寿命是将体寿命和表面复合寿命综合的参数，是特定样件载流子整体寿命的表征。目前大多数检测技术检测的载流子寿命为载流子有效寿命，无法将体寿命和表面复合速率分离，因此很难逐一分析表面处理工艺、体内缺陷和掺杂等过程对硅晶圆和太阳能电池性能的影响。 [4]

扩散系数扩散系数(Diffusion coefficient，D)是表征在单位时间单位面积上，载流子通过界面快慢的物理量。扩散系数和载流子寿命共同决定载流子扩散长度(Diffusion length)，扩散长度是评价材料性能的典型参数，载流子扩散长度越长材料质量越好;对于太阳能电池来说，载流子扩散长度越长载流子分离和收集效率越好、光电转化效率越高。 [4]

掺杂掺杂是形成功能半导体的必要环节，掺杂浓度对电阻率和载流子输运参数有着重要影响。本征半导体，即不掺杂半导体，常温时电阻率非常高，随着掺杂浓度增加，电阻率降低，载流子寿命和扩散长度逐渐降低。