能帶理論在半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)中的應(yīng)用能帶理論在半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)中的應(yīng)用【本講課程的內(nèi)容】一、基礎(chǔ)知識與概念1、費(fèi)米能級的定義及其物理意義1）費(fèi)米能級的定義:根據(jù)量子力學(xué)理論，具有半奇數(shù)自旋量子數(shù)（通常為1/2）的費(fèi)米子，如電子，遵循泡利不相容原理，艮P一個(gè)量子態(tài)只能被一個(gè)粒子所占據(jù)。因此，費(fèi)米子在能級中的分布遵循費(fèi)米-狄拉克分布。 f（E）=了1 、為玻爾茲曼常數(shù).分布函數(shù)f（E）是指電子（研究對象）占據(jù)能帶（事繇中某個(gè)能級的幾率（電子的能量越往上越高）。如果是討論空穴載流子的話（空穴的能量越往下越高），那么就應(yīng)當(dāng)是相應(yīng)于價(jià)帶中某個(gè)能級所空出（即沒有被電子占據(jù)）的幾率。2）費(fèi)米能級的物理意義:Fermi能級（EF）實(shí)際上起到了衡量能級被電子占據(jù)的幾率大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的作用。在E<Ef時(shí)，f（E）>1/2；在E>Ef時(shí)，f（E）<1/2；在E=Ef時(shí)，f（E）=1/2。因此，EF的高低（位置）就反映了能帶中的某個(gè)能級是否被電子所占據(jù)的情況。Fermi能級上電子占據(jù)的幾率剛好為50%。Ef是一種用來描述電子的能級填充水平的假想能級2、p型和2、p型和n型半導(dǎo)體中的能級分布特點(diǎn)補(bǔ)充：金屬塑性變形其他形式：攣生P型半導(dǎo)體費(fèi)米就級E（,pO0-0OO

受主艇斌E.ooooo。空穴對于絕緣體和半導(dǎo)體，F(xiàn)ermi能級則處于禁帶中間。特別是本征半導(dǎo)體和絕緣體，因?yàn)樗鼈兊牡膬r(jià)帶是填滿了價(jià)電子（占據(jù)幾率為100%）、導(dǎo)帶是完全空著的（占據(jù)幾率為0%），則它們的Fermi能級正好位于禁帶中央（占據(jù)幾率為50%）。即使溫度升高時(shí)，本征激發(fā)而產(chǎn)生出了電子-空穴對，但由于導(dǎo)帶中增加的電子數(shù)等于價(jià)帶中減少的電子數(shù)，則禁帶中央的能級仍然是占據(jù)幾率為50%，所以，本征半導(dǎo)體的Fermi能級的位置不隨溫度而變化，始終位于禁帶中央。對于n型半導(dǎo)體，因?yàn)閷?dǎo)帶中有較多的電子（多數(shù)載流子）則Fermi能級EF必將靠近導(dǎo)帶（Ec）底；同時(shí)，摻入施主雜質(zhì)的濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近導(dǎo)帶底。對于p型半導(dǎo)體，因?yàn)閮r(jià)帶中有較多的自由空穴（多數(shù)載流子），則Fermi能級EF在價(jià)帶（Ev）頂之上、并必將靠近Ev；這時(shí)，價(jià)帶中越是靠近Ef的的能級，就被空穴占據(jù)的幾率越大；同時(shí)，摻入受主的雜質(zhì)濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近價(jià)帶（Ev）頂。總之，凡是Ef靠近導(dǎo)帶（Ec）底的半導(dǎo)體必將是電子導(dǎo)電為主的n型半導(dǎo)體，凡是Ef靠近價(jià)帶（Ev）頂?shù)陌雽?dǎo)體必將是空穴導(dǎo)電為主的p型半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)怵導(dǎo)帶電子??????施主雌雄費(fèi)米能巍Ef.n空穴o冊帶圖n型和p型半導(dǎo)體的能級結(jié)構(gòu)圖雖然嚴(yán)格來說，費(fèi)米能等于費(fèi)米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時(shí)的化學(xué)勢；但是在半導(dǎo)體物理和電子學(xué)領(lǐng)域中，費(fèi)米能級則經(jīng)常被當(dāng)做電子或空穴化學(xué)勢的代名詞通俗地說，費(fèi)密能級就像水平面一樣。在一個(gè)相通系統(tǒng)中，水平面必須相等。比如說，有兩個(gè)水桶，里面裝的水量不一樣，水面高度也不一樣。但如果用一根管子將兩個(gè)水桶連通，兩個(gè)水桶之間就會(huì)發(fā)生水流，最后使兩個(gè)水桶的水平面一定會(huì)相等。費(fèi)密能級也是這樣。兩個(gè)分立的材料，費(fèi)密面可以不一樣。但如果這兩個(gè)材料連成一個(gè)系統(tǒng)，就會(huì)在這兩個(gè)材料之間發(fā)生電荷的移動(dòng)，最終使費(fèi)密能級相等E.iQOQO①OOOOO3、半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)簡介（太陽能電池）解釋角度（能量）和注意：共晶反應(yīng)是由液相中析出不同的固相【】內(nèi)的內(nèi)容在看見

上圖以后還是不明白PPT角度有所不同首先考慮禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的結(jié)合情況，例如p型硅與n型硅的結(jié)合。如所示，受光激發(fā)后，在二者的結(jié)合區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生大量的光生空穴載流子和電子載流子。當(dāng)然，這些光生正、負(fù)電荷載流子還有可能再次相互結(jié)合。但【一部分光生電子（載流子）會(huì)移動(dòng)到能級較低的n型導(dǎo)帶，光生空穴（載流子）會(huì)移動(dòng)到能級較低的p型價(jià)帶】。其結(jié)果是在n型中負(fù)電荷增加，在p型中正電荷增加，形成電流。但是，這種電荷的增加不會(huì)無限進(jìn)行下去，正負(fù)電荷相互分離后，會(huì)產(chǎn)生反電位，而阻止正負(fù)電荷進(jìn)一步積累。這種反電位與正負(fù)電荷移動(dòng)趨勢相互平衡所到達(dá)的平衡狀態(tài)，就是該太陽能電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢的最大值。。區(qū)孥穴、圖光生伏特效應(yīng)示意圖P區(qū)電子

。區(qū)孥穴、圖光生伏特效應(yīng)示意圖P區(qū)電子二、光生伏特效應(yīng)的物理本質(zhì)（詳細(xì)介紹）1、p-n結(jié)中p型和n型半導(dǎo)體接觸初始瞬間的能級狀態(tài)沒有光照的時(shí)候在一個(gè)半導(dǎo)體中形成p型和n型兩個(gè)區(qū)域，p型和n型的界面就是p-n結(jié)。圖表示p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)。沒有光照的時(shí)候由于P型區(qū)域的費(fèi)密能級低于n型區(qū)域的費(fèi)密能級，電子就會(huì)從n型流向p型，以提高p型區(qū)域的費(fèi)米能級（千萬要知道費(fèi)米函數(shù)、費(fèi)米能級研究對象都是電子）（見下圖，就很好）。另外，空穴也從p型流向n型。電子和空穴的這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使得n型區(qū)域帶正電（正離子區(qū)），p型區(qū)域帶負(fù)電（負(fù)離子區(qū)）。所以，p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合后，在接觸面會(huì)形成局部電位差，這一電位差將阻礙載流子繼續(xù)相互擴(kuò)散。0型半與陸 展部 n型半導(dǎo)缽?擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).???施主能鋼Ed1 W祐StE" 費(fèi)猝娘￡f.n000"0Gi斐主維敏E.:OOOOA窒農(nóng)O扮帶擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)沒有光照的時(shí)候圖表示處于熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)的能級狀態(tài)。此時(shí)，P型區(qū)域和n型區(qū)域的費(fèi)密能級相等。在p-n結(jié)附近存在一個(gè)載流子耗盡區(qū)。在這個(gè)耗盡區(qū)n型區(qū)域的載流子電子和p型區(qū)域的載流子相互結(jié)合而消失，在n型區(qū)域留下了不能移動(dòng)的施主離子，在p型區(qū)域則留下了不能移動(dòng)的受主離子。以接觸面為界限n型區(qū)域有一個(gè)帶正電的空間電荷層，在p型區(qū)域有一個(gè)帶負(fù)電的空間電荷層。這個(gè)空間電荷層產(chǎn)生一個(gè)擴(kuò)散電壓。（內(nèi)建電場

沒有光照的時(shí)候P型芋導(dǎo)悻n型半導(dǎo)體施主膽級E』費(fèi)景能級L虱￡匝葫虬P型芋導(dǎo)悻n型半導(dǎo)體施主膽級E』費(fèi)景能級L虱￡匝葫虬/又有光照八、、的時(shí)候有光照的時(shí)候當(dāng)太陽光射入到p-n結(jié)時(shí)，p型區(qū)域和n型區(qū)域都有可能出現(xiàn)電子激發(fā)現(xiàn)象，如圖所示。當(dāng)太陽光射入到p-n結(jié)時(shí)，n型區(qū)域的價(jià)帶Ev電子被激發(fā)到導(dǎo)帶Ec上后，就停留在n型的導(dǎo)帶上，而由于p-n結(jié)的p型區(qū)域帶負(fù)電的吸引作用（負(fù)離子區(qū)），在n型價(jià)帶上發(fā)生上述的同時(shí)形成的空穴，會(huì)遷移到能量更穩(wěn)定的p型的價(jià)帶上去。當(dāng)太陽光射入到p-n結(jié)時(shí)，p型區(qū)域的價(jià)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶Ec上后，由于p-n結(jié)的n型區(qū)域帶正電的吸引作用（正離子區(qū)），p型區(qū)域的價(jià)電子將遷移到能量更穩(wěn)定的n型的導(dǎo)帶Ec上，而在p型區(qū)域價(jià)帶Ev上同時(shí)形成的空穴則停留在該價(jià)帶Ev上。這樣一來，p-n結(jié)不僅能將光子能量轉(zhuǎn)變成電荷能量，更重要的是能夠在空間位置（p型區(qū)域和n型區(qū)域）上將正負(fù)電荷分離開來。如果在p-n結(jié)的外部接上回路，這些被分離的正負(fù)電荷就可以通過回路相互結(jié)合，這就是太陽能電池。有光照的時(shí)候價(jià)帶 P型半導(dǎo)體