主講：XXX第1章太陽能電池發(fā)展概況CONTENTS目錄PART

01PART

02PART

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04太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史太陽能電池技術(shù)概況太陽能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程Part.01太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01太陽能是太陽以電磁波的形式向宇宙空間發(fā)射的能量，是地球上生命和氣候系統(tǒng)的主要能量來源。地球接收到的太陽輻射的能量強度取決于多個因素，包括太陽高度角、日地距離以及日照時間等。太陽常數(shù)是描述地球接收太陽輻射強度的一個物理量，它指的是在地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量，其值約為1367W/m2。地球的最大橫截面積約為127400000km2，因此可算得整個地球接收到的功率約為1.74×1017W。簡單地換算一下，太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當(dāng)于燃燒500萬噸煤釋放的能量，而全球人類目前每年能源消費的總和只相當(dāng)于太陽在40分鐘內(nèi)照射到地球表面的能量。由此可見，地球接收的太陽能量十分巨大，具有極大的利用潛力。太陽能簡介太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01太陽輻射到達地球大氣層后，會經(jīng)過云層、空氣和水汽等的反射、散射和吸收，強度會顯著減弱。大約30%的太陽輻射能直接以短波形式反射回宇宙空間，23%被大氣吸收，僅有47%左右的能量到達地球表面，成為人類在地球上可開發(fā)利用的太陽能資源。盡管地球只接收到太陽總輻射能量的一小部分，但這已經(jīng)遠遠超過了人類目前每年所用的各種類型能源的總和，而且這如此巨大的能量是免費且取之不盡用之不竭的。因此，對太陽能的利用是人類一直所追求的。據(jù)記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史。幾千年來，人們以各種方式利用太陽的能量。太陽能簡介太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01太陽能利用技術(shù)分為無源和有源兩種。無源技術(shù)如利用太陽光照明、取暖，無需額外裝置；有源技術(shù)如太陽能光伏、光熱轉(zhuǎn)換等，需特定設(shè)備。目前主要應(yīng)用形式為光熱利用和光伏利用。無源技術(shù)示例：太陽光照明有源技術(shù)示例：太陽能熱水器有源技術(shù)示例：太陽能電池太陽能利用技術(shù)太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01在太陽能光熱利用的歷史可以從1615年法國工程師所羅門·德·考克斯發(fā)明了世界上第一臺太陽能驅(qū)動的發(fā)動機算起。早期的太陽能光熱利用裝置幾乎全部采用聚光方式收集陽光用于加熱水，并利用水蒸氣作為工作工質(zhì)輸出機械能，這種光熱轉(zhuǎn)換發(fā)動機功率不大、價格昂貴、實用價值不大。直至聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，才使得太陽能光熱利用真正具備使用價值。該技術(shù)利用大規(guī)模的定日鏡組成陣列，將太陽輻射反射并積聚到吸熱塔頂部的吸熱器對內(nèi)部工質(zhì)（無機鹽）進行加熱，再通過熱交換，驅(qū)動蒸汽渦輪發(fā)動機發(fā)電。光熱利用技術(shù)太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01在1839年，法國科學(xué)家埃德蒙·貝克雷爾（EdmondBecquerel）發(fā)現(xiàn)，用兩片半導(dǎo)體浸入電解質(zhì)溶液構(gòu)成的伏打電池，受到陽光照射時會產(chǎn)生額外的伏打電勢，這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應(yīng)”，是太陽能光伏技術(shù)的物理基礎(chǔ)。光伏利用技術(shù)發(fā)展史1883年，美國發(fā)明家查爾斯·弗里茨（CharlesFritts）通過把金屬硒和薄片的鉑組裝在一起，實現(xiàn)了將光能轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換率為1%，這標志著太陽能電池的誕生。但是，由于制造成本過高、能量轉(zhuǎn)換效率太低，該發(fā)明并沒有得到商業(yè)化應(yīng)用。1932年，奧杜博特和斯托拉制成了第一塊硫化鎘太陽能電池；1941年，貝爾實驗室的研究員奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。1954年，貝爾實驗室的三位科學(xué)家——喬賓（DarylChapin）、皮爾森（GeraldPearson）和福勒（CalvinFuller），終于發(fā)明出第一塊具有實用價值的太陽能電池。該電池的光電轉(zhuǎn)換效率雖然只有4%，但它標志著太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用正式拉開帷幕。太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史01由于成本高、效率低，太陽能電池在最初幾年的發(fā)展主要集中在衛(wèi)星應(yīng)用方面。1958年，先鋒1號(Vanguard1)在美國海軍研究實驗室管理的一個項目框架內(nèi)發(fā)射，是第一顆使用太陽能供電的無線電的衛(wèi)星。幾年后，第一顆商業(yè)通信衛(wèi)星電星1號（Telstar1）由貝爾電話實驗室的一個團隊設(shè)計和建造，并于1962年由美國宇航局發(fā)射，由3600個太陽能電池供電，總功率為14瓦。從20世紀70年代開始，隨著第四次中東戰(zhàn)爭爆發(fā)，石油價格飆升，能源危機的突然降臨使世界各國察覺到可再生能源的重要性，人們開始把光伏發(fā)電的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到民生領(lǐng)域。1973年，世界第一座光伏住宅在美國建成；1979年，全球太陽能電池的安裝總量達到了1MW；20世紀80年代，光伏開始應(yīng)用于地面電力系統(tǒng)。全球各地的電池產(chǎn)量隨著光伏應(yīng)用規(guī)模的擴大也在不斷提升，到1995年全球太陽能電池年產(chǎn)量已超過77.7MW，總裝機量更是高達500MW。光伏逐漸成為大眾化應(yīng)用的技術(shù)之一，也成為一種主要的可再生能源發(fā)電形式。光伏利用技術(shù)發(fā)展史太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展歷史0120世紀末期，隨著光伏市場的不斷擴大，一些國家和地區(qū)開始出臺政策，鼓勵和支持光伏的發(fā)展和應(yīng)用。同時，科學(xué)家們對太陽能電池性能的優(yōu)化工作一直都沒有停止，太陽能電池生產(chǎn)成本逐步下降，電池效率逐漸提升，光伏發(fā)電成為最為經(jīng)濟實惠的能源選擇。時至今日，光伏已然成為全球能源供應(yīng)的重要組成部分。國際能源機構(gòu)IEA在2024年4月28日發(fā)布的全球光伏市場數(shù)據(jù)顯示：全球光伏累計裝機容量從2022年的1.2TW增長到2023年的1.6TW，2023年新增光伏裝機容量從2022年的236GW增至446GW。從1979年的1MW，短短44年，數(shù)據(jù)已經(jīng)證明了光伏的發(fā)展速度。在電池技術(shù)方面，也早已從10年前多晶硅與單晶硅之爭，升級到P型與N型的共贏，而硅也不再是光伏發(fā)電可利用的唯一材料，鈣鈦礦、疊層電池等一系列更具發(fā)展?jié)摿Φ碾姵丶夹g(shù)正在市場化發(fā)展中不斷完善。光伏利用技術(shù)發(fā)展史太陽能電池技術(shù)概況Part.02太陽能電池技術(shù)概況02太陽能電池的研究和發(fā)展一直在繼續(xù)，重點是新材料和先進的電池設(shè)計：材料設(shè)計上主要是通過不同的工藝和方法，調(diào)控材料對光的反應(yīng)和吸收。研究人員一直在尋找性能好、易于獲得且生產(chǎn)成本低的材料，發(fā)展出了包括硅的各種類型（單晶硅、多晶硅和非晶硅）、III-V族半導(dǎo)體、碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦、有機物、量子點等在內(nèi)的各種材料。電池型式設(shè)計方面，發(fā)展出襯底式和薄膜式電池。襯底式太陽能電池是利用整片特定材料的襯底來制造的太陽能電池，如常見的單晶硅電池、多晶硅電池。薄膜式太陽能電池則利用薄膜狀的半導(dǎo)體材料作為光吸收層，這些薄膜通常附著在其他材料的基板上。根據(jù)太陽能電池使用的材料和技術(shù)，太陽能電池技術(shù)的發(fā)展可以分為三個世代：第一代太陽能電池：晶體硅太陽能電池第三代太陽能電池：先進太陽能電池第二代太陽能電池：薄膜太陽能電池太陽能電池技術(shù)概況02晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限值為29.43%。實際中，多晶硅太陽能電池效率在15%-18%之間，單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率可達20%-26%（晶體硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率平均在20%左右，因此20%的光電轉(zhuǎn)換效率也成為了更新世代的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的標準。）在此基礎(chǔ)上，研究人員持續(xù)創(chuàng)新，開發(fā)新電池結(jié)構(gòu)以提升效率和降低成本：包括開發(fā)新的電池結(jié)構(gòu)如選擇性發(fā)射極電池和鈍化接觸太陽能電池（如TOPCon、HJT、IBC等）。隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，晶體硅太陽能電池的效率和成本效益有望進一步提升，以適應(yīng)未來的能源需求和環(huán)境保護目標。材料與工藝晶體硅太陽能電池使用高純度硅材料，包括單晶硅和多晶硅。其生產(chǎn)工藝成熟，涉及硅材料提純、切割、制絨、摻雜和封裝等步驟，成本低、效率高，占據(jù)全球光伏市場大部分份額。單晶硅電池組件多晶硅電池組件效率與發(fā)展第一代太陽能電池：晶體硅太陽能電池第二代太陽能電池：薄膜太陽能電池太陽能電池技術(shù)概況02薄膜太陽能電池的效率通常低于晶體硅太陽能電池，但隨著技術(shù)的進步，一些薄膜太陽能電池的效率已經(jīng)達到了相當(dāng)高的水平。例如，銅銦鎵硒電池和碲化鎘電池的實驗室效率已分別達到22.3%和16%以上，具備了市場化的潛力。然而，一些材料存在毒性，且光致衰退問題影響其長期性能和可靠性，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。但是，薄膜太陽能電池可以應(yīng)用于許多特殊的場合，如：應(yīng)用在承載力較小的工業(yè)廠房作為分布式電站，應(yīng)用在建筑物立面、采光頂作為建筑光伏一體化（BIPV），應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚、車棚等，是晶體硅太陽電池的重要補充。材料與特點薄膜太陽能電池使用非晶硅、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）等材料，具有輕薄、柔性、制造成本低等優(yōu)點，可應(yīng)用于特殊場合，如建筑物立面、農(nóng)業(yè)大棚等，但面臨穩(wěn)定性和環(huán)境問題。BIPV薄膜太陽電池效率與發(fā)展第三代太陽能電池：先進太陽能電池太陽能電池技術(shù)概況02三代太陽能電池使用的材料范圍非常廣泛，包括有機材料、無機材料、納米材料等，這些材料的組合超越了傳統(tǒng)硅基太陽能電池的結(jié)晶和非結(jié)晶形態(tài)，其典型代表有鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、多結(jié)太陽能電池等。通過材料和界面的創(chuàng)新設(shè)計，第三代太陽能電池已經(jīng)取得了顯著的進展，但穩(wěn)定性和長期運行壽命仍是這些新型太陽能電池需要解決的關(guān)鍵問題。概念第三代太陽能電池結(jié)合了有機化學(xué)、納米技術(shù)、分子工程等多個學(xué)科的技術(shù)，很難用一個可涵蓋這一代太陽能電池特點的單一名詞來描述它，因此第三代太陽能電池被籠統(tǒng)地稱為先進太陽能電池或新型太陽能電池，代表了光伏技術(shù)的新前沿。多結(jié)太陽電池鈣鈦礦太陽電池材料與發(fā)展第三代太陽能電池：先進太陽能電池太陽能電池技術(shù)概況02三代太陽能電池使用的材料范圍非常廣泛，包括有機材料、無機材料、納米材料等，這些材料的組合超越了傳統(tǒng)硅基太陽能電池的結(jié)晶和非結(jié)晶形態(tài)，其典型代表有鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池、多結(jié)太陽能電池等。通過材料和界面的創(chuàng)新設(shè)計，第三代太陽能電池已經(jīng)取得了顯著的進展，但穩(wěn)定性和長期運行壽命仍是這些新型太陽能電池需要解決的關(guān)鍵問題。類型與發(fā)展01鈣鈦礦太陽能電池鈣鈦礦太陽能電池使用有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光層材料，具有高載流子遷移率、強光吸收等特點，實驗室效率超25%，但商業(yè)化面臨穩(wěn)定性、大面積制備技術(shù)和環(huán)境健康問題。02染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池模擬植物光合作用原理，制造成本低、環(huán)保，可在柔性襯底上制造。其理論光電轉(zhuǎn)換效率低于硅太陽能電池，實際效率可達13%，但長期穩(wěn)定性仍需提升。03有機太陽能電池有機太陽能電池基于光生伏特效應(yīng)，使用共軛聚合物等材料，具有可溶液加工、柔性、半透明等特性，光電轉(zhuǎn)換效率超19%，在建筑一體化、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有應(yīng)用潛力。04多結(jié)太陽能電池多結(jié)太陽能電池利用多層不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料吸收不同波長光子，提高光電轉(zhuǎn)換效率，實驗室效率超30%，但制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，限制了大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。類型與特點太陽能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)Part.03太陽能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)03晶體硅太陽能電池晶體硅太陽能電池面臨能量轉(zhuǎn)化效率提升瓶頸，進一步提高效率需突破現(xiàn)有技術(shù)局限，如開發(fā)新電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料和工藝等。新型太陽能電池有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等新型電池雖效率提升顯著，但仍低于晶體硅太陽能電池，需進一步研究材料和界面工程以提高效率。效率提升瓶頸03成本問題太陽能電池生產(chǎn)成本雖下降，但在一些地區(qū)和應(yīng)用場景中，與傳統(tǒng)能源相比仍較高，限制了其廣泛應(yīng)用。降低成本需優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率和規(guī)模效應(yīng)。穩(wěn)定性與壽命有機太陽能電池在空氣、水和光照條件下易分解，鈣鈦礦太陽能電池對水蒸氣和氧氣敏感，影響其穩(wěn)定性和壽命。需研發(fā)新型材料和封裝技術(shù)以提高穩(wěn)定性。成本與穩(wěn)定性問題太陽能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)03環(huán)境與系統(tǒng)集成挑戰(zhàn)環(huán)境影響退役太陽能電池的回收和再利用是建立循環(huán)經(jīng)濟的關(guān)鍵。一些太陽能電池材料含有毒性，如鉛、鎘等，生產(chǎn)時需注意環(huán)保，研發(fā)無毒或低毒材料。系統(tǒng)集成與電網(wǎng)兼容性隨著太陽能發(fā)電比例增加，如何將其有效集成到現(xiàn)有電網(wǎng)中，提高電網(wǎng)對可再生能源的兼容性，是技術(shù)挑戰(zhàn)。需研發(fā)智能電網(wǎng)技術(shù)和儲能系統(tǒng)以解決間歇性和波動性問題。太陽能電池技術(shù)的挑戰(zhàn)我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程Part.04我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04技術(shù)引進1958年，我國研制出首塊硅單晶，光伏技術(shù)最初集中在空間領(lǐng)域。1975年，太陽能電池廠落地，光伏技術(shù)開始應(yīng)用于地面。1983-1987年，我國引進太陽能電池生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力逐步提升。起步階段04市場化初期政策與技術(shù)發(fā)展1992年，我國提出因地制宜開發(fā)和推廣太陽能，光伏發(fā)電主要用于通信系統(tǒng)和邊遠無電地區(qū)。當(dāng)時我國單晶硅電池效率達12%-13%，多晶硅電池為9%-10%，非晶硅電池在5%-6%。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04產(chǎn)業(yè)化發(fā)展光伏新能源企業(yè)崛起2001年，施正榮成立無錫尚德公司，建立太陽能電池生產(chǎn)線，標志著中國光伏產(chǎn)業(yè)向大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。此后，我國第一批光伏企業(yè)紛紛建立生產(chǎn)線，生產(chǎn)力持續(xù)增長。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04技術(shù)突破與成本下降技術(shù)與政策支持2004年，我國自主研發(fā)的多晶硅還原爐技術(shù)取得突破。2005年，《中華人民共和國可再生能源法》通過，為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。2007年，我國成為太陽能電池產(chǎn)量最大的國家。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04國際競爭與“雙反”挑戰(zhàn)應(yīng)對挑戰(zhàn)2011年，美國和歐盟對中國光伏產(chǎn)品發(fā)起“雙反”調(diào)查，中國光伏企業(yè)面臨出口挑戰(zhàn)。國家加大對光伏產(chǎn)業(yè)扶持，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，鼓勵技術(shù)創(chuàng)新和升級，推出政策支持國內(nèi)市場發(fā)展。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04國內(nèi)市場擴張政策推動2013年，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》，推動分布式光伏發(fā)電市場和光伏電站建設(shè)。我國光伏終端應(yīng)用市場井噴，新增光伏裝機量躍居世界第一。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04技術(shù)創(chuàng)新突破封鎖技術(shù)領(lǐng)先2015年，我國掌握萬噸級改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝，單晶及多晶電池產(chǎn)業(yè)化效率處于全球領(lǐng)先水平。我國在光伏產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)具備成套供應(yīng)能力，部分產(chǎn)品出口。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04平價上網(wǎng)與智能光伏新發(fā)展階段2018年，我國光伏發(fā)電財政補貼退坡，進入平價上網(wǎng)時代。我國在產(chǎn)能、產(chǎn)量、技術(shù)、裝機規(guī)模等方面成為世界領(lǐng)跑者，智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃推動光伏與信息技術(shù)深度融合。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04全球領(lǐng)先與持續(xù)發(fā)展穩(wěn)居領(lǐng)先地位自2013年以來，我國光伏市場新增裝機容量位居全球首位，累計裝機容量穩(wěn)居第一。我國在光伏制造四大核心環(huán)節(jié)產(chǎn)量均位居全球第一，技術(shù)創(chuàng)新不斷取得新進展。2024年，全球光伏企業(yè)20強排行榜，中國占18席，且包攬前十二（20強榜單中，除韓國HanwhaQCELLS第13；美國FIRSTSOLAR第19外，其余全為中國企業(yè)）。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04碳中和目標下的新轉(zhuǎn)變新目標與應(yīng)用面對“雙碳”目標，光伏產(chǎn)業(yè)被賦予更大責(zé)任。我國通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)成本下降，基本實現(xiàn)平價上網(wǎng)?！肮夥?”應(yīng)用模式推動各領(lǐng)域節(jié)能低碳轉(zhuǎn)變，提升百姓生活幸福指數(shù)。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程04中國太陽能電池技術(shù)的發(fā)展歷程是一段由弱到強、由國內(nèi)市場到全球領(lǐng)先、由技術(shù)引進到自主創(chuàng)新的崛起之路。其中，科技創(chuàng)新是推動我國太陽能電池技術(shù)發(fā)展的核心力量。相信，在我國的引領(lǐng)下，光伏在不遠的將來會占據(jù)世界能源消費的重要席位，成為世界能源供應(yīng)的主體。光伏也將推動著世界能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，承載著人們對清潔能源的追求與憧憬，使人與自然和諧共生，為我們創(chuàng)造出可持續(xù)的美好生活。我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程匯報人：XXX懇請批評指正！主講：第2章第二章

太陽電池材料的半導(dǎo)體性能CONTENTS目錄半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)PART01能帶PART02半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷PART03半導(dǎo)體載流子的分布PART04p-n結(jié)PART05PART06半導(dǎo)體的性能參數(shù)及表面特性PART07PART08p-i-n結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽電池物理特性學(xué)習(xí)目標：（1）熟悉半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)。（2）掌握半導(dǎo)體能帶理論。（3）掌握半導(dǎo)體中雜質(zhì)與缺陷的性能。（4）掌握半導(dǎo)體載流子的分布。（5）掌握pn結(jié)、pin結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的性能。（6）掌握半導(dǎo)體的性能參數(shù)及表面特性。（7）掌握太陽電池的物理特性。學(xué)習(xí)重點：（1）掌握半導(dǎo)體能帶理論。（2）半導(dǎo)體中雜質(zhì)與缺陷的性能。（3）半導(dǎo)體載流子的分布。（4）pn結(jié)、pin結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的性能。（5）半導(dǎo)體的性能參數(shù)及表面特性。（6）掌握太陽電池的物理特性。學(xué)習(xí)難點：（1）半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)。（2）半導(dǎo)體能帶理論。（3）半導(dǎo)體載流子的分布。（4）pn結(jié)、pin結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的性能。（5）太陽電池的物理特性。半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)Part.01半導(dǎo)體材料00半導(dǎo)體材料是一類導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的固體材料，其電學(xué)性能容易受到溫度、光照、磁場和雜質(zhì)濃度等的影響。自然界中存在的固體材料有晶體和非晶體之分，半導(dǎo)體材料大都是晶體。在理想情況下，晶體是由大量原子作有規(guī)則地周期性重復(fù)排列構(gòu)成的。波函數(shù)01三維情況下勢場中粒子含時的一般薛定諤方程：當(dāng)勢能與時間無關(guān)時，解薛定諤方程可以采用分離變量法，將薛定諤方程寫成與坐標有關(guān)（與時間無關(guān)）和與時間有關(guān)兩部分的乘積于是薛定諤方程與時間無關(guān)的項可寫成這就是與時間無關(guān)的定態(tài)薛定諤方程。一般情況下我們只考慮定態(tài)薛定諤方程，此時微觀系統(tǒng)的能量為，波函數(shù)為定態(tài)波函數(shù)，粒子在某一地點出現(xiàn)的概率為。在討論周期性勢場中電子的波函數(shù)時采用的就是定態(tài)波函數(shù)。電子共有化運動02晶體中的電子是在嚴格周期性重復(fù)排列的原子間運動，單電子近似認為，晶體中某一個電子是在原子核勢場和其他大量電子的平均勢場中運動。圖2-3(a)顯示了單個原子周圍的勢函數(shù)，圖2-3(b)顯示了緊密排列在一維陣列中的多個原子的勢函數(shù)。由于相鄰原子的波函數(shù)相互交疊，最終形成了如圖2-3(c)所示的周期性勢場，這種周期性勢場導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的形成。電子可以在原子的勢場中運動，也可以通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)穿透勢壘到達其他原子的勢場中運動，通常把前者稱為局域化運動，而把后者稱為共有化運動。圖2-3(a)獨立的單原子勢函數(shù)(b)近距原子交疊的勢函數(shù)(c)一維單晶的最終勢函數(shù)能帶Part.02能帶的概念01半導(dǎo)體物理是建立在能帶理論基礎(chǔ)之上。半導(dǎo)體晶體是由大量原子周期性重復(fù)排列而成的，而每個原子又包含原子核和電子。在描述半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和運動規(guī)律時，可以假設(shè)每個電子都是在周期性排列且固定不動的原子核勢場及其他電子的平均勢場中運動，這就是單電子近似法。圖2-4（a）E（k）和k關(guān)系曲線,（b）能帶,（c）簡約的布里淵區(qū)用單電子近似法研究晶體中的電子狀態(tài)的理論稱為能帶理論。晶體中電子處在不同的波矢狀態(tài)k，對應(yīng)不同的能量E（K），E（K）和k的關(guān)系曲線，即通常所說的能帶圖，如圖2-4。能帶的概念01圖2-5（a）顯示的是半導(dǎo)體材料在一定溫度下的能帶圖。通常在能量低的能帶中都填滿了電子，這樣的能帶稱為價帶；而能量高的能帶往往是全空或半空的，電子沒有填滿，將此能帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶和價帶之間就是不存在電子量子態(tài)的禁帶。從圖中可以看出，電子可以在各自的能帶中運動，也可以在相鄰能帶間躍遷，但不能在能帶之間的禁帶中運動。通常只需取導(dǎo)帶底（EC）和價帶頂（EV）組成能帶圖，如圖2-5（b）所示。圖2-5（a）一定溫度下半導(dǎo)體的能帶

（b）半導(dǎo)體能帶簡化示意圖有效質(zhì)量02利用量子力學(xué)原理求解晶體中電子的薛定諤方程就能了解電子的運動狀態(tài)，不過很多時候把電子當(dāng)成經(jīng)典粒子用經(jīng)典力學(xué)來分析會更加方便，這就需要一座橋梁將量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)兩種分析方法聯(lián)系起來，這座橋梁就是電子的有效質(zhì)量。半導(dǎo)體中的電子在周期性勢場中運動，根據(jù)量子力學(xué)概念，電子的運動可以看作是波包的運動，電子運動的平均速度可以用波包的群速表示，即此式與牛頓第二運動定律類似，其中

為電子的準動量。而電子的加速度

若令

則

；

為電子有效質(zhì)量有效質(zhì)量02在能帶底部附近

，電子有正的有效質(zhì)量；在能帶頂部附近

，電子有負的有效質(zhì)量，負的有效質(zhì)量意味著電子在外力作用下會朝與力相反的方向加速。周期性勢場中電子在外力作用下運動時，描述電子的運動規(guī)律時所使用的是電子的有效質(zhì)量

，這是因為半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力

的作用，同時還要受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子和其他電子的平均勢場的作用，電子運動的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢場和外力同時作用的綜合結(jié)果。表Si、Ge、GaAs的載流子有效質(zhì)量、有效狀態(tài)和禁帶寬度（300K）導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03固體按導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，其機理可通過電子填充能帶的情況來說明。從能帶論來看，電子的能量變化是指電子從一個能級躍遷到另一個能級。在滿帶中，能級已被電子占滿，因此在外電場作用下，滿帶中的電子不會形成電流，對導(dǎo)電沒有貢獻。通常，內(nèi)層電子占據(jù)滿帶中的能級，因而不貢獻導(dǎo)電性。對于部分占滿的能帶，在外電場作用下，電子可從外電場中吸收能量并躍遷到未被占據(jù)的能級，形成電流，這種能帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03固體按導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，其機理可通過電子填充能帶的情況來說明。如圖2-7所示，金屬的價電子占據(jù)的能帶是部分占滿，因此金屬是良好的導(dǎo)體。絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)類似，下面是被價電子占滿的滿帶（其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶未畫出），也稱價帶，中間為禁帶，上面是空帶。圖2-7導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶

圖2-8一定溫度下半導(dǎo)體的能帶導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03圖2-7所示，金屬的價電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，因此金屬是良好的導(dǎo)體。絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)類似，下面是被價電子占滿的滿帶（其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶未畫出），也稱價帶，中間為禁帶，上面是空帶。在絕對零度（T=0K）時，絕緣體和半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)半導(dǎo)體溫度升高（T>0K）時，價帶中的電子有幾率被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成自由電子和空穴，參與導(dǎo)電。這是半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體的主要區(qū)別之一。絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大能量，因此在常溫下導(dǎo)電性很差。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，數(shù)量級在1eV左右，在常溫下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，具有一定的導(dǎo)電能力。這是絕緣體和半導(dǎo)體的主要區(qū)別。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03室溫下，金剛石的禁帶寬度為6~7eV，屬于絕緣體；硅為1.12eV，鍺為0.67eV，砷化鎵為1.43eV，硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。圖2-9能帶結(jié)構(gòu)（a）砷化鎵

（b）硅的能量來滿足能量守恒，導(dǎo)帶底和價帶頂處動量相等，躍遷前后動量不變，滿足動量守恒定律。這樣的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。在導(dǎo)帶底部和價帶頂部之間存在一個禁帶，寬度記為Eg。對砷化鎵而言，價帶頂和導(dǎo)帶底都出現(xiàn)在k=0處，此處動量p=0。對硅而言，價帶頂也出現(xiàn)在k=0處，但導(dǎo)帶底沒有出現(xiàn)在k=0處，而是在[100]方向上，動量p≠0。砷化鎵中的電子從價帶頂躍遷到導(dǎo)帶底時至少需要等于禁帶寬度Eg的能量來滿足能量守恒，導(dǎo)帶底和價帶頂處動量相等，躍遷前后動量不變，滿足動量守恒定律。這樣的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03室溫下，金剛石的禁帶寬度為6~7eV，屬于絕緣體；硅為1.12eV，鍺為0.67eV，砷化鎵為1.43eV，硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。圖2-9能帶結(jié)構(gòu)（a）砷化鎵

（b）硅的能量來滿足能量守恒，導(dǎo)帶底和價帶頂處動量相等，躍遷前后動量不變，滿足動量守恒定律。這樣的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。在導(dǎo)帶底部和價帶頂部之間存在一個禁帶，寬度記為Eg。硅中的電子在能帶間躍遷也至少需要等于禁帶寬度的能量，但導(dǎo)帶底處動量與價帶頂處動量相差較大，躍遷前后動量會變化，不滿足動量守恒定律。該類型半導(dǎo)體電子躍遷時，電子會與晶格相互作用，也就是聲子會參與躍遷以保持動量守恒。這樣的半導(dǎo)體稱為間接帶隙半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的禁帶寬度是隨溫度變化的，隨著溫度的升高，Eg的變化規(guī)律為式中

和

分別表示溫度為T和0k時的禁帶寬度。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶03的能量來滿足能量守恒，導(dǎo)帶底和價帶頂處動量相等，躍遷前后動量不變，滿足動量守恒定律。這樣的半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。硅的物理及化學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷Part.03本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體01半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷是半導(dǎo)體材料科學(xué)中不可或缺的重要概念，它們對半導(dǎo)體的物理和化學(xué)性質(zhì)具有決定性的影響，并在半導(dǎo)體器件的制造和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。因此，在半導(dǎo)體材料的制備和加工過程中，需要嚴格控制雜質(zhì)和缺陷的引入和分布，以確保半導(dǎo)體器件的性能和可靠性。鍺或硅材料等半導(dǎo)體材料提純后形成的完全純凈、具有理想晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力在不同條件下有很大差別。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體01在半導(dǎo)體中，價電子（原子的最外層電子）不像在絕緣體（8價元素）中那樣被緊密束縛。當(dāng)獲得足夠能量（例如溫度升高或受光照等）時，價電子能夠擺脫原子核的束縛，成為自由電子，此時共價鍵中留下的空位稱為空穴。在外電場作用下，半導(dǎo)體中將形成兩部分電流：一是自由電子定向運動形成的電子電流，一是由仍被原子核束縛的價電子遞補空穴形成的空穴電流。因此，半導(dǎo)體中同時存在自由電子和空穴這兩種載流子，這是半導(dǎo)體與金屬在導(dǎo)電機理上的本質(zhì)區(qū)別。在本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，并不斷復(fù)合，在一定溫度下達到動態(tài)平衡，維持一定的載流子數(shù)目。溫度愈高，載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電性能也越好。因此，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響非常顯著。在半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)后，載流子濃度會顯著增加，從而使導(dǎo)電能力提升數(shù)十萬倍甚至幾百萬倍。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體01在本征半導(dǎo)體中引入一定量的雜質(zhì)后，可能會出現(xiàn)一種載流子的濃度大于另一種，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。以硅（Si）為例，在本征半導(dǎo)體中摻入5價磷原子時，磷原子電離會向半導(dǎo)體提供電子，從而導(dǎo)致電子濃度高于空穴濃度，這種半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，此時電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）。反之，當(dāng)在本征半導(dǎo)體中摻入3價硼原子時，硼原子電離會接受電子，相當(dāng)于提供了空穴，從而使空穴濃度高于電子濃度，稱之為p型半導(dǎo)體，此時空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。相應(yīng)地，這些雜質(zhì)分別稱為n型摻雜劑（施主雜質(zhì)）和p型摻雜劑（受主雜質(zhì)）。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級02在理想半導(dǎo)體中，原子按嚴格的周期性排列，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。晶體中無雜質(zhì)和缺陷。電子在周期場中作共有化運動，形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。這種本征半導(dǎo)體具有完美的晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。1.缺陷晶體在生長過程中有缺陷產(chǎn)生或雜質(zhì)引入，都會對晶體的周期場產(chǎn)生擾動。凡是晶體周期場被破壞的位置都稱為缺陷，實際材料中的缺陷是不可避免的。缺陷分為本征缺陷和雜質(zhì)缺陷兩種。本征缺陷是在半導(dǎo)體材料制備過程中無意引入的，導(dǎo)致半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不完整，可能存在多種形式的缺陷，如點缺陷，線缺陷和面缺陷等。雜質(zhì)缺陷則是由于材料純度不夠，雜質(zhì)原子替代了基質(zhì)原子。雜質(zhì)缺陷一類是由于制備工藝限制導(dǎo)致的有害雜質(zhì)；另一類是為了實現(xiàn)特定的電學(xué)性質(zhì)而故意摻入的雜質(zhì)，通常以替位的形式存在，即雜質(zhì)原子替代了基質(zhì)原子。雜質(zhì)和缺陷可以在禁帶中引入能級，從而對半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的作用。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級022.雜質(zhì)能級根據(jù)電離能的大小及其在能帶中的位置，雜質(zhì)能級可分為淺能級和深能級。電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)，如圖（a）所示。所謂淺能級，是指施主能級靠近導(dǎo)帶底，受主能級靠近價帶頂。室溫下，摻雜濃度不高的情況下，淺能級雜質(zhì)幾乎可以全部電離。五價元素磷（P）與銻（Sb）在硅、鍺中是淺施主雜質(zhì)，被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量處于禁帶中，且靠近導(dǎo)帶底Ec，稱為施主能級，此時施主雜質(zhì)能級上的電子躍遷到導(dǎo)帶中，在導(dǎo)帶形成大量電子。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級022.雜質(zhì)能級同理，三價元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅與鍺中為淺受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)接受的電子躍遷到雜質(zhì)能級，此雜質(zhì)能級距價帶頂很近，受主雜質(zhì)接受價帶的電子躍遷到雜質(zhì)能級，在價帶形成大量空穴。以硅晶體中摻入磷原子為例，磷原子有5個價電子，其中4個與硅原子形成共價鍵外，剩余的1個價電子則極松弛地結(jié)合于磷原子。只需少許能量，該價電子即可釋放，形成自由電子，磷原子則轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姷氖┲麟x子。此過程稱為雜質(zhì)電離。這個多余的價電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量，稱為雜質(zhì)電離能。施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級022.雜質(zhì)能級同理，三價元素硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）在硅與鍺中為淺受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)接受的電子躍遷到雜質(zhì)能級，此雜質(zhì)能級距價帶頂很近，受主雜質(zhì)接受價帶的電子躍遷到雜質(zhì)能級，在價帶形成大量空穴。又例如，把Ⅲ族元素B作為雜質(zhì)摻入硅晶體時，由于形成完整的共價鍵上缺少一個電子，它會從相鄰的硅原子中奪取一個價電子來形成完整的共價鍵。被奪走的電子留下一個空的位置，成為空穴。結(jié)果，雜質(zhì)原子轉(zhuǎn)變?yōu)?價負離子，同時提供了束縛較松的空穴。這種結(jié)合用很小的能量就可以破壞，而形成自由空穴，使半導(dǎo)體成為空穴過剩的p型半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級022.雜質(zhì)能級如果雜質(zhì)能級位于禁帶中心附近，如圖（b）所示，則電離能較大，在室溫下，這種雜質(zhì)一般不易電離，因此對半導(dǎo)體材料的載流子沒有貢獻，但它們可以作為電子或空穴的復(fù)合中心或陷阱中心，影響非平衡少數(shù)載流子的壽命。這類雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)，其能級也稱為深能級。深能級雜質(zhì)可以多次電離，在禁帶中引入多個能級，既可以是施主能級，也可以是受主能級，甚至可以同時引入這兩種能級。深能級雜質(zhì)起到復(fù)合中心作用時，能降低少數(shù)載流子的壽命。電離后的深能級雜質(zhì)成為帶電中心，對載流子產(chǎn)生散射作用，導(dǎo)致遷移率降低，進而使導(dǎo)電性能下降。對硅太陽電池而言，這些深能級雜質(zhì)是有害的，會直接影響太陽能光電轉(zhuǎn)換效率。硅晶體中的雜質(zhì)能級半導(dǎo)體載流子的分布Part.04半導(dǎo)體中載流子的分布00在一定溫度下，如果沒有其他外界作用，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴主要依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生。電子通過不斷熱振動從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài)，例如，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā))，形成導(dǎo)帶電子和價帶空穴。此外，電子和空穴還可以通過雜質(zhì)電離方式產(chǎn)生：當(dāng)電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶時，產(chǎn)生導(dǎo)帶電子；而當(dāng)電子從價帶激發(fā)到受主能級時，產(chǎn)生價帶空穴等。同時，還存在著相反的過程，即電子可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并釋放出一定能量，從而使導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴不斷減少，這一過程稱為載流子的復(fù)合。在一定溫度下，這兩個相反的過程之間將建立起動態(tài)平衡，稱為熱平衡狀態(tài)。這時，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度保持穩(wěn)定的數(shù)值，這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子。當(dāng)溫度改變時，原來的平衡狀態(tài)被破壞，進而重新建立起新的平衡狀態(tài)，熱平衡載流子濃度也將隨之發(fā)生變化，達到另一穩(wěn)定數(shù)值。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨溫度的變化而顯著變化。實際上，這種變化主要是由于半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度而變化所造成的。狀態(tài)密度01狀態(tài)密度是指在能帶中某一能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)，狀態(tài)密度與能量的關(guān)系如圖所示。由于N是一個十分大的數(shù)值，且能級之間距離非常近，因此可以將每個能帶中的能級視為幾乎連續(xù)。假設(shè)在能帶中能量

之間無限小的能量間隔內(nèi)有一個量子態(tài)，則狀態(tài)密度

可以表示為導(dǎo)帶底附近電子的狀態(tài)密度為

式中V為晶體體積，mn*為導(dǎo)帶底電子的有效質(zhì)量。

狀態(tài)密度01狀態(tài)密度是指在能帶中某一能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)，狀態(tài)密度與能量的關(guān)系如圖所示。由于N是一個十分大的數(shù)值，且能級之間距離非常近，因此可以將每個能帶中的能級視為幾乎連續(xù)。假設(shè)在能帶中能量

之間無限小的能量間隔內(nèi)有一個量子態(tài)，則狀態(tài)密度

可以表示為價帶頂附近空穴的狀態(tài)密度為

式中mp*為價帶頂空穴有效質(zhì)量

費米分布函數(shù)和費米能級02在熱平衡狀態(tài)下，電子在不同能量的量子態(tài)上具有一定的統(tǒng)計分布概率；

電子的分布遵循費米統(tǒng)計規(guī)律。

對于能量為E的量子態(tài)f（E）被電子占據(jù)的概率為

式中，k0是玻爾茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，EF是費米能級或費米能量，費米能級是一個待定的參數(shù)，具有能量的量綱。

f（E）是電子的費米分布函數(shù)，它描述了熱平衡狀態(tài)下電子在能量為E的量子態(tài)上的分布規(guī)律，也可以用來表示被電子填充的量子態(tài)占總量子態(tài)的比率。在絕對零度時，若

，則f（E）=1；若

，則f（E）=0;表明能量比小的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為100％，因而這些量子態(tài)上都是有電子的；而能量比大的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為0，因而這些量子態(tài)上沒有電子，是空的。因此，費米能級可看成是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。費米分布函數(shù)和費米能級02當(dāng)T>0K時，若

，則

；若

，則

；若

，則當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，能量比EF小的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率大于50％且隨溫度的升高逐漸減少；能量比EF大的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率小于50％且隨溫度的升高逐漸增大。

費米能級的位置比較直觀地反映了電子占據(jù)量子態(tài)的情況，費米能級位置較高，說明能量較高的量子態(tài)上有較多的電子占據(jù)，因此可以說，費米能級是電子填充能級水平高低的標志。不同溫度下的費米分布函數(shù)與能量的關(guān)系f（E）表示能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率，因而1-f（E）就是能量為E的量子態(tài)未被電子占據(jù)的概率，在價帶中也就是量子態(tài)被空穴占據(jù)的概率。導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度03在計算半導(dǎo)體中載流子濃度時，假定能帶中的能級是連續(xù)分布的，將能帶劃分為一個個很小的能量區(qū)間來處理。

1.導(dǎo)帶中的電子濃度對于導(dǎo)帶，可以將其分為無限多且無限小的能量區(qū)間，則在E-（E+dE)能量之間有則在E-（E+dE)能量之間的電子數(shù)dN為：單位體積晶體中的電子數(shù)為導(dǎo)帶電子濃度n0為2.價帶中的空穴濃度同理可得熱平衡下價帶空穴濃度p0為本征半導(dǎo)體載流子的濃度04本征半導(dǎo)體是指完全沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體，本征半導(dǎo)體的禁帶中沒有任何雜質(zhì)或缺陷能級。在熱力學(xué)溫度零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，導(dǎo)帶中的量子態(tài)則完全是空的。當(dāng)半導(dǎo)體的溫度升高時，就有電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去，這就是所謂的本征激發(fā)。本征激發(fā)過程中，每激發(fā)一個電子到導(dǎo)帶中去，就有一個空穴在價帶中形成，電子和空穴是成對產(chǎn)生的，于是熱平衡狀態(tài)下導(dǎo)帶電子的濃度必然等于價帶空穴的濃度，即n0=p0本征半導(dǎo)體在熱平衡下的（a）能帶圖，（b）態(tài)密度，（c）費米分布，（d）載流子濃度示意圖本征半導(dǎo)體載流子的濃度04在本征半導(dǎo)體滿足玻爾茲曼近似的情況下，電子和空穴帶有等量異號電荷，可以求出本征半導(dǎo)體的費米能級Ei將Nc、Nv代入，

可得Ei式中第2項一般比第1項小得多，一般可以認為本征半導(dǎo)體的費米能級基本上處于禁帶的中央。把本征費米能級代入，可得本征載流子濃度可以看出，本征載流子濃度只與半導(dǎo)體自身的禁帶寬度和溫度有關(guān)；本征載流子濃度隨溫度的上升而迅速增加；不同的半導(dǎo)體材料，在溫度一定時，禁帶寬度越大，本征載流子濃度就越小。本征半導(dǎo)體載流子的濃度04實驗測量Ge、Si、GaAs的ni濃度質(zhì)量作用定律，在熱平衡狀態(tài)下此式對于本征半導(dǎo)體和非簡并的雜質(zhì)半導(dǎo)體（非本征半導(dǎo)體）都適用。在非本征半導(dǎo)體中，溫度不變時，不管是電子占主導(dǎo)還是空穴占主導(dǎo)，兩種載流子的乘積將保持定值。利用ni和Ei，也可以把電子和空穴濃度寫成如下形式：可以看到，當(dāng)加入施主或受主雜質(zhì)時，費米能級會偏離本征費米能級，n0和p0也偏離了本征載流子濃度ni。雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度05實際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，為了控制電學(xué)性能，需要在本征半導(dǎo)體中摻入一定量的雜質(zhì)，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體或非本征半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體中既有電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶的本征激發(fā)過程，也有電子從價帶躍遷到受主能級或從施主能級躍遷到導(dǎo)帶的雜質(zhì)電離過程。在較低的溫度下，首先發(fā)生的是雜質(zhì)的電離；隨著溫度的升高，雜質(zhì)的電離不斷加強，載流子濃度不斷增大，當(dāng)達到一定的濃度時，雜質(zhì)達到飽和電離，此溫度區(qū)域稱為雜質(zhì)電離區(qū)；此時本征激發(fā)非常弱，不影響總的載流子濃度。當(dāng)溫度在室溫附近進一步上升，本征激發(fā)依然很弱，載流子濃度主要由雜質(zhì)濃度決定，基本上在一段長的溫度范圍內(nèi)保持恒定，稱為非本征區(qū)。當(dāng)溫度進一步上升，達到某一個值時，本征載流子濃度可與施主濃度相比擬甚至超過施主濃度，半導(dǎo)體的載流子濃度由電離雜質(zhì)濃度和本征載流子濃度共同決定或由本征激發(fā)單獨決定，此溫度區(qū)間為本征區(qū)。雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度05絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是工作在雜質(zhì)飽和電離而本征激發(fā)可以忽略的非本征區(qū)，此時載流子濃度主要由電離雜質(zhì)濃度決定。1.n型半導(dǎo)體在室溫下，施主雜質(zhì)基本上飽和電離。在完全電離的情形下，多數(shù)情況下，導(dǎo)帶電子濃度就等于施主雜質(zhì)濃度，即

（ND為施主雜質(zhì)濃度）

n型硅電子濃度與溫度的關(guān)系曲線雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度05右圖顯示了n型半導(dǎo)體飽和電離的情形，導(dǎo)帶中的電子和施主離子二者濃度非常接近。本征激發(fā)提供的電子相對于雜質(zhì)電離提供的電子來說可以忽略，不過還是在價帶中形成了一定數(shù)量的空穴，其濃度為n型半導(dǎo)體在飽和電離情形下的費米能級n型半導(dǎo)體的能帶由此可見，n型半導(dǎo)體中隨著施主雜質(zhì)濃度的增加，費米能級向?qū)б苿樱浑S著溫度的升高，費米能級逐漸偏離導(dǎo)帶底，靠近本征費米能級Ei。雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度052.p型半導(dǎo)體在室溫下，受主雜質(zhì)也基本上飽和電離。在完全電離的情形下，多數(shù)情況下，價帶空穴濃度就等于受主雜質(zhì)濃度，即

（NA為受主雜質(zhì)濃度）右圖顯示了p型半導(dǎo)體飽和電離的情形：p型半導(dǎo)體的能帶價帶中的空穴和受主離子二者濃度非常接近。本征激發(fā)提供的空穴相對于雜質(zhì)電離提供的空穴來說可以忽略，不過在導(dǎo)帶中還是形成了一定數(shù)量的電子，其濃度為p型半導(dǎo)體在飽和電離情形下的費米能級由此可見，p型半導(dǎo)體中隨著受主雜質(zhì)濃度的增加，費米能級向價帶移動；隨著溫度的升高，費米能級逐漸偏離價帶底，靠近本征費米能級Ei。雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度053.雜志補償半導(dǎo)體同時含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時，施主雜質(zhì)能級上的電子首先要躍遷到能量低得多的受主雜質(zhì)能級上去，產(chǎn)生雜質(zhì)補償，其結(jié)果是施主向?qū)峁╇娮拥哪芰褪苤飨騼r帶提供空穴的能力因相互抵消而減弱，如圖所示。這種現(xiàn)象稱為雜質(zhì)補償。存在雜質(zhì)補償?shù)陌雽?dǎo)體中，即使在極低的溫度下，濃度小的雜質(zhì)也全部都是電離的。雜質(zhì)的補償作用在ND＞NA的半導(dǎo)體中，全部受主都是電離的。在雜質(zhì)電離的溫度范圍內(nèi)，施主能級上和導(dǎo)帶中的電子數(shù)是ND-NA，這種半導(dǎo)體與只含一種施主雜質(zhì)且雜質(zhì)濃度為ND-NA的半導(dǎo)體類似。因此，在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶中電子濃度為價帶中空穴濃度為雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的濃度053.雜志補償在ND＞NA的半導(dǎo)體中，全部受主都是電離的。在雜質(zhì)電離的溫度范圍內(nèi)，施主能級上和導(dǎo)帶中的電子數(shù)是ND-NA，這種半導(dǎo)體與只含一種施主雜質(zhì)且雜質(zhì)濃度為ND-NA的半導(dǎo)體類似。相應(yīng)的費米能級為同樣：在ND＜NA的半導(dǎo)體中相應(yīng)的費米能級為在特定條件下，如果ND=NA，若施主上的所有電子恰好能夠引發(fā)受主的電離，那么半導(dǎo)體中的載流子生成將完全依賴于本征激發(fā)過程。這樣的半導(dǎo)體特性被稱為完全補償?shù)陌雽?dǎo)體。簡并半導(dǎo)體載流子的濃度06非簡并半導(dǎo)體中費米能級是處于禁帶中的，對于高摻雜的n型半導(dǎo)體，費米能級能夠進入導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底附近的量子態(tài)基本上已經(jīng)被電子所占據(jù)；對于高摻雜的p型半導(dǎo)體，費米能級能夠進入價帶，價帶頂附近的量子態(tài)基本上已經(jīng)被空穴所占據(jù)。（a）n型簡并半導(dǎo)體能帶

（b）p型簡并半導(dǎo)體能帶此時導(dǎo)帶或價帶中的載流子很多，必須考慮泡利不相容原理的作用，必須要用費米分布函數(shù)來分析導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴的統(tǒng)計分布問題。這種情況稱為載流子發(fā)生了簡并化，發(fā)生載流子簡并化的半導(dǎo)體稱為簡并半導(dǎo)體。能帶如圖所示：n型簡并半導(dǎo)體有ITO、FTO之類的材料，是異質(zhì)結(jié)HJT電池主要應(yīng)用材料。簡并半導(dǎo)體載流子的濃度06熱平衡狀態(tài)下簡并半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子濃度為其中積分同樣也可以求處熱平衡狀態(tài)下簡并半導(dǎo)體價帶空穴濃度為關(guān)于高摻雜的另一個重要問題是禁帶變窄效應(yīng)，即高摻雜濃度造成半導(dǎo)體禁帶寬度變小。室溫下，硅的禁帶寬度減小量為其中摻雜的單位為cm-3非簡并半導(dǎo)體載流子的濃度07非簡并半導(dǎo)體載流子的濃度是多種因素共同作用的結(jié)果。在實際應(yīng)用中，通過控制摻雜濃度、溫度和能帶結(jié)構(gòu)等參數(shù)，可以實現(xiàn)對非簡并半導(dǎo)體載流子濃度的有效調(diào)控。在非簡并半導(dǎo)體中，載流子（電子和空穴）的濃度相對較低，使得它們主要占據(jù)導(dǎo)帶底和價帶頂附近的能級，即：?1此時這些載流子遵從經(jīng)典的玻爾茲曼統(tǒng)計分布，我們把電子系統(tǒng)近似后服從玻爾茲曼分布函數(shù)的半導(dǎo)體稱為非簡并半導(dǎo)體。

非簡并半導(dǎo)體載流子的濃度07將玻爾茲曼分布函數(shù)代入，可得：利用變量代換來簡化求解積分，設(shè)

可得：

定義Nc稱其為導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度：所以熱平衡狀態(tài)下非簡并半導(dǎo)體的導(dǎo)帶電子n0為

非簡并半導(dǎo)體載流子的濃度07同理可求得熱平衡狀態(tài)下非簡并半導(dǎo)體的價帶空穴p0為：其中Nv為價帶有效狀態(tài)密度載流子濃度的乘積將Nc、Nv代入可得：可見，對一定的半導(dǎo)體材料，在給定溫度下，電子和空穴濃度的乘積是一個不依賴于雜質(zhì)濃度的常數(shù)，因此引入少量適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)而使n0增大，那么必然會使p0減少。這個結(jié)果在實踐中的應(yīng)用是通過雜質(zhì)補償作用來控制載流子濃度。

p-n結(jié)Part.05p-n結(jié)00圖為單晶硅p-n結(jié)太陽電池基本結(jié)構(gòu)，在p型基質(zhì)材料上通過n型雜質(zhì)擴散而形成p-n結(jié)。一般把受光面稱為表面層，而把p-n結(jié)下面的區(qū)域稱為基區(qū)或基層。當(dāng)然也可以在n型基質(zhì)材料上通過p型雜質(zhì)擴散而形成p-n結(jié)。表面層的電極在考慮盡量減小接觸電阻的同時，又要考慮盡量不要對光進行遮擋，通常就把電極做成金屬柵線。背面電極一般做成大面積的金屬接觸，可有效減少串聯(lián)電阻?？紤]到光從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)的全反射問題，將受光面做成絨面結(jié)構(gòu)，或者涂覆一層增透膜或減反射膜，也有兩種方式都采用的情形。空間電荷區(qū)與接觸電勢差01均勻摻雜的n型和p型半導(dǎo)體結(jié)合成突變結(jié)的情況，單獨存在的n型和p型半導(dǎo)體是電中性的。起初兩邊載流子濃度是不同的，存在濃度梯度，n區(qū)的多子電子向p區(qū)擴散，p區(qū)的多子空穴向n區(qū)擴散，其結(jié)果是在n區(qū)留下了不可移動的帶正電的電離施主，在p區(qū)留下了不可移動的帶負電的電離受主，形成一個電荷存在的區(qū)域，稱為空間電荷區(qū)。電離施主和電離受主所帶的電荷稱為空間電荷。空間電荷區(qū)中的空間電荷產(chǎn)生了從正電荷到負電荷，即從n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場。p-n結(jié)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)與接觸電勢差01在內(nèi)建電場的作用下，載流子作漂移運動。載流子擴散的趨勢和漂移的趨勢是相反的。隨著擴散的進行，空間電荷數(shù)量會增多，空間電荷區(qū)擴展，內(nèi)建電場增大，載流子漂移趨勢增強。若半導(dǎo)體沒有受到外界作用，載流子擴散的趨勢和漂移的趨勢最終會相互抵消，空間電荷的數(shù)量一定，空間電荷區(qū)保持一定的寬度，其中存在一定的內(nèi)建電場。一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)。空間電荷區(qū)兩端由于不帶電荷而稱為中性區(qū)。與中性區(qū)中的載流子濃度相比，空間電荷區(qū)內(nèi)幾乎不存在可以移動的電荷，所以空間電荷區(qū)又稱為耗盡區(qū)。p-n結(jié)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)與接觸電勢差01在p-n結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲（p-n結(jié)形成前后的能帶結(jié)構(gòu)示意圖如下圖），這是空間電荷區(qū)中電勢能變化的結(jié)果。因能帶彎曲，電子從勢能低的n區(qū)向勢能高的p區(qū)運動時，必須克服這一勢能“高坡”，才能到達p區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢能“高坡”，才能從p區(qū)到達n區(qū)，這一勢能“高坡”通常稱為p-n結(jié)的勢壘，故空間電荷區(qū)也稱勢壘區(qū)。平衡p-n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢差VD稱為p-n結(jié)的接觸電勢差或內(nèi)建電勢差。相應(yīng)的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為p-n結(jié)的勢壘高度。獨立的p型和n型半導(dǎo)體材料熱平衡的p-n結(jié)p-n結(jié)形成前后的能帶結(jié)構(gòu)示意圖空間電荷區(qū)與接觸電勢差01平衡p-n結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢差VD稱為p-n結(jié)的接觸電勢差或內(nèi)建電勢差。相應(yīng)的電子電勢能之差即能帶的彎曲量qVD稱為p-n結(jié)的勢壘高度。勢壘高度正好補償了n區(qū)和p區(qū)費米能級之差，使平衡p-n結(jié)的費米能級處處相等，因此對于非簡并半導(dǎo)體，費米能級的位置為由質(zhì)量作用定律

可得：上式表明，VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。在T一定下，摻雜濃度越高，接觸電勢差VD越大；禁帶寬度越大，ni越小，VD也越大，所以硅p-n結(jié)的VD比鍺p-n結(jié)的VD大。如NA=1017cm-3，ND=1015cm-3，在室溫下可以算得VD=0.7V，鍺的VD=0.32V。p-n結(jié)的電場強度02均勻摻雜及突變結(jié)近似的情況如圖所示，圖中xn以及-xp分別為n區(qū)和p區(qū)空間電荷區(qū)邊界。半導(dǎo)體內(nèi)的電場由泊松方程確定：由圖可知電荷密度ρ（x）為積分，可得E：

均勻摻雜及突變結(jié)近似p-n結(jié)的空間電荷密度其中C1為積分常數(shù)，由中性區(qū)及電場連續(xù)的假設(shè)，令（在）x=-xp處E=0，可以得到積分常數(shù)p-n結(jié)的電場強度02p區(qū)內(nèi)電場表達式為同理可得n區(qū)內(nèi)電場表達式為在空間電荷區(qū)電場隨位置變化的曲線如圖所示。可見p-n結(jié)區(qū)域電場是距離的線性函數(shù)。均勻摻雜p-n結(jié)空間電荷區(qū)的電場p-n結(jié)的電勢分布03對

積分可得：設(shè)

處V=0，可得積分常數(shù)可得p區(qū)內(nèi)電勢的表達式：同理可得n區(qū)內(nèi)電勢的表達式：同理可得n區(qū)內(nèi)電勢的表達式可求出內(nèi)建電勢差為由計算可得，均勻摻雜p-n結(jié)空間電荷區(qū)的電勢如圖所示：均勻摻雜p-n結(jié)空間電荷區(qū)的電勢空間電荷區(qū)寬度04在x=0處電場函數(shù)是連續(xù)的，將x=0代入并令它們相等可得。聯(lián)合可求得n型和p型區(qū)內(nèi)空間電荷區(qū)的寬度及總空間電荷區(qū)寬度，分別為：可見，摻雜濃度降低時耗盡區(qū)寬度增加，寬的耗盡區(qū)從而有利于載流子的收集、高摻雜水平有利于提升電池的輸出電壓，這種特性是理想太陽能電池設(shè)計中的一個重要目標，設(shè)計時需考慮各種影響因素。p-n結(jié)內(nèi)電荷流動的定性描述05圖（a）是平衡狀態(tài)下p-n結(jié)的能帶圖。電子在由n區(qū)向p區(qū)擴散的過程中“遇到”勢壘的阻擋而滯留在了n區(qū)，空穴在由p區(qū)向n區(qū)擴散的過程中“遇到”勢壘的阻擋而滯留在了p區(qū)。勢壘維持了熱平衡。（a）平衡態(tài)

（b）正向偏壓

（c）反向偏壓

p-n結(jié)在外加電場下能帶的變化圖（b）是p-n結(jié)加正向偏壓。勢壘區(qū)電場與內(nèi)建電場相反，減弱勢壘區(qū)的電場強度，勢壘區(qū)寬度減小，勢壘高度由qVD降低到q（VD-V）。降低了的勢壘高度，對電子和空穴的阻擋作用減弱，引起電子經(jīng)空間電荷區(qū)繼續(xù)向p區(qū)擴散，空穴經(jīng)空間電荷區(qū)繼續(xù)向n區(qū)擴散；而少子漂移與多子擴散改變不大，此時會形成大的凈得電子流和空穴流，電荷的凈流動在p-n結(jié)內(nèi)形成電流。圖（c）是p-n結(jié)加反向偏壓。勢壘區(qū)的電場與內(nèi)建電場一致，電場增強，勢壘區(qū)變寬，勢壘高度增加到q（VD+V），增加了的勢壘高度對電子和空穴的阻擋作用增強，阻止電子與空穴的擴散運動，而漂移運動改變不大；p-n結(jié)內(nèi)基本上沒有電荷的流動。理想的電流-電壓關(guān)系06理想p-n結(jié)的電流-電壓關(guān)系的推導(dǎo)，是基于以下四個假設(shè)來展開：①突變耗盡層近似。空間電荷區(qū)的邊界存在突變，且假設(shè)耗盡區(qū)之外的半導(dǎo)體區(qū)域是電中性的。②載流子的統(tǒng)計分布采用麥克斯韋-波耳茲曼分布近似。③小注入條件。注入的載流子濃度遠小于熱平衡多數(shù)載流子濃度。④耗盡區(qū)內(nèi)沒有產(chǎn)生和復(fù)合電流，不考慮耗盡區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作用。利用

，可得重新整理得

此式將熱平衡下p區(qū)內(nèi)少子與n區(qū)內(nèi)多子的濃度聯(lián)系了起來。加正向偏壓，電勢差為VD-V；而加反向偏壓，電勢差為VD+V，因此正偏時關(guān)系式可修正為理想的電流-電壓關(guān)系06由于采用了小注入條件，多子濃度nn0基本不變，但少子濃度np會偏離其熱平衡值np好幾個數(shù)量級，可得可見，當(dāng)p-n結(jié)正偏時，p區(qū)內(nèi)少子電子濃度就不再處于熱平衡狀態(tài)，而是比平衡時的值大很多。正偏降低了勢壘，使得n區(qū)內(nèi)多子電子可以穿過勢壘區(qū)而注入到p區(qū)內(nèi)，增加了p區(qū)少子電子的濃度，也就是說，p區(qū)內(nèi)形成了非平衡少子電子。這種現(xiàn)象稱為少數(shù)載流子注入。同理，正向偏壓下p區(qū)內(nèi)的多子也會注入到n區(qū)增加n區(qū)內(nèi)少子空穴的濃度。在穩(wěn)態(tài)時，n區(qū)內(nèi)非平衡少子空穴的一維連續(xù)性方程為方程通解為（式中Lp為擴散長度）

對于長p-n結(jié)，邊界條件是：理想的電流-電壓關(guān)系06代入式：

確定常數(shù)A與B，可得x≥xn區(qū)域的非平衡少子空穴濃度為

同理可求得注入到x≤-xp區(qū)域的非平衡少子電子濃度為式中Lp為空穴擴散長度、Ln為電子擴散長度理想的電流-電壓關(guān)系06少子濃度隨距離變化曲線如圖所示，少子濃度隨著從空間電荷區(qū)邊界向中性區(qū)延伸的距離增大呈指數(shù)衰減。這是非平衡少子注入后與多子復(fù)合的結(jié)果?？臻g電荷區(qū)邊界處的少子（空穴）擴散電流密度為：

空間電荷區(qū)邊界處-xp的少子（電子）擴散電流密度為理想的電流-電壓關(guān)系06p-n結(jié)的總電流密度為xn處的少子空穴擴散電流密度與-xp處的少子電子擴散電流密度之和：令

則有

該式就是理想p-n結(jié)二極管電流電壓方程式，又稱為肖克萊方程式。

p-n結(jié)二極管的理想J-V特性右圖為理想情況下p-n結(jié)二極管的電流-電壓關(guān)系曲線。p-n結(jié)表現(xiàn)出單向?qū)щ娦?，也稱為整流特性。在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓基本呈指數(shù)關(guān)系增大。反向偏壓下，V＜0，當(dāng)

＞＞k0T、可得理想反向電流可見，理想反向電流為常量，與外加電壓無關(guān)，故稱-Js為反向飽和電流密度。電流電壓關(guān)系的非理想因素07在推導(dǎo)理想二極管電流-電壓關(guān)系式時，忽略了耗盡區(qū)內(nèi)的一切效應(yīng)，所以沒有完全反映p-n結(jié)的電流-電壓特性。耗盡區(qū)中還存在由復(fù)合或產(chǎn)生過程引起的電流成分，根據(jù)SRH復(fù)合理論可知，非平衡電子和空穴的凈復(fù)合率為1.反偏產(chǎn)生電流在p-n結(jié)反偏時，耗盡區(qū)內(nèi)沒有可移動的電子和空穴，即耗盡區(qū)內(nèi)

，凈復(fù)合率可修改為實際上，負的凈復(fù)合率代表凈產(chǎn)生率G。在反偏條件下，耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合中心能級會產(chǎn)生電子-空穴對。這些產(chǎn)生的電子和空穴在空間電荷區(qū)疊加電場作用下流動，形成產(chǎn)生電流，進而疊加在理想反偏飽和電流之上。電流電壓關(guān)系的非理想因素07假設(shè)Et與Ei重合，

，則轉(zhuǎn)化為對整個耗盡區(qū)積分，可得產(chǎn)生電流密度為總反偏電流密度是理想反向飽和電流密度與反向產(chǎn)生電流密度之和，即2.正偏復(fù)合電流p-n結(jié)在正向偏壓下，電子從n區(qū)注入到p區(qū)，空穴從p區(qū)注入到n區(qū)。在耗盡區(qū)內(nèi)，電子和空穴會復(fù)合掉一部分，形成另一股正向電流，稱為正偏復(fù)合電流。同樣假設(shè)Et與Ei重合，

，則轉(zhuǎn)化為在勢壘區(qū)中，電子濃度和空穴濃度的乘積滿足若n=p，電子和空穴相遇的幾率最大，也就有最大的復(fù)合率電流電壓關(guān)系的非理想因素07若n=p，電子和空穴相遇的幾率最大，也就有最大的復(fù)合率當(dāng)

時，可忽略分子中的（-1）項以及分母中的（+1）項，可得復(fù)合電流密度為總正偏電流密度為復(fù)合電流密度與理想擴散電流密度之和，即其中兩個電流密度可取一般而言，二極管的電流-電壓關(guān)系為：

其中參數(shù)n稱為理想因子。n可由式推導(dǎo)出來

p-n結(jié)隧道效應(yīng)08由重摻雜的n區(qū)和p區(qū)形成的p-n結(jié)稱為隧道結(jié)。對于兩邊都是重摻雜的p-n結(jié)的電流電壓特性如圖所示，正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升達到一個極大值Jp，稱為峰值電流，Vp稱為峰值電壓。隨后電壓增加，電流反而減小，達到一極小值Jv，稱為谷值電流，Vv稱為谷值電壓。當(dāng)電壓大于谷值電壓Vv后，電流又隨電壓而上升。在Vp-Vv這段電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負阻，這一段電流電壓特性曲線的斜率為負的，這一特性稱為貧阻特性。反向時，反向電流隨反向偏壓的增大而迅速增加。p-n結(jié)隧道效應(yīng)08在簡并化的重摻雜半導(dǎo)體中，n型半導(dǎo)體的費米能級進入了導(dǎo)帶，p型半導(dǎo)體的費米能級進入了價帶。兩者形成隧道結(jié)后，在沒有外加電壓，處于熱平衡狀態(tài)時，n區(qū)和p區(qū)的費米能級相等，能帶如右圖所示。從圖中看出n區(qū)導(dǎo)帶底比p區(qū)價帶頂還低，因此，在n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價帶中出現(xiàn)具有相同能量的量子態(tài)。

隧道結(jié)熱平衡時的能帶圖另外，在重摻雜情況下，雜質(zhì)濃度大，勢壘區(qū)很薄，由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，n區(qū)導(dǎo)帶的電子可能穿過禁帶到p區(qū)價帶，p區(qū)價帶電子也可能穿過禁帶到n區(qū)導(dǎo)帶，從而有可能產(chǎn)生隧道電流。隧道長度越短，電子穿過隧道的概率越大，從而可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。p-n結(jié)隧道效應(yīng)08（1）加一很小的正向電壓V，產(chǎn)生p區(qū)向n區(qū)的正向隧道電流（重疊部分不斷增大，隧道電流增大）；（2）繼續(xù)增大正向電壓，勢壘高度不斷下降，有更多的電子從n區(qū)穿過隧道到p區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增大，達到峰值（最大重疊，隧道電流最大）；（3）增大正向電壓，勢壘高度降低，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)減少，使n區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電子數(shù)以及p區(qū)價帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少（重疊減少，隧道電流減?。?；（4）正向偏壓增大到VV時，n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價帶頂一樣高，這時p區(qū)價帶和n區(qū)導(dǎo)帶中沒有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應(yīng)該減少到零，有一個很小的谷值電流。p-n結(jié)隧道效應(yīng)08（5）返現(xiàn)電壓很小，勢壘高度太高，隧道更窄。因此只需要變化很小的電壓就會產(chǎn)生很大的隧道電流；（6）在正向電壓很大時，擴散電流占主導(dǎo)。隧道結(jié)是利用多子隧道效應(yīng)工作的，因為單位時間通過p-n結(jié)的多子數(shù)目起伏較小，隧道二極管的噪聲較低。由于隧道結(jié)用重摻雜的簡并半導(dǎo)體制成，所以溫度對多子濃度影響小，使隧道二極管的工作溫度范圍增大。又由于隧道效應(yīng)本質(zhì)上是量子躍遷的過程，電子穿過勢壘極其迅速，不受電子渡越時間限制，使隧道二極管可以在極高頻率下工作。p-i-n結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)Part.06p-i-n結(jié)、金屬半導(dǎo)體結(jié)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)00p-i-n結(jié)通過在p-n結(jié)中插入一層較寬的本征半導(dǎo)體（i層）來擴展勢壘區(qū)，通過擴展勢壘區(qū)，p-i-n結(jié)增大了光生載流子的有效作用區(qū)域，減小了擴散的影響，并降低了結(jié)電容，從而提高了光電轉(zhuǎn)換的靈敏度和效率。金屬半導(dǎo)體結(jié)作為光伏材料中的重要組成部分，通過改變金屬和半導(dǎo)體的種類、摻雜濃度、界面結(jié)構(gòu)等參數(shù)，可以調(diào)控金屬半導(dǎo)體結(jié)的光電性能，實現(xiàn)更高效的光電轉(zhuǎn)換。而半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是提高光伏發(fā)電效率和穩(wěn)定性的重要技術(shù)方向之一，如隆基2024年05月創(chuàng)造晶硅背接觸異質(zhì)結(jié)太陽電池27.30%的效率世界紀錄，隆基2024年06月創(chuàng)造鈣鈦礦晶硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽電池34.6%的效率世界紀錄。p-i-n結(jié)01光生載流子的收集主要靠擴散運動，不過一些材料如非晶硅及其合金的少子擴散長度太短，壽命太低，需要依靠電場來促進光生載流子的輸運和收集。在p型和n型半導(dǎo)體之間插入一層未摻雜層或本征層i，形成p-i-n結(jié)構(gòu)，p型和n型摻雜半導(dǎo)體決定的內(nèi)建電場也會擴展到i層。光生電流基本上不依賴于頂層和基區(qū)中的光生載流子，這兩層可以做的很薄。光照下，光子被足夠厚的i層吸收，i區(qū)的光生載流子被內(nèi)建電場分離并驅(qū)向邊界。光生載流子的輸運主要是電場下的漂移而不是擴散，載流子的收集將用漂移長度而不是擴散長度來描述，p-i-n結(jié)能帶如圖所示。這種設(shè)計的缺點是：①i區(qū)的電導(dǎo)率比摻雜層低，可能引入串聯(lián)電阻；②i層中有數(shù)量相近的電子和空穴，在正向電壓條件下有復(fù)合的可能性；③帶電雜質(zhì)可以導(dǎo)致本征區(qū)的電場下降。p-i-n結(jié)能帶示意圖金屬-半導(dǎo)體接觸02金屬中的電子也服從費米分布，與半導(dǎo)體材料一樣，在絕對零度時，電子填滿費米能級EF以下的能級，在費米能級EF以上的能級是全空的。在一定溫度下，只有EF附近的少數(shù)電子受到熱激發(fā)，由低于EF的能級躍遷到高于EF的能級上去，但是絕大部分電子仍不能脫離金屬而逸出體外。要使電子從金屬中逸出，必須由外界給它提供足夠的能量。用E0表示真空中靜止電子的能量，金屬功函數(shù)的定義是E0與EF能量之差，用Wm表示，如右圖所示：金屬中的電子勢阱它表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。功函數(shù)的大小標志著電子在金屬中束縛的強弱，Wm越大，電子越不容易離開金屬。金屬-半導(dǎo)體接觸02在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶底Ec和價帶頂Ev