第2章半導(dǎo)體與PN結(jié)

1、第二章：半導(dǎo)體與第二章：半導(dǎo)體與PN結(jié)結(jié)2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)1 2.1簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 2.2基本原理基本原理 2.3載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生 2.4載流子的復(fù)合載流子的復(fù)合 2.5載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng) 2.6 PN結(jié)結(jié) 2.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 一直以來(lái)，太陽(yáng)能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)一直以來(lái)，太陽(yáng)能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來(lái)的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問(wèn)題和物系在一起。接下來(lái)的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問(wèn)題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以用來(lái)解釋用來(lái)解釋PN結(jié)的運(yùn)作機(jī)制。結(jié)的運(yùn)

2、作機(jī)制。PN結(jié)結(jié)不僅是太陽(yáng)能電池的核心不僅是太陽(yáng)能電池的核心基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎(chǔ)。礎(chǔ)。2022-5-102 右圖是一個(gè)右圖是一個(gè)硅錠硅錠，由，由一個(gè)大的單晶硅組成，這一個(gè)大的單晶硅組成，這樣一個(gè)硅錠可以被切割成樣一個(gè)硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽(yáng)能電池體器件，包括太陽(yáng)能電池和電腦芯片。和電腦芯片。 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一

3、起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被8個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同的），每個(gè)電子都占據(jù)（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同的），每個(gè)電

4、子都占據(jù)著特定的能級(jí)。著特定的能級(jí)。2022-5-103 半導(dǎo)體材料可以來(lái)自元素周期表中的半導(dǎo)體材料可以來(lái)自元素周期表中的族元素，或族元素，或者是者是族元素與族元素與族元素相結(jié)合（叫做族元素相結(jié)合（叫做 - -型半導(dǎo)型半導(dǎo)體體 ），還可以是），還可以是族元素與族元素與族元素相結(jié)合（叫做族元素相結(jié)合（叫做 - -型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 ）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（集成電路（ICIC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽(yáng)能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關(guān)材多數(shù)的太陽(yáng)能電池也是以硅作為基本材料的。

5、硅的相關(guān)材料性能將在料性能將在硅的材料性質(zhì)硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。一節(jié)給出。4 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)右圖展示了一種半導(dǎo)右圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。體的結(jié)構(gòu)。硅晶格中硅晶格中的共價(jià)鍵示意圖。的共價(jià)鍵示意圖。硅原子硅原子共價(jià)鍵共價(jià)鍵 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 上圖是元素周期表的一部分。相同半導(dǎo)體材料以藍(lán)色上圖是元素周期表的一部分。相同半導(dǎo)體材料以藍(lán)色字體顯示。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如字體顯示。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或或Ge，化合物，化合物，如如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如，還可以是合金，如SixGe（1-x

6、）或或AlxGa（1-x）As。 其中其中X是元素的組分，數(shù)值從是元素的組分，數(shù)值從0到到1。 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)鍵結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體材料的性能。一個(gè)決定了半導(dǎo)體材料的性能。一個(gè)關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的一個(gè)電子來(lái)與之共用，這樣，每個(gè)原子便被一個(gè)電子來(lái)與之共用，這樣，每個(gè)原子便被8個(gè)電子包個(gè)電子包圍著。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量

7、束縛著，因此它圍著。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)們總是限制在原子周圍的某個(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其它與太陽(yáng)能電池相關(guān)的物理過(guò)程。它與太陽(yáng)能電池相關(guān)的物理過(guò)程。2022-5-106 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 然而，只有在然而，只有在絕對(duì)零度絕對(duì)零度的時(shí)候才會(huì)讓

8、全部電子的時(shí)候才會(huì)讓全部電子都束縛在價(jià)鍵中。都束縛在價(jià)鍵中。 在在高溫高溫下，電子能夠獲得足夠下，電子能夠獲得足夠的能量的能量擺脫共價(jià)鍵擺脫共價(jià)鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體。絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體。 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。電價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。電子的最低能

9、量態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子的最低能量態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來(lái)打破共價(jià)鍵，那么它將子吸收了足夠的熱能來(lái)打破共價(jià)鍵，那么它將進(jìn)入導(dǎo)進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子帶成為自由電子。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)體的限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)體的“禁帶禁帶”。自自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎(chǔ)由電子的數(shù)量和能量是研

10、究電子器件性能的基礎(chǔ)。 電子擺脫共價(jià)鍵后留下來(lái)的空間能讓共價(jià)鍵從電子擺脫共價(jià)鍵后留下來(lái)的空間能讓共價(jià)鍵從一個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷一個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)留下的空位置通常被叫在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)留下的空位置通常被叫做做“空穴空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。，它與電子相似但是帶正電荷。9 右邊動(dòng)畫展示右邊動(dòng)畫展示了當(dāng)電子能夠逃脫共了當(dāng)電子能夠逃脫共價(jià)鍵時(shí)自由電子和空價(jià)鍵時(shí)自由電子和空穴是如何形成的穴是如何形成的 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，

11、半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是： 1. 禁帶寬度禁帶寬度 2. 能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目 3. 當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù) 合。合。 關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁(yè)給出。關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁(yè)給出。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)10 2.2.1 基本原理基本原理 -半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的禁帶寬度禁帶寬度是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（半

12、導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此軸）電子的能量，此圖也被叫做圖也被叫做“能帶圖能帶圖”。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被叫做叫做“價(jià)帶價(jià)帶”（Ev valence band），而處于其中的），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級(jí)叫電子能被看成自由電子的能級(jí)叫“導(dǎo)帶導(dǎo)帶”（Ec）。）。處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（EG）了。）了。 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)12 固體中電子的能固體中電子的能帶示意圖。帶示意圖。 一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)

13、動(dòng)并一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電參與導(dǎo)電。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種導(dǎo)電過(guò)程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)一種導(dǎo)電過(guò)程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。來(lái)自周圍原子的電子能移動(dòng)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。來(lái)自周圍原子的電子能移動(dòng)到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留給電子的不斷運(yùn)動(dòng)的空位，叫做給電子的不斷運(yùn)動(dòng)的空位，叫做“空穴空穴”，也可以看作，也可以看作在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)13 2.

14、2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 2.2.2 基本原理基本原理-禁帶禁帶 因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。電子和空穴電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都能參與導(dǎo)電并都稱為都稱為“載流子載流子”。 移動(dòng)的移動(dòng)的“空穴空穴”這一概念有點(diǎn)類似于液體中的氣這一概念有點(diǎn)類似于液體中的氣泡。盡管實(shí)際上是液體在流動(dòng)，但是把它想象成是液泡。盡管實(shí)際上是液體在流動(dòng)，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運(yùn)動(dòng)更容易理解些。體中的氣泡往相反的方向運(yùn)動(dòng)更容易理解些。 2.2.3 基本原理基本原理 -本

15、征載流子濃度本征載流子濃度 把電子從價(jià)帶移向?qū)У陌央娮訌膬r(jià)帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)熱激發(fā)使得價(jià)帶和導(dǎo)帶使得價(jià)帶和導(dǎo)帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度本征載流子濃度，用符號(hào)用符號(hào)ni表示表示。沒(méi)有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半沒(méi)有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做導(dǎo)體材料叫做本征材料本征材料。本征載流子濃度就是指本征材。本征載流子濃度就是指本征材料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)帶中的空穴數(shù)目。料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)帶中的空穴數(shù)目。載流子的載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會(huì)使。寬禁帶會(huì)使得載流子

16、很難通過(guò)熱激發(fā)來(lái)穿過(guò)它，因此寬禁帶的本征得載流子很難通過(guò)熱激發(fā)來(lái)穿過(guò)它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過(guò)提高溫度讓電子載流子濃度一般比較低。但還可以通過(guò)提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。2022-5-1015導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶 2.2.3 基本原理基本原理 -本征載流子濃度本征載流子濃度 下圖顯示了下圖顯示了兩個(gè)溫度下兩個(gè)溫度下的半導(dǎo)體本征載流子濃度。需的半導(dǎo)體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。都是相等的

17、。室溫室溫高溫高溫 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 通過(guò)摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平通過(guò)摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個(gè)價(jià)電子的原子可以用來(lái)制成衡。比硅原子多一個(gè)價(jià)電子的原子可以用來(lái)制成n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體材料，這種原子把一個(gè)電子注入到導(dǎo)帶中，因此增加了導(dǎo)帶材料，這種原子把一個(gè)電子注入到導(dǎo)帶中，因此增加了導(dǎo)帶中電子的數(shù)目。相對(duì)的，比硅原少一個(gè)電子的原子可以制成中電子的數(shù)目。相對(duì)的，比硅原少一個(gè)電子的原子可以制成p型半導(dǎo)體材料。在型半導(dǎo)體材料。在p型半導(dǎo)體材料中，被束縛在共價(jià)鍵中型半導(dǎo)體材料中，被束縛在共價(jià)鍵中的電子數(shù)目比本征半導(dǎo)體要高，因此顯著地

18、提高了空穴的數(shù)的電子數(shù)目比本征半導(dǎo)體要高，因此顯著地提高了空穴的數(shù)目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子多子”，相反，濃，相反，濃度低的載流子就叫度低的載流子就叫“少子少子”。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)17 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和型和p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。2022-5-1019下表總結(jié)了不同類型半導(dǎo)體的特性下表總結(jié)了不同類型半導(dǎo)體的特性P型（正）型

19、（正）N型（負(fù)）型（負(fù)）摻雜摻雜族元素族元素（如硼）（如硼）族元素族元素（如磷）（如磷）價(jià)鍵價(jià)鍵失去一個(gè)電子失去一個(gè)電子（空穴）（空穴）多出一個(gè)電子多出一個(gè)電子多子多子空穴空穴電子電子少子少子電子電子空穴空穴 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 下面的動(dòng)畫展示了下面的動(dòng)畫展示了p型硅與型硅與n型硅。在一塊典型的半導(dǎo)體型硅。在一塊典型的半導(dǎo)體中，中，多子濃度可能達(dá)到多子濃度可能達(dá)到1017cm-3，少子濃度則為少子濃度則為106cm-3。這。這是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個(gè)人與地是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個(gè)人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過(guò)熱激發(fā)

20、又可以球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過(guò)熱激發(fā)又可以通過(guò)光照產(chǎn)生。通過(guò)光照產(chǎn)生。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)20N型半導(dǎo)體。之所以叫型半導(dǎo)體。之所以叫n型是因?yàn)槎嘈褪且驗(yàn)槎嘧邮菐ж?fù)電的電子（子是帶負(fù)電的電子（ Negatively charged electrons ）。）。 P型半導(dǎo)體。之所以叫型半導(dǎo)體。之所以叫p型是因?yàn)樾褪且驗(yàn)槎嘧邮菐д姷目昭ǎǘ嘧邮菐д姷目昭ǎ?Positively charged holes）。 2.2.4 基本原理基本原理-摻雜摻雜 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度 在沒(méi)有外加偏壓的情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度在沒(méi)

21、有外加偏壓的情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度就叫就叫本征載流子濃度本征載流子濃度。對(duì)于多子來(lái)說(shuō)，其平衡載流子濃度等。對(duì)于多子來(lái)說(shuō)，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導(dǎo)體的自由載流子的濃度。于本征載流子濃度加上摻雜入半導(dǎo)體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導(dǎo)體的自由載流子濃度要比本征載在多數(shù)情況下，摻雜后半導(dǎo)體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)流子濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。流子的濃度。 在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由質(zhì)量作用質(zhì)量作用定律定律可得其數(shù)學(xué)

22、表達(dá)式?？傻闷鋽?shù)學(xué)表達(dá)式。 n0p0=n2i 式中式中ni表示本征載流子濃度表示本征載流子濃度，n0和和p0分別為電子和空穴分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。的平衡載流子濃度。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)21 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度：使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度： 上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過(guò)程而加入到材料當(dāng)中并占據(jù)價(jià)帶中的空穴，著摻雜的

23、過(guò)程而加入到材料當(dāng)中并占據(jù)價(jià)帶中的空穴，空穴的數(shù)目隨之下降?？昭ǖ臄?shù)目隨之下降。 n型型 n0=NDP0=n2i/ND p型型 P0=NAn0=n2i/NA 下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當(dāng)摻雜水平提高時(shí)，少子的濃度減小。并顯示，當(dāng)摻雜水平提高時(shí)，少子的濃度減小。N型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料低摻雜低摻雜高摻雜高摻雜價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶 2.2.5 基本原理基本原理-平衡載流子濃度平衡載流子濃度 2.3.1 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-光的吸收光的吸收 入射到半導(dǎo)體表面的光子要么在表面被反射，要么被半入射到半導(dǎo)體表

24、面的光子要么在表面被反射，要么被半導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過(guò)。對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，過(guò)。對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，就像沒(méi)有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將就像沒(méi)有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。決定一個(gè)光子是被吸收在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。決定一個(gè)光子是被吸收還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導(dǎo)還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量。基于光子的能量與半導(dǎo)體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分

25、為三種：體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分為三種： 1. EphEg 光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。 2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)24 下面的動(dòng)畫展示了三種不同能量層次的光子在半導(dǎo)體下面的動(dòng)畫展示了三種不同能量層次的光子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)。內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)25 2.3.1 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-光的吸收光的吸收 2.3.1 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-光的吸收光的吸收 對(duì)光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。對(duì)光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很在很多光伏應(yīng)用中多光伏應(yīng)用中，光生載流子的數(shù)目光生載

26、流子的數(shù)目要比由于摻雜要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在被幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在被光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對(duì)少子的數(shù)量來(lái)說(shuō)情況則完全相反。由光產(chǎn)但是對(duì)少子的數(shù)量來(lái)說(shuō)情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要生的少子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)高于原本無(wú)光照時(shí)的光子數(shù)原本無(wú)光照時(shí)的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽(yáng)能電池內(nèi)的少子數(shù)目目，也因此在有光照的太陽(yáng)能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目。幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目。 2.3.2 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收系數(shù)吸收系數(shù) 吸收系數(shù)決定著一個(gè)給定波長(zhǎng)的光子在被

27、吸吸收系數(shù)決定著一個(gè)給定波長(zhǎng)的光子在被吸收之前能在材料走多遠(yuǎn)的距離。如果某種材料的收之前能在材料走多遠(yuǎn)的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當(dāng)于透明的。吸收系材料的厚度足夠薄，它就相當(dāng)于透明的。吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長(zhǎng)。在半數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長(zhǎng)。在半導(dǎo)體的吸收系數(shù)曲線圖中出現(xiàn)了一個(gè)很清晰的邊導(dǎo)體的吸收系數(shù)曲線圖中出現(xiàn)了一個(gè)很清晰的邊緣，這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀](méi)有足夠的緣，這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀](méi)有足夠的能量把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線也就能量把電子從價(jià)

28、帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線也就沒(méi)被吸收了。沒(méi)被吸收了。 2.3.2 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收系數(shù)吸收系數(shù)砷化鎵砷化鎵磷化銦磷化銦鍺鍺硅硅下圖顯示幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)：下圖顯示幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)：四種不同半導(dǎo)體四種不同半導(dǎo)體在溫度為在溫度為300K時(shí)的吸收系數(shù)時(shí)的吸收系數(shù)，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。 該圖表明該圖表明，即使是，即使是那些能量比禁帶寬度高那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，數(shù)也不是全都相同的，而是與波長(zhǎng)有密切的聯(lián)而是與波長(zhǎng)有密切的聯(lián)系。系。 一個(gè)光子被吸收的概率取決于這個(gè)光子能與電子作用一個(gè)光子被吸收的概

29、率取決于這個(gè)光子能與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對(duì)于一個(gè)能量（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對(duì)于一個(gè)能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來(lái)說(shuō)，其吸收的概率是相大小非常接近于禁帶寬度的光子來(lái)說(shuō)，其吸收的概率是相對(duì)較低的，因?yàn)橹挥刑幵趦r(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并對(duì)較低的，因?yàn)橹挥刑幵趦r(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠與之相互作用并吸收被吸收。當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會(huì)增大。然而，對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，比光子的電子數(shù)目也會(huì)增大。然而，對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒(méi)有實(shí)際作用的，因?yàn)榻麕挾榷喑龅哪遣糠止?/p>

30、子能量是沒(méi)有實(shí)際作用的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。 硅的其它光學(xué)性質(zhì)在硅的其它光學(xué)性質(zhì)在硅的光學(xué)性質(zhì)硅的光學(xué)性質(zhì)一節(jié)中給出。一節(jié)中給出。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)29 2.3.2 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收系數(shù)吸收系數(shù) 2.3.3 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收深度吸收深度 吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長(zhǎng)的光在被吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長(zhǎng)的光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。下面將給出另完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。下面將給出另一個(gè)參數(shù)一個(gè)參數(shù)-吸收深度吸收深度，它與吸收系數(shù)

31、成反比例關(guān)系，即，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為為-1。吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，它顯示了光。吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，它顯示了光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概36%（或者說(shuō)（或者說(shuō)1/e）的）的時(shí)候在材料中走的深度。因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?shù)很時(shí)候在材料中走的深度。因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽(yáng)能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸太陽(yáng)能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都收就很弱。即使是在幾微米之后，也不

32、是所有的紅光都能被硅吸收。能被硅吸收。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)30 2.3.3 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收深度吸收深度 藍(lán)光在離表面非常近處藍(lán)光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。器件的深處才被吸收。 動(dòng)畫顯示了紅光與藍(lán)光的動(dòng)畫顯示了紅光與藍(lán)光的吸收深度的不同。吸收深度的不同。下圖顯示了幾種半導(dǎo)體的吸收深度：下圖顯示了幾種半導(dǎo)體的吸收深度：2022-5-1032 2.3.3 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-吸收深度吸收深度 2.3.4 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-生成率生成率 生成率生成率是指被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的是指

33、被光線照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的數(shù)目。忽略反射，半導(dǎo)體材料吸收光線的多少?zèng)Q定于吸收數(shù)目。忽略反射，半導(dǎo)體材料吸收光線的多少?zèng)Q定于吸收系數(shù)（系數(shù)（ 單位為單位為cm-1）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)中光的強(qiáng)度可以通過(guò)以下的方程計(jì)算：中光的強(qiáng)度可以通過(guò)以下的方程計(jì)算： I=I0e-x 式中式中為材料的吸收系數(shù)，單位通常為為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入為光入射到材料的深度，射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強(qiáng)度。為光在材料表面的功率強(qiáng)度。 該方程可以用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)該方程可以用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)目的數(shù)目

34、。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)33 假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴假設(shè)減少的那部分光線能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)對(duì)，那么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。因此，對(duì)上面的方程進(jìn)體材料生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。因此，對(duì)上面的方程進(jìn)行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即 G=N0e-x 其中其中N0為表面的光子通量（光子為表面的光子通量（光子/單位面積單位面積.秒）秒） 為吸收系數(shù)，為吸收系數(shù)，x為進(jìn)入材料的距離。為進(jìn)入材料的距離。 方程顯示，光的強(qiáng)

35、度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)方程顯示，光的強(qiáng)度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。下降，即材料表面的生成率是最高的。 2022-5-1034 2.3.4 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-生成率生成率 2.3.4 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-生成率生成率 對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，入射光是由一系列不同波長(zhǎng)，入射光是由一系列不同波長(zhǎng)的光組成的，因此不同波長(zhǎng)光的生成率也是不同的。下的光組成的，因此不同波長(zhǎng)光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的生成率。圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的生成率。 計(jì)算一系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于每種波計(jì)算一

36、系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于每種波長(zhǎng)的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)，不同長(zhǎng)的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的，顯示著在電，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。成率幾乎是常數(shù)。2022-5-1036 2.3.4 載流子的產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生-生成率生成率 2.4.1 復(fù)合理論復(fù)合理論-復(fù)合的類型復(fù)合的類型 所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)所有處在導(dǎo)帶中的電子都是

37、亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。這種過(guò)程叫做復(fù)合。在單晶半導(dǎo)體材料中，復(fù)合個(gè)空穴。這種過(guò)程叫做復(fù)合。在單晶半導(dǎo)體材料中，復(fù)合過(guò)程大致可以分為三種：過(guò)程大致可以分為三種： 輻射復(fù)合輻射復(fù)合 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合 肖克萊肖克萊-雷德雷德-霍爾復(fù)合霍爾復(fù)合這些復(fù)合在右邊的動(dòng)畫中都有這些復(fù)合在右邊的動(dòng)畫中都有描述。描述。2022-5-10 輻射復(fù)合輻射復(fù)合 輻射復(fù)合是輻射復(fù)合是LED燈和激光這類的半導(dǎo)體器件的主

38、要復(fù)合機(jī)燈和激光這類的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機(jī)制。然而，對(duì)于由硅制成的陸地用太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，輻射復(fù)合制。然而，對(duì)于由硅制成的陸地用太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，輻射復(fù)合并不是主要的，因?yàn)楣璧慕麕Р⒉皇侵苯咏麕?，它使得電子不并不是主要的，因?yàn)楣璧慕麕Р⒉皇侵苯咏麕?，它使得電子不能直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。輻射復(fù)合的幾個(gè)主要特征是：能直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。輻射復(fù)合的幾個(gè)主要特征是： 1）在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在導(dǎo)帶結(jié)合并釋放一個(gè)）在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在導(dǎo)帶結(jié)合并釋放一個(gè) 光子。光子。 2）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低， 大部分能夠飛出半

39、導(dǎo)體。大部分能夠飛出半導(dǎo)體。 2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)38 2.4.1 復(fù)合理論復(fù)合理論-復(fù)合的類型復(fù)合的類型通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合 通過(guò)復(fù)合中心的輻射也被叫做肖克萊通過(guò)復(fù)合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德萊德-霍爾或霍爾或SRH復(fù)合，它不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒(méi)有缺陷的材料中。復(fù)合，它不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒(méi)有缺陷的材料中。SRH復(fù)合過(guò)程分為兩步：復(fù)合過(guò)程分為兩步： 1）一個(gè)電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的）一個(gè)電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一個(gè)能級(jí)所俘獲。這些缺陷要么是無(wú)意中引入的要么是故意一個(gè)能級(jí)所俘獲。這些缺陷要么是無(wú)意中引入的要么是

40、故意加入加入 到材料當(dāng)中去的，比如往材料中摻雜。到材料當(dāng)中去的，比如往材料中摻雜。 2.4.1 復(fù)合理論復(fù)合理論-復(fù)合的類型復(fù)合的類型 2）如果在電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶之前，一個(gè)空穴（或電子）也）如果在電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶之前，一個(gè)空穴（或電子）也被俘獲到同一個(gè)能級(jí)中，那么復(fù)合過(guò)程就完成了。被俘獲到同一個(gè)能級(jí)中，那么復(fù)合過(guò)程就完成了。 載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級(jí)的概率取決于能級(jí)到載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級(jí)的概率取決于能級(jí)到兩能帶（導(dǎo)帶和禁帶）的距離。因此，如果一個(gè)能級(jí)被引入兩能帶（導(dǎo)帶和禁帶）的距離。因此，如果一個(gè)能級(jí)被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復(fù)合的可能性將比較小，到靠近其中一能

41、帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復(fù)合的可能性將比較小，因?yàn)殡娮颖容^容易被激發(fā)到導(dǎo)帶去，而不是與從價(jià)帶移動(dòng)到因?yàn)殡娮颖容^容易被激發(fā)到導(dǎo)帶去，而不是與從價(jià)帶移動(dòng)到同一個(gè)能級(jí)的空穴復(fù)合。基于這個(gè)因素，處在禁帶中間的能同一個(gè)能級(jí)的空穴復(fù)合?；谶@個(gè)因素，處在禁帶中間的能級(jí)發(fā)生復(fù)合的概率最大。級(jí)發(fā)生復(fù)合的概率最大。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)40 2.4.1 復(fù)合理論復(fù)合理論-復(fù)合的類型復(fù)合的類型 俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合 一個(gè)俄歇復(fù)合過(guò)程有三個(gè)載流子參與。一個(gè)光子與一個(gè)一個(gè)俄歇復(fù)合過(guò)程有三個(gè)載流子參與。一個(gè)光子與一個(gè)空穴復(fù)合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播空穴復(fù)合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的

42、形式傳播出去，而是把它傳給了第三個(gè)載流子，即在導(dǎo)帶中的電子。出去，而是把它傳給了第三個(gè)載流子，即在導(dǎo)帶中的電子。這個(gè)電子接收能量后因?yàn)闊嶙饔米罱K又回到導(dǎo)帶的邊緣。這個(gè)電子接收能量后因?yàn)闊嶙饔米罱K又回到導(dǎo)帶的邊緣。 俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要的復(fù)合形式的復(fù)合形式。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)41 2.4.1 復(fù)合理論復(fù)合理論-復(fù)合的類型復(fù)合的類型 如果半導(dǎo)體中少子的數(shù)目因?yàn)橥饨绲亩虝杭ぐl(fā)而在原來(lái)平如果半導(dǎo)體中少子的數(shù)目因?yàn)橥饨绲亩虝杭ぐl(fā)而在原來(lái)平衡的基礎(chǔ)上增加，這些額外激發(fā)的少子將因?yàn)閺?fù)合過(guò)程而漸漸衡的基礎(chǔ)上增加，這些

43、額外激發(fā)的少子將因?yàn)閺?fù)合過(guò)程而漸漸衰退回原本平衡時(shí)的狀態(tài)。在太陽(yáng)能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是衰退回原本平衡時(shí)的狀態(tài)。在太陽(yáng)能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是復(fù)合發(fā)生的速率，這樣也叫做復(fù)合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復(fù)合率復(fù)合率”。復(fù)合率決定于額外。復(fù)合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當(dāng)沒(méi)有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零。少子的數(shù)目。例如，當(dāng)沒(méi)有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零。“少少子壽命子壽命”（用符號(hào)（用符號(hào) 和和 表示）是指產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后處在表示）是指產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)間。還有一個(gè)相激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)間。還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)關(guān)的參數(shù)少子少子擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)

44、度，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開始運(yùn)動(dòng)的處開始運(yùn)動(dòng)的平均路程平均路程。 pn 2.4.2 復(fù)合理論復(fù)合理論-擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)42 少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度在很大程度上取決于材料的少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度在很大程度上取決于材料的類型和復(fù)合的數(shù)量。對(duì)于許多種類的硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，類型和復(fù)合的數(shù)量。對(duì)于許多種類的硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，SRH復(fù)合是主要的復(fù)合機(jī)制。而復(fù)合率則決定于材料中存復(fù)合是主要的復(fù)合機(jī)制。而復(fù)合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽(yáng)能電池的摻雜量增加時(shí)，在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽(yáng)能電池的摻雜量增加時(shí)，S

45、RH復(fù)合的速率也將隨著增加。另外，因?yàn)槎硇獜?fù)合更多復(fù)合的速率也將隨著增加。另外，因?yàn)槎硇獜?fù)合更多的是在重?fù)诫s和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復(fù)合過(guò)程也會(huì)的是在重?fù)诫s和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復(fù)合過(guò)程也會(huì)隨著摻雜的增加而增強(qiáng)。此外，生成半導(dǎo)體薄片的方法和過(guò)隨著摻雜的增加而增強(qiáng)。此外，生成半導(dǎo)體薄片的方法和過(guò)程對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度也有重要影響。程對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度也有重要影響。 2.4.2 復(fù)合理論復(fù)合理論-擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)44 右圖為高效率的右圖為高效率的PERL（NSW特有特有技術(shù)技術(shù)）多晶硅太陽(yáng)能電池的比色圖。）多晶硅太陽(yáng)能電池的比色圖。圖下的比例系數(shù)代表著光生載流子的圖

46、下的比例系數(shù)代表著光生載流子的多少以及由于太陽(yáng)能電池中擴(kuò)散長(zhǎng)度多少以及由于太陽(yáng)能電池中擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同是由多晶硅材異，而擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同是由多晶硅材料的晶界變化造成的。料的晶界變化造成的。 在硅中，少子壽命可以達(dá)到在硅中，少子壽命可以達(dá)到1s。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散長(zhǎng)對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散長(zhǎng)度通常在度通常在100-300m之間。這兩個(gè)參之間。這兩個(gè)參數(shù)表征了材料相對(duì)于電池應(yīng)用的質(zhì)量數(shù)表征了材料相對(duì)于電池應(yīng)用的質(zhì)量和適用度。和適用度。 2.4.2 復(fù)合理論復(fù)合理論-擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度 2.4.3 復(fù)合理論復(fù)合

47、理論-表面復(fù)合表面復(fù)合 任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。因?yàn)樘?yáng)能電池表面存在著嚴(yán)重的晶格分裂，所以電池表面因?yàn)樘?yáng)能電池表面存在著嚴(yán)重的晶格分裂，所以電池表面是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會(huì)引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，子濃度會(huì)引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，表面復(fù)合率受到擴(kuò)散到表面的載流子的速率的限制。表面復(fù)合率受到擴(kuò)散

48、到表面的載流子的速率的限制?！氨砻鎻?fù)表面復(fù)合率合率”的單位為的單位為cm/sec，被用來(lái)描述表面的復(fù)合。，被用來(lái)描述表面的復(fù)合。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)45半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率。處的高復(fù)合率。 在沒(méi)有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為在沒(méi)有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非?？鞎r(shí)零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非常快時(shí), 向表面運(yùn)向表面運(yùn)動(dòng)的載流子的速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對(duì)大多數(shù)半動(dòng)的載流子的速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)最大速度為導(dǎo)體來(lái)說(shuō)最大速度為110

49、7cm/sec。半導(dǎo)體表面的缺陷半導(dǎo)體表面的缺陷是由于是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵在表面處產(chǎn)生掛鍵。減。減少掛鍵的數(shù)目可以通過(guò)在半導(dǎo)體表面處生長(zhǎng)一層薄膜以連接少掛鍵的數(shù)目可以通過(guò)在半導(dǎo)體表面處生長(zhǎng)一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化表面鈍化。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)46 2.4.3 復(fù)合理論復(fù)合理論-表面復(fù)合表面復(fù)合 2.5.1 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之所以被叫做自

50、由載流子，是因?yàn)樗鼈兡茉诎雽?dǎo)體晶格間移動(dòng)。一個(gè)很簡(jiǎn)單但在多數(shù)情況是因?yàn)樗鼈兡茉诎雽?dǎo)體晶格間移動(dòng)。一個(gè)很簡(jiǎn)單但在多數(shù)情況下都適用的對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的描述是，在一定溫度下，在隨機(jī)方下都適用的對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的描述是，在一定溫度下，在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載向運(yùn)動(dòng)的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)度叫做流子在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)度叫做散射長(zhǎng)度散射長(zhǎng)度。一旦與原子發(fā)。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。生碰撞，載流子將往不同的隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。 載流子的速度決定于晶格的溫度載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為。在溫度為T

51、的半導(dǎo)體內(nèi)的半導(dǎo)體內(nèi)載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為mv2/2 ，其中，其中m為載流子的質(zhì)量，為載流子的質(zhì)量，v代代表熱運(yùn)動(dòng)速度。表熱運(yùn)動(dòng)速度。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)472022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)48 盡管半導(dǎo)體中的載流子在盡管半導(dǎo)體中的載流子在不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是并不不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是并不存在載流子存在載流子勢(shì)運(yùn)動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)，除非有濃，除非有濃度梯度或電場(chǎng)。因?yàn)檩d流子往度梯度或電場(chǎng)。因?yàn)檩d流子往每一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都是一每一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都是一樣的，所以載流子往一個(gè)方向樣的，所以載流子往一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)被它往相反方向的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)被它往相反方

52、向的運(yùn)動(dòng)給平衡掉。的運(yùn)動(dòng)給平衡掉。 2.5.1 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 熱運(yùn)動(dòng)速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度熱運(yùn)動(dòng)速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動(dòng)畫顯是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動(dòng)畫顯示了載流子的運(yùn)動(dòng)。示了載流子的運(yùn)動(dòng)。 在下面的動(dòng)畫中，一個(gè)載流子在在下面的動(dòng)畫中，一個(gè)載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)與晶格原子碰撞之前在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)了與散射長(zhǎng)度相等的距離（為了看得了與散射長(zhǎng)度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒(méi)有顯示出更加清晰，晶格原子并沒(méi)

53、有顯示出來(lái)）。在與晶格原子碰撞后，載流子來(lái)）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。下面的動(dòng)畫舉再次以隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。下面的動(dòng)畫舉出了出了50個(gè)散射粒子。盡管在動(dòng)畫中碰個(gè)散射粒子。盡管在動(dòng)畫中碰撞的次數(shù)很少，載流子的撞的次數(shù)很少，載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)勢(shì)運(yùn)動(dòng)（ net motion ）還是很小的。還是很小的。2022-5-1049 2.5.1 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng) -半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng) 2.5.2 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散擴(kuò)散 如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載

54、流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫做做“擴(kuò)散擴(kuò)散”，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)的概率是相同的。在高濃度區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，包括往低濃度域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個(gè)方向

55、運(yùn)動(dòng)，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度高濃度運(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)50 2.5.2 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散擴(kuò)散如下面的動(dòng)畫所示。如下面的動(dòng)畫所示。 擴(kuò)散的速率決定于載流子的運(yùn)動(dòng)速度和兩次散射點(diǎn)相隔擴(kuò)散的速率決定于載流子的運(yùn)動(dòng)速度和兩次散射點(diǎn)相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴(kuò)散速度會(huì)更快，因?yàn)樘岣邷氐木嚯x。在溫度更高的區(qū)域，擴(kuò)散速度會(huì)

56、更快，因?yàn)樘岣邷囟饶芴岣咻d流子的熱運(yùn)動(dòng)速度。度能提高載流子的熱運(yùn)動(dòng)速度。 擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載流子的濃度達(dá)到平衡，擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載流子的濃度達(dá)到平衡，就像在沒(méi)有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也就像在沒(méi)有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。下面的動(dòng)畫將闡述這一現(xiàn)象，圖中會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。下面的動(dòng)畫將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個(gè)區(qū)域有很高濃度的電子，另一個(gè)則有高濃度的空穴。因一個(gè)區(qū)域有很高濃度的電子，另一個(gè)則有高濃度的空穴。因?yàn)橹挥休d流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以最終這兩種濃度會(huì)變成一致為只有載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以最終這兩種濃度會(huì)變成一致的。的。202

57、2-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)52 2.5.2 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散擴(kuò)散 2.5.2 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-擴(kuò)散擴(kuò)散 這個(gè)動(dòng)畫顯示了半導(dǎo)體的高這個(gè)動(dòng)畫顯示了半導(dǎo)體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿可利用的空間，的。載流子填滿可利用的空間，僅僅是通過(guò)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在這種情僅僅是通過(guò)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因況下，靜電斥力的影響甚微，因?yàn)檩d流子之間的距離很遠(yuǎn)。此外，為載流子之間的距離很遠(yuǎn)。此外，空穴（藍(lán)色）的擴(kuò)散率比電子的空穴（藍(lán)色）的擴(kuò)散率比電子的低，所以需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)填滿低，所以需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)填滿整個(gè)空間。整個(gè)空間。

58、 2.5.3 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 在半導(dǎo)體外加一個(gè)電場(chǎng)可以使做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流在半導(dǎo)體外加一個(gè)電場(chǎng)可以使做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子在隨機(jī)方向子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子在隨機(jī)方向以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場(chǎng)之后，其方以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場(chǎng)之后，其方向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場(chǎng)方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加其在電場(chǎng)方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)，如下面

59、動(dòng)畫所示。載流子的速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)，如下面動(dòng)畫所示。載流子的方向是其原來(lái)方向與電場(chǎng)方向的向量疊加。方向是其原來(lái)方向與電場(chǎng)方向的向量疊加。2022-5-10UNSW新南威爾士大學(xué)54 2.5.3 載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的運(yùn)動(dòng)-漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 動(dòng)畫顯示了電場(chǎng)的存在是如何使載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫顯示了電場(chǎng)的存在是如何使載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的。動(dòng)畫中的粒子是空穴，所以運(yùn)動(dòng)的方向與電場(chǎng)方向相同。的。動(dòng)畫中的粒子是空穴，所以運(yùn)動(dòng)的方向與電場(chǎng)方向相同。 由外加電場(chǎng)所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫由外加電場(chǎng)所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)”。漂移運(yùn)。漂移運(yùn)動(dòng)不僅發(fā)生在半導(dǎo)體材料中，在金屬材料中同樣存在。而

60、接動(dòng)不僅發(fā)生在半導(dǎo)體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來(lái)動(dòng)畫將分別展示有伴隨和沒(méi)有伴隨電場(chǎng)的載流子隨機(jī)運(yùn)下來(lái)動(dòng)畫將分別展示有伴隨和沒(méi)有伴隨電場(chǎng)的載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。途中的載流子是電子。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的所以它將朝動(dòng)。途中的載流子是電子。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的所以它將朝著與電場(chǎng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，在大多數(shù)情著與電場(chǎng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)的。但是在有些情況中，況下，電子是往電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，則有可能是勢(shì)運(yùn)例如電子跟隨著一系列往電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，則有可能是勢(shì)運(yùn)動(dòng)，并沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)