某半导体材料厂房建筑防火设计问题及探讨

发布时间:2021-10-30 10:40:44

某半导体材料厂房建筑防火设计问题及探讨 本文关键词：防火，厂房，探讨，建筑，半导体材料

某半导体材料厂房建筑防火设计问题及探讨 本文简介：某半导体材料厂房建筑防火设计问题的探讨摘要：结合工程实例介绍现代工业建筑中的解决厂房防火（防爆）问题的思路和途径。关键词：防火设计防爆设计耐火等级安全疏散材料选择与构造节点设计一、工程概况某半导体材料厂的生产工艺在世界上属先进水平，且具有部分我国自主知识产权。该行业如此规模的生产厂房国内外上尚无先例

某半导体材料厂房建筑防火设计问题及探讨 本文内容：

某半导体材料厂房建筑防火设计问题的探讨

摘要：结合工程实例介绍现代工业建筑中的解决厂房防火（防爆）问题的思路和途径。

关键词：防火设计

防爆设计

耐火等级

安全疏散

材料选择与构造节点设计

一、工程概况

某半导体材料厂的生产工艺在世界上属先进水平，且具有部分我国自主知识产权。该行业如此规模的生产厂房国内外上尚无先例可循。厂房占地面积28000m2，总建筑面积31380m2，根据工艺条件，此厂房共有两大功能，一是实验室办公部分（共三层，首层面积约3980m2，二层面积约2200m2，三层面积约3750m2），二是生产车间部分（首层为设备用房，面积约6970m2，二层为管道设备层，面积约7920m2，三层为工艺用房，面积约6500m2）。建筑外形尺寸：东西向长约150m，南北向长约90m，主体建筑是两幢三层高厂房，厂房中间由一两层高底层架空的连接体连接（底层空间可兼做消防车道），厂房柱顶标高为24.25m，钢筋混凝土框架结构，外围护结构采用加气混凝土砌块，局部屋面和墙面采用压型钢板材料（压型钢板用于有泄爆要求部位），内隔墙采用200厚的加气混凝土砌块。

二、对相关要点的定性分析

1.火灾危险性分类、耐火等级及防火分区的确定

对于厂房的建筑防火设计，首先要确定的就是其生产的火灾危险性分类和耐火等级，这是各专业开展消防设计的基础条件。工艺专业提供的设计条件说明，在车间工艺用房及管道夹层部分有氢气泄露的可能，根据《建筑设计防火规范》（GB

50016―2006）第3.1.1条表3.1.1及其条文说明，

氢气属于爆炸下限小于10%的气体，其生产的火灾危险性类别为甲类。

工艺设计考虑到厂房的规模和生产特点，提出了大面积、大空间厂房的设计条件。但从防火设计考虑，为限制发生火灾时火势的蔓延，保证人员的安全撤退，利于火灾扑救和减少火灾损失，根据《建筑设计防火规范》（GB

50016―2006）对防火分区的规定，甲类厂房的最低耐火等级为二级，二级耐火等级的最大防火分区面积为2000

m2，一级耐火等级的最大防火分区面积为3000

m2。依据工程实际情况，位于南面的生产车间三层的工艺用房原本是一个整体，整层的建筑面积达到6500

m2左右，超过了一级耐火等级甲类建筑的最大允许防火面积的两倍，由于工艺条件的限制，不允许我们设置自动喷淋来增加防火面积，比较可行的解决办法就是将原来的一个工艺用房彻底分成两个独立的一级耐火等级的工作区域，或是彻底分成三个独立的二级耐火等级的工作区域，其间用双道防火防爆墙体分隔，工艺设备的管道也随之分成几个相应独立的单元，结合工艺的具体生产情况，最后设计选用了设置两个一级防火分区的方案，达到规范的要求。

2.防爆设施与泄压面积的确定

此厂房车间工艺用房及管道夹层部分，设备一旦发生泄漏，氢气在空气中很容易达到爆炸浓度而造成危险，根据《建筑设计防火规范》（GB

50016―2006）规定，应设置泄压设施，有爆炸危险的厂房设置足够的泄压面积后，可大大减轻爆炸时的破坏强度，避免因主体结构遭受破坏而造成重大人员伤亡和经济损失，且在甲、乙类厂房内不应设置办公室、休息室等设施，当必须与厂房贴邻建造时，其耐火等级不应低于二级，并应采用耐火极限不低于3.00h

的不燃烧体防爆墙隔开和设置独立的安全出口。通过“规范”

（GB

50016―2006），有爆炸危险的甲、乙类厂房应首选采用敞开或半敞开式，其泄压面积应根据“规范”

（GB

50016―2006）3.6.3条中规定的氢气泄压比值，通过计算得到厂房泄压面积的数值，泄压设施宜采用轻质屋面板、轻质墙体和易于泄压的门、窗等。在本厂房的具体设计中，两个一级防火分区之间、实验室非危险区域与生产厂房危险区域之间的墙体都采用了砖墙配筋作为防爆设施，在工艺用房及管道夹层两个危险区域采用了以下方法设置了必要的泄压设施：位于二层的管道夹层部分，首先采用了半敞开式无围护墙体，考虑到跨度较大，中间连接部分又比较封闭的因素（由于工艺原因，此部分必须紧贴设备房间，无法做到敞开或半敞开），在二层的顶棚设计中，除保留了工艺必要的交通运输走廊，其余部分均采用了压型钢板屋面，尽可能地通过增加顶棚泄压面积，缓解厂房中间连接部分墙体泄压面积的不足；三层工艺用房部分，因有一定洁净要求不允许采取敞开或半敞开形式，则采用了轻质压型钢板墙面，易于泄压的塑钢窗和轻质压型钢板屋面的方式满足厂房泄压面积的要求，而在工艺运输走廊和疏散通道部分，还是采用实体墙作为防爆设施，保证疏散通道的安全。实际计算证明，尽可能地扩大屋面和顶棚的泄压面积是满足爆炸危险厂房泄压面积的一条有效途径。

三、建筑防火设计要点

1.总平面布局

总平面的防火设计主要是控制防火间距并合理设置消防车道。根据此半导体材料厂房及其周围建筑物的生产类别和耐火等级，查“规范”

（GB

50016―2006）确定防火间距。该厂房的生产类别为甲类，根据“规范”

（GB

50016―2006）6.0.6条，“工厂、仓库区内应设置消防车道。占地面积大于3000m2

的甲、乙、丙类厂房或占地面积大于1500m2

的乙、丙类仓库，应设置环形消防车道”，在厂房的两幢建筑之间设置了26m的消防通道，最小柱间距为6m，二层净高高于5m，使得两幢建筑都有环行消防通道，其总平面设计均满足防火设计要求。

2.厂房的安全疏散设计

厂房的安全疏散设计主要包括两个方面，一个是疏散出口数目的确定，另一个是疏散出口的位置。

2.1疏散出口的数目

根据厂房的平面面积和布置，其底层的高压电气用房都有单独对外的出口，而低压电气用房和其他设备用房都保证有不少于两个的疏散出口，二层设备夹层及实验室部分分别设置了12部室外疏散楼梯和两部室内封闭楼梯间，由于受工艺条件的限制，在二层设备夹层内部不允许设置封闭楼梯间，此处用室外金属梯作为有爆炸危险的工段区域的疏散出口，还在夹层的两旁各设置了1.5

m宽的疏散通道，直接通往各个室外金属梯，尽量避免人员疏散时在危险区域的行走路线。三层的情况与二层的类似，也是通过在厂房两侧分别设置疏散门直接通往室外金属梯，并在厂房与金属梯相连的走廊两侧设置实体墙作为防爆设施，确保疏散走廊的安全。

3.建筑构件及节点处理

由于该厂房底部两层采用了钢筋混凝土框架结构，外维护墙体为300厚的加气混凝土砌快，内墙为200厚的加气混凝土砌快，能满足非承重外墙0.75h，疏散走道两侧的隔墙1.0h，房间隔墙0.75h耐火等级的要求；三层采用了轻钢结构屋面体系，金属本身的耐火性能较差，因此，一定要根据建筑耐火等级检验建筑各部位材料是否达到要求。如：一般的钢梁钢屋架耐火极限为0.25h，在本工程中因其耐火极限为一级，所以，其梁的耐火极限应不低于2.0h，屋顶承重构件的耐火极限应不低于1.5h，因此，屋面体系的各部分构件都应进行防火处理使其达到相应的耐火极限。本厂房的钢屋架部分采用了喷涂薄型防火涂料的方式。

结语

以上是对某半导体材料厂房建筑防火设计的分析要点，随着新材料新技术在工业建筑中的广泛应用，其建筑防火设计也面临着诸多新问题，例如随着项目规模的逐渐扩大，工艺设计更趋向于联合厂房的布置形式，即把相关联的生产车间紧密连在一起，钢结构厂房现代化的外观、较短的建设周期、灵活的布置，厂房建设设计也更趋向于钢结构形式，在这些情况下，厂房的消防设计就更复杂，防火分区和消防疏散成为难题。作为设计人员，不能违反强制性条文，又要满足主体专业和业主的使用功能，在这种情况下，我们应紧跟时代发展，用新思路新方法处理新问题，以满足生产生活的需要。

参考文献：

[1]《建筑设计防火规范》（GB

50016―2006）

[2]《工业建筑的更新设计》工业建筑2006年第36卷第3期

篇2：《半导体材料复习》

《半导体材料复习》word版 本文关键词：复习，半导体材料，word

《半导体材料复习》word版 本文简介：第一章绪论1．半导体材料的五大特性：整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。2．能带结构3．外

《半导体材料复习》word版 本文内容：

第一章

绪论

1．半导体材料的五大特性：整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应

所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。

电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。

2．能带结构

3．外延生长：在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延生长。如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延；如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延

4．摩尔定律：1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半”。1965，Gordon

Moore

预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番，存储器容量每三年，翻两番。

5．（简答）半导体概念及分类

物质根据其导电能力分为导体，绝缘体和半导体，半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的材料，半导体也是因为这个得名。半导体具有五大特性：整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应。半导体具有和导体及绝缘体不同的能带结构。

（1）禁带宽度的不同，又可分为：窄带隙半导体材料，Si，Ge；宽带隙半导体材料，GaN，ZnO，SiC，AlN；

（2）化学组分和结构的不同，又可分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、微结构半导体、有机半导体和稀磁半导体等

（3）使用功能的不同，可分为：电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等

第二章

半导体材料的基本性质

1．（简答）P型、n型半导体概念及pn节相关知识

为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体，可以分为：N型半导体和P型半导体。以

在硅或锗的晶体中掺入少量的

价杂质元素，即构成

型半导体(或称电子型半导体)。V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。

在硅或锗的晶体中掺入少量的

价杂质元素，即构成

型半导体(或称空穴型半导体)。III族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。

2．

自补偿效应：有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质。N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为自补偿效应。

第三章

元素半导体材料

轻掺杂

掺杂浓度为1017

cm-3，杂质离子100%电离

中度掺杂

掺杂浓度为1017～1019

cm-3，载流子浓度低于掺杂浓度

重掺杂

掺杂浓度大于1019

cm-3

第四章

化合物半导体材料

高亮度白光LED的实现：

通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光；

基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光；

基于蓝光LED，通过黄色荧光粉激发出黄光，组合成为白光。

第五章

固溶体半导体材料

凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶半导体或者合金半导体。

固溶体基本性质：半导体的重要参数，如晶格常数和带隙等随组分变化而发生连续变化。因而可以通过对其组分的控制来调节材料的基本性质。采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求

第六章

非晶、有机和微结构半导体材料

非晶能带模型：

短程有序－－基本能带

长程无序－－定域态带尾

悬挂键－－带隙中间形成隙态

第八章

半导体电子材料

（简答）材料优值的概念，为什么选用Si？

材料的某些基本性质决定材料优值，并用此材料优值来定量比较，常用的几种材料优值有：约翰逊优值、凯斯优值、巴利加优值、高频器件用材料优值、热性能优值

Si材料的优点：资源丰富、易于提高到极纯的纯度；较易生长出大直径无位错单晶；易于对进行可控n型和p型掺杂；易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料；易于进行腐蚀加工；带隙大小适中；硅有相当好的力学性能；硅本身是一种稳定的绿色材料；可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触；容易截断或者解理硅晶体；硅表面上很容易制备高质量的介电层－－SiO2；

多晶Si的优点：多晶硅具有接近单晶硅材料的载流子迁移率和象非晶硅那样进行大面积低成本制备的优点；重掺杂的多晶硅薄膜作为电容器的极板、浮栅、电极等；轻掺杂的多晶硅薄膜常用于MOS存储器的负载电阻和其他电阻器；多晶硅薄膜由于具有比非晶硅TFT更高的载流子迁移率、更快的开关速度、更高的电流驱动能力、可与CMOS工艺兼容等特点；

非晶Si的优点：非晶硅薄膜是器件和电路加工所用表面钝化膜材料之一；对活性半导体表面进行钝化对提供器件性能、增强器件和电路的稳定性、可靠性；提高其封装成品率等有重要作用。

第九章

半导体光电子材料

产生激光的条件：

形成粒子数反转，使受激辐射占优势

具有共振腔以实现光量子放大

外界输入能量至少要达到阈值，使激光管的增益至少等于损耗

第十章

其他半导体材料

热电优值的概念以及如何提高热电优值

第十一章

半导体材料的制备

区域熔炼的原理

篇3：半导体材料硅的基本性质

半导体材料硅的基本性质 本文关键词：性质，半导体材料

半导体材料硅的基本性质 本文简介：半导体材料硅的基本性质一．半导体材料1.1固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：图1典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围1.2半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。化合物半导体：由两种或两种以

半导体材料硅的基本性质 本文内容：

半导体材料硅的基本性质

一．半导体材料

1.1

固体材料按其导电性能可分为三类：绝缘体、半导体及导体，它们典型的电阻率如下：

图1

典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围

1.2

半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体，它们的定义如下：

元素半导体：由一种材料形成的半导体物质，如硅和锗。

化合物半导体：由两种或两种以上元素形成的物质。

二元化合物

GaAs

—

砷化镓

SiC

—

碳化硅

三元化合物

AlGa11As

—

砷化镓铝

AlIn11As

—

砷化铟铝

1.3

半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体，它们的定义分别为：

本征半导体：当半导体中无杂质掺入时，此种半导体称为本征半导体。

非本征半导体：当半导体被掺入杂质时，本征半导体就成为非本征半导体。

1.4

掺入本征半导体中的杂质，按释放载流子的类型分为施主与受主，它们的定义分别为：

施主：当杂质掺入半导体中时，若能释放一个电子，这种杂质被称为施主。如磷、砷就是硅的施主。

受主：当杂质掺入半导体中时，若能接受一个电子，就会相应地产生一个空穴，这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。

图1.1

（a）带有施主（砷）的n型硅

(b)带有受主（硼）的型硅

1.5

掺入施主的半导体称为N型半导体，如掺磷的硅。

由于施主释放电子，因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子（简称多子），而空穴为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

掺入受主的半导体称为P型半导体，如掺硼的硅。

由于受主接受电子，因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子（简称多子），而电子为少数导电载流子（简称少子）。如图1.1所示。

二．硅的基本性质

1.1

硅的基本物理化学性质

硅是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，其物理化学性质（300K）如表1所示。

性质

符号

单位

硅（Si）

原子序数

原子量

28.085

原子密度

个/cm3

5.00×1022

晶体结构

金刚石型

晶格常数

5.43

熔点

℃

1420

密度(固/液)

cm3

2.329/2.533

介电常数

11.9

本征载流子浓度

个/

cm3

1.5×1010

本征电阻率

·cm

2.3×105

电子迁移率

cm2/(V·S)

1350

空穴迁移率

cm2/(V·S)

480

电子扩散系数

cm2/S

34.6

空穴扩散系数

cm2/S

12.3

禁带宽度（25℃）

1.11

导带有效态密度

cm-3

2.8×1019

价带有效态密度

cm-3

1.04×1019

器件最高工作温度

℃

250

表1

硅的物理化学性质（300K）

1.2

硅的电学性质

硅的电学性质有两大特点：

一

、导电性介于半导体和绝缘体之间，其电阻率约在10-4～1010·cm

二

、导电率和导电类型对杂质和外界因素（光热，磁等）高度敏感。无缺陷的、无掺杂的硅导电性极差，称为本征半导体。当掺入极微量的电活性杂质，其电导率将会显著增加，称为非本征半导体。例如，向硅中掺入亿份之一的硼，其电阻率就降为原来的千分之一。掺入不同的杂质，可以改变其导电类型。当硅中掺杂以施主杂质（ⅴ族元素：磷、砷、锑等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅；当硅中掺杂以受主杂质（Ⅲ族元素：硼、铝、镓等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。硅中P型和N型之间的界面形成PN结，它是半导体器件的基本机构和工作基础。如图所示电阻率随杂质浓度的变化

1.3

硅的化学性质

硅在自然界中多以氧化物为主的化合物状态存在。

硅晶体在常温下化学性质十分稳定，但在高温下，硅几乎与所有物质发生化学反应。

硅的热氧化反应

～1100℃

→

SiO2

～1000℃

2H2O

→

SiO2

在硅表面生成氧化层，其反应程度与温度有相当大的关系，随温度的升高，氧化速度加快。

硅与氯气（Cl2）或氯化物（HCl）的化学反应

～300℃

2Cl2

→

SiCl4

～280℃

3HCl

→

SiHCl3

上面两个反应常用来制造高纯硅的基本材料—SiCl4和SiHCl3。

硅与酸的化学反应

硅对多数酸是稳定的，硅不能被HCl、H2SO4、HNO3、HF及王水所腐蚀，但可以被其混合液所腐蚀。

（1）

硅与HF—HNO3

混合液的化学反应

4HNO3

6HF

→

H2SiF6

4NO2

4H2O

HNO3在反应中起氧化作用，没有氧化剂存在，H就不易与硅发生反应。此反应在硅的缺陷部位腐蚀快，对晶向没有选择性。

（2）

硅与HF—CrO3混合液有化学反应

CrO3

8HF

→

H2SiF6

CrF2

3H2O

此混合液是硅单晶缺陷的择优腐蚀显示剂，缺陷部位腐蚀快。

（3）

硅与金属的作用

硅与金属作用可生成多种硅化物，如TiSi2,W

Si2,MoSi等硅化物具有良好的导电性、耐高温、抗电迁移等特性，可以用来制备集成电路内部的引线、电阻等元件。

（4）

硅与SiO2的化学反应

1400℃

SiO2

→

2SiO

在直拉法（CZ）制备硅单晶时，因为使用超纯石英坩埚（SiO2），石英坩埚与硅熔体会发生上述反应。反应生成物SiO一部分从硅熔体中蒸发出来，另外一部分溶解在熔硅中，从而增加了熔硅中氧的含量，成为硅中氧的主要来源。在拉制单晶时，单晶炉内须采用真空环境或充以低压高纯惰性气体，这种工艺可以有效防止外界沾污，并且随着SiO蒸发量的增大而降低熔硅中的氧含量，同时，在炉腔壁上减缓SiO沉积，以避免SiO粉末影响无位错单晶生长。

1.4

硅的晶体结构和化学键

1.硅的晶体结构

硅晶体为金刚石结构，四个最近邻原子构成共价四面体。如图2.1和图2.2所示。

图2.1

共价四面体

图2.2

硅的晶体结构

2．硅晶体的化学键

硅晶体中的化学键为典型的共价键，共价键是通过价电子的共有化形成的。具体说来，共价键是由两原子间一对自旋相反的共有电子形成的。电子的配对是形成共价键的必要条件。硅晶体中的每个原子都与4个最近邻原子形成四对自旋相反的共有电子，构成4个共价键。

硅原子的最外层价电子分布为3s23p2,3s能级最多能容纳2个自旋相反的电子，现已有2个自旋相反的电子配成对了。3p能级最多可容纳6个电子，现只有2个电子。根据洪特规则，即共价轨道上配布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行。那么，两个p电子将分别占据两个p轨道，而空出一个p轨道。如此，硅原子的价电子配布为：

按照这种配布，s轨道的两个电子已配成对了，不能再配对。只有p

轨道上的2个电子尚未配对，可以和最近邻原子的价电子配成两对。这样每个原子只能和最近邻原子形成2个共价键，而实际上却是4个共价键。

这个矛盾靠轨道的杂化来解决。硅原子的3s上的电子可以激发到3p上去，形成新的sp3杂化轨道：

sp3杂化轨道有4个未配对的电子，故可以形成4个共价键。虽然3s能级上的电子激发到3p能级上去需要一定的能量，但形成2个共价键所放出的能量更多，结果体系更趋稳定。

共价键有两个重要特性：饱和性和方向性。所谓饱和性是1个电子和1个电子配对以后，就不能再与第3个电子配对了。硅原子轨道杂化以后，有4个未配对的价电子。这4个电子分别与最近邻原子中的1个价电子配成自旋相反的电子对，形成4个共价键。因此，硅晶体中的任一原子能够形成的共价键数目最多为4。这个特性就是共价键的饱和性。

所谓共价键的方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键。硅原子的四个sp3杂化轨道是等同的，各含有1/4s和3/4p成分，它们两两之间的夹角为109°28′。所以，它们的对称轴必须指向正四面体的四角。而且，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度，交叠愈多，共价键愈强。因此，硅原子结合时的4个共价键取四面体顶角方向，因为2个最近邻原子的sp3

杂化轨道在四面体顶角方向重叠最大，故共价键取这些方向，这就决定了硅晶体为金刚石结构。

1.5

硅的半导体性质

硅原子能级图

图2.3

一孤立硅原子能级图

硅晶体的能带结构

图2.4

硅晶体的能带结构图

晶体的能带代表的物理意义：

反应了晶体中电子的运动状态具有介于孤立原子中电子与自由电子之间这样一种特性。设想，固体中各个原子之间没有相互作用，相距较远，彼此孤立，那么，许多电子都处在相同的能级上。实际上，原子通过电子，特别是外层电子的相互作用，改变了独立原子中电子的能量，N

个孤立原子的一个能级扩层或分裂成N个间隔很近的能级，组成一个能带。如图2.5所示。

图2.5

原子能级和能带

导体、半导体及绝缘体的能带模型

能带理论可以说明导体、半导体和绝缘体的区别，如图2.6所示。金属导体有被电子部分占据的能带，称为导带。在导带中，空态的能量与被占态的能量相连接。能带填充情况很容易被外电场作用所改变，表现出良好的导电性。

半导体和绝缘体在T=0K时电子恰好填满较低的一系列能带，其余能带全空着。最高被填充的能带与其上的空带之间隔着禁带（带隙）。外电场很难改变其能带填充状况，因而不产生电流。在T≠0K时，由于半导体的禁带宽度较窄，一般在1～2eV左右，会有少量电子从最高的满带（即价带）跃迁到空带（即导带），成为导电电子，同时价带中出现少量空穴，自由的电子和空穴在外电场作用下漂移运动，因此，半导体具有一定的导电性。绝缘体的禁带较宽，这种热激发很少，所以导电性很差。

硅晶体的禁带宽度Eg

禁带宽度Eg是半导体材料的一个重要参数。

Eg的大小大体上和光吸收的阀值能量及光发射的光波长限相对应，即和光电应用的波长范围密切联系着。较大的Eg有利于提高半导体器件的热稳定性。

Eg的大小还与温度有直接的关系，在一定的温度范围内Eg随T线性变化，但当T→0K时，Eg趋于一个常数，如图2.7所示。

图2.7

Si的禁带宽度Eg随温度的变化

硅中杂质的能级和缺陷能级

理想的硅晶体，即无缺陷无掺杂的半导体硅，禁带中没有其它能级存在，具有本征电导特性，称为本征半导体。当掺入杂质或有缺陷时，禁带中将有杂质或缺陷能及存在，将明显影响半导体性能，对电导起主要作用。实际半导体都会有一定的杂质，所形成有电导超过本征电导，称为杂质半导体或非本征半导体。

硅中的杂质能级如图2.8所示。

图2.8

硅中杂质能级

浅能级杂质

在硅中的Ⅲ，Ⅴ族元素，杂质能级非常靠近价带或导带，对硅的电学性能起着关键性影响，如受主杂质硼和施主杂质磷。

b.深能级杂质

在硅中，有些杂质的能级位于禁带中部，例如：

金，银，铜，铁等重金属杂质。电子和空穴可以通过这些复合中心使少数载流子寿命降低。

c.缺陷（原生缺陷和工艺诱生缺陷）

半导体材料中各种缺陷也可以在禁带中产生能级，增加少子复合机率，降低少子寿命。

载流子浓度

载流子浓度随温度的变化如图2.9所示。

图2.9

以温度为函数且施主浓度为1015cm-3的硅样品的电子浓度

PN结

PN结的光生伏特效应

光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。

光电转换的物理过程

①

吸收光能激发出非平衡电子一空穴对

②

非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动

③

非平衡电子和空穴在内建电场作用下向相反方向运动而分离，在PN结两端产生电势

④

将PN结用导线连接，形成电流

⑤

在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换