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.docx

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E02）为的费米子，如
亠屮
电子，遵循泡利不相容原理，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 E>Ef 时，f（E） <1/2 ； 在 E=Ef 时，f（E）=1/2。因 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%。Ef是一种用来描 述电子的能级填充水平的 假想能级
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
2、p型和n型半导体中的能级分布特点
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。
补 充: 金 属 塑 性 变 形 其 他 形 式: 孪 生
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
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Ef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。
F取半导侔
施主能级Efl
费米能级E,..
导带
n型半导体
OO' O'O'O
OO O O O O空穴
受主能耀E*
空允o价带
n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
说，有两个水桶，里面装的水量不一样， 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。
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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
应 是 由】
、上
液液 相 中 析 出 不
同
的
固
相
互结合。但【一部分光生电子（载流子）会移动 到能级较低的n型导带，光生空穴（载流子会 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 生