化学第10章半导体电化学与光电化学基础课件

1、第10章半导体电化学与光电化学基础10.1半导体的基本性质10.1.1半导体的能带结构简介1、半导体中的能带结构及载流子种类第1页，共54页。图10.1价带、导带和禁带能带价带导带禁带能带半导体中的能带结构第2页，共54页。图10.2价带中的电子被激发到导带第3页，共54页。半导体中的载流子空穴电子第4页，共54页。2、本征半导体、施主能级、受主能级、N型和P型半导体不含任何杂质，没有缺陷的半导体称为本征半导体能够向半导体导带中提供电子的杂质原子称为施主能级能够接受或捕获半导体价带中电子的杂质原子称为受主能级第5页，共54页。图10.3施主能级和受主能级（a）施主与N型半导体的能带（b）受主与

2、P型半导体的能带+第6页，共54页。10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布 半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴。通常，导带底和价带顶的状态密度函数Z(E)随电子能量E关系为：第7页，共54页。 半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分布规律分布在不同量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据的几率分别为：第8页，共54页。导带中电子浓度为：导带中的有效状态密度第9页，共54页。半导体载流子的浓度积为：价带中空穴浓度为：价带中的有效状态密度第10页，共54页。1、本征半导体的费米能级与载流子浓度本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等，即满足本征半导体的费米能级（a）本

3、征半导体能带结构第11页，共54页。本征半导体的载流子浓度第12页，共54页。2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度载流子浓度N型半导体（b）N型半导体能带结构施主浓度掺杂后半导体的费米能级空穴浓度第13页，共54页。P型半导体（c）P型半导体能带结构载流子浓度少子（电子）浓度掺杂后半导体的费米能级第14页，共54页。10.2半导体/溶液界面的结构与性质10.2.1半导体/溶液界面的结构与性质1、半导体/溶液界面接触时的能带结构动态平衡第15页，共54页。图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化E电子能量N型半导体溶液(a)溶液接触前E电子能量N型半导体溶液(b)溶液接触后第16页，共54页

4、。 N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理， P型半导体能带一般从本体到表面向下弯曲。第17页，共54页。2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层N型半导体溶液0 x-+-OHP界面空间电荷层空间电荷层第18页，共54页。电位分布与能带弯曲的方向和程度电位分布与能带弯曲的方向取决于初始的相对位置。由于标度不同，电位标的正方向与电子能级标的正方向恰恰相反。 实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩余电荷，作为半导体/溶液界面双电层的其他来源。第19页，共54页。（b）界面电位分布N型半导体溶液0 xOHP空间电荷层第20页，共54页。EN型半导体溶液(c)能带弯曲空间电荷层0

5、 “自发”形成的双电层结构，同金属电极一样，也可以由外电源充电形成界面双电层。此时界面结构与能带弯曲取决于充电形成的电极电位。第21页，共54页。10.2.2空间电荷层的不同表现形式1、积累层（富集层）及其特点 空间电荷层的存在是半导体电极界面结构的一个最基本特征。通过对半导体电极施加外电势，可以对其空间电荷层进行调节。不同电极电位及其引起的能带弯曲不同，可以导致三种形式的空间电荷层。第22页，共54页。0 x空间电荷层(a)积累层x空间电荷层电位和能带弯曲第23页，共54页。空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律积累层中，负的空间电荷是由于过剩的导带电子组成，故此层载流子类型与本

6、体相同，但浓度更高，因此其导电性明显增加。第24页，共54页。2、耗尽层的特点(c)耗尽层0 x空间电荷层x空间电荷层N型半导体与溶液接触时，当不施加外电场时通常形成耗尽层。第25页，共54页。3、反型层(d)反型层0 x空间电荷层x空间电荷层 N型半导体和表面能量差进一步增加时，电极/溶液界面处的能带弯曲进一步加大，形成所谓的反型层。第26页，共54页。4、平带(b)平带0 xx第27页，共54页。10.2.3半导体/溶液界面的电位分布1.半导体/溶液界面半导体一侧空间电荷层的电位分布第28页，共54页。第29页，共54页。图10.8半导体/溶液界面的电位分布半导体溶液x第30页，共54页。

7、2.半导体/溶液界面电容第31页，共54页。第32页，共54页。图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎xx3.费米能级的 “钉扎”第33页，共54页。4.表面态的来源与类型本征表面态非本征表面态第34页，共54页。10.3半导体/溶液界面上的电荷传递10.3.1平衡电位下的电荷传递1.半导体/溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流的贡献第35页，共54页。图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能带结构（b）正逆反应的电流密度第36页，共54页。2.交换电流密度j0第37页，共54页。3. 平衡电位下的电荷传递特点第38页，共54页。10.3.2非平衡条件下（极化时）

8、的电荷传递1.非平衡条件下半导体/溶液界面的能带结构第39页，共54页。图10.11阴极极化时N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能带结构（b）正逆反应的电流密度第40页，共54页。2.非平衡条件下半导体/溶液界面的净电流第41页，共54页。10.4半导体/溶液界面上的光电化学10.4.1半导体/溶液界面的光电效应1.光照条件下半导体/溶液界面的能带结构第42页，共54页。+图10.12光照对N型半导体能带结构的影响（a）N型半导体/溶液界面光生电子-空穴对的分离（b）光照后半导体一侧/能带结构的变化第43页，共54页。2.光电压与光电流第44页，共54页。10.4.2光电化学电池1.光电化学伏打电池第45页，共54页。图10.13由N型半导体电极构成的光伏达电池工作原理图-N型半导体溶液惰性金属第46页，共54页。2.