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

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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,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-狄拉拉克分布。,k为玻尔兹曼常数.
f+1B
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(E)实际上起到了衡量能级被电子占据的几
F
率大小的一个标准的作用•在E〈Ef时,f(E)>1/2;在己〉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
%。E,是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级
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一空穴对,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Ef的的能级,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(E型半导体。
n型米号怖
电子••••••
皓主龍观缶
费狀能圾E"
顶的半导体必将是空穴导电为主的p
P型丰导体
导帶
费米能级E(,p
eo-oe-o
尧主駆级E.
OOOOOO空穴

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
补充:金属塑性变形其他形式:孪生
2
3
的代名词.
通俗地说,,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
。两个分立的材料,费密面
注意:
共
晶
反
应
是
由
液
相
中
析
出
不
同
的
固相
4
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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【】内的内容在看见上图以后还是不明白
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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
图3。
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的电动势的最大值。
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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pn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,以提高P型区域的费米能级(千万要知道费米函数、费米能级研究对象都是电子)(见下图,就很好)。另外,(正离子区),p型区域带负电(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。
没有光照的时候
导带
施主能耗时
0©-€>0-®
OOOO4*空光0
扩散运动
3。6。3p-n结在结合瞬间的能级状态
。4表示处于热平衡状态下的p-n结的能级状态。此时,P型
没有光照
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。
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在这个耗尽区n型区域的载流子电子和p型区域的载流子相互结合而消失,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)
P型半导悴B型半导悴
电子
■a
0©00;)000'
@®®®雄主能飯Eq
耗尽区
没有光照的时候
图3。6。4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一n结时,p型区域和n型区域都有可能出现电子激发现象,-n结时,n型区域的价带Ev电子被激发到导带氐上后,就停留在n型的导带上,而由于p一n结的p型区域带负电的吸引作用(负离子区),在n型价带上发生上述的同时形成的空穴,—n结时,p型区域的价电子被激发到导带Ec上后,由于p一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,,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—n结的外部接上回路,这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合,这就是太阳能电池。
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(+>
图3。
三、运用能带理论巧妙设计太阳能电池
1)异质结太阳能电池的朝向设计;
2)纳米染料敏化太阳能电池。
【本讲课程的小结】今天我们主要通过分析半导体的费米能级结构,
结合费米能级的物理意义揭示太阳能电池的工作原理,为今后提高太阳能的光电效率提供了理论支持。
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