能带理论用来详细解释PN结形成和光生伏特原理也很有用.docx

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能带理论在半导体光生伏特效应中的应用

内容

能带理论在半导体光生伏特效应中的应用

【本讲课程的内容】

一、基础知识与概念

1、费米能级的定义及其物理意义

1）费米能级的定义：

根据量子力学理论，具有半奇数自旋量子数（通常为1/2）的费米子，如电子，遵循泡利不相容原理，即一个量子态只能被一个粒子所占据。

因此，费米子在能级中的分布遵循费米-狄拉克分布。

分布函数f（E）是指电子（研究对象）占据能带（导带）中某个能级的几率（电子的能量越往上越高）。

如果是讨论空穴载流子的话（空穴的能量越往下越高），那么就应当是相应于价带中某个能级所空出（即没有被电子占据）的几率。

能理解

2）费米能级的物理意义：

Fermi能级（EF）实际上起到了衡量能级被电子占据的几率大小的一个标准的作用。

在E1/2；在E>EF时，f（E）<1/2；在E=EF时，f（E）=1/2。

因此，EF的高低（位置）就反映了能带中的某个能级是否被电子所占据的情况。

Fermi能级上电子占据的几率刚好为50%。

EF是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级

2、p型和n型半导体中的能级分布特点

对于绝缘体和半导体，Fermi能级则处于禁带中间。

特别是本征半导体和绝缘体，因为它们的的价带是填满了价电子（占据几率为100%）、导带是完全空着的（占据几率为0%），则它们的Fermi能级正好位于禁带中央（占据几率为50%）。

即使温度升高时，本征激发而产生出了电子-空穴对，但由于导带中增加的电子数等于价带中减少的电子数，则禁带中央的能级仍然是占据几率为50%，所以，本征半导体的Fermi能级的位置不随温度而变化，始终位于禁带中央。

对于n型半导体，因为导带中有较多的电子（多数载流子），则Fermi能级EF必将靠近导带（Ec）底；同时，掺入施主杂质的浓度越高，Fermi能级就越靠近导带底。

对于p型半导体，因为价带中有较多的自由空穴（多数载流子），则Fermi能级EF在价带（Ev）顶之上、并必将靠近Ev；这时，价带中越是靠近Ef的的能级，就被空穴占据的几率越大；同时，掺入受主的杂质浓度越高，Fermi能级就越靠近价带（Ev）顶。

总之，凡是Ef靠近导带（Ec）底的半导体必将是电子导电为主的n型半导体，凡是Ef靠近价带（Ev）顶的半导体必将是空穴导电为主的p型半导体。

图3.6.1n型和p型半导体的能级结构图

虽然严格来说，费米能等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。

通俗地说，费密能级就像水平面一样。

在一个相通系统中，水平面必须相等。

比如说，有两个水桶，里面装的水量不一样，水面高度也不一样。

但如果用一根管子将两个水桶连通，两个水桶之间就会发生水流，最后使两个水桶的水平面一定会相等。

费密能级也是这样。

两个分立的材料，费密面可以不一样。

但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终使费密能级相等。

3、半导体光生伏特效应简介（太阳能电池）解释角度（能量）和PPT角度有所不同

图3.6.2

首先考虑禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的结合情况，例如p型硅与n型硅的结合。

如所示，受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的光生空穴载流子和电子载流子。

当然，这些光生正、负电荷载流子还有可能再次相互结合。

但【一部分光生电子（载流子）会移动到能级较低的n型导带，光生空穴（载流子）会移动到能级较低的p型价带】。

其结果是在n型中负电荷增加，在p型中正电荷增加，形成电流。

但是，这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位，而阻止正负电荷进一步积累。

这种反电位与正负电荷移动趋势相互平衡所到达的平衡状态，就是该太阳能电池产生的电动势的最大值。

图3.6.2光生伏特效应示意图

二、光生伏特效应的物理本质（详细介绍）

1、p-n结中p型和n型半导体接触初始瞬间的能级状态

没有光照的时候

在一个半导体中形成p型和n型两个区域，p型和n型的界面就是p-n结。

图3.6.3表示p-n结在结合瞬间的能级状态。

由于P型区域的费密能级低于n型区域的费密能级，电子就会从n型流向p型，以提高p型区域的费米能级（千万要知道费米函数、费米能级研究对象都是电子）（见下图，就很好）。

另外，空穴也从p型流向n型。

电子和空穴的这种扩散运动使得n型区域带正电（正离子区），p型区域带负电（负离子区）。

所以，p型半导体与n型半导体结合后，在接触面会形成局部电位差，这一电位差将阻碍载流子继续相互扩散。

扩散运动

扩散运动

3.6.3p-n结在结合瞬间的能级状态

没有光照的时候

图3.6.4表示处于热平衡状态下的p-n结的能级状态。

此时，P型区域和n型区域的费密能级相等。

在p-n结附近存在一个载流子耗尽区。

在这个耗尽区n型区域的载流子电子和p型区域的载流子相互结合而消失，在n型区域留下了不能移动的施主离子，在p型区域则留下了不能移动的受主离子。

以接触面为界限n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层。

这个空间电荷层产生一个扩散电压。

（内建电场）

没有光照的时候

图3.6.4处于热平衡状态下的p-n结的能级状态

有光照的时候

当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域都有可能出现电子激发现象，如图3.6.5所示。

当太阳光射入到p-n结时，n型区域的价带Ev电子被激发到导带Ec上后，就停留在n型的导带上，而由于p-n结的p型区域带负电的吸引作用（负离子区），在n型价带上发生上述的同时形成的空穴，会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。

当太阳光射入到p-n结时，p型区域的价电子被激发到导带Ec上后，由于p-n结的n型区域带正电的吸引作用（正离子区），p型区域的价电子将迁移到能量更稳定的n型的导带Ec上，而在p型区域价带Ev上同时形成的空穴则停留在该价带Ev上。

这样一来，p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置（p型区域和n型区域）上将正负电荷分离开来。

如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。

图3.6.5光生伏特过程示意图

三、运用能带理论巧妙设计太阳能电池

1）异质结太阳能电池的朝向设计；

2）纳米染料敏化太阳能电池。

【本讲课程的小结】今天我们主要通过分析半导体的费米能级结构，结合费米能级的物理意义揭示太阳能电池的工作原理，为今后提高太阳能的光电效率提供了理论支持。

补充：

金属塑性变形其他形式：

孪生

【】内的内容在看见上图以后还是不明白

注意：

共晶反应是由液相中析出不同的固相