太阳能电池原理课件.ppt

第二章第二章 太阳能电池原理太阳能电池原理2.1 半导体物理基础 2.2 太阳电池物理基础 .2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.1半导体的能带结构1、原子的能级和晶体的能带制造半导体器件所用的材料大多是单晶体单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间距只有几个埃的量级半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1 半导体物理基础半导体物理基础饱和性：饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；Ø 晶体的结合形式晶体的结合形式离子性结合离子性结合，共价结合共价结合，金属性结合金属性结合和分子结合（范得分子结合（范得瓦尔斯结合）瓦尔斯结合）四种不同的基本形式Ø 半导体的结合方式：主要半导体的结合方式：主要共价键共价键Ø 共价键特点共价键特点.Ø电子的共有化运动电子的共有化运动当原子相互接近，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。

原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共共有化运动有化运动电子只能在相似壳层间转移；电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；最外层电子的共有化运动最显著；2.1 半导体物理基础半导体物理基础.当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带N个原子2个原子6个原子2.1 半导体物理基础半导体物理基础.原子能级分裂为能带原子能级能带允带禁带允带允带禁带2.1 半导体物理基础半导体物理基础.能带结构是晶体的普遍属性能带结构是晶体的普遍属性价电子的基本特征：   1. 价电子的局域性   2. 价电子的非局域性Bloch定理：uk(r): 与晶格平移周期          一致的周期函数Ø晶体中价电子可用被周期调制的晶体中价电子可用被周期调制的自由电子波函数描述自由电子波函数描述Ø周期函数反映了电子的局域特性周期函数反映了电子的局域特性Ø自由电子波函数反映了电子的非自由电子波函数反映了电子的非局域特性局域特性Ø由于电子波函数的空间位相有自由于电子波函数的空间位相有自由电子波函数一项决定，由电子波函数一项决定，Bragg衍射同样发生衍射同样发生Ø能带必然存在，能带结构是晶体能带必然存在，能带结构是晶体的必然属性的必然属性2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2、金属、绝缘体和半导体所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。

所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果也就是说，电子与外电场间发生了能量交换对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场作用下，其电子并不形成电流，对导电没有贡献 满带电子不导电通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，从而形成电流，起导电作用 导带电子有导电能力2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Eg > 6 eVEg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体根据能带结构，分为：2.1 半导体物理基础半导体物理基础.半导体的能带结构半导体的能带结构Ø直接带隙Ø间接带隙2.1 半导体物理基础半导体物理基础.直接带隙直接带隙•价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上空间的原点上•价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁直接跃迁•直接禁带半导体：GaAs，GaN，ZnO2.1 半导体物理基础半导体物理基础.间接带隙间接带隙•价带的极大值和导带的极小值不位于不位于k空间的原点上。

空间的原点上•价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁间接跃迁•间接禁带半导体：Si，Ge2.1 半导体物理基础半导体物理基础.金属半导体功函数 j电子亲和势 c表面能带弯曲几个概念：功函数，电子亲和势，表面能带弯曲功函数，电子亲和势，表面能带弯曲2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.2 半导体的电子状态和电子分布半导体的电子状态和电子分布Ø 孤立原子的电子状态孤立原子的电子状态   孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动Ø 金属的电子状态金属的电子状态    金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子自由电子是在一恒定为零的势场中运动2.1 半导体物理基础半导体物理基础.晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格的周期相同两者的共同点在于都有一个恒定的势场因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一个平均场后的电子状态Ø 半导体的电子状态半导体的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础.能带的准自由电子物理模型能带的准自由电子物理模型金属中的准自由电子（价电子）模型 金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外，无相互作用。

电子所受到的势能函数为常数 电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区  边界时，发生Bragg衍射.自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表示为：自由电子所遵守的薛定谔方程为：（1）自由电子的薛定谔方程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.•粒子： 质量为m0，速度为•波： 波数为k，频率为f波粒二象性波粒二象性（2）自由电子的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础.f f = Aeikxr r (x) = |f f |2Ek.自由电子的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础.自由电子E与k的关系•自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状•波失k可以描述自由电子的运动状态•不同的k值标志自由电子的不同状态•波失k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的Ek2.1 半导体物理基础半导体物理基础.在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性势场晶体中电子所遵守的薛定谔方程为：（2）晶体中的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础.周期势场中的电子：布洛赫理论周期势场中的电子：布洛赫理论(h2/2m)∂2ψ/∂x2 + U(r)ψ(r) = Eψ(r) U((r+R)=U(r) 周期性势场中电子的运动描述为：周期势场为：Bloch定理给出波函数：Ψk(r) = exp(ikr)u k(r) 其中周期函数 u k(r) 为 uk(r+R)=uk(r) Bloch理论：在周期势场中的电子波函数就是平面波函数和周期函数的乘积。

2.1 半导体物理基础半导体物理基础.从原子能级到能带Bloch理论的求解：电子的能量是K的函数，这种E和k之间的关系构成了能带结构原子中电子的波函数通常表示成ψnlmn为主量子数，值为1，2，3……整数，l为角动量量子数，代表了电子绕原子核运动轨道的角动量，其数值为ℏ ，2ℏ， 3ℏ……,m代表了角动量沿Z轴的投影，取值为 0， ℏ ，  2ℏ ……2.1 半导体物理基础半导体物理基础.f f = Aeikxf f = Ae-ikxf f + = Aeikx+ Ae-ikxr r+ = 4A2cos2(kx)f f + = Aeikx- Ae-ikxr r+ = 4A2sin2(kx)EkEgResulted from r r+Resulted from r r-p/a2p/a-p/a-2p/a0k (G/2) = (G/2)2时：自由电子波满足Bragg方程，行波不存在，代之于驻波解，形成能带.晶体中电子的E(k)与K的关系EkEgResulted from r r+Resulted from r r-p/a2p/a-p/a-2p/a02.1 半导体物理基础半导体物理基础.电子的有效质量电子的有效质量一维情况：一维情况：三维情况：三维情况：•有效质量为张量有效质量为张量•价带顶附近的有效质量量为负价带顶附近的有效质量量为负•导带底附近的有效质量为正导带底附近的有效质量为正2.1 半导体物理基础半导体物理基础.晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样，但在 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上布里渊区布里渊区2.1 半导体物理基础半导体物理基础.1. 最低能量原理    电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最低2. Pauli不相容原理   每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子3. Hund 规则    在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充满、全空的状态比较稳定电子分布原则电子分布原则能带允带禁带允带允带禁带半导体中的电子分布半导体中的电子分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础.电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米－狄拉克分布能量为E能级电子占据的几率为     f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级费米－狄拉克分布费米－狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础.•在 RT, E – EF = 0.05 eV  f(E) = 0.12 E – EF = 7.5 eV  f(E) = 10 –129•e指数分布具有巨大的效果!|在不同能级发现电子（费密子）的几率为贯穿材料系统的任何变化都 代表了输入或输出电子的消耗功。

费米－狄拉克分布费米－狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础. 在高温下，阶跃函数类似 “抹掉”•同温度相关的of Fermi-Dirac 函数如下:费米－狄拉克分布费米－狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础.金属金属 由晶格离子（+）和电子（-）“气”之间的库仑吸引构成 金属键允许电子在晶格中自由移动. 小的内聚能 (1-4 eV). 高导电率. 吸收 可见光 (非透明, “闪光” 是因为再-发射). 好的 合金性 (因为无方向性的金属键).2.1 半导体物理基础半导体物理基础.EFEC,V导带（部分填充）T > 0Fermi “分布” 函数能级都被 “填充”E = 0在T = 0, 所有位于Fermi 能级EF下的能级都被电子填充，所有位于 EF 上的能级都是空的. 在很小的电场作用下，电子可以自由的移动到导带空能级，导致高的电导率! 当 T > 0, 部分电子可以被热 “激发” 到 Fermi 能级以上的能级. 金属金属2.1 半导体物理基础半导体物理基础.EFECEV导带(空)价带(填充)EgapT > 0在T = 0, 价带能级被电子填充 ，导带空, 导致电导率为零. 费密能级 EF 位于宽紧带 (2-10 eV)中间. 当T > 0, 通常电子不能从价带被热“激发” 到导带， 因此导电率为零. 绝缘体绝缘体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.EFECEV导带(部分填充)Valence band(Partially Empty)T > 0在T = 0, 价带能级被电子填充 ，导带空, 导致电导率为零.费密能级 EF 位于禁带 中间(<1 eV) 当 T > 0, 电子可以被热“激发”到导带，产生可测量的电导率. 本征半导体本征半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.3半导体的载流子半导体的载流子Ø电子Ø空穴2.1 半导体物理基础半导体物理基础.传导电子传导电子价带导带禁带电子电子p 价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子p 传导电子参与导电p 电子带有负电荷－q，还具有负的有效质量2.1 半导体物理基础半导体物理基础.价带导带禁带空穴空穴空穴p价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下了一些空状态p激发一个电子到导带，价带中就出现一个空状态p把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴p空穴不仅有正电荷＋q，还具有正的有效质量。

2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.4半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷Ø 本征半导体Ø  n型半导体Ø  p型半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø 本征半导体本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体本征半导体也存在电子和空穴两种载流子但电子数目ni和空穴数目pi一一对应，数量相等，ni＝pi2.1 半导体物理基础半导体物理基础.本征半导体－本征半导体－不含杂质的半导体不含杂质的半导体价带EF(T= 0K)导带.本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度.实际晶体不是理想情况：实际晶体不是理想情况：1. 原子在平衡位置附近振动；2. 半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质； 3. 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、线缺陷和面缺陷为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体导体称为杂质半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.额外的电子硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四硅原子具有四个价电子个价电子，硅原子间以共价键共价键的方式结合成晶体。

掺入第V族元素P，每一个P原子具有5个价电子，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子，形成n型硅Ø n 型半导体型半导体常用5 价杂质元素有磷、锑、砷等2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø n 型半导体型半导体导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子ED使价电子摆脱P＋束缚所需要的能量称为杂质电离能2.1 半导体物理基础半导体物理基础.n型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n0 >> p0 电子称为多数载流子(多子)，空穴称为少数载流子(少子)Ø n 型半导体型半导体电子浓度n0和空穴浓度p0有如下关系：如果掺杂浓度是ND，则：2.1 半导体物理基础半导体物理基础.额外的空穴Ø p 型半导体型半导体掺入第III族元素B原子，B具有3个价电子，当它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，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴形成p型硅常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等2.1 半导体物理基础半导体物理基础.导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子EA使多余的空穴摆脱负电中心B－的束缚所需能量，称为受主杂质电离能Ø p 型半导体型半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø p 型半导体型半导体p型半导体中，电子浓度远小于自由空穴的浓度，即 n0 << p0 。

电子称为多数载流子(多子)，空穴称为少数载流子(少子)电子浓度n0和空穴浓度p0有如下关系：如果掺杂浓度是NA，则：2.1 半导体物理基础半导体物理基础.P型和型和N型硅：型硅： P-型型 (空穴型空穴型) N-型型 (电子型电子型)掺杂元素掺杂元素 III族 (E.g. Boron)V族 (e.g. Phosphorous)束缚束缚缺少电子 (空穴)多余电子多数载流子多数载流子空穴电子少数载流子少数载流子电子空穴2.1 半导体物理基础半导体物理基础.杂质能级上的电子和空穴分布杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以得到：施主能级被电子占据的概率受主能级被空穴占据的概率电离施主浓度电离受主浓度.ni为本征载流子浓度温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方本征半导体n型半导体p型半导体热平衡条件热平衡条件2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.5 半导体的光吸收和载流子产生与复合半导体的光吸收和载流子产生与复合Ø半导体的光吸收过程Ø吸收系数和吸收长度Ø载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子的产生：  （1）光辐照  （2）电注入2.1 半导体物理基础半导体物理基础.非平衡载流子非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合非平衡载流子的寿命和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.任何一种物质对光波都会或多或少地吸收任何一种物质对光波都会或多或少地吸收Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.•一些物质的颜色呈白色（人眼），说明它反射了所有可见光…•一些物质的颜色呈黑色（人眼），说明它吸收了所有可见光…Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.ECEtEDEAEVED， EA 和Et分别是施主杂质能级，受主杂质能级和深杂质能级。

本征吸收（过程1）：产生电子-空穴对杂质吸收（2.3.4.5）：每个过程只能产生一种符号的载流子，或电子，或空穴载流子吸收（6.7）：使电子或空穴的动能增加晶格振动的吸收：增加晶格的热运动能等离子体吸收：使全部自由电子或空穴作为一个整体相对于晶体点阵的振动能增加1６５３４２７Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Eph < Eg:透过 Eph = Eg:有效吸收 Eph > Eg:强烈吸收 导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程本征吸收2.1 半导体物理基础半导体物理基础.本征光吸收 —— 光照将价带中的电子激发到导带，形成电子 — 空穴对中光子的能量满足长波极限长波极限—— 本征吸收边本征吸收边，发生本征光吸收的最大光的波长，发生本征光吸收的最大光的波长Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.竖直跃迁竖直跃迁 —— 直接带隙半导体直接带隙半导体k空间电子吸收光子从价带顶部     跃迁到导带底部     状态满足能量守恒满足准动量守恒的选择定则价带顶部电子的波矢光子的波矢 Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.伴随着吸收或者发出声子伴随着吸收或者发出声子且非竖直跃迁非竖直跃迁 —— 间接带隙半导体间接带隙半导体k空间电子吸收光子从价带顶部      跃迁到导带底部     状态但要满足但要满足能量守恒能量守恒 动量守恒动量守恒Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.准动量守恒的选择定则准动量守恒的选择定则能量守恒能量守恒（声子的准动量      和电子的准动量数量相仿，忽略光子的动量）Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程非竖直跃迁非竖直跃迁 —— 间接带隙半导体间接带隙半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.非竖直跃迁是一个二级过程，发生几率比起竖直跃迁小得多 ——  间接带隙半导体非竖直跃迁过程中，光光子子提提供供电电子子跃跃迁迁所所需需的的能能量量，，声声子子提提供供跃跃迁所需的动量迁所需的动量Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程非竖直跃迁非竖直跃迁 —— 间接带隙半导体间接带隙半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础.导带导带价带价带Eg激子能带论中在带边产生独立独立电子－空穴对的激发能量元激发不再是形成独立的电子和空穴对，而是形成电子与空穴的束缚态电子与空穴的束缚态（激子激子），其所需元激发能量低于Eg.激子半径很大：激子半径很大： 瓦尼尔－莫特激子瓦尼尔－莫特激子激子半径很小：激子半径很小： 夫伦克耳激子夫伦克耳激子 Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程激子吸收激子吸收2.1 半导体物理基础.束缚在杂质能级上的电子和空穴，发生跃迁所引起的光吸收。

每个过程只能产生一种符号的载流子，或电子，或空穴杂质吸收杂质吸收导带导带价带价带EgØ半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.自由载流子吸收和声子吸收价带上的空穴或导带上的电子可以在其所在能带的能级间发生跃迁，从而产生光吸收自由载流子的吸收光谱基本上是连续的，主要集中在长波波段声子吸收也称晶格振动吸收当光照射到半导体上，光子可以转化晶格振动的能量，从而引起光吸收Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.半导体的各种吸收机制对应的光子能量是不同的Ø半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础.任何介质的吸收在形式上也可以引入一个复折射率来描述：则，在介质内沿z轴方向传播的平面波的电场可以写为：则平面波的强度 ：令                           则有式中I0是z=0处的光强,      为物质的吸收系数吸收系数Ø吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.à光波的强度（能量）随着光波进入介质的距离光波进入介质的距离z的增大的增大按指数规律衰减按指数规律衰减，衰减的快慢取决于物质的吸收系数的大小。

à吸收系数小，介质足够薄，类似介质对此光波透明à吸收系数和材料及光波长有关à半导体材料具有一个陡峭的吸收边Ø吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.硅的光吸收系数Ø吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.吸收系数决定了光的穿透深度，这个吸收长度等于a-1，也就是光强下降到初始光强36%的长度 startØ吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Solar cellI0,N0表面处光强为I0表面光通量N0=光子数/单位面积光吸收：Ø载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø载流子产生和复合载流子产生和复合导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子载流子产生率：2.1 半导体物理基础半导体物理基础.太阳光是自然光，是一宽带不同波长光所产生的载流子随入射深度不同不同光产生的载流子太阳光下产生的载流子Ø载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Ø载流子产生和复合载流子产生和复合带带复合带带复合杂质能级复合杂质能级复合俄歇复合俄歇复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子ü导带电子和价带空穴直导带电子和价带空穴直接复合发射光子。

接复合发射光子ü光子能量接近禁带宽度，光子能量接近禁带宽度，吸收很弱，可以跃出半吸收很弱，可以跃出半导体带带复合带带复合Ø载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.导带导带价带价带空穴空穴电子电子Eg杂质能级复合杂质能级复合ü包含2个过程：1.导带电子被杂质能级俘获，放出光子；2.在杂质能级电子热激发到导带前，如果空穴也能被杂质能级俘获，则复合发出另一光子ü发生几率同杂质能级位置有关，如果杂质能级靠导带底太近，则杂质能级容易热激发回到导带，而同价带空穴复合几率很小Ø载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.俄歇复合俄歇复合导带导带价带价带空穴空穴电子电子Egü包含3个载流子ü一个电子和空穴复合，能量传递给另一个电子使之跃迁到高能态，这个电子又热弛豫到导带底ü在重掺杂或高度激发下的材料中非常重要Ø载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.载流子的扩散长度载流子的扩散长度在光伏器件中，载流子的扩散长度指少子的扩散长度指产生到复合所扩散的平均距离同载流子复合类型、复合强度等参数有关对于晶体硅来说，大概是100-300 mm。

Ø载流子产生和复合载流子产生和复合表面复合表面复合在半导体表面的杂质或缺陷引起的复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质导带电子和价带空穴可认为是自由在整个半导体中移动如果导带电子和价带空穴可认为是自由在整个半导体中移动如果没有外力，就没有净移动距离没有外力，就没有净移动距离2.1 半导体物理基础半导体物理基础.载流子的扩散：载流子的扩散：存在浓度梯度存在浓度梯度2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.电子以非常快的速度运动t 时间后，而后碰撞晶体晶格 导致相对于电场E具有漂移速度vd的一净运动. 散射时间t随着温度的上升而下降，即在高温下散射更快（导致电阻系数增大 ）载流子的漂移载流子的漂移—在电场下在电场下2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.宏观微观飘移速度 vd  是电子的净运动 (0.1 to 10-7 m/s). 散射时间 t 是电子和晶格两次碰撞的时间.2.1 半导体物理基础半导体物理基础.• 金属: 电阻随温度上升而 上升。

• 为什么?  温度  t,  n 固定 ( # 电子数为常数)  r• 半导体: 电阻随温度上升而 下降 • 为什么?  温度  t,  n (“释放” 载流子)  r2.1 半导体物理基础半导体物理基础.当　T > 0，通常电导率可以表示为 ：一个半导体的电导率  同参与导电的电子和空穴有关在电场E下，通常表示一种载流子漂移速度的大小为: FEG 结果:定义 载流子迁移率:(注意:  载流子迁移率同固态电子器件的响应速度相关2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.重写写为:实验表明 和温度具有如下关系: 因此n 和p 同温度的e指数关系占主要部分，可以估计本征电导率为：2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.低电场下，电子的漂移速率同所加电压成正比，比例系数我们称之为迁移率在一定电场下，电子的平均速率就是漂移速率：电流密度根据迁移率的定义，对于电子有低场下的传输低场下的传输2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.例题：例题：在砷化镓中电子的迁移率是8,800 cm2/V-s，计算发生碰撞的平均时间，并计算两次碰撞间的距离（平均自由程），平均速度为107 cm/s解：碰撞时间tc由下式得到平均自由程 l等于2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.在高电场下，电子变为热电子（能量增加），飘移速度增大，在高场下，趋 于饱和。

高场下的传输高场下的传输2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.非定形半导体中的传输非定形半导体中的传输（1）局域态：电子被俘获在局部能态（陷阱）         电子不能在电场下移动，只能靠晶格振动来移动—跳跃模式（2）扩展态：电子可以从材料中的一个区域到达到另一个区域         不需要跳跃，由于晶格的不完整性，存在大量散射，帮助电  子移动-Si中的局域态和扩展态，在局域态中电子的传输是跳跃式的，散射帮助电子完成这些跳跃2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.特高场下的传输特高场下的传输电场强度100kV/cm-1，半导体击穿击穿：由碰撞离化（或者雪崩击穿）和带带隧穿造成的参与导电的载流子数目增大碰撞离化带带隧穿2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2.1.7 pn结结Ø pn结的能带结构Ø pn结的形成Ø pn结的电流-电压特性2.1 半导体物理基础半导体物理基础.结形成耗尽层的形成复合复合电场阻止了进一步的扩散电场阻止了进一步的扩散电场阻止了进一步的扩散电场阻止了进一步的扩散.空间电荷区（势垒区）、空间电荷层空间电荷区（势垒区）、空间电荷层p n+++++++++- - - - - - -- - -- 空间电荷区：空间电荷区：电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。

表面空间电荷层：表面空间电荷层：表面与内层产生电子授受关系，在表面附近形成表面空间电荷层电子耗尽层：电子耗尽层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部少电子积累层：电子积累层：空间电荷层少数载流子浓度比内部少反型层反型层：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子Ø pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础.                     EC EfnEVEC Ef pEV- - - - - -EF－  －－                  －－－－－－－     qVDqVDx空间电荷区空间电荷区能带结构能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础.1）合金法）合金法液体为铝硅熔融体液体为铝硅熔融体 ，，p型半导体为高浓度铝的硅薄层型半导体为高浓度铝的硅薄层 n    SiAI n    Si液体液体 n    Sip在一块n型半导体单晶上用适当方法（合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型杂质掺入其中。

Ø pn结的形成结的形成2.1 半导体物理基础半导体物理基础.合金结的杂质分布：合金结的杂质分布：NDNAN(x)xp       n单边突变结（单边突变结（ P+-n结）：结）：由两边杂质浓度相差很大的由两边杂质浓度相差很大的p、、n型半导体形成的型半导体形成的p-n结为单边结为单边突变结p区的施主杂质浓度为区的施主杂质浓度为1016cm-3 ,而而n区的杂质浓度为区的杂质浓度为1019cm-3 Ø pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础.2）扩散法）扩散法 通过氧化、光刻、扩散等工艺形成通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结  n    SiSiO2 n    Si n    SiP电子空穴EVEFECEFp-型n-型因为扩散, 电子电子 从从 n 扩散到扩散到 p区区 ，， 空穴空穴从从 p 到到 n区Ø pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础.NDNA (x)N(x)xp       n缓变结：缓变结：杂质浓度从杂质浓度从p 区到区到n区是逐区是逐渐变化的渐变化的p-n结为缓变结结为缓变结在结区内产生在结区内产生 耗尽层，耗尽层， 在耗尽层内没有宏观载流子的运动在耗尽层内没有宏观载流子的运动. .  产生了产生了 内建电场内建电场 (10 (103 3 to 10 to 105 5 V/cm), V/cm), 阻挡进一步扩散。

阻挡进一步扩散Ø pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础.Reverse BiasForwardBias 电流-电压 关系 正向偏压:  电流e指数增长. 反向偏压: 低的漏电流 ~Io. pn 结只在一个方向导电的现象被称为“整流”特性.Ø pn结的电流结的电流-电压特性电压特性2.1 半导体物理基础半导体物理基础.。