有机电子学各章知识点总结

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1、非平衡载流子 非平衡载流子的注入与复合：用光照使得半导体内部产生非 平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入。光注入是 AN =AP，在一般情况下，对于n型半导体，注入的非平衡载 流子浓度比平衡时多数载流子浓度低的多，An n，0Ap p，即使 00小注入，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子 浓度大的多，它的影响就显得十分重要了，往往是非平衡少 数载流子起着重要作用，通常说的非平衡载流子都是指非平 衡少数载流子。此外，还有非平衡载流子的电注入，即加电 压， EFP 和 Efn 偏离的大小直接反应半导体偏离热平衡态的程 度。他们偏离越大，说明不平衡程度越显著，两者靠得越远， 两者重合

2、时，形成统一费米能级，处于平衡态。非平衡载流子的寿命：由于相对于非平衡多数载流子。非平 衡少数载流子的影响处于主导决定的地位，因此非平衡载流 子寿命常称为少数载流子寿命。寿命标志着非平衡载流子浓 度减小到原值的1e所经历的时间。不同的材料寿命很不相同, 即使是相同的材料在不同条件下，寿命也可在很大范围内变 化。在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常 数，寿命和多数载流子浓度成反比，或者说，半导体电导率 越高，寿命越短。对于窄禁带材料，直接复合是主要的。准费米能级：当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流 子时，可以认为就价带和导带上得电子讲，他们各自基本上 处于平衡态，而导带和价带之

3、间处于不平衡状态，因而费米 能级和统计分布函数各自仍然是试用的，可以分别引入导带 费米能级和价带费米能级，他们都是局部的费米能级，称为 准费米能级。导带和价带的不平衡就体现在他们的准费米能 级是不重合的，导带的称为电子准费米能级，价带的称为空 穴费米能级。复合理论：非平衡载流子的复合大致分两种： 直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子 和空穴的直接复合。 间接复合：电子和空穴通过复合中心复合。根据复合发生的位置有表面复合，体内复合，复合放出能量 有三种：发射光子（辐射复合），发射声子（将能量传给晶 格，加强晶格震动），将能量给予其他载流子（增加他们的 动能，又称俄歇复合）。半导体中

4、的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们除了 影响半导体的电特性以外，对非平衡载流子的寿命也有很大 影响，实验发现，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，寿命 越短，这说明杂质和缺陷有促进复合作用。这些促进复合过 程的杂质和缺陷称为复合中心，间接复合指的是非平衡载流 子通过复合中心的复合。复合分两步：第一步，导带电子落 入复合中心能级，第二步，这个电子再落入价带与空穴复合。 逆过程也成立。位于禁带中央附近的深能级是最有效地复合 中心，浅能级，即远离禁带中央的能级，不能起有效复合中 心的作用。表面复合：实际上，少数载流子寿命在很大程度上受半导体 样品的形状和表面状态的影响，实验发现，经过吹砂处理或 金

5、刚石砂粗磨的样品，其寿命很短，而细磨后再经化学腐蚀 的样品寿命要长很多，实验还表明，对于同样地表明形貌， 样品越小，寿命越短。表面复合也是间接复合的一种，表面 复合速度的大小，很大程度上要受到晶体表面物理性质和外 界气氛的影响，寿命值的大小在很大程度上反映了晶格的完 整性，它是衡量材料质量的一个重要指标。俄歇复合：是一种非辐射复合，载流子从高能级向低能级跃 迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子， 使这个载流子被激发到更高的能级上去，当它重新跃迁回低 能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇 复合。带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况下起着重 要作用，而与杂质和缺陷

6、有关的俄歇复合过程，则常常是影 响半导体发光器件的发光效率的重要原因。陷阱效应：当半导体处于非平衡态，出现非平衡载流子时， 这种平衡遭到破坏，必然引起杂质能级上电子数目的改变。 如果电子数目增加，说明能级具有收容非平衡电子的作用， 若是电子减小，则可以看成能级具有收容空穴的作用，杂质 能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。从这个 角度看，所有杂质能级都有一定的陷阱作用；而实际上，只 考虑有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级，它所积累的 非平衡载流子数目可以与导带和价带中非平衡载流子数目 比拟。相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。载流子的漂移扩散：迁移率是反映载流子在电场作用下运动 难易程度的

7、物理量，而扩散系数反映存在浓度梯度时载流子 运动的难易程度。LCDLCD液晶显示器是Liquid Crystal Display的简称，LCD的构 造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间 有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水 晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT （阴极 射线显示器件技术）要好的多，但是价钱较其贵。现在 LCD 已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分 的普及。液晶显示技术经历了扭曲向列仃N-LCD），超扭曲向 列（STN-LCD），和薄膜晶体管阵列（TFT-LCD）。TFT（Thin Film Transistor）是指

8、薄膜晶体管，意即每个液晶像 素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可 以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最 好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现 在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素 点都是由集成在自身上的 TFT 来控制，是有源像素点。因此， 不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了， 同时分辨率也达到了很高水平。TFT -LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。 由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都 相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高 了显示屏的反应速度，同时也可以精确

9、控制显示灰度，这就 是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。“像素”（Pixel）是由Picture（图像）和Element（元素）这两 个单词的字母所组成的，是用来计算数码影像的一种单位， 如同摄影的相片一样，数码影像也具有连续性的浓淡阶调， 我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许多 色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小 单位“像素”（Pixel）。这种最小的图形的单元能在屏幕上显 示通常是单个的染色点。越高位的像素，其拥有的色板也就 越丰富，越能表达颜色的真实感。分辨率是指像素点的个数。 每一个像素对于3个TFT，分辨率，它是指可以使显示器显 示的像素个数，通常用

10、每行像素数乘每列像素数来表示。例 如，分辨率为1024X768的液晶屏，表示显示器可以显示 768 行， 1024 列，共可显示 786432 个像素点。那么图象究 竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发 出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应 的颜色就能达到目的了。在 TFT LCD 中一般采用背光技术， 为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一 个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开 时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。 当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。 LCD （Liquid Crystal Dis

11、play）就是利用了液晶的特性（当加热 时为液态，冷却时就结晶为固态），一般液晶有三种形态： 类似粘土的层列（Smectic）液晶，类似细火柴棒的丝状（Nematic）液晶，类似胆固醇状的（Cholestic）液晶，液晶 显示器使用的是丝状，当外界环境变化它的分子结构也会变 化，从而具有不同的物理特性就能够达到让光线通过或 者阻挡光线的目的也就是刚才比方的百叶窗。大家知道 三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类 似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。 有机太阳能电池：现存的三类太阳能电池，无机太阳能电池（pv），染料敏化太 阳能电池（DSSC），有机太阳能电池。有机太阳

12、能电池经历了 4 个主要过程：激子产生，激子扩散 与解离，电荷运输，电荷在电极处被收集。与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同，有机光 伏在吸收光后，产生流动的激发态（即束缚电子空穴对）由 于有机介电常数较小，使激子解离需要的能量高于热运动能 量。因此，有机材料中激子解离困难。不易形成自由载流子。 有机光伏器件中激子的寿命和扩散长度比较短。自有电荷在向电极传输的过程中，重新复合的机会较低，但 是还是有可能的。因此体系中存在着自由电荷传输与重新复 合成激子的竞争。亦即在P型和N型半导体的界面，可能发 生电荷和相反电荷的复合，这个过程包括直接复合，二次复 合或双分子复合。有机太阳能电池中自由

13、电荷向电极传输，有两种驱动力，一 是内部的渐变电场（两个电极功函数的差别），而是渐变的 自由电荷浓度（浓度梯度），影响电荷传输的因素为电荷迁 移率，内电场强度，电荷寿命，电荷扩散系数等 有机薄膜材料的载流子迁移率受薄膜形貌及晶粒尺寸的影 响较大，由于载流子迁移率不同，器件的效率也差别很大， 因此，对于器件优化，不同溶剂效应，高温退火效应，表面 活性剂效应都应该给以考虑。有机太阳能电池结构，有单层器件开始，相继发展了双层异 质结，本体异质结，分子 D-A 结及单层结构的叠层器件。 单层器件：两个电极功函数的不同将使有机层中产生电场， 但是载流子浓度低，厚度也不高，使激子解离的动力还是来 自电极功

14、函数的差别导致的内建电场，但是电场不足以将有 机材料中得激子解离，解离的效率很低，这种器件可以作为 光检测器，因为在外电场作用下，光照产生的电荷可迁移到 电极，产生电流。双层异质结器件：与单层异质结相比，双层器件的最大优点 是同时提供了电子和空穴传输通道。当激子在 D-A 界面产生 电荷转移后，电子在N型受体材料中传输，而空穴在P型给 体材料中传输。因此电荷分离效率高。自由电荷复合的机会 也降低。阴极受体材料给体材料阳极本体异质结器件：给体和受体在整个活性层范围内充分混合 D-A 界面分布于整个活性层。将悬涂液以悬涂的方式制备， 也可以用共同的蒸镀的方式获得，本体异质结的电荷分离发 生在整个活

15、性层，而双层异质结中电荷的分离只发生在界面 处的空间电荷区域，本体的解离效率高，复合效率低，本体 的传输是通过粒子之间的渗滤作用，而双层是连续空间分布 的给体或受体，双层的传输效率相对高。本体的对材料的形 貌，颗粒的大小较为敏感。阴极混合活性层阳极分子D-A结器件：将具有电子给体性质的单元以共价键方式 连接到受体聚合物或者小分子上，形成D-A结材料，即同质 双极材料。激子解离的动力来源于光诱导，分子内由于给体 和受体的同时存在而产生的化学势梯度，该梯度主要取决于 D，A的链接模式。叠层结构器件：叠层器件是将两个或以上的器件单元以串联 的方式做成一个器件，以便最大限度地吸收太阳光谱，提高 电池的

16、开路电压和效率。有机材料的吸收范围有限，而太阳 光谱的能量分布很宽，单一材料只能吸收部分太阳光谱能量 一般的，在叠层器件中，子器件单元按活性材料能隙不同采 取从大到小得顺序从外向背电池串联，叠层电池设计的关键 是合理的选择各子电池的能隙宽度和厚度，并保证各个子电 池之间的欧姆接触，以达到高转换效率的目的。阴极（背电极）活性单元结构2连接层活性单元结构1阳极（透明）r器件结构的表面修饰：普通 ITO 阳极可用 氧等离子体处理，又可在其上悬涂PEDOT:PSS,也可进行自组装单分子层修饰，过渡金属氧化物薄膜修饰，金纳米颗粒或者金薄膜修饰。较普遍的阴极修饰 是金属氟化物， PEO,BCP,ALq， TiOX.有机太阳能电池的性能表征：三个重要的输出特征参数：开 路电压，短路电流密度，填充因子。开路电压是指在没有电流回路时