太陽能電池及其物理基礎(chǔ)市公開課一等獎百校聯(lián)賽特等獎?wù)n件

光生伏特效應(yīng)2太陽能電池結(jié)構(gòu)及性能測試4半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)31金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu)33第3章太陽能電池及其物理基礎(chǔ)Schl.ofOptoelectronicInform.

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太陽能電池材料分類35第1頁1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能主要包含兩個步驟：(1)電池吸收光能并產(chǎn)生“電子空穴”對；(2)電子-空穴對在器件結(jié)構(gòu)作用下分離，電子流向負極而空穴流向正

極，從而產(chǎn)生電流。

怎樣了解這兩個步驟？1.1能帶結(jié)構(gòu)一、能帶形成原子間距d很大，原子能級為分立能級原子逐步靠近，相互影響，使孤立原子能級擴展成為能帶Schl.ofOptoelectronicInform.

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第2頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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伴隨原子間距減小，3s和3p

態(tài)相互作用并產(chǎn)生交疊。在平

衡狀態(tài)原子間距位置產(chǎn)生能帶

分裂。每個原子其中四個量

子態(tài)處于較低能帶，另外四個

量子態(tài)則處于較高能帶。當(dāng)處于絕對零度時，電子都處

于最低能量狀態(tài)，從而造成較

低能帶（價帶）全部狀態(tài)都

是滿，而較高能帶（導(dǎo)帶）

全部狀態(tài)都是空。價帶頂和導(dǎo)帶底之間帶隙能

量Eg既為禁帶寬度。軌道能量產(chǎn)生重合，電子開始從高能量軌道向低能量軌道轉(zhuǎn)移獨立硅原子3s和3p態(tài)分裂為允帶和禁帶第4頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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二、k空間能帶圖上述內(nèi)容中，我們定性討論了晶體中允帶和禁帶形成及原因。

我們還能夠利用量子力學(xué)原理和薛定諤波動方程對允帶和禁帶概念

做更為嚴密講解。微觀粒子含有波粒二象性，表征波動性量與表征粒子性量之

間有一定聯(lián)絡(luò)。一個質(zhì)量為m0，以速度v自由運動電子，其動量p

與能量E分別為：第5頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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德布羅意（DeBroglie）指出，這一自由粒子能夠用頻率為ν、波長為λ平面波表示：

式中：A——常數(shù)

r——空間某點矢徑

k——平面波波數(shù)，等于波長λ倒數(shù)。

為能同時描寫平面波傳輸方向，通常要求k為矢量，稱為波數(shù)矢量，簡稱波矢，既為k，其大小為：

。方向與波面法線平行，為波傳輸方向。

自由電子能量和動量與平面波頻率和波矢之間關(guān)系分別為：

h為普朗克（Planck）常數(shù)

第6頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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為簡單起見，考慮一維情況，即選x軸方面與波傳輸方向一致，則：

式中：

也稱其為自由電子波函數(shù)，它代表一個沿x軸方向傳輸平面波，且恪守定態(tài)薛定諤（Schr?dinger）方程：式中

，，h為普朗克（Planck）常數(shù)，E為電子能量。

最終，計算得：第7頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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第一布里淵區(qū)：第二布里淵區(qū)：第三布里淵區(qū)：禁帶：第8頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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E(k)也是k周期性函數(shù)，周期為π/a，

即k和k+n/a表示相同狀態(tài)。所以，可

以只取-π/2a＜k＜π/2a中k值來描述電

子能量狀態(tài)，而將其它區(qū)域移動nπ/a

合并到第一區(qū)。在考慮能帶結(jié)構(gòu)時，只

需考慮-π/2a＜k＜π/2a區(qū)域就夠了，就

是說只需考慮第一布里淵區(qū)，得到如左

圖所表示曲線。在這個區(qū)域內(nèi)，E為k多值函數(shù)。所以，

在說明E(k)和k關(guān)系時，必須用En(k)

標(biāo)明是第n個能帶，常稱這一區(qū)域為簡約

布里淵區(qū)，這一區(qū)域內(nèi)波矢為簡約波矢。第9頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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三、金屬、半導(dǎo)體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)固體按其導(dǎo)電性分類導(dǎo)體：

ρ≤10-5Ω·cm半導(dǎo)體：10-5Ω·cm≤ρ≤107Ω·cm絕緣體：

ρ≥107Ω·cm（1）價帶、導(dǎo)帶和禁帶價帶：在絕對零度時，能被電子占滿最高能帶導(dǎo)帶：比價帶能量更高能帶禁帶：在能帶結(jié)構(gòu)中，價帶與導(dǎo)帶之間

能態(tài)密度為零能量區(qū)間價帶導(dǎo)帶禁帶E第10頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）金屬、半導(dǎo)體和絕緣體能帶結(jié)構(gòu)

金屬導(dǎo)帶（部分填充）價帶（全滿）導(dǎo)帶（全空）價帶（部分空缺）導(dǎo)帶價帶

絕緣體導(dǎo)帶（全空）價帶（全滿）導(dǎo)帶（全空）價帶（全滿）

半導(dǎo)體第11頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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四、幾個常見半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)（1）硅（Si）及鍺（Ge）能帶結(jié)構(gòu)像硅和鍺這么半導(dǎo)體材料，價帶能量最大值和導(dǎo)帶能量

最小值k坐標(biāo)不一樣半導(dǎo)體，通常稱為間接帶隙半導(dǎo)體。硅鍺第12頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）砷化鎵（GaAs）能帶結(jié)構(gòu)像砷化鎵這么半導(dǎo)體材料，

價帶最大能量與導(dǎo)帶最小能

量k坐標(biāo)相同半導(dǎo)體，

通常稱為直接帶隙半導(dǎo)體。直接帶隙材料光躍遷幾率

是間接帶隙材料10倍，因

為電子躍遷過程無動量改變，

與晶格無作用，復(fù)合過程是

輻射復(fù)合，使激光器含有較

高內(nèi)量子效率。砷化鎵第13頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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五、半導(dǎo)體中能態(tài)密度固體能帶另一個表征是能帶中電子狀態(tài)密度按能量分布N(E)，它是與k空間態(tài)密度以及固體能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)。k空間單位體積狀態(tài)密度是2/(2π)3，其中2是考慮電子自旋。

討論在E到E+dE范圍內(nèi)電子狀態(tài)數(shù)dN=N(E)dE，應(yīng)該是dE能量

間隔在k空間所占體積與k空間狀態(tài)密度乘積：第14頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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導(dǎo)帶底狀態(tài)密度：價帶頂狀態(tài)密度：式中，為導(dǎo)帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量。式中，為價帶頂電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量。第15頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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1.2載流子一、本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體（1）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體即沒有雜質(zhì)和缺點半導(dǎo)體。絕對零度，本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中，價帶填滿電子，而導(dǎo)帶沒有電子。在本征半導(dǎo)體中，電子濃度n等于空穴濃度p，稱這個濃度稱為本征濃度ni。

下表給出了T=300K時，幾個不一樣材料本征載流子濃度ni公認值；下

圖給出了本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，EFi為本征費米能級。

Sini=1.5×1010cm-3GaAsni=1.8×106cm-3Geni=2.4×1013cm-3T=300K時，ni公認值EcEFiEv本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖第16頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）摻雜半導(dǎo)體摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體稱為摻雜半導(dǎo)體：n型半導(dǎo)體是在Ⅳ族元素（如硅、鍺）半導(dǎo)體中摻入少許Ⅴ族元素（如

磷、銻、砷等）雜質(zhì)，作為替位雜質(zhì)。Ⅳ族元素原子從向?qū)峁┝穗娮?，所以我們稱之為施主雜質(zhì)原子。施主

雜質(zhì)原子能在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子。摻雜半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體：EF<EFin型半導(dǎo)體：EF＞EFin型半導(dǎo)體特征：EF>EFi,n0>ni，ni>p0，即n0>p0第17頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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p型半導(dǎo)體則是在Ⅳ族元素（如硅、鍺）半導(dǎo)體中摻入少許Ⅲ族元素（如硼等）

雜質(zhì)，作為替位雜質(zhì)。Ⅲ族元素有三個價電子，而且都與硅原子結(jié)合形成共價

鍵，則有一個共價鍵位置是空，即空穴。Ⅲ族元素原子從價帶中取得電子，

所以我們稱之為受主雜質(zhì)原子。受主雜質(zhì)原子能在價帶中產(chǎn)生空穴，但不在導(dǎo)

帶中產(chǎn)生電子。我們稱這種類型半導(dǎo)體為p型半導(dǎo)體（p代表帶正電空穴）。p型半導(dǎo)體特征：EF<EFi,n0<ni，ni<p0，即n0<p0第18頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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摻雜半導(dǎo)體示意圖第19頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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二、平衡態(tài)載流子分布在一定溫度下，半導(dǎo)體中載流子（電子、空穴）起源：

（1）電子從價帶直接激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶留下空穴本征激發(fā)；

（2）施主或受主雜質(zhì)電離激發(fā)，與載流子熱激發(fā)過程相對應(yīng)，還會

伴隨有電子與空穴復(fù)合過程。在一定溫度下，半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子產(chǎn)生和復(fù)合到達熱力學(xué)平衡，稱此

動態(tài)平衡下載流子為熱平衡載流子。電子作為費米子，服從費米-狄拉克統(tǒng)計分布，費米-狄拉克分布函數(shù)代表

能量為E量子態(tài)被電子占據(jù)可能，或表示被電子填充量子態(tài)占中量

子態(tài)比率，詳細公式以下：式中：EF——費米能級kB——波爾茲曼常數(shù)第20頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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T=0K時：E＜EF

，量子態(tài)完全被占；

E＞EF

，量子態(tài)被占可能為零。T＞0K時：電子取得多

余能量進入高能級，此

時高于EF能量狀態(tài)被

電子占據(jù)幾率不為零。能量為EF量子態(tài)被占

據(jù)可能為1/2。第21頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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空穴狀態(tài)概率(1-f(E))與f(E)函數(shù)關(guān)于費米能級EF對稱。第22頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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電子濃度：在能量E→E+dE內(nèi)電子數(shù)dn將和代入

上式得：對整個導(dǎo)帶寬度積分，得熱平衡電子濃度n0：

同理得熱平衡空穴濃度p0：第23頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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第24頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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取n0與p0乘積為：上式表明，對于一定材料n0p0乘積僅是溫度函數(shù)，與費米能級無關(guān)。這表明在一定溫度下n0與p0是相互制衡。稱n0與p0為熱平衡常數(shù)。

對于本征半導(dǎo)體，n0=p0=ni，稱ni為本征載流子濃度。

則本征半導(dǎo)體費米能級為：

由上式看出，本征半導(dǎo)體費米能級基本位于帶隙中央，因為價帶和導(dǎo)帶態(tài)密度不一樣，造成稍微偏離帶隙中央。第25頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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本征載流子濃度為：與本征載流子濃度相類似，電子在施主能級ED及空穴在受主能級EA填充概率分別為：第26頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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若施主和受主雜質(zhì)濃度分別為ND和NA，在雜質(zhì)能級ED和EA能級上

電子濃度和空穴濃度為：則因為雜質(zhì)激發(fā)到導(dǎo)帶和價帶電子和空穴濃度為：由上可知，摻雜半導(dǎo)體載流子起源有：

（1）從價帶到導(dǎo)帶本征激發(fā)；

（2）雜質(zhì)離化貢獻。第27頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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三、非平衡態(tài)載流子產(chǎn)生與復(fù)合外場（光照、電場等）作用下，載流子分布將偏離熱平衡狀態(tài)。（1）非平衡載流子產(chǎn)生

非平衡載流子濃度是非平衡穩(wěn)態(tài)與熱平衡穩(wěn)態(tài)載流子濃度之差。

對于太陽能電池而言，光照是電池運作原動力。光在半導(dǎo)體中沿光照方向x處產(chǎn)生率G(x)定義為在單位時間、單

位體積內(nèi)光吸收產(chǎn)生電子-空穴對數(shù)，單位為1/(cm3·s)。

對于頻率為ω0單色光吸收率α(ω0)，產(chǎn)生率為：第28頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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討論太陽光在半導(dǎo)體中沿光照方向x產(chǎn)生率G(ω,x)應(yīng)該是上式在

ωg→∞積分：式中：Q(ω)—太陽光子流密度光譜分布，代表單位面積、單

位時間入射太陽光中、能量為?ω光子數(shù)。式中：I0——入射光強R(ω0)——光反射系數(shù)α(ω0)——光吸收系數(shù)η(ω0)——量子效率，指一個光子激發(fā)電子-空穴對概率第29頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）非平衡載流子復(fù)合產(chǎn)生復(fù)合復(fù)合按復(fù)合路徑分類直接復(fù)合間接復(fù)合第30頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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復(fù)合按能量釋放方式分類輻射復(fù)合俄歇復(fù)合非輻射復(fù)合非平衡載流子壽命，即非平衡載流子濃度降低到1/e所需時間，

也為非平衡載流子在導(dǎo)帶或價帶平均存在時間τ。

非平衡載流子壽命τ是由復(fù)合過程確定，是材料主要標(biāo)志之一。在一定溫度下，電子和空穴產(chǎn)生與復(fù)合是同時存在，且熱平衡

狀態(tài)時，產(chǎn)生率等于復(fù)合率。表面和界面復(fù)合第31頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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直接帶之間輻射復(fù)合

直接帶之間復(fù)合往往是與輻射復(fù)合聯(lián)絡(luò)在一起，導(dǎo)帶中電

子向下躍遷與價帶空穴相遇，電子-空穴對消失并發(fā)射一個光子。

在直接帶隙材料中，復(fù)合過程沒有動量改變，故而直接

復(fù)合概率高。復(fù)合率R：單位時間、單位體積復(fù)合電子與空穴數(shù)。

式中：rrad——輻射系數(shù)凈復(fù)合率U：

式中：G0——熱產(chǎn)生率第32頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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p型半導(dǎo)體（n0<<p0）有：

表明凈復(fù)合率Urad正比于非平衡少數(shù)載流子濃度。n型半導(dǎo)體（p0<<n0）有：第33頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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經(jīng)過復(fù)合中心間接復(fù)合

非平衡載流子經(jīng)過帶隙中缺點或雜質(zhì)能級復(fù)合是實際半導(dǎo)體中最主要復(fù)合。

對于Ge，Si這類間接帶隙半導(dǎo)體材料，經(jīng)過復(fù)合中心間接復(fù)合是復(fù)合主要路徑。凈復(fù)合率U：式中：τn,SHR及τp,SHR分別為電子與空穴壽命第34頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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俄歇復(fù)合俄歇效應(yīng)是三粒子效應(yīng)，在半導(dǎo)體中，電子與空穴復(fù)合時，把能量或者動量經(jīng)過碰撞轉(zhuǎn)移給另一個電子或者另一個空穴，造成該電子或者空穴躍遷復(fù)合過程叫俄歇復(fù)合。對兩個電子與一個空穴碰撞，復(fù)合率為：對兩個空穴與一個電子碰撞，復(fù)合率為：

式中：raug——俄歇復(fù)合系數(shù)俄歇復(fù)合壽命：第35頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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表面和界面復(fù)合單位面積、單位時間表面復(fù)合率US為：對于n型半導(dǎo)體，表面復(fù)合率可簡寫為：對于p型半導(dǎo)體，表面復(fù)合率可簡寫為：第36頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（3）非平衡載流子濃度

對處于準(zhǔn)熱平衡導(dǎo)帶和價帶，分別引入電子和空穴準(zhǔn)費

米能級EFn和EFp，導(dǎo)帶和價帶非平衡載流子分布遵照下式：

此時非平衡載流子濃度可表示為：

第37頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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四、載流子輸運性質(zhì)外載流子兩種輸運機制：漂移運動：由電場引發(fā)載流子運動。擴散運動：由濃度梯度引發(fā)載流子流動。溫度梯度也能引發(fā)載流子運動，但較小，可忽略。（1）漂移運動與遷移率

在電場作用下，自由空穴沿電場方向漂移，或電子逆電場方向漂

移，均將形成電流。

對于一個恒定電場，漂移運動速度υD與電場強度E成正比：式中：μ——遷移率，即單位電場下載流子漂移速率第38頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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電子濃度為n漂移電流密度Jn|drf：空穴密度為p漂移電流密度Jp|drf：n型和p型半導(dǎo)體導(dǎo)電率分別表示為：總漂移電流密度Jdrf為：總電導(dǎo)率為：第39頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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遷移率：單位電場下載流子漂移速率，其單位為cm2/(V·S)。

遷移率正比于τ，反比于載流子有效質(zhì)量：影響載流子遷移率

兩種散射機制晶格散射（聲子散射）電離雜質(zhì)散射第40頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）載流子擴散運動

當(dāng)固體中離子濃度（原子、分子、電子、空穴等）在空間分布不均勻

時，將發(fā)生擴散運動。電子擴散電流密度Jn|dif：空穴擴散電流密度Jp|dif：

式中：Dn、Dp分別為電子和空穴擴散系數(shù)，單位是cm2/s。材料遷移率與擴散系數(shù)之間應(yīng)滿足愛因斯坦關(guān)系：第41頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（3）非平衡載流子擴散與漂移基本方程

因為外場注入，表面與體內(nèi)差異或材料摻雜不均勻等，

非平衡載流子空間分布通常是不均勻，擴散與漂移同時存在。

考慮一維情況，電子與空穴電流密度Jn，Jp分別為：

應(yīng)用愛因斯坦關(guān)系，則總電流密度方程為：第42頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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在穩(wěn)態(tài)情況時，設(shè)材料是均勻摻雜，其帶隙寬度、載流子遷移率、介電常數(shù)和擴散系數(shù)均與位置無關(guān)，則穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程為：考慮較簡單情況，在中性區(qū)內(nèi)電場極小E≈0，所以與擴散電流相比，漂移電流能夠忽略不計，且是小注入條件，則n型和p型材料復(fù)合項為：第43頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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則對于n型半導(dǎo)體有：

對于p型半導(dǎo)體有：

注：上述方程組是分析半導(dǎo)體器件及太陽能電池基本方程。第44頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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1.3雜質(zhì)與缺點能級

太陽能電池材料大多為半導(dǎo)體材料或半導(dǎo)體薄膜材料；不論是本征半導(dǎo)體，還是摻雜半導(dǎo)體，都存在雜質(zhì)和缺點；因為雜質(zhì)和缺點而產(chǎn)生能級改變，在半導(dǎo)體材料及其器件中普

遍存在；依據(jù)詳細材料體系不一樣，雜質(zhì)與缺點能級有時可能引發(fā)能帶結(jié)

構(gòu)彎曲、重合、分離，從而改變半導(dǎo)體材料能級分布，產(chǎn)生

許多新效應(yīng)；相關(guān)半導(dǎo)體（薄膜）材料雜質(zhì)與缺點能級仿真、理論與試驗研

究，一直以來都是半導(dǎo)體材料與器件物理研究基礎(chǔ)和重點。第45頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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雜質(zhì)能級圖第46頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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1.4p-n結(jié)

耗盡區(qū)p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體接觸PNPN結(jié)第47頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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第48頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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第49頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）特點：位置在冶金結(jié)附

近；不存在電子與空

穴；邊緣存在多子濃

度濃度梯度。第50頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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一、零偏零偏，即熱平衡時，費米能級處處相等。漂移漂移擴散擴散第51頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（1）內(nèi)建電勢差令而同理可得則內(nèi)建電勢差：第52頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）電場強度

電場由一維泊松方程確定。式中：φ(x)——電勢E(x)——電場大小

ρ(x)——體電荷密度

εs——半導(dǎo)體介電常數(shù)第53頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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邊界條件：x<-xp和x＞xn區(qū)域電場E=0;x=-xp和x=xn時電場E=0。x=0處電場連續(xù)：說明p區(qū)內(nèi)每單位面積負電荷數(shù)與n區(qū)內(nèi)每單位面積正電荷數(shù)相等。

電場方向由n區(qū)指向p區(qū)；均勻摻雜pn結(jié)，pn結(jié)區(qū)域電場

是距離線性函數(shù)；冶金結(jié)處電場為最大值。第54頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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電勢表示式：x<-xp和x＞xn區(qū)域電場E=0;x=-xp和x=xn時電場E=0。第55頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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電勢表示式為距離二次函數(shù)；

x＝xn處電勢大小與內(nèi)建電勢差大小相同：電子電勢能，為距離二次函數(shù)第56頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（3）空間電荷區(qū)寬度和總耗盡區(qū)寬度W：第57頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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二、反偏n區(qū)相對于p區(qū)施加了一個正電壓n區(qū)費米能級位置低于p區(qū)總電勢差為：第58頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（1）空間電荷區(qū)寬度與電場強度空間電荷區(qū)寬度隨施加反偏電壓增加電場強度：第59頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）伏安特征因為外加反向偏壓，降低了載流子擴散運動，增加了少子漂移運動，

把n區(qū)中空穴驅(qū)向p區(qū)，p區(qū)中電子拉向n區(qū)。因少子數(shù)目少，所以反向電流普通很?。ㄒ韵铝袌D三象限所表示）。p-n結(jié)正、反向?qū)щ娦詰沂獠町惣词莗-n結(jié)整流特征。第60頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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反向電流密度：在穩(wěn)定情況下，②區(qū)內(nèi)電子-空穴對產(chǎn)生率為：有效壽命τ0為：在區(qū)域①或③，少數(shù)載流子僅僅是經(jīng)過擴散而運動。第61頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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在區(qū)域①或③，熱平衡時單位體積凈產(chǎn)生率為：有效壽命τ0為：總反偏電流密度JR為：第62頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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三、正偏p區(qū)相對于n區(qū)施加了一個正電壓p區(qū)費米能級位置低于n區(qū)總電勢差為：第63頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（1）空間電荷區(qū)寬度與電場強度空間電荷區(qū)寬度隨施加反偏電壓增加電場強度：第64頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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（2）伏安特征因為外加正向偏壓，n區(qū)中有大量電子擴散到p區(qū)，p區(qū)也有大量空穴擴散

到n區(qū)，形成由p指向n可觀擴散電流，也稱為正向電流。伴隨正向電壓增加，p-n結(jié)中擴散電流大大超出由p-n結(jié)中剩下電勢VD-VF作用下形成漂移電流，于是得到了以下列圖第一象限所表示正向電

流-電壓特征，又稱為正向伏安特征。第65頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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正向電流密度：穩(wěn)定情況下，在n區(qū)擴散層中，小注入時可不考慮電場影響，那么電子擴散方程為：邊界條件：第66頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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正偏pn結(jié)內(nèi)穩(wěn)態(tài)少子濃度第67頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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-xpxn0電流密度第68頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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耗盡區(qū)內(nèi)復(fù)合電流分量：凈復(fù)合率為：總正偏電流密度JD為：第69頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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若不考慮耗盡區(qū)影響，則p-n結(jié)正向電流密度JD可簡寫為：令Js為忽略pn結(jié)耗盡區(qū)影響時反向飽和電流密度：總正偏電流密度JD為：這就是著名肖克萊方程，它反應(yīng)了理想情況下，pn結(jié)正偏電流密度與偏壓、反向飽和電流密度及溫度關(guān)系。第70頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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正偏pn結(jié)內(nèi)理想電流分布第71頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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四、pn結(jié)二極管理想伏安特征曲線反向飽和電流密度總電流密度第72頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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五、pn結(jié)電容結(jié)電容即勢壘電容，是耗盡區(qū)內(nèi)正負電荷在空間上分離引發(fā)pn結(jié)

含有電容充放電效應(yīng)結(jié)果。第73頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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2、光生伏特效應(yīng)一、光生伏特效應(yīng)光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）：光照射到一些物質(zhì)上，引發(fā)

物質(zhì)電性質(zhì)發(fā)生改變，也就是光能轉(zhuǎn)換成電能。光生伏特效應(yīng)（Photovoltaiceffect）：半導(dǎo)體在受到光照射時

產(chǎn)生電動勢現(xiàn)象，即半導(dǎo)體在受到光照射時，因為光生載流子

在不一樣位置含有不均一性，或者因為p-n結(jié)產(chǎn)生了內(nèi)部載流子，就

會因擴散或者漂移效應(yīng)而引發(fā)電子和空穴密度分布不均勻，從而

產(chǎn)生電能現(xiàn)象。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)第74頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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無光照時，處于零偏下p-n結(jié)

能帶圖（a），有統(tǒng)一費米能

級，勢壘高度為：

qVD=EFn-Efp=q(VFn+VFp)穩(wěn)定光照、p-n結(jié)處于開路狀態(tài)

時，p-n結(jié)能帶圖（b）。光生

載流子積累出現(xiàn)光電壓，使p-n

結(jié)處于正偏，費米能級發(fā)生分

裂。因p-n結(jié)處于開路狀態(tài)（未

接負載），故費米能級分裂寬

度等于qVoc，剩下結(jié)勢壘高度

為q(VD-Voc)。第75頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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穩(wěn)定光照、p-n結(jié)處于短路狀態(tài)時，p-n結(jié)能帶圖（c）。原來在p-n結(jié)

兩端積累光生載流子經(jīng)過外電路

復(fù)合，光電壓消失，勢壘高度為qVD。

各區(qū)中光生載流子被內(nèi)建電場分

離，源源不停地流進外電路，形成

短路電流Isc。有光照、有外接負載時，p-n結(jié)能

帶圖（d）。一部分光電流在負載

上建立電壓V，另一部分光電流與p-n結(jié)在電壓V正向偏壓下形成

正向電流抵消。費米能級分裂寬

度恰好等于qVD，而這時剩下結(jié)勢

壘高度為q(VD-V)。第76頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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二、太陽能電池伏安特征曲線一個pn結(jié)太陽能電池基本結(jié)構(gòu)以下列圖所表示入射光照射能夠在空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，它們將被電場

掃過，從而形成相反方向光電流IL。則在反偏情況下，pn結(jié)電流為：第77頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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短路電流：當(dāng)R=0時，即V=0時，pn結(jié)段路開路電壓：當(dāng)R→∞時，即外電流為零時，所得到電壓傳輸?shù)截撦d上功率為：經(jīng)過令P導(dǎo)數(shù)為零，可得負載上最大功率時電流電壓值第78頁Schl.ofOptoelectronicInform.

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第79頁3、金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，半導(dǎo)體器件或者集成電路必須與外電路相連接，

此時必須有金屬與半導(dǎo)體接觸，簡稱金-半接觸（MS接觸）。MS接觸可分為兩類：

（1）整流接觸，這種接觸稱為肖特基接觸，其電流-電壓（I-V）特

性展現(xiàn)非線性關(guān)系，含有單方面導(dǎo)電性。

（2）非整流接觸，即歐姆接觸，其I-V特征成線性關(guān)系或以原點為

中心對稱關(guān)