太阳能电池原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,第二章 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,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，SiC,NaCl型,PbS，CdO,2.1 半导体物理基础,.,2.1 半导体物理基础,饱和性：,一个原子只能形成一定数目的共价键；,方向性：,原子只能在特定方向上形成共价键；,晶体的结合形式,离子性结合,，,共价结合,，,金属性结合,和,分子结合（范得瓦尔斯结合）,四种不同的基本形式。,半导体的结合方式：主要,共价键,共价键特点,.,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,共有化运动。,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；,2.1 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,.,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,.,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：,u,k,(,r,):与晶格平移周期,一致的周期函数,晶体中价电子可用被周期调制的自由电子波函数描述,周期函数反映了电子的局域特性,自由电子波函数反映了电子的非局域特性,由于电子波函数的空间位相有自由电子波函数一项决定，,Bragg,衍射同样发生,能带必然存在，能带结构是晶体的必然属性,2.1 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。,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,.,E,g,6 eV,E,g,绝缘体,半导体,价带,导带,导体,根据能带结构，分为：,2.1 半导体物理基础,.,半导体的能带结构,直接带隙,间接带隙,2.1 半导体物理基础,.,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,。,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。,直接禁带半导体：,GaAs,，,GaN,，,ZnO,2.1 半导体物理基础,.,间接带隙,价带的极大值和导带的极小值,不位于,k,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,间接禁带半导体：,Si,，,Ge,2.1 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,2.1 半导体物理基础,.,2.1.2 半导体的电子状态和电子分布,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,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,.,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,半导体的电子状态,2.1 半导体物理基础,.,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,.,粒子：,质量为m,0,，速度为,波：,波数为k，频率为f,波粒二象性,（2）自由电子的电子状态,2.1 半导体物理基础,.,f,=,A,e,ikx,r,(,x,)=|,f,|,2,E,k,.,自由电子的电子状态,2.1 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。,E,k,2.1 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,.,周期势场中的电子：布洛赫理论,(h,2,/2m),2,/x,2,+U(,r,)(,r,)=E(,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：,k,(,r,),=exp(i,kr,)u,k,(,r,),其中周期函数 u,k,(,r,)为 u,k,(,r,+,R,)=u,k,(,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,.,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,nlm,n,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，2，3,m,代表了角动量沿Z轴的投影，取值为 0，,，,2,2.1 半导体物理基础,.,f,=,A,e,ikx,f,=,A,e,-ikx,f,+,=,A,e,ikx,+,A,e,-,ikx,r,+,=,4,A,2,cos,2,(kx),f,+,=,A,e,ikx,-,A,e,-,ikx,r,+,=,4,A,2,sin,2,(kx),E,k,E,g,Resulted from,r,+,Resulted from,r,-,p,/a,2p,/a,-p,/a,-2p,/a,0,k,(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,E,k,E,g,Resulted from,r,+,Resulted from,r,-,p,/a,2p,/a,-p,/a,-2p,/a,0,2.1 半导体物理基础,.,电子的有效质量,一维情况：,三维情况：,有效质量为张量,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,2.1 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,2.1 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,能带,允带,禁带,允带,允带,禁带,半导体中的电子分布,2.1 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,2.1 半导体物理基础,.,在 RT,E,E,F,=0.05 eV,f(E)=0.12 E,E,F,=,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,2.1 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,2.1 半导体物理基础,.,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,.,E,F,E,C,V,导带,（部分填充）,T 0,Fermi“分布”函数,能级都被“填充”,E=0,在T=0,所有位于Fermi 能级E,F,下的能级都被电子填充，所有位于 E,F,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,2.1 半导体物理基础,.,E,F,E,C,E,V,导带,(空),价带,(填充),E,gap,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,E,F,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,2.1 半导体物理基础,.,E,F,E,C,E,V,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,E,F,位于禁带 中间,(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,2.1 半导体物理基础,.,2.1.3半导体的载流子,电子,空穴,2.1 半导体物理基础,.,传导电子,价带,导带,禁带,电子,价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子,传导电子参与导电,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,.,价带,导带,禁带,空穴,空穴,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,激发一个电子到导带，价带中就出现一个空状态,把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴,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,.,2.1.4半导体中的杂质和缺陷,本征半导体,n,型半导体,p,型半导体,2.1 半导体物理基础,.,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n,i,和空穴数目p,i,一一对应，数量相等，n,i,p,i,。,2.1 半导体物理基础,.,本征半导体,不含杂质的半导体,价带,E,F,(T=0K),导带,.,本征半导体的载流子浓度,.,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，这些半导体称为杂质半导体,2.1 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,硅原子具有四个价电子,，硅原子间以,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。,n,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,.,n,型半导体,导带,价带,Eg,空穴,电子,E,D,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,.,n型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即,n,0,p,0,。,电子称为多数载流子(多子)，空穴称为少数载流子(少子)。,n,型半导体,电子浓度,n,0,和空穴浓度,p,0,有如下关系：,如果掺杂浓度是N,D,，则：,2.1 半导体物理基础,.,额外的空穴,p,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,.,导带,价带,Eg,空穴,电子,E,A,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,p,型半导体,2.1 半导体物理基础,.,p,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,n,0,p,0,。,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,n,0,和空穴浓度,p,0,有如下关系：,如果掺杂浓度是N,A,，则：,2.1 半导体物理基础,.,P型和N型硅：,P-型(空穴型),N-型(电子型),掺杂元素,III族(E.g.Boron),V族(e.g.Phosphorous),束缚,缺少电子(空穴),多余电子,多数载流子,空穴,电子,少数载流子,电子,空穴,2.1 半导体物理基础,.,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,.,n,i,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,2.1 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,半导体的光吸收过程,吸收系数和吸收长度,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,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,.,非平衡载流子-,非平衡载流子的寿命和复合,2.1 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,半导体的光吸收过程,2.1 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,半导体的光吸收过程,2.1 半导体物理基础,.,E,C,E,t,E,D,E,A,E,V,E,D,，E,A,和E,t,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。,1,半导体的光吸收过程,2.1 半导体物理基础,.,Eph Eg:强烈吸收,导带,价带,Eg,空穴,电子,半导体的光吸收过程,本征吸收,2.1 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,本征吸收边,，发生本征光吸收的最大光的波长,半导体的光吸收过程,2.1 半导体物理基础,.,竖直跃迁 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,半导体的光吸收过程,2.1 半导体物理基础,.,伴随着吸收或者发出声子,且,非竖直跃迁 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,能量守恒,动量守恒,半导体的光吸收过程,2.1 半导体物理基础,.,准动量守恒的选择定则,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）,半导体的光吸收过程,非竖直跃迁 间接带隙半导体,2.1 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，,光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需的动量,半导体的光吸收过程,非竖直跃迁 间接带隙半导体,2.1 半导体物理基础,.,导带,价带,Eg,激子,能带论中在带边产生,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,（,激子,），其所需元激发能量低于Eg.,激子半径很大：,瓦尼尔莫特激子,激子半径很小：,夫伦克耳激子,半导体的光吸收过程,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,导带,价带,Eg,半导体的光吸收过程,2.1 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。,半导体的光吸收过程,2.1 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。,半导体的光吸收过程,2.1 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I,0,是z=0处的光强,为物质的,吸收系数,。,吸收系数和吸收长度,2.1 半导体物理基础,.,光波的强度（能量）随着,光波进入介质的距离,z,的增大按指数规律衰减,，衰减的快慢取决于物质的吸收系数的大小。,吸收系数小，介质足够薄，类似介质对此光波透明。,吸收系数和材料及光波长有关。,半导体材料具有一个陡峭的吸收边。,吸收系数和吸收长度,2.1 半导体物理基础,.,吸收系数和吸收长度,2.1 半导体物理基础,.,硅的光吸收系数,吸收系数和吸收长度,2.1 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。,start,吸收系数和吸收长度,2.1 半导体物理基础,.,吸收系数和吸收长度,2.1 半导体物理基础,.,Solar cell,I,0,N,0,表面处光强为I,0,表面光通量N,0,=光子数/单位面积,光吸收：,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,载流子产生和复合,导带,价带,Eg,空穴,电子,载流子产生率：,2.1 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,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,载流子产生和复合,带带复合,杂质能级复合,俄歇复合,2.1 半导体物理基础,.,导带,价带,Eg,空穴,电子,导带电子和价带空穴直接复合发射光子。,光子能量接近禁带宽度，吸收很弱，可以跃出半导体。,带带复合,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,导带,价带,空穴,电子,Eg,杂质能级复合,包含,2,个过程：,导带电子被杂质能级俘获，放出光子；,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。,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。,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,俄歇复合,导带,价带,空穴,电子,Eg,包含,3,个载流子。,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。,在重掺杂或高度激发下的材料中非常重要。,载流子产生和复合,2.1 半导体物理基础,.,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。,载流子产生和复合,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,.,2.1.6 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。如果没有外力，就没有净移动距离。,2.1 半导体物理基础,.,载流子的扩散：,存在浓度梯度,。,2.1.6 半导体的电学性质,2.1 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,v,d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）。,载流子的漂移在电场下,2.1.6 半导体的电学性质,2.1 半导体物理基础,.,宏观,微观,飘移速度,v,d,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,.,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,),r,2.1 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,2.1 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,2.1 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,2.1.6 半导体的电学性质,2.1 半导体物理基础,.,例题：,在砷化镓中电子的迁移率是,8,800 cm,2,/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10,7,cm/s,解：碰撞时间,t,c,由下式得到,平均自由程,l等于,2.1.6 半导体的电学性质,2.1 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,2.1.6 半导体的电学性质,2.1 半导体物理基础,.,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,2.1 半导体物理基础,.,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,2.1 半导体物理基础,.,2.1.7 pn结,pn,结的能带结构,pn,结的形成,pn,结的电流,-,电压特性,2.1 半导体物理基础,.,结形成,耗尽层的形成,复合,电场阻止了进一步的扩散,.,空间电荷区（势垒区）、空间电荷层,p n,+,-,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：,空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。,电子积累层：,空间电荷层少数载流子浓度比内部少。,反型层,：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。,pn,结的能带结构,2.1 半导体物理基础,.,E,C,E,fn,E,V,E,C,E,f p,E,V,-,-,-,-,-,-,E,F,qV,D,qV,D,x,空间电荷区,能带结构,2.1 半导体物理基础,.,1）合金法,液体为铝硅熔融体 ，p型半导体为高浓度铝的硅薄层,n Si,AI,n Si,液体,n Si,p,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。,pn,结的形成,2.1 半导体物理基础,.,合金结的杂质分布：,N,D,N,A,N(x),x,p n,单边突变结（P,+,-n结）：,由两边杂质浓度相差很大的p、n型半导体形成的p-n结为单边突变结。,p区的施主杂质浓度为10,16,cm,-3,而n区的杂质浓度为10,19,cm,-3,。,pn,结的能带结构,2.1 半导体物理基础,.,2）扩散法,通过氧化、光刻、扩散等工艺形成,p-n结,。,n Si,SiO,2,n Si,n Si,P,电子,空穴,E,V,E,F,E,C,E,F,p-,型,n-型,因为扩散,电子,从,n 扩散到 p,区，,空穴,从,p 到 n,区。,pn,结的能带结构,2.1 半导体物理基础,.,N,D,N,A,(x),N(x),x,p n,缓变结：,杂质浓度从p 区到n区是逐渐变化的p-n结为缓变结。,在结区内产生,耗尽层，,在耗尽层内没有宏观载流子的运动.,产生了,内建电场,(10,3,to 10,5,V/cm),阻挡进一步扩散。,pn,结的能带结构,2.1 半导体物理基础,.,Reverse Bias,Forward,Bias,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.,pn,结的电流,-,电压特性,2.1 半导体物理基础,.,