能帶理論用來詳細解釋PN結(jié)形成和光生伏特原理

能帶理論用來詳細解釋PN結(jié)形成和光生伏特原理-也很有用

能帶理論在半導體光生伏特效應中的應用內(nèi)容能帶理論在半導體光生伏特效應中的應用【本講課程的內(nèi)容】一、基礎知識與概念1、費米能級的定義及其物理意義1） 費米能級的定義：根據(jù)量子力學理論，具有半奇數(shù)自旋量子數(shù)（通常為1/2）的費米子，如電子，遵循泡利不相容原理B，1即一個量子態(tài)只能被一個粒子所占據(jù)。因此，費米子在能級中的分布遵循費米-狄拉克分布。分布函數(shù)f（E）是指電子（研究對象）占據(jù)能帶（導帶）中某個能級的幾率（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），那么就應當是相應于價帶中某個能級所空出（即沒有被電子占據(jù)）的幾率。2） 費米能級的物理意義:Fermi能級（EF）實際上起到了衡量能級被電子占據(jù)的幾率大小的一個標準的作用。在E<Ef時，f（E）>1/2；在FE>E時，f（E）<1/2；在E=E時，f（E）=1/2。因F F此，EF的高低（位置）就反映了能帶中的某個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%。E是一種用來描F述電子的能級填充水平的假想能級充:金屬塑性變形其他形式:孿生充:金屬塑性變形其他形式:孿生2、p型和n型半導體中的能級分布特點對于絕緣體和半導體，F(xiàn)ermi能級則處于禁帶中間。特別是本征半導體和絕緣體,因為它們的的價帶是填滿了價電子（占據(jù)幾率為100%）、導帶是完全空著的（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，本征激發(fā)而產(chǎn)生出了電子-空穴對，但由于導帶中增加的電子數(shù)等于價帶中減少的電子數(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型半導體，因為導帶中有較多的電子（多數(shù)載流子），則Fermi能級EF必將靠近導帶（Ec）底；同時，摻入施主雜質(zhì)的濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近導帶底。對于p型半導體，因為價帶中有較

多的自由空穴（多數(shù)載流子），則Fermi

能級EF在價帶（Ev）頂之上、并必將

靠近Ev；這時，價帶中越是靠近E的

f

-的能級，就被空穴占據(jù)的幾率越大；同時，摻入受主的雜質(zhì)濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近價帶（Ev）頂?？傊?，凡是氣靠近導帶（Ec）底的半導體必將是電子導電為主的n型半導體，凡是Ef靠近價帶（Ev）頂?shù)陌雽w必將是空穴導電為主的p型半導體。P型半導體nP型半導體導帶導帶電子??????導帶施主能級Ed■0<±）-0-0-0費米能級Ef.p00-0-0-0

受主能級E.費米能級Ef.p00-0-0-0

受主能級E.OOOOOO空穴空穴o價帶圖3.6.1n型和p型半導體的能級結(jié)構(gòu)圖雖然嚴格來說，費米能等于費米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時的化學勢；但是在半導體物理和電子學領域中，費米能級則經(jīng)常被當做電子或空穴化學勢的代名詞。通俗地說，費密能級就像水平面一樣。在

一個相通系統(tǒng)中，水平面必須相等。比如

刃Li， I 9 ■TF，水面高度也不一樣。但如果用一根管子將兩個水桶連通，兩個水桶之間就會發(fā)生水流,最后使兩個水桶的水平面一定會相等。費密能級也是這樣。兩個分立的材料，費密面可以不一樣。但如果這兩個材料連成一個系統(tǒng)，就會在這兩個材料之間發(fā)生電荷的移動，最終使費密能級相等P型半導體導帶 ■n型半導體導帶讚??????施主能級P型半導體導帶 ■n型半導體導帶讚??????施主能級Ed<±）0-0-<+>-<+：費米能級Ef.n費米能級Ef.p00-o-e-e受主能級E.DOOOOO空穴空穴Q價帶3、半導體光生伏特效應簡介（太陽能電池）解釋角度（能量）和PPT角度有所不同首先考慮禁帶寬度相等的p型半導體與n型半導體的結(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，會產(chǎn)生大量的光生空穴載流子和電子載流子。當然，這些光生正、負電荷載流子還有可能再次相圖3.6.2注意:洪晶反應是由上圖相中析出不一° 、載流子）1^1到能級較低的n型導帶，光生空穴（會載流子）移動到能級較低的p型價帶】其結(jié)果是在n型中負電荷增加，在p型中正電荷增加,形成電流。但是，這種電荷的增加不會無限進行下去，正負電荷相互分離后，會產(chǎn)生反電位，而阻止正負電荷進一步積累。這種反電位與正負電荷移動趨勢相互平衡所到達的平衡狀態(tài)，就是該太陽能電池產(chǎn)1^1生的電動勢的最大值。n區(qū)空A&n區(qū)空A&n圖362光生伏特效應示意圖二、光生伏特效應的物理本質(zhì)（詳細介紹）1、p-n結(jié)中p型和n型半導體接觸初始瞬間的能級狀態(tài)在一個半導體中形成p型和n型兩個區(qū)域,p型和n型的界面就是p-n結(jié)。圖3?6?3表示p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)。由于P型區(qū)域的費密能級低于n型區(qū)域的費密能級，電子就會從n型流向p型,

費米函數(shù)、費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散運動使

得n型區(qū)域帶正電（正離子區(qū),p型區(qū)域帶負電（止離子區(qū)）（負離子區(qū)。所以，p型半導體與n型半導體結(jié)合后，在接觸面會形成局部電位差，這一電位差將阻礙載流子繼續(xù)相互擴散。P型半導體 結(jié)合部 n型半導體導帶???電子導帶???電子: 施主能級Edi?0-<±>0-0I費米能級E“ 費米能級Ef.nOO'O-O-O-^受主能級E.:OOOO—空穴o價帶363p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)圖364表示處于熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)的能級狀態(tài)。此時，P型區(qū)域和n型區(qū)域的費密能級相等。在p-n結(jié)附近存在一個載流子耗盡區(qū)。在這個耗盡區(qū)n型區(qū)域

合而消失，在n型區(qū)域留下了不能移動的施主離子，在p型區(qū)域則留下了不能移動的受主離子。以接觸面為界限n型區(qū)域有n型半導體一個帶正電的空間電荷層，在p型區(qū)域有一個帶負電的空間電荷層。這個空間電荷層產(chǎn)生一個擴散電壓。（內(nèi)建電場n型半導體P型半導體導帶Ec0施主能級導帶Ec0施主能級Ed受主能級Ea一一一一［q!耗思區(qū)*價帶EyA+ : : :1 III*eNdt?iI?1?I?十eN. t r圖364處于熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)的能級狀態(tài)當太陽光射入到p-n結(jié)時，p型區(qū)域和

圖3.6.5所示。當太陽光射入到p-n結(jié)時，n型區(qū)域的價帶Ev電子被激發(fā)到導帶Ec上后，就停留在n型的導帶上，而由于p-n結(jié)的p型區(qū)域帶負電的吸引作用（負離子l=j|==|區(qū)），在n型價帶上發(fā)生上述的同時形成的空穴，會遷移到能量更穩(wěn)定的p型的價帶上去。當太陽光射入到p-n結(jié)時，p型區(qū)域的價電子被激發(fā)到導帶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)域的價電子將遷移到能量更穩(wěn)定的n型的導帶Ec上，而在p型區(qū)域價帶Ev上同時形成的空穴則停留在該價帶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）上將正負電荷分離開來。如果在p-nl=j|==|價