第二章半導(dǎo)體光物理與光化學(xué)董忠平0906高等教學(xué)

1、半導(dǎo)體光物理和光化學(xué)董忠平 稀土學(xué)院1高級教育 半導(dǎo)體指電導(dǎo)率在金屬電導(dǎo)率（半導(dǎo)體指電導(dǎo)率在金屬電導(dǎo)率（104106/cm）和電解）和電解質(zhì)電導(dǎo)率（質(zhì)電導(dǎo)率（10-10/cm）之間的物質(zhì)。）之間的物質(zhì)。 金屬，半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電機(jī)理不同，金屬為一類，半導(dǎo)金屬，半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)電機(jī)理不同，金屬為一類，半導(dǎo)體和絕緣體為一類。體和絕緣體為一類。 半導(dǎo)體和絕緣體與金屬相比，能帶是不連續(xù)的。半導(dǎo)體和絕緣體與金屬相比，能帶是不連續(xù)的。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)通常是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶（的能帶結(jié)構(gòu)通常是由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶（valence半導(dǎo)體的定義半導(dǎo)體的定義2高級教育 band，vb）和一個(gè)空的

2、高能導(dǎo)帶（）和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶（conduction band， cb）構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)區(qū)域?yàn)榻麕В瑓^(qū)域）構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)區(qū)域?yàn)榻麕В瑓^(qū)域的大小通常稱為禁帶寬度（的大小通常稱為禁帶寬度（eg）一般半導(dǎo)體的一般半導(dǎo)體的eg小于小于3.0ev。 半導(dǎo)體材料的光物理行為與半導(dǎo)體的帶隙和禁帶中存在的半導(dǎo)體材料的光物理行為與半導(dǎo)體的帶隙和禁帶中存在的陷阱能級及表面態(tài)能級密切相關(guān)。陷阱能級及表面態(tài)能級密切相關(guān)。3高級教育無機(jī)半導(dǎo)體材料的分類 無機(jī)半導(dǎo)體無機(jī)半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體4高級教育 典型的元素半導(dǎo)體有鍺、硅、硒和碲，它們位于周期表典型的元素半導(dǎo)體有

3、鍺、硅、硒和碲，它們位于周期表中中族和族和族。族。 化合物半導(dǎo)體種類很多，包括周期表中的第化合物半導(dǎo)體種類很多，包括周期表中的第族元素（族元素（ga、in）和）和族元素（族元素（p、as、sb）形成的二元化）形成的二元化合物合物ab，gaas、gap、inp等；周期表中第等；周期表中第族元素和第族元素和第族元素形成的二元化合物族元素形成的二元化合物ab、znte、znse zno、cds、cdte;周期表中周期表中族元素和族元素和族元素族元素ab, pbs, pbte、snte; 族元素族元素o、s、se、te與與族元素形成的化合物族元素形成的化合物cu2o、bi2te3； 族元素與過渡元素和

4、稀有元素形成的化合族元素與過渡元素和稀有元素形成的化合物，物，tio2、ws2、nio、mose、wo3。5高級教育半導(dǎo)體半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體6高級教育本征和摻雜半導(dǎo)體本征和摻雜半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶(見能帶理論見能帶理論)，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會越過禁帶進(jìn)入能量較受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，

5、價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成帶正電的空位，稱為空穴。電子后形成帶正電的空位，稱為空穴。 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱電子導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱電子- -空穴對，均能自空穴對，均能自由移動，即載流子，它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動而由移動，即載流子，它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動而7高級教育形成宏觀電流，分別稱形成宏觀電流，分別稱 為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這種由于電為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這種由于電子子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電?？昭▽Φ漠a(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)，半導(dǎo)體材料性能對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)，半導(dǎo)體材料性能對溫度的

6、敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因溫度穩(wěn)定性差的原因 。摻雜半導(dǎo)體：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適摻雜半導(dǎo)體：通過擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。 8高級教育一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性價(jià)電子價(jià)電子4空穴空穴自由電子自由電子abc444444444 共價(jià)鍵的兩共價(jià)鍵的兩個(gè)價(jià)電子個(gè)價(jià)電子 （a）硅和鍺原子的簡化結(jié)構(gòu)模型）硅和鍺原子的簡化結(jié)構(gòu)模型 (b)晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)及電子空穴對的產(chǎn)生晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)及電子空穴對的產(chǎn)生 圖圖 1-

7、1硅、鍺原子結(jié)構(gòu)模型及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖硅、鍺原子結(jié)構(gòu)模型及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖 29高級教育結(jié)論：結(jié)論：電子和空穴一樣都是運(yùn)載電荷的粒子，也稱電子和空穴一樣都是運(yùn)載電荷的粒子，也稱載流子載流子在外電場的作用下，空穴和電子作定向移動，移動在外電場的作用下，空穴和電子作定向移動，移動方向相反，但形成同一方向的電流。方向相反，但形成同一方向的電流。電子電子空穴空穴半導(dǎo)體半導(dǎo)體電子運(yùn)動方向電子運(yùn)動方向圖圖1-2 半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動示意圖半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動示意圖i310高級教育摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體11高級教育二、二、n型和型和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1、n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 電子

8、一空穴對電子一空穴對圖1-3 n型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)磷原子磷原子自由電子自由電子444454444412高級教育n n型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的位置，形成之取代晶格中硅原子的位置，形成n n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 多子：多子：n n型半導(dǎo)體中，多子為自由電子。型半導(dǎo)體中，多子為自由電子。 少子：少子：n n型半導(dǎo)體中，少子為空穴。型半導(dǎo)體中，少子為空穴。 施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。 n n型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（自型半導(dǎo)體的導(dǎo)電

9、特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。 結(jié)論：多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度；少子的濃度決定結(jié)論：多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度；少子的濃度決定于溫度。于溫度。13高級教育2、p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 電子一空穴對電子一空穴對圖圖1-4 p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)硼原子硼原子444434444空穴空穴614高級教育p p型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼）型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼） 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 p p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子：多數(shù)載流子：p

10、 p型半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的型半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的 濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子 。少數(shù)載流子：少數(shù)載流子：p p型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡 稱少子。稱少子。 受主原子：受主原子： 雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。 p p型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì) 越 多 ， 多 子 （ 空 穴 ） 的 濃 度 就 越 高 ， 導(dǎo) 電 性 能質(zhì) 越 多 ， 多 子 （ 空 穴 ） 的 濃 度 就 越

11、高 ， 導(dǎo) 電 性 能也就越強(qiáng)。也就越強(qiáng)。15高級教育二、二、pn結(jié)及其單向?qū)щ娦徒Y(jié)及其單向?qū)щ娦?、pn結(jié)的形成結(jié)的形成 圖圖1-5 pn結(jié)的形成結(jié)的形成 p區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場 p區(qū)區(qū) n區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)816高級教育形成過程：形成過程： 當(dāng)當(dāng)n n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p p型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于p p型半型半導(dǎo)體中空穴濃度高、電子濃度低，而導(dǎo)體中空穴濃度高、電子濃度低，而n n型半導(dǎo)體中電子濃型半導(dǎo)體中電子濃度高、空穴濃度低，因此在交界面附近電子和空穴都要從度高、空穴濃度低，因此在交界面附近電子和空穴都要從濃度高的地方濃度低的地方擴(kuò)散。濃度高的地

12、方濃度低的地方擴(kuò)散。p p區(qū)的空穴要擴(kuò)散到區(qū)的空穴要擴(kuò)散到n n區(qū)，且與區(qū)，且與n n區(qū)的電子復(fù)合，在區(qū)的電子復(fù)合，在p p區(qū)一側(cè)就留下了不能移動的區(qū)一側(cè)就留下了不能移動的負(fù)離子空間電荷區(qū)。同樣，負(fù)離子空間電荷區(qū)。同樣，n n區(qū)的電子要擴(kuò)散到區(qū)的電子要擴(kuò)散到p p 區(qū)，且區(qū)，且與與p p區(qū)的空穴復(fù)合，在區(qū)的空穴復(fù)合，在n n區(qū)一側(cè)就留下了不能移動的正離子區(qū)一側(cè)就留下了不能移動的正離子空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)。917高級教育2、pn結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1) pn結(jié)的正向?qū)ㄌ匦越Y(jié)的正向?qū)ㄌ匦詒外電場外電場內(nèi)電場內(nèi)電場ir空穴空穴(多數(shù)多數(shù))電子電子(多數(shù)多數(shù))np變薄變薄a. 正向偏置

13、正向偏置 正向偏置：指加在正向偏置：指加在pn結(jié)上的電壓（正向電壓），將結(jié)上的電壓（正向電壓），將p區(qū)區(qū)接電源的正極，接電源的正極，n區(qū)接電源的負(fù)極區(qū)接電源的負(fù)極1018高級教育(2) pn結(jié)的反向截止特性結(jié)的反向截止特性np變變 厚厚ir0r外電場外電場內(nèi)電場內(nèi)電場電子電子(少數(shù)少數(shù))空穴空穴(少數(shù)少數(shù))b 反向偏置反向偏置反向偏置：加在反向偏置：加在pn結(jié)上的電壓（反向電壓），將結(jié)上的電壓（反向電壓），將p區(qū)區(qū)接電源的負(fù)極，接電源的負(fù)極，n區(qū)接電源的正極區(qū)接電源的正極圖圖1-6 pn結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?119高級教育第一節(jié) 半導(dǎo)體物理 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu): 半導(dǎo)體材

14、料的光物理行為與半導(dǎo)體的帶隙和禁帶半導(dǎo)體材料的光物理行為與半導(dǎo)體的帶隙和禁帶中中 存在的陷阱能級及表面態(tài)能級密切相關(guān)。半導(dǎo)體粒子存在的陷阱能級及表面態(tài)能級密切相關(guān)。半導(dǎo)體粒子的尺寸很小時(shí)，這種微粒是半導(dǎo)體團(tuán)簇，團(tuán)簇的光物理性的尺寸很小時(shí)，這種微粒是半導(dǎo)體團(tuán)簇，團(tuán)簇的光物理性質(zhì)表質(zhì)表 現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的光催化特性在很現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的光催化特性在很大程度上決定于材料本身的光物理特性。大程度上決定于材料本身的光物理特性。 20高級教育 尺寸較大的半導(dǎo)體粒子在晶體中存在分子（或原子尺寸較大的半導(dǎo)體粒子在晶體中存在分子（或原子間相互作間相互作,homo相互作用形成價(jià)帶；相互作用

15、形成價(jià)帶；lumo相互作用形相互作用形成導(dǎo)帶。電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶中是非定域化的，可以自由移成導(dǎo)帶。電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶中是非定域化的，可以自由移動。在理想半導(dǎo)體的場合，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間帶隙中不動。在理想半導(dǎo)體的場合，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間帶隙中不存在電子狀態(tài)。這種帶隙稱為禁帶，禁帶寬度用存在電子狀態(tài)。這種帶隙稱為禁帶，禁帶寬度用eg表示。表示。21高級教育 實(shí)際半導(dǎo)體中，由于半導(dǎo)體材料中不可避免地存在雜實(shí)際半導(dǎo)體中，由于半導(dǎo)體材料中不可避免地存在雜質(zhì)和各類缺陷，使電子和空穴束縛在其周圍，成為捕獲電質(zhì)和各類缺陷，使電子和空穴束縛在其周圍，成為捕獲電子和空穴的陷阱，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，在禁帶中引人相子和空

16、穴的陷阱，產(chǎn)生局域化的電子態(tài)，在禁帶中引人相應(yīng)電子態(tài)的能級。以離子晶體中心缺陷為例，在正電荷中應(yīng)電子態(tài)的能級。以離子晶體中心缺陷為例，在正電荷中心，負(fù)離子空位和間隙中的正離子是正電中心，正電中心心，負(fù)離子空位和間隙中的正離子是正電中心，正電中心束縛一個(gè)電子，這個(gè)被束縛的電子很容易掙脫出去，成為束縛一個(gè)電子，這個(gè)被束縛的電子很容易掙脫出去，成為導(dǎo)帶中的自由電子。由于正電中心起提供電子的施主作用導(dǎo)帶中的自由電子。由于正電中心起提供電子的施主作用因此，這種半導(dǎo)體是因此，這種半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)體中施主能級型半導(dǎo)體中施主能級ed靠近導(dǎo)帶底靠近導(dǎo)帶底ec。22高級教育23高級教育 在負(fù)

17、電中心，正離子空位和間隙中的負(fù)離子是負(fù)電在負(fù)電中心，正離子空位和間隙中的負(fù)離子是負(fù)電中心，負(fù)電中心束縛一個(gè)空穴，把束縛的空穴釋放到價(jià)中心，負(fù)電中心束縛一個(gè)空穴，把束縛的空穴釋放到價(jià)帶，帶， 即從價(jià)帶接受電子。即從價(jià)帶接受電子。 由于負(fù)電中心起接受電子的由于負(fù)電中心起接受電子的受主作用，這種半導(dǎo)體為受主作用，這種半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體的受型半導(dǎo)體的受主能級主能級ea靠近價(jià)帶頂靠近價(jià)帶頂ev。 24高級教育陷阱：陷阱是俘獲一種載流子的能力強(qiáng)、俘獲另外一種載流陷阱：陷阱是俘獲一種載流子的能力強(qiáng)、俘獲另外一種載流子的能力弱的一種深能級中心，故陷阱具有存一種儲載流子子的能力弱的一種深能

18、級中心，故陷阱具有存一種儲載流子的作用。的作用。 陷阱可分為淺陷阱和深陷阱，淺陷阱能級位于導(dǎo)帶陷阱可分為淺陷阱和深陷阱，淺陷阱能級位于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近，而深陷阱能級位于禁帶的中心附近。深陷底和價(jià)帶頂附近，而深陷阱能級位于禁帶的中心附近。深陷阱可以捕獲光生電子和空穴，起復(fù)合中心作用。另外，在半阱可以捕獲光生電子和空穴，起復(fù)合中心作用。另外，在半導(dǎo)體表面，由于晶體的周期性被破壞和各種類型的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)體表面，由于晶體的周期性被破壞和各種類型的結(jié)構(gòu)缺陷以及吸附等原因，禁帶中形成表面態(tài)能級。以及吸附等原因，禁帶中形成表面態(tài)能級。25高級教育半導(dǎo)體表面態(tài)主要有兩種：半導(dǎo)體表面態(tài)主要有兩種： （1）固有）

19、固有(本征本征)表面態(tài)：晶格中斷表面態(tài)：晶格中斷表面產(chǎn)生懸掛鍵表面產(chǎn)生懸掛鍵具有具有 束縛電子的作用表面態(tài)。束縛電子的作用表面態(tài)。 （2）非本征表面態(tài)：雜質(zhì)或者缺陷產(chǎn)生的價(jià)鍵）非本征表面態(tài)：雜質(zhì)或者缺陷產(chǎn)生的價(jià)鍵表面態(tài)。表面態(tài)。 因?yàn)楸砻鎽B(tài)是電子的一種束縛狀態(tài)，所以，在能帶因?yàn)楸砻鎽B(tài)是電子的一種束縛狀態(tài)，所以，在能帶圖上，表面態(tài)上電子所對應(yīng)的能量圖上，表面態(tài)上電子所對應(yīng)的能量能級，就稱為表面能級，就稱為表面能級。能級。 表面態(tài)也可以是空穴的束縛狀態(tài)。表面態(tài)也可以是空穴的束縛狀態(tài)。 表面態(tài)對于半導(dǎo)體性能的影響，主要表現(xiàn)為起復(fù)合表面態(tài)對于半導(dǎo)體性能的影響，主要表現(xiàn)為起復(fù)合中心作用，降低少數(shù)載流子壽

20、命。中心作用，降低少數(shù)載流子壽命。26高級教育27高級教育 如果半導(dǎo)體粒子的尺寸小到納米尺度時(shí)，這種納米晶的如果半導(dǎo)體粒子的尺寸小到納米尺度時(shí)，這種納米晶的 能級結(jié)構(gòu)及其光物理性質(zhì)發(fā)生較大變化。納米晶是半導(dǎo)能級結(jié)構(gòu)及其光物理性質(zhì)發(fā)生較大變化。納米晶是半導(dǎo) 體團(tuán)簇，團(tuán)簇中由于電子和空穴在空間限體團(tuán)簇，團(tuán)簇中由于電子和空穴在空間限 域，使價(jià)帶和域，使價(jià)帶和 導(dǎo)帶變成不連續(xù)的電子狀態(tài)，圖給出了尺寸大的粒子和導(dǎo)帶變成不連續(xù)的電子狀態(tài)，圖給出了尺寸大的粒子和 尺寸很小的團(tuán)簇半導(dǎo)體的空間電子狀態(tài)示意圖。尺寸很小的團(tuán)簇半導(dǎo)體的空間電子狀態(tài)示意圖。 在團(tuán)簇中，粒子半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶變成量子化（不連在團(tuán)簇中，粒

21、子半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶變成量子化（不連 續(xù)的）的非定域分子軌道，與大粒子相比，導(dǎo)帶升高續(xù)的）的非定域分子軌道，與大粒子相比，導(dǎo)帶升高 價(jià)帶下降使帶隙增寬。微量尺寸越小，帶隙越大，在團(tuán)價(jià)帶下降使帶隙增寬。微量尺寸越小，帶隙越大，在團(tuán) 簇中，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有深陷阱和表面太能級，對光簇中，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有深陷阱和表面太能級，對光 物理和光化學(xué)有很大影響。物理和光化學(xué)有很大影響。28高級教育半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體材料吸收能量大于或等于半導(dǎo)體材料吸收能量大于或等于e eg g的光子，將發(fā)生電的光子，將發(fā)生電 子由價(jià)帶向?qū)У能S遷，這種光吸收稱為本征吸收。本征子由價(jià)帶向?qū)У能S遷，這種光吸

22、收稱為本征吸收。本征 吸收在價(jià)帶生成空穴吸收在價(jià)帶生成空穴h hvbvb，在導(dǎo)帶生成電子，在導(dǎo)帶生成電子e ecbcb，光生電子，光生電子 和空穴因庫侖相互作用被束縛形成電子空穴對，這種電和空穴因庫侖相互作用被束縛形成電子空穴對，這種電 子子- -空穴對稱為激子。空穴對稱為激子。 與本征吸收有關(guān)的電子躍遷，可分為直接躍遷和間接與本征吸收有關(guān)的電子躍遷，可分為直接躍遷和間接 躍遷。躍遷。29高級教育30高級教育 直接躍遷直接躍遷: :導(dǎo)帶勢能面的能量最低點(diǎn)垂直位于價(jià)帶導(dǎo)帶勢能面的能量最低點(diǎn)垂直位于價(jià)帶勢能面的最高點(diǎn)，吸收能量勢能面的最高點(diǎn)，吸收能量hv hv e eg g的光子時(shí)，發(fā)的光子時(shí)，發(fā)

23、生由價(jià)帶向?qū)У呢Q直躍遷。生由價(jià)帶向?qū)У呢Q直躍遷。 間接躍遷：導(dǎo)帶勢能面相對于價(jià)帶發(fā)生漂移，這時(shí)間接躍遷：導(dǎo)帶勢能面相對于價(jià)帶發(fā)生漂移，這時(shí)除了基態(tài)向激發(fā)態(tài)的電子躍遷，還伴隨發(fā)生聲子的除了基態(tài)向激發(fā)態(tài)的電子躍遷，還伴隨發(fā)生聲子的吸收或發(fā)射躍遷，這種間接躍遷為非豎直躍遷。吸收或發(fā)射躍遷，這種間接躍遷為非豎直躍遷。 由于聲子的能量很小，所以帶隙間的間接躍遷由于聲子的能量很小，所以帶隙間的間接躍遷能量仍然接近禁帶寬度。能量仍然接近禁帶寬度。31高級教育 半導(dǎo)體材料除了本征吸收，還有如激子吸收、自由載流子吸半導(dǎo)體材料除了本征吸收，還有如激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收等，吸收出現(xiàn)在本征吸收帶的長波

24、區(qū)，這些吸收、雜質(zhì)吸收等，吸收出現(xiàn)在本征吸收帶的長波區(qū)，這些吸收很弱。所以半導(dǎo)體的吸收光譜主要討論各種半導(dǎo)體的本征收很弱。所以半導(dǎo)體的吸收光譜主要討論各種半導(dǎo)體的本征吸收特性。吸收特性。32高級教育v典型的半導(dǎo)體吸收光譜典型的半導(dǎo)體吸收光譜33高級教育固體吸收光譜的主要特征：固體吸收光譜的主要特征：l基本吸收區(qū)：基本吸收區(qū)：價(jià)帶（電子）價(jià)帶（電子）導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，導(dǎo)帶，伴隨光電導(dǎo)，a-a-105106 cm-1l激子吸收峰：激子吸收峰：激子態(tài)激子態(tài)l自由載流子吸收：自由載流子吸收：導(dǎo)帶導(dǎo)帶（價(jià)帶）中的電子（空穴）（價(jià)帶）中的電子（空穴）l聲子吸收帶：聲子吸收帶：光與晶格振動模式間的作用光與晶

25、格振動模式間的作用, , a al雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收l自旋波量子吸收和回旋共振吸收自旋波量子吸收和回旋共振吸收離子晶體：離子晶體：105cm-1非極性晶體：非極性晶體：101-102cm-134高級教育三 半導(dǎo)體的吸收光譜 半導(dǎo)體材料的吸收特性主要由吸收波長（帶邊波長半導(dǎo)體材料的吸收特性主要由吸收波長（帶邊波長 g和峰和峰值值 max）和吸收系數(shù)給出，帶邊波長和吸收系數(shù)給出，帶邊波長 g決定于帶隙能量即禁帶決定于帶隙能量即禁帶寬度寬度eg，關(guān)系式為：，關(guān)系式為：35高級教育 光在含半導(dǎo)體的介質(zhì)中傳播時(shí)，光的強(qiáng)度按如下指數(shù)光在含半導(dǎo)體的介質(zhì)中傳播時(shí)，光的強(qiáng)度按如下指數(shù)形式衰減形式衰減: :i0 為

26、入射光的強(qiáng)度為入射光的強(qiáng)度, l為入射光的穿透距離（單位為為入射光的穿透距離（單位為cm）a a 為吸收長度的倒數(shù)為吸收長度的倒數(shù) 36高級教育在吸收帶邊，在吸收帶邊，a a 隨著光子能量的增加而增加。隨著光子能量的增加而增加。 對于直接躍遷，指數(shù)對于直接躍遷，指數(shù)n=0.5n=0.5；對于間接躍遷；對于間接躍遷n=2n=2，37高級教育四四 半導(dǎo)體的發(fā)射光譜半導(dǎo)體的發(fā)射光譜1. 光生電子和空穴的復(fù)合發(fā)光光生電子和空穴的復(fù)合發(fā)光 半導(dǎo)體的光生電子半導(dǎo)體的光生電子-空穴對的復(fù)合，有直接復(fù)合和間接復(fù)空穴對的復(fù)合，有直接復(fù)合和間接復(fù)合兩種，復(fù)合使光誘導(dǎo)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)以輻射與無輻射躍遷回合兩種，復(fù)合使光

27、誘導(dǎo)產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)以輻射與無輻射躍遷回到基態(tài)。到基態(tài)。直接復(fù)合：指躍遷到導(dǎo)帶的電子直接跳躍回到價(jià)帶與光生空直接復(fù)合：指躍遷到導(dǎo)帶的電子直接跳躍回到價(jià)帶與光生空 穴復(fù)合稱為激子的直接復(fù)合發(fā)光。穴復(fù)合稱為激子的直接復(fù)合發(fā)光。間接復(fù)合：光生電子或空穴先被陷阱捕獲。間接復(fù)合：光生電子或空穴先被陷阱捕獲。38高級教育光生電子光生電子-空穴復(fù)合躍空穴復(fù)合躍遷示意圖：圖中遷示意圖：圖中et為為陷阱能級。陷阱能級。39高級教育 在圖在圖b b中，光生電子先被深陷阱捕獲由導(dǎo)帶轉(zhuǎn)中，光生電子先被深陷阱捕獲由導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到移到e et t中，然后中，然后, ,由由etet跳躍到價(jià)帶與空穴復(fù)合；圖跳躍到價(jià)帶與空穴復(fù)合；圖c

28、 c中，光生空穴先被深陷阱捕獲，在這個(gè)過程中，在深陷中，光生空穴先被深陷阱捕獲，在這個(gè)過程中，在深陷阱被束縛的電子轉(zhuǎn)移到價(jià)帶，在深陷阱產(chǎn)生空穴，然后阱被束縛的電子轉(zhuǎn)移到價(jià)帶，在深陷阱產(chǎn)生空穴，然后導(dǎo)帶電子躍遷到深陷阱與空穴復(fù)合。導(dǎo)帶電子躍遷到深陷阱與空穴復(fù)合。 比較這兩種發(fā)光帶，間接復(fù)合發(fā)光帶比激子發(fā)光帶比較這兩種發(fā)光帶，間接復(fù)合發(fā)光帶比激子發(fā)光帶紅移紅移。40高級教育41高級教育42高級教育第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體的電子性質(zhì)半導(dǎo)體的電子性質(zhì) 在光催化反應(yīng)中，催化劑的能帶結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體光在光催化反應(yīng)中，催化劑的能帶結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體光生載流子的特性。光生載流子（光致電子和空穴）在光照生載流子的特性

29、。光生載流子（光致電子和空穴）在光照作用下是怎樣產(chǎn)生和被激發(fā)的，激發(fā)之后又是在何種條件作用下是怎樣產(chǎn)生和被激發(fā)的，激發(fā)之后又是在何種條件下怎樣與吸附分子相互作用等，都與半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)下怎樣與吸附分子相互作用等，都與半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。而這些光生載流子在半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的特性又構(gòu)有關(guān)。而這些光生載流子在半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的特性又直接影響其光催化性能。直接影響其光催化性能。 所以，了解半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)對于光催化研究十分重所以，了解半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)對于光催化研究十分重要。要。43高級教育 光生電子和空穴是光催化反應(yīng)的活性物種，其遷移過光生電子和空穴是光催化反應(yīng)的活性物種，其遷移過程的概率和速

30、率取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶邊的位置以程的概率和速率取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶邊的位置以 及吸附物質(zhì)的氧化還原電位。及吸附物質(zhì)的氧化還原電位。 從半導(dǎo)體的帶邊位置，我們可以確定一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)從半導(dǎo)體的帶邊位置，我們可以確定一個(gè)光化學(xué)反應(yīng) 在熱力學(xué)上是允許發(fā)生的。在熱力學(xué)上是允許發(fā)生的。 如果溶液中的反應(yīng)物要求在光照的條件被還原，那么，如果溶液中的反應(yīng)物要求在光照的條件被還原，那么，熱力學(xué)上要求半導(dǎo)體的導(dǎo)帶邊必須在氧化還原電熱力學(xué)上要求半導(dǎo)體的導(dǎo)帶邊必須在氧化還原電 對電位的上面。對電位的上面。44高級教育45高級教育 從熱力學(xué)上講，受主物種的相關(guān)位能需低于半導(dǎo)體從熱力學(xué)上講，受主物種的相關(guān)位能需低于半

31、導(dǎo)體 導(dǎo)帶的位能。導(dǎo)帶的位能。 以光解水為例，理論上，要使水完全分解，半導(dǎo)體以光解水為例，理論上，要使水完全分解，半導(dǎo)體 材 料 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 最 好 和 圖 中 的 化 合 物材 料 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 最 好 和 圖 中 的 化 合 物 c d s e c d s e 相似，即具有比氫電極電位更正的導(dǎo)帶電位和比氧電極相似，即具有比氫電極電位更正的導(dǎo)帶電位和比氧電極 電位更負(fù)的價(jià)帶電位，并且二者之間的吸收帶隙應(yīng)盡可電位更負(fù)的價(jià)帶電位，并且二者之間的吸收帶隙應(yīng)盡可 能窄。這樣既可保證光解水反應(yīng)在光催化劑表面上進(jìn)能窄。這樣既可保證光解水反應(yīng)在光催化劑表面上進(jìn) 行，又可最大限度地利用太陽光中

32、的可見光部分作為催行，又可最大限度地利用太陽光中的可見光部分作為催 化劑的激活光源?；瘎┑募せ罟庠?。46高級教育 許多半導(dǎo)體材料（許多半導(dǎo)體材料（tiotio2 2 、zno zno 、fefe2 2o o3 3 、cds cds 、cdse cdse 等）具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，可以作為光催化劑。但是，由于等）具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，可以作為光催化劑。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半導(dǎo)體在光照下某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半導(dǎo)體在光照下不穩(wěn)定，存在不同程度的光腐蝕現(xiàn)象，所以目前只有不穩(wěn)定，存在不同程度的光腐蝕現(xiàn)象，所以目前只有tiotio2 2是是較為廣泛使用的半導(dǎo)體光催

33、化劑。較為廣泛使用的半導(dǎo)體光催化劑。 雖然，也有一些半導(dǎo)體材料如雖然，也有一些半導(dǎo)體材料如srtio3與與tio2具有如同樣具有如同樣的光催化性能和穩(wěn)定性。但是，由于它們的吸收帶隙均大于的光催化性能和穩(wěn)定性。但是，由于它們的吸收帶隙均大于 3.2ev，不利于可見光的直接吸收利用，故沒有成為實(shí)用的，不利于可見光的直接吸收利用，故沒有成為實(shí)用的光催化劑。光催化劑。47高級教育tiotio2 2作為光催化劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：作為光催化劑具有以下優(yōu)點(diǎn)： 合適的半導(dǎo)體禁帶寬度（合適的半導(dǎo)體禁帶寬度（3.0ev3.0ev左右），可以用左右），可以用385nm385nm以下以下 的光源激發(fā)活化，通過改性有望直接

34、利用太陽能來驅(qū)動光的光源激發(fā)活化，通過改性有望直接利用太陽能來驅(qū)動光 催化反應(yīng)。催化反應(yīng)。 光催化效率高，導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上的空穴具有很強(qiáng)的光催化效率高，導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上的空穴具有很強(qiáng)的 氧化氧化- -還原能力，可分解大部分有機(jī)污染物。還原能力，可分解大部分有機(jī)污染物。 化學(xué)穩(wěn)定性好，具有很強(qiáng)的抗光腐蝕性?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，具有很強(qiáng)的抗光腐蝕性。 價(jià)格便宜，無毒而且原料易得。價(jià)格便宜，無毒而且原料易得。 48高級教育二二 空間電荷層和能帶彎曲空間電荷層和能帶彎曲 當(dāng)體相半導(dǎo)體材料與含有氧化還原電對電解液接觸當(dāng)體相半導(dǎo)體材料與含有氧化還原電對電解液接觸 時(shí)，如果半導(dǎo)體的（時(shí)，如果半導(dǎo)體的（fe

35、imifeimi）能級與電對的電極電位不）能級與電對的電極電位不 同，電子就會在半導(dǎo)體和電解液的界面發(fā)生流動，直至同，電子就會在半導(dǎo)體和電解液的界面發(fā)生流動，直至 電荷達(dá)到平衡。電荷達(dá)到平衡。 空間電荷區(qū)：電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致電荷在半導(dǎo)體表面的分空間電荷區(qū)：電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致電荷在半導(dǎo)體表面的分 布有所不同，半導(dǎo)體的能帶在表面發(fā)生彎曲，這個(gè)區(qū)域布有所不同，半導(dǎo)體的能帶在表面發(fā)生彎曲，這個(gè)區(qū)域 稱之為空間電荷區(qū)。稱之為空間電荷區(qū)。 相對的，電解液一側(cè)產(chǎn)生雙電層：緊密層（相對的，電解液一側(cè)產(chǎn)生雙電層：緊密層（helmholtzhelmholtz層）和擴(kuò)散層（層）和擴(kuò)散層（gouy-chapmangouy-cha

36、pman）。）。49高級教育 費(fèi)米能級是指費(fèi)米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時(shí)的化學(xué)位；費(fèi)米能級是指費(fèi)米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時(shí)的化學(xué)位； 但是在半導(dǎo)體物理和電子學(xué)領(lǐng)域中，費(fèi)米能級則經(jīng)常被但是在半導(dǎo)體物理和電子學(xué)領(lǐng)域中，費(fèi)米能級則經(jīng)常被 當(dāng)做電子或空穴化學(xué)勢的代名詞。當(dāng)做電子或空穴化學(xué)勢的代名詞。 費(fèi)米能級在半導(dǎo)體物理中是個(gè)很重要的物理參數(shù)，只要費(fèi)米能級在半導(dǎo)體物理中是個(gè)很重要的物理參數(shù)，只要 知道了它的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的知道了它的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的 統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。 費(fèi)米能級費(fèi)米能級和溫度，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，雜質(zhì)的含量和溫度，半導(dǎo)體

37、材料的導(dǎo)電類型，雜質(zhì)的含量 以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。 n n型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近導(dǎo)帶邊，過高摻雜會進(jìn)入導(dǎo)型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近導(dǎo)帶邊，過高摻雜會進(jìn)入導(dǎo) 帶；帶；p p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近價(jià)帶邊，過高摻雜會進(jìn)入型半導(dǎo)體費(fèi)米能級靠近價(jià)帶邊，過高摻雜會進(jìn)入 價(jià)帶。價(jià)帶。50高級教育費(fèi)米子：具有自旋量子數(shù)為半整數(shù)的基本粒子，遵從費(fèi)米子：具有自旋量子數(shù)為半整數(shù)的基本粒子，遵從泡泡 利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)只能被一個(gè)粒利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)只能被一個(gè)粒子子 所占據(jù)。所占據(jù)。玻色子：具有自旋量子數(shù)為整數(shù)的基本粒子，不遵守玻色子：具有自旋量子數(shù)為整數(shù)的基本粒子，不遵守泡泡 利不相容

38、原理，即一個(gè)量子態(tài)可以被任意多利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)可以被任意多個(gè)個(gè) 粒子所占據(jù)。粒子所占據(jù)。 基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料的原材料( (如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子微子) )；而傳遞作用力的粒子；而傳遞作用力的粒子( (光子、介子、膠子、光子、介子、膠子、w w和和z z玻玻色子色子) )都是玻色子。都是玻色子。 51高級教育52高級教育 對于半徑為對于半徑為 o o的球形半導(dǎo)體顆粒，從球心的球形半導(dǎo)體顆粒，從球心 =0=0）到距離到距離球心為球心為 處的電位分

39、布可以由下面的方程得出：處的電位分布可以由下面的方程得出：ld是德拜相機(jī)長度，與半導(dǎo)體材料的摻雜濃度是德拜相機(jī)長度，與半導(dǎo)體材料的摻雜濃度nd有關(guān)有關(guān)w 是空間電荷層的的厚度是空間電荷層的的厚度k 是波爾茲曼常數(shù)是波爾茲曼常數(shù)53高級教育從半導(dǎo)體顆粒的中心到其表面（從半導(dǎo)體顆粒的中心到其表面（r=r0）的電位降：）的電位降：54高級教育55高級教育56高級教育57高級教育三三 平帶電位平帶電位 平帶電位是半導(dǎo)體平帶電位是半導(dǎo)體/ /電解液體系的重要特征，是確定半導(dǎo)體電解液體系的重要特征，是確定半導(dǎo)體 能帶位置的重要物理量。能帶位置的重要物理量。 平帶電位：體相半導(dǎo)體與電解液接觸時(shí)，由于兩者費(fèi)米

40、能平帶電位：體相半導(dǎo)體與電解液接觸時(shí)，由于兩者費(fèi)米能級的不同，級的不同， 半導(dǎo)體一側(cè)將會形成空間電荷層，而電解液半導(dǎo)體一側(cè)將會形成空間電荷層，而電解液 一側(cè)將會形成一側(cè)將會形成helmholtzhelmholtz層，從而半導(dǎo)體的能帶在表面發(fā)生層，從而半導(dǎo)體的能帶在表面發(fā)生彎曲。如果對半導(dǎo)體電極施加某一電位進(jìn)行極化，改變彎曲。如果對半導(dǎo)體電極施加某一電位進(jìn)行極化，改變 半導(dǎo)體的費(fèi)米能級，半導(dǎo)體的能帶處于平帶狀態(tài)。半導(dǎo)體的費(fèi)米能級，半導(dǎo)體的能帶處于平帶狀態(tài)。58高級教育59高級教育60高級教育測量半導(dǎo)體納米晶平帶電位主要方法測量半導(dǎo)體納米晶平帶電位主要方法 光譜電化學(xué)法：在三電極體系下，對半導(dǎo)體光

41、譜電化學(xué)法：在三電極體系下，對半導(dǎo)體納米晶電極施加不同電位，測量其在固定波納米晶電極施加不同電位，測量其在固定波長下吸光度的變化。長下吸光度的變化。 電化學(xué)法：在三電極體系下，使用入射光激電化學(xué)法：在三電極體系下，使用入射光激發(fā)半導(dǎo)體電極，改變電極上施加的電位。發(fā)半導(dǎo)體電極，改變電極上施加的電位。61高級教育四四 半導(dǎo)體催化劑的光激發(fā)半導(dǎo)體催化劑的光激發(fā) 多相光催化反應(yīng)可以在絕緣體、半導(dǎo)體和金屬表面上發(fā)多相光催化反應(yīng)可以在絕緣體、半導(dǎo)體和金屬表面上發(fā) 生。由于不同固體的表面電子態(tài)在能量上的差異，在不同固生。由于不同固體的表面電子態(tài)在能量上的差異，在不同固 體表面上發(fā)生的光催化作用，包括起始的光

42、激發(fā)過程和隨后體表面上發(fā)生的光催化作用，包括起始的光激發(fā)過程和隨后 的電子轉(zhuǎn)移過程等都有各自的特點(diǎn)。在光催化反應(yīng)中，催化的電子轉(zhuǎn)移過程等都有各自的特點(diǎn)。在光催化反應(yīng)中，催化 劑的能帶結(jié)構(gòu)起著十分重要的作用，將直接影響光激發(fā)之后劑的能帶結(jié)構(gòu)起著十分重要的作用，將直接影響光激發(fā)之后 的反應(yīng)分子或催化劑的化學(xué)行為。的反應(yīng)分子或催化劑的化學(xué)行為。62高級教育63高級教育1.1.半導(dǎo)體價(jià)帶光激發(fā)半導(dǎo)體價(jià)帶光激發(fā) 以半導(dǎo)體為光催化劑時(shí)，有機(jī)和無機(jī)化合物的多相光以半導(dǎo)體為光催化劑時(shí)，有機(jī)和無機(jī)化合物的多相光催化的起始步驟是在半導(dǎo)體顆粒中產(chǎn)生電子催化的起始步驟是在半導(dǎo)體顆粒中產(chǎn)生電子 空穴時(shí)。圖空穴時(shí)。圖2-

43、10 2-10 給出的是半導(dǎo)體在吸收能量等于或大于其禁帶能量給出的是半導(dǎo)體在吸收能量等于或大于其禁帶能量的輻射時(shí)電子由價(jià)帶至導(dǎo)帶的激發(fā)過程，由圖可見激發(fā)后的輻射時(shí)電子由價(jià)帶至導(dǎo)帶的激發(fā)過程，由圖可見激發(fā)后分離的電子和空穴各有幾個(gè)可進(jìn)一步反應(yīng)的途徑（分離的電子和空穴各有幾個(gè)可進(jìn)一步反應(yīng)的途徑（a a，b b，c c，d d）。）。64高級教育2.2.光催化量子效率光催化量子效率 光催化量子效率：每個(gè)被吸收的光子能發(fā)生的動作次數(shù)。光催化量子效率：每個(gè)被吸收的光子能發(fā)生的動作次數(shù)。是以量子產(chǎn)額來定量的。是以量子產(chǎn)額來定量的。 為了確定效率和量子產(chǎn)額，必須考慮把電子和空穴所有可為了確定效率和量子產(chǎn)額，

44、必須考慮把電子和空穴所有可能反應(yīng)路徑的概率加以組合。對一個(gè)理想的體系，有下列簡單能反應(yīng)路徑的概率加以組合。對一個(gè)理想的體系，有下列簡單關(guān)系給出的量子產(chǎn)額：關(guān)系給出的量子產(chǎn)額：65高級教育 在假定產(chǎn)物向溶液擴(kuò)散得很快，而且與供體再結(jié)合的在假定產(chǎn)物向溶液擴(kuò)散得很快，而且與供體再結(jié)合的電子以及與受體再結(jié)合的空穴之間無逆反應(yīng)發(fā)生的條件下電子以及與受體再結(jié)合的空穴之間無逆反應(yīng)發(fā)生的條件下得到的，量子產(chǎn)率和電荷轉(zhuǎn)移過程的速度（得到的，量子產(chǎn)率和電荷轉(zhuǎn)移過程的速度（k kctct）成正比，）成正比，而和電荷轉(zhuǎn)移速度（而和電荷轉(zhuǎn)移速度（k kctct）以及電子與空穴再結(jié)合（體內(nèi)和）以及電子與空穴再結(jié)合（體內(nèi)和

45、表面的）速度（表面的）速度（k kr r）之和成反比。之和成反比。 對光催化過程來說，如果沒有光生載流子的復(fù)合反應(yīng)對光催化過程來說，如果沒有光生載流子的復(fù)合反應(yīng)發(fā)生，則量子產(chǎn)率為理想值等于發(fā)生，則量子產(chǎn)率為理想值等于1 1。66高級教育3.3.光生載流子的捕獲光生載流子的捕獲 電子和空穴的復(fù)合對半導(dǎo)體光催化反應(yīng)不利。為在電子和空穴的復(fù)合對半導(dǎo)體光催化反應(yīng)不利。為在光催化劑表面上有效轉(zhuǎn)移電荷，必須減緩或者消除光激光催化劑表面上有效轉(zhuǎn)移電荷，必須減緩或者消除光激發(fā)電子發(fā)電子- -空穴對的重新復(fù)合。空穴對的重新復(fù)合。 在制備膠體和多晶光催化劑時(shí)，和制備化學(xué)催化劑在制備膠體和多晶光催化劑時(shí)，和制備化學(xué)催化劑一樣，一般很難制得理想的半導(dǎo)體晶格。一樣，一般很難制得理想的半導(dǎo)體晶格。 在制備過程中，無論是半導(dǎo)體表面還是體內(nèi)都會出在制備過程中，無論是半導(dǎo)體表面還是體內(nèi)都會出現(xiàn)一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這種不規(guī)則性和表面電子態(tài)密切相現(xiàn)一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這種不規(guī)則性和表面電子態(tài)密切相關(guān)，可使后