能带理论用来详细解释PN结形成和光生伏特原理

能带理论用来详细解释PN结形成和光生伏特原理-也很有用

能带理论在半导体光生伏特效应中的应用内容能带理论在半导体光生伏特效应中的应用【本讲课程的内容】一、基础知识与概念1、费米能级的定义及其物理意义1） 费米能级的定义：根据量子力学理论，具有半奇数自旋量子数（通常为1/2）的费米子，如电子，遵循泡利不相容原理B，1即一个量子态只能被一个粒子所占据。因此，费米子在能级中的分布遵循费米-狄拉克分布。分布函数f（E）是指电子（研究对象）占据能带（导带）中某个能级的几率（电子的能量越往上越高）。如果是讨论空穴载流子的话（空穴的能量越往下越高），那么就应当是相应于价带中某个能级所空出（即没有被电子占据）的几率。2） 费米能级的物理意义:Fermi能级（EF）实际上起到了衡量能级被电子占据的几率大小的一个标准的作用。在E<Ef时，f（E）>1/2；在FE>E时，f（E）<1/2；在E=E时，f（E）=1/2。因F F此，EF的高低（位置）就反映了能带中的某个能级是否被电子所占据的情况。Fermi能级上电子占据的几率刚好为50%。E是一种用来描F述电子的能级填充水平的假想能级充:金属塑性变形其他形式:孪生充:金属塑性变形其他形式:孪生2、p型和n型半导体中的能级分布特点对于绝缘体和半导体，Fermi能级则处于禁带中间。特别是本征半导体和绝缘体,因为它们的的价带是填满了价电子（占据几率为100%）、导带是完全空着的（占据几率为0%），则它们的Fermi能级正好位于禁带中央（占据几率为50%）。即使温度升高时，本征激发而产生出了电子-空穴对，但由于导带中增加的电子数等于价带中减少的电子数，则禁带中央的能级仍然是占据几率为50%,所以，本征半导体的Fermi能级的位置不随温度而变化，始终位于禁带中央。对于n型半导体，因为导带中有较多的电子（多数载流子），则Fermi能级EF必将靠近导带（Ec）底；同时，掺入施主杂质的浓度越高，Fermi能级就越靠近导带底。对于p型半导体，因为价带中有较

多的自由空穴（多数载流子），则Fermi

能级EF在价带（Ev）顶之上、并必将

靠近Ev；这时，价带中越是靠近E的

f

-的能级，就被空穴占据的几率越大；同时，掺入受主的杂质浓度越高，Fermi能级就越靠近价带（Ev）顶。总之，凡是气靠近导带（Ec）底的半导体必将是电子导电为主的n型半导体，凡是Ef靠近价带（Ev）顶的半导体必将是空穴导电为主的p型半导体。P型半导体nP型半导体导带导带电子••••••导带施主能级Ed■0<±）-0-0-0费米能级Ef.p00-0-0-0

受主能级E.费米能级Ef.p00-0-0-0

受主能级E.OOOOOO空穴空穴o价带图3.6.1n型和p型半导体的能级结构图虽然严格来说，费米能等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。通俗地说，费密能级就像水平面一样。在

一个相通系统中，水平面必须相等。比如

刃Li， I 9 ■TF，水面高度也不一样。但如果用一根管子将两个水桶连通，两个水桶之间就会发生水流,最后使两个水桶的水平面一定会相等。费密能级也是这样。两个分立的材料，费密面可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终使费密能级相等P型半导体导带 ■n型半导体导带讚••••••施主能级P型半导体导带 ■n型半导体导带讚••••••施主能级Ed<±）0-0-<+>-<+：费米能级Ef.n费米能级Ef.p00-o-e-e受主能级E.DOOOOO空穴空穴Q价带3、半导体光生伏特效应简介（太阳能电池）解释角度（能量）和PPT角度有所不同首先考虑禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的结合情况，例如p型硅与n型硅的结合。如所示，受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的光生空穴载流子和电子载流子。当然，这些光生正、负电荷载流子还有可能再次相图3.6.2注意:洪晶反应是由上图相中析出不一° 、载流子）1^1到能级较低的n型导带，光生空穴（会载流子）移动到能级较低的p型价带】其结果是在n型中负电荷增加，在p型中正电荷增加,形成电流。但是，这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位，而阻止正负电荷进一步积累。这种反电位与正负电荷移动趋势相互平衡所到达的平衡状态，就是该太阳能电池产1^1生的电动势的最大值。n区空A&n区空A&n图362光生伏特效应示意图二、光生伏特效应的物理本质（详细介绍）1、p-n结中p型和n型半导体接触初始瞬间的能级状态在一个半导体中形成p型和n型两个区域,p型和n型的界面就是p-n结。图3・6・3表示p-n结在结合瞬间的能级状态。由于P型区域的费密能级低于n型区域的费密能级，电子就会从n型流向p型,

费米函数、费米能级研究对象都是电子（见下图，就很好）。另外，空穴也从p型流向n型。电子和空穴的这种扩散运动使

得n型区域带正电（正离子区,p型区域带负电（止离子区）（负离子区。所以，p型半导体与n型半导体结合后，在接触面会形成局部电位差，这一电位差将阻碍载流子继续相互扩散。P型半导体 结合部 n型半导体导带•••电子导带•••电子: 施主能级Edi®0-<±>0-0I费米能级E“ 费米能级Ef.nOO'O-O-O-^受主能级E.:OOOO—空穴o价带363p-n结在结合瞬间的能级状态图364表示处于热平衡状态下的p-n结的能级状态。此时，P型区域和n型区域的费密能级相等。在p-n结附近存在一个载流子耗尽区。在这个耗尽区n型区域

合而消失，在n型区域留下了不能移动的施主离子，在p型区域则留下了不能移动的受主离子。以接触面为界限n型区域有n型半导体一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层。这个空间电荷层产生一个扩散电压。（内建电场n型半导体P型半导体导带Ec0施主能级导带Ec0施主能级Ed受主能级Ea㊀㊀㊀㊀［q!耗思区*价带EyA+ : : :1 III*eNdt•iI•1•I•十eN. t r图364处于热平衡状态下的p-n结的能级状态当太阳光射入到p-n结时，p型区域和

图3.6.5所示。当太阳光射入到p-n结时，n型区域的价带Ev电子被激发到导带Ec上后，就停留在n型的导带上，而由于p-n结的p型区域带负电的吸引作用（负离子l=j|==|区），在n型价带上发生上述的同时形成的空穴，会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。当太阳光射入到p-n结时，p型区域的价电子被激发到导带Ec上后，由于p-n结的n型区域带正电的吸引作用（正离子区），p型区域的价电子将迁移到能量更稳定的n型的导带Ec上，而在p型区域价带Ev上同时形成的空穴则停留在该价带Ev上。这样一来，p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置（p型区域和n型区域）上将正负电荷分离开来。如果在p-nl=j|==|价