光電化學(xué)課件-半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

1、半導(dǎo)體的應(yīng)用半導(dǎo)體光電化學(xué)課程的主要內(nèi)容： 液結(jié)太陽能電池和太陽能分解水制氫The supply of energy from the Sun to the Earth is gigantic: 32x1024 joules a year, or about 10,000 times more than the global population currently consumes. In other words, covering 0.1% of the Earth s surface with solar cells with an efficiency of 10% would sat

2、isfy our present needs.But to tap into this huge energy reservoir remains an enormous challenge.半導(dǎo)體的簡單定義A semiconductor is a material which has electrical conductivity between that of a conductor such as copper and that of an insulator such as glass. Semiconductors are the foundation of modern elect

3、ronics, including transistors, solar cells, lightemitting diodes (LEDs), quantum dots and digital and analog integrated circuits.晶體：原子或分子的在空間上周期性排列自由電子的薛定譴方程自由電子所遵守的薛定謂方程為:2叫 ax自由電子與時間因素無關(guān),因而波函 數(shù)可以衾示為:0（x）=人嚴自由電子E（能量）與k（波矢）的關(guān)系狀。篦觀誓自由電刪瞻自由電匕匕斤勻厶目戶O雷的的七連大許翹量無是翳到都熄子從量晶體中的電子狀態(tài)在自由電子的薛定謂方程上再考慮一個周 期性勢場V(x)

4、 = V(x + sa)晶體中電子所遵守的薛定謂方程為：h1 (%)2m0 dx27(x)0(x) = Ey/(x)布里淵區(qū)晶體中電子的能量E和波矢k的關(guān)系曲線基本和自 由電子的關(guān)系曲線一樣，但在r(心，1，2,)時，能量出現(xiàn)不連續(xù),形成了一系列的允帶和禁 +H- 帀。每一個布里淵區(qū)對應(yīng)于一個允帶禁帶出現(xiàn)在k=，即出現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界幾種常見的電子填充狀態(tài)從原子到晶體的電子狀態(tài)三冗帀 rp/x-H+三冗帀禁帶/x-H-h 三冗帀原子能級能帶本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶禁帶價帶完全純凈、結(jié)構(gòu)完整 的半導(dǎo)體晶體稱為本 征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體也存在電 子和空穴兩種載流子但電子數(shù)目n和空穴 數(shù)目p對應(yīng),數(shù) 量相等,n

5、= p半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體p是第v族元素，每 一個P原子具有5個 價電子P替位式摻入Si中, 其中四個價電子和周 圍的不圭原子形成了共 價鍵，還剩余一個價 電子相當于形成了一個正 電中心P +和一卜多 余的價電子施主電離能和施主能級多余的價電子束縛在正電 中心P+的周圍，但這種 束縛作用比共價鍵的弱得 多,只要很少的能量就可 以使它擺脫束縛，形成導(dǎo) 電電子。.使價電子擺脫束縛所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能E d = Ec EdfAO0O O 0EgEv價帶能級 Ec導(dǎo)帶能級 Ed施主能級 Eg -帶隙寬度M6+替代V5+增加載流子濃度Mo摻雜的BiVO4B是

6、第III族元素，每一個B原子具有3個價電子相當于形成了一個負電中 心B-和一個多余的空穴P型半導(dǎo)體B替位式摻入Si中，當它 和周圍的原子形成了共價 鍵時，還缺少一個價電子, 必須從m硅原子中奪取 個價電子，于是在硅晶 體的共價鍵中產(chǎn)生了一個 空穴使空穴擺脫束縛所需要的能彌 為受主雜質(zhì)電離能受主電離能和受主能級多余的空穴束縛在負電中心B-的 周圍，但這種束縛作用比共價鍵 的弱得多，只要很少的能量就可 以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電空穴。匪 a = E - Ev淺能級摻雜與深能級摻雜BiVO4Si和GaAs中各種摻雜離子的雜質(zhì)能級位置圖熱平衡條件溫度一定時,兩種載流子濃度乘積等于本征濃 度的平方。2np

7、 =叫為本征載流子濃度2nQP0 =叫本征半導(dǎo)體2nnPn =叫n型半導(dǎo)體2SPp =叫p型半導(dǎo)體=Pi u 2.5x10 exp( )cnT (25 C)2kT電中性條件整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負電荷量恒等。N型半導(dǎo)體：nn F型半導(dǎo)體：卩卩霍爾效應(yīng)1879年,24歲的美國人霍爾在硏究載流導(dǎo)體在磁場中所受力的性質(zhì)時,發(fā)現(xiàn)電流通過金屬,在磁場作用下產(chǎn)生橫向電動勢”這個效應(yīng)后來被稱為霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)是測量半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型、載流子濃度和遷移率等基本性能的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體載流子的有效質(zhì)量半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)示意圖P型半導(dǎo)體薄片:長度為L ,寬度為b , 厚度為d磁場方向（z方向）與薄片垂直,電流方 向為x方

8、向空穴的運動方向和電流方向一致，沿X軸方向空穴在運動過程中，受到洛侖茲力fB的作用（左手定 則），在y側(cè)面形成正電荷積累，而形成橫向的電場Ey。穩(wěn)定時，橫向電場對空穴的作用力和洛侖茲力相平衡fEy - /b/ev = qEy fB = qjBz人=pqjp為空穴濃度，q電子電量，Vx空穴遷移速度，Bz磁場強度，Ey為電場強度霍爾系數(shù)Ey=vxB:=B:=RHJxB:r =丄半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)直接躍遷：能量守f旦Eg = E-E = hv間接躍遷：Eg=E-E + Ep E-E = hv動量守恒 hk-hk =光子動量 0例子:GaAs(hk-hk) = hq + 光子動量=hq例子：Si半導(dǎo)體中

9、的載流子運動載流子的擴散運動濃度不均勻造成的J = 4Dp竽 Dp為空穴擴散系數(shù)載流子的飄移運動夕卜加電場的作用J二同用）竹陽 Pp為空穴遷移率/T丿a/GaAs企*/1 t11300K -77K1 11 11123456789 10/iv(eV2 呻2IO4rUI3) luauyjuoa u.2ldjosq 表面復(fù)合w電子空穴通過表面能級復(fù)合俄歇復(fù)合電子空穴復(fù)合把能量傳給另一個載流子,是這個載流子被激卻高能態(tài)金屬半導(dǎo)體接觸后形成阻扌當層化形成阻擋層厚,高阻,對接觸電阻影響很大金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖金屬半導(dǎo)體接觸后形成反阻扌當層監(jiān)億 反阻擋層薄,高電導(dǎo)，對接觸電阻影響小P , N型半導(dǎo)體接觸前色子空穴多子一電子q 0 。0。：0。0 0 00少子一電子少子一空穴P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體/電解液接觸固液接觸類似于金屬與半導(dǎo)體形成阻扌當層 肖特基接觸P , N半導(dǎo)體接觸后PN結(jié)合T因多子濃度差T多子的擴散T空間電荷區(qū) T形成內(nèi)電場-阻止多子擴散，促使少子漂移。P型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)N