光电化学课件-半导体物理基础

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1、半导体的应用 半导体的简单定义半导体的简单定义 Asemiconductor isamaterialwhichhas electrical conductivity between that of a of conductor suchascopperandthatofan insulator such as glass. Semiconductors are rs thefoundationofmodernelectronics, including transistors, solar cells, light- cells emittingdiodes (LEDs),quantumdot

2、s and digital and analog integrated circuits.and 半导体光电化学课程的主要内容 ：半导体光电化学课程的主要内容 ： 液结太阳能电池和太阳能分解水制氢 晶体 ： 原子或分子的在空间上周期性排列晶体 ： 四方 Tetragonal 正交 Rhombic 立方 Cubic 方 六方 单斜 斜三 方 Rhombohedral Hexagonal Monoclinic 三 斜 Triclinic Si的晶胞 GA的晶胞的晶胞 GaAs的晶胞 自由电子的薛定谔方程自由电子的薛定谔方程 自由电子所遵守的薛定谔方程为自由电子所遵守的薛定谔方程为 ： )( )(

3、2 E xd 自由电子与时间因素无关 因而波函 2 2 0 x dxm 自由电子与时间因素无关 ， 因而波函 数可以表示为： kxi Aex 2 )( 波粒二象性 粒子： 波 波粒二象性 粒子： 质 量 为 m 0 ， 速 度为 v 波 ： 波数为 k 质为 ，度为 波数为 vmp 0 kp 2 2 11 p vmE 22 k E 0 0 22 m 0 2m 自由电子 E(能量 )与 k(波矢 )的关系自由电子 能量 与 波矢 的关系 自由电子的能量E与波 矢k的关系呈抛物线形 状 E 状 。 波矢k可以描述自由电 子的运动状态子的运动状态 不同的 k值标志自由电不同的 值标志自由电 子的不同

4、状态 k 波矢k的连续变化，自 由电子的能量是连续能 谱，从零到无限大的所 m k)( E 2 2 谱，从零到无限大的所 有能量值都是允许的。 晶体中的电子状态晶体中的电子状态 在自由电子的薛定谔方程上再考虑 个周 在自由电子的薛定谔方程上再考虑 一 个周 期性势场 )()( VV 晶体中电子所遵守的薛定谔方程为 saxx 晶体中电子所遵守的薛定谔方程为 ： )( 22 xd )()()( m2 - 2 0 xExxV dx 晶体中电 的 与 的关系晶体中电 子 的 E与 K的关系 k)( 2 E m E 2 E g k /a /a/a /a 0 布里渊区布里渊区 晶体中 电 子的能 量E 和

5、波矢 k的关系曲线 基 本和自晶体中 子的能 和波矢 的关系曲线 本和自 由电子的关系曲线一样，但在 n k )210( 时 能量出现不连续 形成了 系列的允带和禁 a2 ,., n 时 ， 能量出现不连续 ， 形成了 一 系列的允带和禁 带。 每一个布里渊区对应于一个允带 禁带出现在 处 即出现在布里渊区边界 n k 禁带出现在 处 ， 即出现在布里渊区边界 上 a2 几种常见的电子填充状态几种常见的电子填充状态 金属 绝缘体 半导体 从原子到晶体的电子状态从原子到晶体的电子状态 允带 允带 禁带 禁带 允带 禁带 原子能级 能带 半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 本征半导体 n型半

6、导体型半导体 p型半导体 本征半导体本征半导体 完全纯净 结构完整 完全纯净 、 结构完整 的半导体晶体称为本 征半导体 导带电子 征半导体 。 禁带 本征半导体也存在电 子和空穴两种载流子 价带 空穴 子和空穴两种载流子 但电子数目 和空穴 但电子数目 n和空穴 数目p一一对应，数 相等量 相等 ，np N型半导体型半导体 P是第 V族元素，每是第 族元素，每 一个P原子具有5个 价电子 +4+4+4 P替位式掺入Si中， 其中 个价电 和 额外的电子 其中 四 个价电 子 和 周 围的硅原子形成了共 价键 还剩余一个价 +4 +4+5 价键 ， 还剩余一个价 电子 +4 +4 +4 相当于

7、形成了一个正 电中心 P 和 一 个多电中心 和个多 余的价电子 施主电离能和施主能级施主电离能和施主能级 多余的价电子束缚在正电 中心P 的周围，但这种 束缚作用比共价键的弱得 E C E D E 束缚作用比共价键的弱得 多，只要很少的能量就可 以使它摆脱束缚，形成导 D E g 以使它摆脱束缚，形成导 电电子。 E V E V 价带能级 使价电子摆脱束缚所需要 的能量称为杂质电离能 价带能级 E C 导带能级 E D 施主能级 E 带隙宽度 g 带隙宽度 DCD EEE Mo掺杂的 BiVO 4 掺杂的 M 6+ 替代 V 5+ 增加载流子浓度 10 o 替代 增加载流子浓度 F 2 )

8、pure 3%Mo 5 0 10 cm 4 / F 1/ C 2 ( 1 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 0 Potential (V vs.Ag/AgCl) P型半导体型半导体 B是第III族元素，每一个 B原子具有3个价电子 B替位式掺入Si中，当它 和周围的原子形成了共价额外的空穴 +4+4+4 和周围的原子形成了共价 键时，还缺少一个价电子， 必须从别处硅原子中夺取 一 个价电子 于是在硅晶 +4 +4 +4 +3 个价电子 ， 于是在硅晶 体的共价键中产生了一个 空穴 +4 +4 +4 相当于形成了一个负电中 心 B 和 一 个多余的 空 穴心 和 个多余

9、的 穴 受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级 多余的空穴束缚在负电中心B-的 周围，但这种束缚作用比共价键 的弱得多 只要很少的能量就可 E C 的弱得多 ， 只要很少的能量就可 以使它摆脱束缚，形成导电空穴 。 E D Eg 使空穴摆脱束缚所需要的能量称 为受主杂质电离能 E V A E E V 价带能级 E C 导带能级 E D 施主能级 VDA EEE Eg 带隙宽度 Si和GaAs中各种掺杂离子的杂质能级位置图 浅能级掺杂与深能级掺杂 CB 浅能级掺杂与深能级掺杂 Mo 6+ /W 6+ Cr 6+ e - h + VB BiVO 4 热平衡条件热平衡条件 温度 一 定时 两种载流

10、子浓度乘积等于本征浓 n i 为本征载流子浓度 温度 定时 ， 两种载流子浓度乘积等于本征浓 度的平方。 2 nnp 为本征载流子浓度 本征半导体 2 00 i i npn 本征半导体 n型半导体 2 inn npn p型半导体 2 ipp npn Si 319 ) 2 exp(105.2 cm kT E pn g ii )25( C 电中性条件电中性条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等 。 nDn pNnN 型半导体： pAp nNpP 型半导体： N型半导体 P型半导体 Dn Nn 型半导体 Ap Np D i n i n N n n n p 22 A ii p N n p n n 2

11、2 本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质（原子比），已知硅的原子密度 为510 22 /cm 3 ，n i 1.510 10 /cm 3 p 求：掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化？ 半导体载流子的有效质量半导体载流子的有效质量 2 11 Ed f * 22* dkhm n * nm a nm 有效质量 Si电子有效质量 0 19m 0 空穴有效质量 0 16m 0 电子有效质量 . ， 空穴有效质量 . GaAs电子有效质量0.067m 0， 空穴有效质量0.082m 0 霍尔效应霍尔效应 1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流 导体在磁场中所受力的性质时 发现导体在磁场中所受力的性

12、质时 ， 发现 “电流通过金属，在磁场作用下产生横向 电动势 ” 这个效应后来被称为霍尔效应这个效应后来被称为霍尔效应 。 霍尔效应是测量半导体材料导电类型、载 流子浓度和迁移率等基本性能的基础。 半导体霍尔效应示意图半导体霍尔效应示意图 B Z b f z I x v f B d Ey P型半导体薄片 长度为 L 宽度为 b L x 型半导体薄片 ： 长度为 ， 宽度为 ， 厚度为 d 磁场方向 (z方向）与薄片垂直，电流方 向为 方向向为 x方向 空穴的运动方向和电流方向一致，沿x轴方向 空穴在运动过程中，受到洛仑兹力f B 的作用（左手定 则） 在 侧面形成正电荷积累 而形成横向的电场

13、E则） ， 在 y侧面形成正电荷积累 ， 而形成横向的电场 y 。 稳定时 横向电场对空穴的作用力和洛仑兹力相平衡 稳定时 ， 横向电场对空穴的作用力和洛仑兹力相平衡 BEy ff yEy qEf ZxB Bqvf xx pqvJ 霍尔系数 p为空穴浓度，q电子电量，v x 空穴迁移速度， B z 磁场强度，E y 为电场强度 霍尔系数 zxHz x zxy BJRB pq J BvE R H 1 pq 半导体中的载流子运动半导体中的载流子运动 1.载流子的扩散运动 浓度不均匀造成的 xdp )( dx DqJ p D p 为空穴扩散系数 2.载流子的飘移运动 外加电场的作用 dx xdV x

14、pqJ p )( )( p 为空穴迁移率 半导体的光学性质 直接跃迁 ： 间接跃迁 能量守恒 hEEE g 直接跃迁 ： 间接跃迁 ： hEEEEEE pg 动量守恒 0 光子动量hkhk hqhqhkhk 光子动量)( 例子：GaAs 例子：Si 直接跃迁 ： 间接跃迁 ： 2/1 )()( g EhAh 2 )()( g EhAh 直接跃迁 ： 间接跃迁 ： 半导体的带隙与吸收带边波长的关系半导体的带隙与吸收带边波长的关系 EhE=h c= =hc/E 锐钛矿和金红石TiO 2 半导体的带隙为3.2eV和3.0eV, 求其吸收带边分别是多少 nm？求其吸收带边分别是多少 ？ h=6.625

15、*10 -34 J S C=3*10 8 m/s q=1.6*10 -19 C 光的基本性质 光色 波长 频率 中心波长光色 波长 (nm) 频率 (Hz) 中心波长 (nm) 红 760622 660 1414 108.4109.3 橙 622597 610 黄 597577 570 1414 100.5108.4 1414 10451005 黄 绿 577492 540 青 92 0 80 . 1414 101.6104.5 1414 青 4 47 4 蓝 470455 460 104.6101.6 1414 106.6104.6 紫 455400 430 1414 105.7106.6

16、u .) u x ( a . u on f l u Phot 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavelength (nm) 绿叶从利用太阳能的角度讲是非常不经济的 半导体材料中其他光吸收半导体材料中其他光吸收 1.杂质吸收 2.自由载流子吸收 半导体光生载流子的复合过程半导体光生载流子的复合过程 1.直接复合 导带电子直接落入价带与空穴复合 2.间接复合 电子空穴通过杂质能级复合 3 表面复合 电子空穴通过杂质能级复合 .表面复合 电子空穴通过表面能级复合 4.俄歇复合 电子空穴复合把能量传给另一个载流子，是这个载流子被激发到高能态 金属 -半导

17、体接触前金属 半导体接触前 WW W sm 0 E s m W C E n E E )( sF mF E )( V E 金属 半导体 金属 -半导体接触后 形成阻挡层 形成阻挡层厚,高阻,对接触电阻影响很大 金属 半导体接触后 形成阻挡层 sm WW Ec PS q smD WWqV F E Ev 金属和 n型半导体接触能带图 金属 -半导体接触后 形成 反阻挡层金属 半导体接触后 形成 反阻挡层 反阻挡层薄 高电导 对接触电阻影响小 WW Ec 反阻挡层薄 ,高电导 ,对接触电阻影响小 sm E F W s -W m -W m Ev 金属和 n 型半导体接触能带图 半导体 /电解液接触半导体

18、 电解液接触 固液接触类似 于金 属与半导体形成阻挡层固液接触类似 属与半导体形成阻挡层 肖特基接触 P， N型半导体接触前， 型半导体接触前 多子 电子多子 电子 多子 空穴 + + + + + + + + + + + 少子 空穴 少子 电子 少子 空穴 少子 电子 P型半导体 N型半导体型半导体 型半导体 P，N半导体接触后 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 PN结合 ， 。 + P型半导体 + N型半导体 空间电荷区 + + + 内电场E + + 耗尽层 重要概念 晶体结构 薛定谔方程 霍尔效应 载流子的扩散运动 能带结构 薛定谔方程 载流子的扩散运动 载流子的飘移运动 布里渊区 载流子的飘移运动 直接带隙 E(能量)-k(波矢)关系 本征半导体 间接带隙 杂质吸收本征半导体 施主能级 杂质吸收 自由载流子吸收施主能级 受主能级 自由载流子吸收 直接复合 载流子的有效质量 间接复合