1、第二章 太陽(yáng)能光電材料及物理基礎(chǔ),2.5 非平衡少數(shù)載流子 2.6 p-n結(jié) 2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu) 2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理-光生伏特效應(yīng), 2.5 非平衡少數(shù)載流子,非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合和壽命 非平衡載流子的擴(kuò)散 非平衡載流子的運(yùn)動(dòng),非平衡載流子的 基本性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （激發(fā)、運(yùn)動(dòng)、復(fù)合）,光敏電阻 二極管整流 晶體管的放大 光電 發(fā)光 .,重要的半導(dǎo)體效應(yīng),半導(dǎo)體物理重要內(nèi)容之一,半導(dǎo)體器件工作原理的基礎(chǔ), 2.5 非平衡少數(shù)載流子,熱激發(fā)（本征）,導(dǎo)帶電子 價(jià)帶空穴,載流子復(fù)合,晶格,熱平衡狀態(tài)T1,熱平衡載流子：一定溫度下，處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴,熱激

2、發(fā)（本征）,導(dǎo)帶電子 價(jià)帶空穴,載流子復(fù)合,晶格,熱平衡狀態(tài)T1,非平衡載流子及其壽命,處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下載流子濃度是一定的,平衡載流子濃度n0、p0,非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式,本征載流子濃度ni只是溫度的函數(shù) 在非簡(jiǎn)并情況下，無(wú)論摻雜多少，平衡載流子濃度必定滿足上式,1.非平衡態(tài)和非平衡載流子,價(jià)帶電子,晶格原子熱振動(dòng)獲取能量,激發(fā)到導(dǎo)帶,電子空穴產(chǎn)生,導(dǎo)帶電子 價(jià)帶空穴,交給晶格原子多余的能量,復(fù)合、消失,電子空穴復(fù)合,在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)目Q產(chǎn)生率,在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)消失的數(shù)目R復(fù)合率,產(chǎn)生 復(fù)合,穩(wěn)態(tài),相互平衡,熱平衡狀態(tài)（動(dòng)態(tài)、相對(duì)）,非平衡

3、態(tài)：處于熱平衡態(tài)的半導(dǎo)體，在外界條件作用下，破壞了 平衡條件，處于與熱平衡態(tài)相偏離的狀態(tài)。 非平衡載流子：比平衡狀態(tài)多出來(lái)的部分載流子（過(guò)剩載流子）。,n 、p 表示非平衡狀態(tài)的載流子濃度 n0、p0表示熱平衡狀態(tài)的載流子濃度,非平衡載流子濃度,n = n n0,p = p p0,一般討論n0（或p0）即存在過(guò)剩載流子的情況,2.非平衡少數(shù)載流子注入及附加電導(dǎo),非平衡載流子的注入：外界作用使半導(dǎo)體中產(chǎn)生非平衡載流子的過(guò)程。,光注入：適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體表面,電注入：pn結(jié)施加正向偏壓（Why？）,光照產(chǎn)生非平衡載流子,滿足一定條件,說(shuō)明： 一般情況下，注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流

4、子濃度要少得多，n = pn0（n型） n = pp0 （p型） 滿足此條件的注入稱為小注入。反之，稱為大注入。 即使在小注入的情況下，非平衡載流子濃度還是可以比平衡時(shí)的少數(shù)載流子濃度多 。 通常即說(shuō)的非平衡載流子，一般都是指非平衡少數(shù)載流子。,n型半導(dǎo)體：平衡狀態(tài)時(shí)的電子是多數(shù)載流子； 非平衡態(tài)時(shí)注入的電子n稱為非平衡多數(shù)載流子， 而注入的空穴p稱為非平衡少數(shù)載流子。 p型半導(dǎo)體：,平衡狀態(tài)時(shí)的空穴是多數(shù)載流子； 非平衡態(tài)時(shí)注入的空穴p稱為非平衡多數(shù)載流子， 注入的空穴n稱為非平衡少數(shù)載流子。,4.非平衡載流子的衰減及壽命,(1)光注入,(2)光照停止,光注入引起附加光電導(dǎo),隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律

5、減少,非平衡載流子的壽命,外界作用消失后，非平衡載流子在導(dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間，其平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命，理論推導(dǎo)為非平衡載流子濃度 衰減到原來(lái)數(shù)值1/e 所經(jīng)歷時(shí)間。,發(fā)射光子 發(fā)射聲子 轉(zhuǎn)移能量：（載流子間，Auger）,非平衡載流子的復(fù)合,復(fù)合機(jī)構(gòu),直接復(fù)合 間接復(fù)合,能量,放出,1.直接復(fù)合,定義：導(dǎo)帶中的電子直接落入價(jià)帶與空穴復(fù)合，使一對(duì) 電子空穴消失。,2.間接復(fù)合,定義：非平衡載流子通過(guò)禁帶中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)進(jìn)行的復(fù)合。 復(fù)合中心：對(duì)非平衡載流子的復(fù)合起促進(jìn)作用的雜質(zhì)和缺陷，復(fù)合 中心能級(jí)越接近禁帶中央，促進(jìn)復(fù)合的作用也就越強(qiáng)。,非平衡狀態(tài)下載流子的運(yùn)動(dòng),1.非

6、平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流,非平衡載流子的擴(kuò)散,擴(kuò)散流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)垂直于單位面積的載流子數(shù)，用Sp表示,擴(kuò)散系數(shù),濃度梯度,穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散：擴(kuò)散和復(fù)合達(dá)到平衡，內(nèi)部各點(diǎn)少數(shù)載流子濃度不隨時(shí)間變化。,穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程,空穴的積累率,求解：,（非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度）,復(fù)合而消失的空穴數(shù),2.非平衡載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和漂移電流,非平衡載流子的漂移和擴(kuò)散,擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在時(shí) ：,小注入情況下： （1）漂移電流是多子的主要電流形式 。 （2）擴(kuò)散電流是少子的主要電流形式 。, 2.6 p-n結(jié),p-n結(jié)的制備 p-n結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) p-n結(jié)的電流電壓特性, 2.6 p-n結(jié),合金法：在一種半導(dǎo)體單晶上放

7、置金屬或半導(dǎo)體元素，通過(guò)升溫等工藝形成p-n結(jié)。,p-n結(jié)的制備（合金法、擴(kuò)散法、離子注入法、薄膜生長(zhǎng)法）, 2.6 p-n結(jié),擴(kuò)散法：在n型（或p型）半導(dǎo)體材料中，利用擴(kuò)散工藝摻入相反類型的雜質(zhì)，在一部分區(qū)域形成與體材料費(fèi)相反類型的p型（或n型）半導(dǎo)體，從而形成p-n結(jié)。,p-n結(jié)的制備, 2.6 p-n結(jié),離子注入法：在n型（或p型）摻雜劑的離子束在靜電場(chǎng)中加速，使之具有高動(dòng)能，注入p型（或n型）半導(dǎo)體，表面區(qū)域，在表面形成與體內(nèi)相反的n型（或p型）半導(dǎo)體，最終形成p-n結(jié)。,p-n結(jié)的制備, 2.6 p-n結(jié),薄膜生長(zhǎng)法：在n型（或p型）半導(dǎo)體表面，通過(guò)氣相、液相等外延技術(shù)，生長(zhǎng)一層具有

8、相反導(dǎo)電類型的p型（或n型）半導(dǎo)體薄膜，在兩者的界面處形成p-n結(jié)。,p-n結(jié)的制備, 2.6 p-n結(jié),突變結(jié) 線性緩變結(jié), 2.6 p-n結(jié),p-n結(jié)的能帶結(jié)構(gòu),1.p-n結(jié)的形成,由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散, 區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散, 在型和型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建電場(chǎng)。,內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散,內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度,不再有凈電荷的流動(dòng),達(dá)到了新的平衡,在p型n型交界面附近形成的這種特殊構(gòu)稱為P-N結(jié),約0.1m厚., 2.6 p-n結(jié),p-n結(jié)的能帶結(jié)構(gòu), 2.6 p-n結(jié),正向偏壓：在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。,p-n結(jié)的電流電壓特性,外電場(chǎng)使阻擋層勢(shì)壘被

9、削弱、變窄,有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成正向電流（m級(jí)）.,外加正向電壓越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的伏安特性。, 2.6 p-n結(jié),反向偏壓：在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。,p-n結(jié)的電流電壓特性,阻擋層勢(shì)壘增大、變寬,不有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有正向電流。,但是,由于少數(shù)載流子的存在,會(huì)形成很弱反向電流,稱為漏電電流(A級(jí)),當(dāng)外電場(chǎng)么強(qiáng)，反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大-反向擊穿。, 2.6 p-n結(jié),p-n結(jié)的電流電壓特性, 2.6 p-n結(jié),p-n結(jié)的電流電壓特性,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.1金屬

10、-半導(dǎo)體接觸 2.7.2 歐姆接觸 2.7.3 MIS結(jié)構(gòu),2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸,金屬和n型半導(dǎo)體接觸前后能帶的變化情況,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸,金屬和n型半導(dǎo)體接觸前后能帶的變化情況,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸,外加電場(chǎng),具有整流效應(yīng),具有整流效應(yīng)的金屬-半導(dǎo)體接觸，稱為肖特基接觸（以此為基礎(chǔ)制成的二極管稱為肖特基二極管。,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.2 歐姆接觸,歐姆接觸：在半

11、導(dǎo)體器件制備過(guò)程中，常常需要沒(méi)有整流效應(yīng)的金屬和半導(dǎo)體的接觸。,形成歐姆接觸的條件：,1） 從理論上：金屬的功函數(shù)必須小于n型半導(dǎo)體的功函數(shù)，或大于p型半導(dǎo)體的功函數(shù)。,2） 半導(dǎo)體具有高表面態(tài)密度,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.2 歐姆接觸,制備技術(shù)：,低勢(shì)壘接觸、高復(fù)合接觸和高摻雜接觸,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),金屬-半導(dǎo)體接觸,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.3 MIS接觸,在金屬和半導(dǎo)體之間插入一層絕緣層，就形成了金屬絕緣層半導(dǎo)體（MIS)結(jié)構(gòu)。,2.7 金屬-半導(dǎo)體接觸和MIS結(jié)構(gòu),2.7.3 MIS接觸,MIS 結(jié)構(gòu)加上外加電場(chǎng)，會(huì)出現(xiàn)以下

12、三種情況：,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.1 半導(dǎo)體材料的光吸收 2.8.2 光生伏特,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.1 半導(dǎo)體材料的光吸收,當(dāng)入射光的能量為I0，則在離表面距離x處，光的能量為,一束光照射到物體時(shí)： 一部分入射光線在物體表面反射或散射，一部分可能透過(guò)物體。,a 為物體的吸收系數(shù),半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)較大，一般在105cm-1以上,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.1 半導(dǎo)體材料的光吸收,1.本征吸收 2.激子吸收：價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開(kāi)價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空

13、穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。 3.載流子吸收：當(dāng)入射光子能量不夠高， 不足以引起帶間躍遷或激子吸收時(shí)， 可以發(fā)生載流子在同一能帶中的躍遷吸 收， 稱做載流子吸收。 4.雜質(zhì)吸收 5.晶格吸收,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.1 半導(dǎo)體材料的光吸收,1.光電導(dǎo)現(xiàn)象 2.直接躍遷直接帶隙半導(dǎo)體 3.間接躍遷間接帶隙半導(dǎo)體,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.2 光生伏特,2.8.2.1 太陽(yáng)能電池工作原理, 光生載流子 載流子的遷移 電荷分離 光生電動(dòng)勢(shì),太陽(yáng)能電池基本原理,1.太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池（Sola

14、r Cells）,也稱為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽(yáng)能電池組件，再按需要將一定數(shù)量的組件組合成一定功率的太陽(yáng)電池方陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流-交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)，也稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)。 2.光伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)，是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電勢(shì)差的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。,太陽(yáng)能電池基本原理,太陽(yáng)能電池是由電性質(zhì)不同的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體連接合成，一邊是p區(qū),一邊是 n 區(qū)，在兩個(gè)相互接觸的界面附近形成一個(gè)結(jié)叫p - n結(jié)，結(jié)區(qū)內(nèi)形成內(nèi)建電場(chǎng)，成為電荷運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘。,太陽(yáng)能電池基本原理,

15、當(dāng)太陽(yáng)光入射到太陽(yáng)電池表面上后,所吸收得能量大于禁帶寬度，在p-n結(jié)中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，空穴向p區(qū)移動(dòng)，電子向n區(qū)移動(dòng)，從而在p區(qū)形成空穴積累，在n區(qū)形成電子積累。若電路閉合，形成電流。,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.2 光生伏特,(a) p-n結(jié)光照前,(b) p-n結(jié)光照后,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.2 光生伏特,光生電流,A為p-n結(jié)的面積；Ln和Lp分別為電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度；W為空間電荷區(qū)的寬度,光照時(shí)流過(guò)p-n結(jié)的正向電流為：,V為光生電壓；I0為反向飽和電流,2.8 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng),2.8.2 光生伏特,光照時(shí)流過(guò)外加負(fù)載的電流為,這就是負(fù)載的電阻上的電流電壓特性,伏安特性曲線如右圖,2.8 太陽(yáng)能光