《第二章太阳能光电材料及物理基础0921电子教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章太阳能光电材料及物理基础0921电子教案（104页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,纲 要,半导体材料是什么 半导体材料的物理基础（载流子，pn结） 光生伏特效应,2,1.半导体材料是什么,何谓半导体 半导体材料的分类 半导体材料的性质 半导体材料研究的历史,3,何谓半导体,半导体: 指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料 导体: 电阻率在10-6到10-5.cm以上，如各种金属 半导体: 电阻率在10-5到108.cm，如硅，锗，硫化锌等等 绝缘体：电阻率在1010.cm 以下，如云母，水泥，玻璃，橡胶，塑料等等,5,半导体材料的性质,电阻率特性(光，电，磁，热，压会变化） 导电特性（两种载流子，对比金属） 负的电阻率温度系数（看情况） 整流特性(pn结-固定导电，
2、金属自由导电） 光电特性（光生伏特效应）,6,材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料 硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料 近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制作中 半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料,7,2.半导体（光伏）材料的物理基础,载流子的产生（能带，载流子） 载流子的分离（pn结）,8,载流子的产生,能带理论 能级理论 非平衡载流子,9,能带理论,能带的形成 载流子的定义,能带的形成,氢原子模型 电子共有化 电子共有化导致能级分裂 能级分裂构成能带 半导体能带的特点,10,氢原子模型,11,1.电子处于一系列运
3、动态，称为量子态。 2.每个量子态电子能量一定，称为能级。 3.靠近原子核的能级，电子受束缚强，能级 低，远离原子核的能级，受的束缚弱， 能级高。 4.电子只能在这些分裂的能级运动，低到高 吸收能量，高到低放出能量。 5.每个电级上只能容纳两个运动相反的电子。,电子共有化,12,1.原子沿三维方向周期重复排列组成 晶体时，由于距离近，电子发生相互 作用。 2.相邻原子间的电子壳层发生重叠， 最外层电子重叠较多，里面重叠 较少。 3.外层电子发生能级重叠，电子不 再属于某一个原子，而是可以实现 电子共有化。 4.内层原子基本没有发生重叠， 依然围绕原子核运动。,电子共有化导致能级分裂,13,1.
4、每个原子中电子除受到自身 原子势场作用时，还受到另外 一个原子势场作用。 2.其结果是N个原子组成晶体时， 每个原子都会分裂成m个相近的 能级。,能级分裂组成能带,14,该mN个能级可组成一个能量相近的能带 这时共有化的电子不在一个能级内运动，而是在一个晶体的能带 间运动，此能带称为允带 允带之间没有电子运动的，称为禁带。,15,16,1.3s,3p开始与相邻共有。 2.开始发生sp3轨道杂化，2能带合并为一个能带。 3.原子距离到平衡距离时，再次分裂2能带。 4.能级重新分配，每个能带具有4N细小能级，分别容纳 4N电子。,17,18,半导体能带的特点,晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的
5、能带图进行简化,绝缘体、半导体和导体的简化能带图 a） 绝缘体 b）半导体 c）导体,Eg6eV,19,半导体能带简化表示 a）能带简化表示 b） 能带最简化表示,一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。,价带和导带之间的宽度？ 价带和导带的位置？,20,载流子,自由电子 自由空穴,21,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,两种载流子 动画一,22,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,2. 在外电场的作用下，产
6、生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度ni = 空穴浓度pi,23,半导体的导电特征,导带上的电子参与导电 价带上的空穴也参与导电 半导体具有电子和空穴两种载流子 金属只有电子一种载流子,半导体与导体的哲学原理分析,两种极性相反的载流子好比一阴一阳 阴阳互动产生了无限的可能性 一阴一阳之谓道,24,25,能带理论（小结）,能带的形成（能级交叠带来电子共有化以及能级
7、分裂） 自由电子和空穴,26,能级理论,杂质半导体（ 杂质能级 费米能级,27,杂质半导体,原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附近振动 半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷,28,杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体,29,杂质半导体,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是
8、少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,30,杂质半导体,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,31,2020/8/6,31,下表总结了不同类型半导体的特性,宏观电负性分析,32,带电杂质的存在使得杂质半导体在载流子数目上有倾向性,33,杂质能级,施主能级，受主能级 杂质能级的补偿 深能级，浅能级 缺陷能级,杂质能级的概念,缘起：控制半导体材料的电学性
9、能，或在加工过程中不可避免地引入杂质和缺陷 表现形式：杂质或者缺陷会在禁带中引入新的能级 分类标准1:杂质能级与价带或导带之间的相对距离（深能级，浅能级） 分类标准2：造成杂质能级的原因（施主，受主，缺陷）,34,施主能级（以硅晶体中的磷原子为例),由施主杂质引起的能级，被施主杂质所束缚的电子能量状态 4电子和硅原子的价电子组成共价键，多余的一个价电子被磷原子微弱地束缚在周围 在吸收一定能量之后，价电子会电离，脱离磷原子的束缚，电离能较小 用能带的角度来描述，区别于价带上的共价键电子，这个多余的电子具有一个相对的，位于禁带中的局域化能级 由于其受磷原子束缚较弱，电离能较小，所以只需很小的能量便
10、可跃迁到导带，留下一个局域化的空能级，那么如何判断其在禁带中的相对位置？,35,施主能级(ED),36,一般形成n型半导体,受主能级(以硅晶体中的硼原子为例）,由受主杂质所引起的能级，被受主杂质所束缚的空穴能量状态 硼原子3个电子易于形成共价键，另外还易于从硅原子中接受一个电子，所需的能量为电离能，也是很小的 这个电子具有一个相对应的局域化能级，位于禁带中间 这个电子很容易从导带跃迁到受主能级，同时在价带中留下空穴，距离价带顶很近（是不是矛盾？）,37,易于形成p型 半导体,杂质能级的补偿,假如在半导体中既有施主杂质，又有受主杂质，半导体究竟是n型还是p型呢？ 两者浓度相似，是否可以认为是高纯
11、本征半导体呢？,38,浅能级与深能级,之前所提及到的受主能级离价带很近，施主能级离导带很近，与两个能带之间任意一个很接近的能级成为浅能级。(三，五族元素掺杂的受主能级和施主能级） 如果是非三，五族元素掺杂呢？他们形成的能级有什么特点？,39,他们产生的施主能级离导带底，受主能级离价带顶较远 由于电离能大，深能级杂质一般不电离，对 载流子没有贡献，但会成为载流子的复合中心 由于原子大小，电子壳层结构大小等因素可以产生多个能级。,40,缺陷能级,点缺陷（空位，自间隙原子，杂质原子） 线缺陷（刃位错，螺位错，混合位错） 面缺陷（晶界，表面） 体缺陷（三维空间缺陷，沉淀，空洞） 对于光电转换来讲，缺陷
12、是不是越少越好呢？,41,费米能级,一定温度下，电子可以从低能量的电子态跃迁到高能量的电子态，释放多余的能量成为晶格热振动的能量。 也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态。从一个电子看，能量时大时小，但很多个电子一起，电子按照能量大小有一定的统计学分布规律。,42,43,费米能级的含义,费米能级是一个具有统计意义的统计量，描述的是半导体电子能量的一种统计水平，是一个虚拟能级，而不是实体能级。 温度大于0K时，大多数电子优先排布于费米能级以下的位置。,44,能级理论小结,杂质半导体（p型半导体，n型半导体） 杂质能级（施主能级，受主能级，深能级，浅能级） 费米能级,非平衡载流子,非平衡载流子
13、的注入与复合 非平衡载流子的寿命 复合理论,45,非平衡载流子的注入与复合,注入：半导体的热平衡是相对的，如对半导体施加外界作用（电，光，磁），成为非平衡状态，多出来的这部分载流子，即为非平衡载流子。 大注入与小注入 非平衡多数载流子与非平衡少数载流子 外界的注入一旦停止，产生的非平衡载流子成对地复合，逐渐消失，称为复合,46,47,1光注入,用波长比较短的光,照射到半导体,光照,n,p,no,po,光照产生非平衡载流子,48,2电注入,3非平衡载流子浓度的表示法,产生的非子一般都用n，p来表示 。,达到动态平衡后：,n=n0+n,p=p0+p,n0，p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 ，,n，
14、p为非子浓度。,49,对同块材料 ：,n=p,热平衡时n0p0=ni2，非平衡时npni2,n型：,n非平衡多子,p非平衡少子,p型：,p非平衡多子,n非平衡少子,50,注意：,n，p非平衡载流子的浓度,n0，p0热平衡载流子浓度,n，p非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度,51,4大注入、小注入, 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度，称为大注入。,n型：nn0，p型：pp0,注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的少子浓 度，小于平衡时的多子浓度，称为小注入。,n型：p0nn0，或p型：n0pp0,52,例： 1 cm的n型硅中，n0 5.51015cm-3, p0 3.1 104cm-
15、3. 注入非子 n= p=1010cm-3 则 n p0。,非平衡少子浓度平衡少子浓度,即使小注入，,实际上，非平衡少子起重要作用。,非平衡载流子的寿命,非平衡载流子并非一下消失，有一个过程，即他们在导带和价带之间有一个生存时间，成为非平衡载流子的寿命，又称少子寿命。 数量级为10-6s,53,复合理论,就微观机构来分，可以分为直接复合和间接复合 就复合过程的位置，可以分为体内复合和表面复合 根据放出能量的方法来分，辐射复合（发光复合），俄歇复合,54,直接复合和间接复合,直接复合：导带中的电子直接落入价带与其复合 间接复合：载流子通过复合中心（杂质和缺陷）进行复合,55,间接复合,表面复合,
16、表面粗糙（砂纸打磨）少子寿命低，经过适当的化学腐蚀后寿命得到提高 某些物理量测量，消除金属探针表面注入的影响，故意增大表面复合,56,辐射复合与俄歇复合,辐射复合：载流子复合时，多余的能量以发射光子的形式发出 非辐射复合：载流子复合时，多余的能量以声子的形式放出 俄歇复合：非平衡载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合，把多余的能量传给另一个载流子，使得其跃迁到能量更高的能级上去。,57,58,非平衡载流子小结,非平衡载流子的产生（光注入） 非平衡载流子的复合（直接复合，间接复合，辐射复合，非辐射复合，俄歇复合） 少子寿命,59,pn结,pn结的制备（略） pn结的内部结构 pn结的电压特性,60,pn结的制备,合金法（半导体单晶上放置金属和半导体元素，通过升温工艺制备得） 扩散法（在p,n型半导体表面利用扩散工艺掺入相反类型的杂质，也是太阳能电池最常用的方法） 离子注入法（n型或p型掺杂
