第二章太阳能光电材料及物理基础课件.ppt

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1、纲要半导体材料是什么半导体材料的物理基础（载流子，pn结）光生伏特效应11.半导体材料是什么何谓半导体半导体材料的分类半导体材料的性质半导体材料研究的历史2何谓半导体半导体:指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料导体:电阻率在10-6到10-5Ω.cm以上，如各种金属半导体:电阻率在10-5到108Ω.cm，如硅，锗，硫化锌等等绝缘体：电阻率在1010Ω.cm以下，如云母，水泥，玻璃，橡胶，塑料等等3半导体材料的分类按大范围，分为有机半导体，无机半导体，有机-无机半导体复合材料，以下仅介绍无机半导体分类组成元素类别可分为元素半导体，化合物半导体从晶体结构，晶体半导体，

2、非晶半导体从特性和功能分，压电材料，热电材料，光电材料等4半导体材料的性质电阻率特性(光，电，磁，热，压会变化）导电特性（两种载流子，对比金属）负的电阻率温度系数（看情况）整流特性(pn结-固定导电，金属自由导电）光电特性（光生伏特效应）5材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制作中半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料62.半导体（光伏）材料的物理基础载流子的产生（能带，载流子）载流子的分离（pn结）7载流子的产生能带理论能级理论非平

3、衡载流子8能带理论能带的形成载流子的定义9能带的形成氢原子模型电子共有化电子共有化导致能级分裂能级分裂构成能带半导体能带的特点10氢原子模型1.电子处于一系列运动态，称为量子态。2.每个量子态电子能量一定，称为能级。3.靠近原子核的能级，电子受束缚强，能级低，远离原子核的能级，受的束缚弱，能级高。。4.电子只能在这些分裂的能级运动，低到高吸收能量，高到低放出能量。5.每个电级上只能容纳两个运动相反的电子。11电子共有化1.原子沿三维方向周期重复排列组成晶体时，由于距离近，电子发生相互作用。2.相邻原子间的电子壳层发生重叠，最外层电子重叠较多，里面重叠较少。3.外层电子发生

4、能级重叠，电子不再属于某一个原子，而是可以实现电子共有化。4.内层原子基本没有发生重叠，依然围绕原子核运动。12电子共有化导致能级分裂1.每个原子中电子除受到自身原子势场作用时，还受到另外一个原子势场作用。2.其结果是N个原子组成晶体时，每个原子都会分裂成m个相近的能级。13能级分裂组成能带该mN个能级可组成一个能量相近的能带这时共有化的电子不在一个能级内运动，而是在一个晶体的能带间运动，此能带称为允带允带之间没有电子运动的，称为禁带。14151.3s,3p开始与相邻共有。2.开始发生sp3轨道杂化，2能带合并为一个能带。3.原子距离到平衡距离时，再次分裂2能带。4.能级

5、重新分配，每个能带具有4N细小能级，分别容纳4N电子。1617半导体能带的特点晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化绝缘体、半导体和导体的简化能带图a）绝缘体b）半导体c）导体Eg>6eV18半导体能带简化表示a）能带简化表示b）能带最简化表示一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。价带和导带之间的宽度？价带和导带的位置？19载流子自由电子自由空穴20+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子

6、填补空穴的定向移动形成空穴流两种载流子动画一211.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi22半导体的导电特征导带上的电子参与导电价带上的空穴也参与导电半导体具有电子和空穴两种载流子金属只有电子一种载流子23半导体与导体的哲学原理分析两种极性相反的载流子好比一阴一阳阴阳互动产生了无限的

7、可能性一阴一阳之谓道24能带理论（小结）能带的形成（能级交叠带来电子共有化以及能级分裂）自由电子和空穴25能级理论杂质半导体（杂质能级费米能级26杂质半导体原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附近振动半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷27杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如B、Al、In等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如P、Sb等，形成N型半导体，也称电