半導體光電化學-II10

1、半導體的光激發(fā) 如果用適當波長的光照射半導體，那么電子在吸收了光子后將由價帶躍遷到導帶，而在價帶上留下一個空穴，這種現(xiàn)象稱為光吸收要發(fā)生光吸收必須滿足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁帶寬度Eg，即 hEg l(nm)=1240/Eg(eV) 其中h是普朗克常量，是光的頻率 l為波長 若光子能量小于禁帶寬度， 則光不能被吸收，而透射過晶體， 晶體透明如食鹽晶體，禁帶寬度約10eV，所有光都能透射過去，因此它是透明的 半導體晶體的禁帶寬度在1eV左右 硅1.1eV，砷化鎵1.4eV， 吸收波長1.1m和0.88m，紅外光凡波長比上述波長短的光，即可見光都將被吸收，因此它們都是不透明的

2、CdS 2.4eV,吸收波長516nm,顯示黃色直接帶隙與間接帶隙1122ABA:導帶低和價帶頂在同一動量空間B:導帶低和價帶頂不在同一動量空間1:直接躍遷動量不變2:簡接躍遷動量改變 第三物參與Eg Eg 半導體Eg/eV躍遷類型Si1.1間接Ge0.67間接GaP2.2間接GaAs1.4直接CdS2.4直接CdSe1.7直接hvEhvBhvEhvAgg22/1)()(直接躍遷間接躍遷a: 吸收系數(shù)A,B: 常數(shù)準費米能級 光照時半導體產生非平衡載流子Dn,Dp 達到光照穩(wěn)定時pppnnnDD0*00*0 ,)exp()exp(00kTEENpkTEENnVFVFCC)exp()exp(*0

3、*0kTEENpkTEENnVFpVFnCC)1ln(TElnTEE)1ln(TElnTEE0F0V*Fp0F0C*FnppkppNknnknnNkVCDDDD對于N型半導體Dnn0 電子準費米能級更靠近導帶，且偏離很小DpEVB反型層少子表面積累N型半導體不同偏壓下的能帶結構EFEfb積累層EFEfb平帶ECBEFEfb耗盡層EFECB反型層P型半導體不同偏壓下的能帶結構耗盡層耗盡層是光電化學體系和研究中最為常見最為常見的一種狀態(tài)半導體溶液接觸 N型半導體溶液 接觸前費米能級不等 導帶、價帶是平的 N型半導體溶液 接觸后費米能級相等 導帶、價帶彎曲，帶彎接觸前導帶平直時的費米能級稱平帶電位勢

4、壘高度勢壘高度f fsf fs勢壘寬度勢壘寬度WW空間電荷層溶液電荷密度大于半導體，半導體界面變化電子轉移后留下不可移動的施主正離子（空間電荷）空間電荷層形成在半導體一邊，厚度10納米到幾微米電場下的漂移與濃差擴散平衡時達穩(wěn)態(tài)電子在表面被耗盡，稱耗盡層空間電荷層 載流子分布)(exp()()(exp()(00kTxepxpkTxenxniiffffX為距表面距離，n0，p0為載流子平衡濃度fi為本體電位e為電子電荷耗盡層的電位分布 N型重摻雜耗盡層時 邊界條件 電位電位拋物線分布 空間電荷層寬度寬度 勢壘高寬度大勢壘高寬度大SCDeNdxdf22SSC0, 0|/0,Lffff）（）（SCLx

5、dxd2)(2SCSCDLxeNxf）（2/1SCSC)2(LDseNf半導體的電容)(2C1SC2SCekTeNsDfMott-schottky方程方程除了在半導體內形成空間電荷層外，在界面溶液側由半導體表面電荷與溶液中相反離子構成雙電層雙電層厚度：幾個?？臻g電荷層電容與雙電層電容串聯(lián)HSCC1C1C1CH10100mFcm-2,Csc=0.001-1mFcm-2當CSCCH時，CCSC，外加電壓降在空間電荷層半導體溶液界面的光效應 半導體受光激發(fā) 少數(shù)載流子增加幾個數(shù)量級（相對于平衡) 非平衡的少子引發(fā)化學和電化學反應 多子的變化不大，可忽略 應用Schottky 勢壘模型處理半導體光效應

6、光電流的組成1. 產生在空間電荷層的載流子Jdep2. 產生在半導體本體擴散到空間電荷層 Jdiff空間電荷層Jdep本體J diff短波，1/a小長波，1/a大hvEhvBhvEhvAgg22/1)()(直接躍遷間接躍遷a: 吸收系數(shù)A,B: 常數(shù)ppppdiffwdepLDqwLLqJwqdxxgqJ0000)exp(1 1)exp()(aaaa2/1SC)2(DseNwfBulter-Galtner方程描寫量子產率與載流子濃度，少子擴散長度外加電壓，平帶電位和入射波長的關系)1)exp(1 (0pdiffdepLwqJJJaapppdiffdepLwLwqJLwqJJJaaaaaa1)e

7、xp(1)1)exp(1 ()1)exp(1 (00非理想性 不同光強下IV線 n-GaAs in 0.1 MKOH/14 mM K2Se 光電流起點正移光電流起點正移 曲線非線性曲線非線性有表面態(tài)的情況表面問題 研究難度高 對環(huán)境敏感 易變化，重現(xiàn)性低 濃度低 重要性高（化學中的機會07諾獎） 反應通過界面和表面進行 對性能的影響大 難于控制有關表面態(tài)的解釋 結構與熱力學起源 結晶周期性破壞，表面懸掛鍵 表面重構 表面吸附 Si(111)-7x7重構表面發(fā)現(xiàn)于1959年， 但直到有STM 的觀察結果後其原子結構模型才于1985年完成，它真正的結構才被確認。 當矽晶體沿(111)方向切開後，表

8、面上會有很多不飽和鍵(unsaturated bond) 或稱懸空鍵(danglingbond)。 減少表面懸空鍵的數(shù)目可降低表面能。表面能最低的是7x7 重構表面 此兩個半晶胞在最接近表面的三層原子層的排列方式相同，但第四層原子在稱為faulted 的半晶胞中產生錯位堆疊(stacking fault)圖中菱形的7x7 晶胞(unit cell)由兩個正三角形的半晶胞(half cell)構成，由dimer row 形成的晶胞邊界（boundary)分隔物理評論快報發(fā)表物理所半導體硅重構研究新進展中國科學院物理研究所劉邦貴研究員及其博士生徐野川在Si(111)-7x7重構表面相及其相變動力學現(xiàn)象的研究中取得新的進展，其主要結果發(fā)表在2月8日 出版的Physical Review Letters 100, 056103 (200