LED與光伏材料復習

1、LED與光伏材料1半導體光吸收當入射光波長大于截止波長時，半導體不吸收，當小于截止波長時，吸收；且吸收按指數(shù)衰減l=lo*eA（-a）x,a的量綱是1/L,a越大，吸收月靠近表面；吸收是溫度、波長的函數(shù)，波長越小，吸收越大，吸收還與能帶 結(jié)構(gòu)有關(guān)，直接帶隙的吸收大于間接帶隙的，而且陡。2光發(fā)射：在一個PN結(jié)的半導體里面注入電子空穴，電子和空穴就會在有源區(qū)進行復合，復合分成兩種形式：輻射 復合（發(fā)光）和非輻射復合（發(fā)熱，導致晶格振動）。在這個過程，直接帶隙半導體的輻射復合幾率很大，所以很大一部分用于發(fā)光，只有少部分用于發(fā)熱。3太陽能電池的問題：1）增加光入射，考慮表面的抗反射；2）光吸收，led

2、和光伏器件都是淺結(jié)器件，因為光吸收總是在表面最強；3）光生載流子的分離；4）歐姆接觸，后續(xù)電路的輸岀能力。4光注入、電注入led考慮的問題：1）提高注入效率，跟歐姆接觸等有關(guān)；2）提高復合效率，在pn結(jié)中心盡量減少非輻射復合中心；3）提高光提?。ㄍ饬孔有剩簻p少光在半導體的吸收，減小界面反射等。5半導體材料： 分為元素半導體（沒有極性） 化合物半導體（兩種以上元素構(gòu)成）：極性和化學配比，化學配比很難控制。極性半導體：就是化合物半導體，構(gòu)成半導體的材料對外層價電子的控制能力不同，及電負性不同，導致 成鍵時，在不同方向，鍵的強弱、鍵角等不同；離子鍵成分越多，極性越強，由此組成的半導體就是極性 半

3、導體。極性半導體的光電性質(zhì)都與其極性有關(guān)。6電活性摻雜：摻入雜質(zhì)會向材料提供可移動的電子和空穴，會改變材料的導電性能，例如Si摻P。等電子摻雜：摻入雜質(zhì)后，不會給材料提供可移動的電子和空穴，叫電中性摻雜。此時的電中性就跟原來 不同。例如GaP摻N，形成NN對的等電子，N的電負性比P強很多，改變了晶格勢，產(chǎn)生等電子陷阱， 及等電子復合中心，有很強的輻射復合幾率，因此就改變了GaP間接帶隙不發(fā)光的性能，有非常好的發(fā)光效果。7能帶工程：1 ）摻雜：會引入缺陷；2）應變：（臨界厚度，位錯弛豫）3）量子阱：產(chǎn)生條件：器件的應用 控制在電子的德布羅意波長左右，這時就會有能量的不連續(xù)分布，從能帶變成能級。8

4、量子阱與體材料的吸收系數(shù)比較：1）帶邊的移動2）有臺階狀的態(tài)密度分布3）激子吸收很強4）吸收與體材料相比相當?shù)臅r候厚度僅約為體材料的一半，及整個的吸收比體材料強很多。非晶材料：能帶模型，采用 Mott-CFO 模型：1、基本能帶；2、定域態(tài)帶尾；3、遷移率邊 Ec和Ev； 4、隙態(tài)Ex和Ey。非晶半導體中載流子輸運是一種彌散輸運非晶半導體中，能帶的擴展態(tài)、帶隙中缺陷定域態(tài)和帶尾定域態(tài)中電子對電導都有貢獻。非晶半導體的光學性質(zhì)與結(jié)晶半導體的一個顯著差別：非晶半導體中電子跨越禁帶時的躍遷沒有 直接躍遷和間接躍遷的區(qū)別，即電子躍遷時不再遵守準動量守恒的選擇定則；這是由于結(jié)構(gòu)上的 無序使非晶半導體中的

5、電子沒有確定的波矢。9有機半導體材料特點：1、可在空氣中進行加工；2、加工工藝較簡單；3、易于制備大面積、柔性材料；4、材料的電學光學性質(zhì)可以調(diào)整；5、較易制作有機/有機材料、有機/無機材料異質(zhì)結(jié)以及超晶格、量子阱結(jié)構(gòu) 應用1 ）、OLED 2 ）、太陽電池 3）、OFET 4 ）、有機半導體激光器5）、電光調(diào)制器、光開關(guān)、二極管等 10半導體微結(jié)構(gòu)材料的主要性能及應用量子尺寸效應：由于量子約束，量子結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生分裂的能級，能級之間的差距越大，對電子的約束越強。注入載流子的復合再不是帶邊復合，而是子能級之間的復合此結(jié)構(gòu)作為激光器的有源區(qū)，可以使激光器的閾值電流密度降低，調(diào)制速率提高，改善激光器

6、的溫度 和偏振特性，通過改變量子結(jié)構(gòu)，可改變發(fā)射波長共振隧穿效應：在量子阱中的載流子，當其能量小于勢壘高度時，仍有可能穿過勢壘，其隧穿幾 率與勢壘高度、厚度、載流子的有效質(zhì)量、勢阱寬度等都有關(guān)庫倫阻塞效應：當一個物理體系的尺寸達到納米量級時，這個體系的充電和放電過程是不連續(xù)的（即量子化）。在納米結(jié)構(gòu)中，由結(jié)電容所確定的靜電能量在低溫下與熱能KT為同一量級。當電子通過隧道結(jié)時，會使隧道勢壘兩端端電位差發(fā)生變化。如果結(jié)面積很小，由一個電子隧穿所引 起的電位差可達數(shù)毫伏，如果此時靜電能量的變化比熱能KT大，則由一個電子隧穿引起的電位變化會對下一個電子的隧穿產(chǎn)生阻礙作用 遷移率增強效應； 室溫激子的非

7、線性光學效應； 量子限制斯塔克效應； 電場作用下，電子、空穴的離化率比值增大現(xiàn)象； 量子阱中電子子帶間躍遷和發(fā)射現(xiàn)象等應用：高速電子器件：HEMT和HBT;半導體量子阱激光器；量子級聯(lián)紅外激光器；量子阱紅外探測器； 半導體光學雙穩(wěn)態(tài)器件等。11光學帶隙：半導體非晶材料借用能帶概念，當半導體非晶材料開始吸收光時的能量即光學帶隙。12Si的特點：1）來源多，材料豐富；2）無毒，化學性質(zhì)穩(wěn)定；3）晶體質(zhì)量高，易摻雜；4）可用于做硅氧化物5）機械強度、禁帶寬度適中。缺點是：間接帶隙半導體，不適合做發(fā)光器件；帶隙小，不適合做大功率器件13Si的提純：吹氣冶煉（吹入惰性氣體和氧化氣體，出去雜質(zhì)），助溶除渣

8、（除AI,Ca），定向凝固（除鐵），破碎去雜、浸酸水洗。PS:助溶除渣原理：可降低熔渣的熔點、密度，改善粘度和表面張力。14區(qū)溶提純技術(shù)分凝現(xiàn)象：將含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中的濃度是不同的，稱為分凝現(xiàn)象（偏析）分凝系數(shù)：在一定溫度下，固液兩相平衡時，固相A中雜質(zhì)B （溶質(zhì)）的濃度 Cs和液相中的雜質(zhì)濃度 CL 之比 K0 Ko=Cs/CLKo稱為雜質(zhì)B在材料A中的平衡分凝系數(shù)%將一材料錠條全部熔化后，使其從一端向另一端逐漸凝固，這樣的凝固過程稱為正常凝固（定向凝固）由于分凝現(xiàn)象，正常凝固后的錠條雜質(zhì)分布不再是均勻錠，岀現(xiàn)以下3種情況K<1的雜質(zhì)，其濃

9、度越接近尾部越大，向尾部集中K>1的雜質(zhì)，其濃度越接近頭部越大，向頭部集中K1的雜質(zhì)，基本保持原有的均勻分布區(qū)溶指只是將材料錠的一部分熔化形成溶區(qū)，并使溶區(qū)從錠條的一端緩慢向另一端移動正常凝固比一次區(qū)溶效果要好，但是耗能很大14硅的老化 SW效應：在-Si : H中存在S-W效應，也稱為光致退化效應：樣品經(jīng)一段時間光照后，其光電導和暗電導都顯著下降，將這樣的樣品經(jīng)過熱處理后，樣品又可恢復到原來的狀態(tài)。15西門子法SiHCI3氫還原法1）將工業(yè)硅打碎，獲得硅粉；2）再讓硅粉和鹽酸反應，獲得 SiHCI3 （溫度控制，控制副反應）3）SiHCI3提純，用分流法4）H2還原16三五族化合物相對

10、于硅的特點：如GaN1）相對硅材料，其帶隙較大2）大部分為直接躍遷型能帶（另類 GaP為間接帶隙半導體）3）電子遷移率高4）吸收系數(shù)比較大5）大部分都是閃鋅礦結(jié)構(gòu)6）是極性半導體17GaAs有比硅更高的效率的原因：最大吸收與太陽光譜吻合得很好，也就是GaAs吸收速度很高的部分正好對應于太陽光譜最強部分，所以吸收效果很好一般材料隨著電場強度的增加電子遷移率會增加，一定程度不增加（飽和電子遷移率）。但是GaAs反而減?。ü⑹闲蚴牵弘娮釉诩铀贂r，電場越來越大，等效曲率半徑大，質(zhì)量減小，導致遷移速率不但 沒有增加，反而下降。18與Si相比，GaAs的優(yōu)缺點：做太陽能電池可以有很高的效率有很高

11、的遷移率，可做高遷移率器件還可以做LED缺點是：由于是二元化合物，精確的化學配比不易控制自然資源不豐富As元素有揮發(fā)性及毒性，加工過程更應注意安全和環(huán)境保護力學強度較差，熱導率不高不易生長岀無位錯單晶（簡潔版穩(wěn)定性不如硅，強度不如硅，尺寸，器件的稱底、芯片不如硅，還有工藝上的）19GaN的優(yōu)缺點：帶隙大，穩(wěn)定性好，是非常好的藍光LED缺點：1沒有襯底2P型濃度很難提高3熱導率不高4穩(wěn)定好，導致不易化學腐蝕，工藝困難。目前藍光LED存在的問題：1正向工作電壓偏高、2發(fā)熱（理想的LED是不發(fā)熱的）、3光電轉(zhuǎn)換效 率低原因就在于材料的缺陷比較高、P型濃度很難改善、是寬帶隙半導體，歐姆接觸做不好GaN

12、用途：高頻，發(fā)光高頻器件、大功率器件、藍綠發(fā)光（全色顯示）、激光器、白光照明電學參數(shù)與器件應用：載流子達到飽和速度時器件得到最大頻率臨界擊穿電場和熱導率決定器件的最大功率輸岀能力低介電常數(shù)和寬帶隙是理想的材料特性少子壽命影響器件的工作速度20為什么用藍寶石做襯底Si比較便宜，但是晶格失配大，SiC晶格失配低，但是價格高，綜合以上因素藍寶石有較低的晶格失配，價格也合適。21高AL組分AlGaN基材料的技術(shù)問題：1）高Al組分的激活能高，不容易激發(fā)2）高Al組分，電阻率越高，電子注入效果差3）極化場強高，電子和空穴的波函數(shù)交疊降低，發(fā)光效率低4）發(fā)光性能對缺陷的強烈依賴性22OLED三層結(jié)構(gòu)：電子

13、輸運層、有機光層、空穴輸運層23鑄造多晶硅的方法：燒鑄法（不詳）和直熔法（在坩鍋內(nèi)直接將多晶硅熔化，然后通過坩鍋底部的熱交 換方式使熔體冷卻，采用定向凝固技術(shù)制備多晶硅）兩方法的技術(shù)原理沒有差別直熔法可以控制垂直方向的溫度梯度，使固液界面盡量平直，有利于生長去向性較好的柱狀多晶硅晶錠。該技術(shù)所需人工少、晶體生長過程易控制、晶體生長后一直保持在高溫，相當于對多晶硅晶錠進行了“原位”的熱處理，可以降低體內(nèi)的熱應力，使晶體內(nèi)的位錯密度降低。二者的冷卻方式略有不同直熔法中，石英坩鍋是逐漸向下移動，緩慢脫離加熱區(qū)，或采用隔熱裝置上升，使得石英坩鍋與 周圍環(huán)境進行熱交換，同時，冷卻板通水，使熔體的溫度自底

14、部開始降低，使固液界面始終保持 在同一水平面上，晶體的結(jié)晶速度約 1cm/h，約10kg/h澆鑄法通過控制加熱區(qū)的溫度，形成直上部向底部的溫度梯度，底部實現(xiàn)低于硅熔點的溫度，開 始結(jié)晶，上部始終保持在熔點以上的溫度，直到結(jié)晶完成，在整個制備過程中坩鍋是不動的，它 的結(jié)晶速度可以稍快些，但是不容易控制固液界面的溫度梯度，在晶錠的四周和石英坩鍋接觸部 位的溫度往往低于晶錠中心的溫度 卜-了解鑄造多晶硅的缺點：1、晶界的存在，導致其長程無序2、位錯密度高3、微缺陷和相對高的雜質(zhì)濃度制備的電池光電轉(zhuǎn)換效率降低24 :薄膜生長技術(shù)及比較：真空蒸發(fā)直流/射頻濺射離子束增強淀積分子束外延脈沖激光淀積化學氣相

15、淀積金屬有機化學氣相淀積液相外延MBE生長速率慢，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)點：（1）生長速率低，理論上可以在原子尺度改變組分與摻雜。（2）生長溫度低，這樣就可以忽略生長層中的相互擴散作用。（3 ）可以通過掩模的方法對材料進行三維的控制生長。（4 ）由于生長工藝在超高真空中進行，因此可以在生長室中安裝各種 分析設(shè)備，這樣就可以在生長的整個前后過程對外延層進行在位測量和分析。（5）在現(xiàn)代 MBE生長系統(tǒng)中，生長過程可以用計算機進行自動化控制。Mocvd（1）適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導體；（2）非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 ；（3）可以生長超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡；（4）生

16、長易于控制；（5）可以生長純度很高的材料；（6）外延層大面積均勻性良好；（7 ）可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。生長岀的材料質(zhì)量非常好（高生長速率，良好的摻雜的均勻性、重復性好）適合大規(guī)模生產(chǎn)，不需要高真空 （和MBE相比）,成本更低配備不同的源就可以在同一個系統(tǒng)生長不同材料，更具靈活性適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導體PECVD實驗機理：在輝光放電等離子體中電子密度高（1091012/cm3）;電子溫度比普通氣體分子溫度高出10-100倍，雖環(huán)境溫度（100-300 C）較低，但反應氣體在輝光放電等離子 體中能氣受激分解，離解和離化，從而大大地提高了參與反應物的活性。因此，這些具有高反應 活性的中性物質(zhì)很容易被吸附到較低溫度的基片表面上，發(fā)生非平衡的化學反應沉積生成薄膜。優(yōu)點：基本溫度低；沉積速率快；成膜質(zhì)量好，針孔較少，不易龜裂。缺點如下：1.設(shè)備投資大、成本高，對氣體的純度要求高；2. 涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音、強光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害；3. 對小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。25光生伏特效應：當入射太陽光的能量大于硅半導體的禁帶能量時，太陽光子照射入半導體內(nèi)，把電子 從價電帶激發(fā)到導電帶， 從而在半導體內(nèi)部產(chǎn)生了許多“電子-空穴”對，在內(nèi)建電場的作用下， 電子向N