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光生伏特效应光生伏特效应2太阳能电池结构及性能测试太阳能电池结构及性能测试4半导体物理基础半导体物理基础3 1金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构3 3第第3 3章章 太阳能电池及其物理基础太阳能电池及其物理基础Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.太阳能电池材料分类太阳能电池材料分类3 5第1页1 1、半导体物理基础半导体物理基础 太阳能电池将光能转换为电能主要包含两个步骤：太阳能电池将光能转换为电能主要包含两个步骤：(1)(1)电池吸收光能并产生电池吸收光能并产生“电子空穴电子空穴”对；对；(2)(2)电子电子 -空穴对在器件结构作用下分离，电子流向负极而空穴流向正空穴对在器件结构作用下分离，电子流向负极而空穴流向正 极，从而产生电流。极，从而产生电流。怎样了解这两个步骤？怎样了解这两个步骤？1.1 1.1 能带结构能带结构一、能带形成一、能带形成原子间距原子间距 d 很大，原子能级为分立能级很大，原子能级为分立能级原子逐步靠近，相互影响，使孤立原子能级扩展成为能带原子逐步靠近，相互影响，使孤立原子能级扩展成为能带Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.第2页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.第3页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.p伴随原子间距减小，伴随原子间距减小，3s和和3p 态相互作用并产生交叠。在平态相互作用并产生交叠。在平 衡状态原子间距位置产生能带衡状态原子间距位置产生能带 分裂。每个原子其中四个量分裂。每个原子其中四个量 子态处于较低能带，另外四个子态处于较低能带，另外四个 量子态则处于较高能带。量子态则处于较高能带。p当处于绝对零度时，电子都处当处于绝对零度时，电子都处 于最低能量状态，从而造成较于最低能量状态，从而造成较 低能带（价带）全部状态都低能带（价带）全部状态都 是满，而较高能带（导带）是满，而较高能带（导带）全部状态都是空。全部状态都是空。p价带顶和导带底之间带隙能价带顶和导带底之间带隙能 量量Eg既为禁带宽度。既为禁带宽度。轨道能量产生重合，电子开始从轨道能量产生重合，电子开始从高能量轨道向低能量轨道转移高能量轨道向低能量轨道转移独立硅原子独立硅原子3s和和3p态分裂为允带和禁带态分裂为允带和禁带第4页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.二、二、k k空间能带图空间能带图 上述内容中，我们定性讨论了晶体中允带和禁带形成及原因。上述内容中，我们定性讨论了晶体中允带和禁带形成及原因。我们还能够利用我们还能够利用量子力学原理量子力学原理和和薛定谔波动方程薛定谔波动方程对允带和禁带概念对允带和禁带概念 做更为严密讲解。做更为严密讲解。微观粒子含有波粒二象性，表征波动性量与表征粒子性量之微观粒子含有波粒二象性，表征波动性量与表征粒子性量之 间有一定联络。一个质量为间有一定联络。一个质量为m0，以速度，以速度v自由运动电子，其动量自由运动电子，其动量p 与能量与能量E分别为：分别为：第5页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.德布罗意（德布罗意（De Broglie）指出，这一自由粒子能够用频率为）指出，这一自由粒子能够用频率为、波长为、波长为 平面波表示：平面波表示：式中：式中：A常数常数 r 空间某点矢径空间某点矢径 k 平面波波数，等于波长平面波波数，等于波长倒数。倒数。为能同时描写平面波传输方向，通常要求为能同时描写平面波传输方向，通常要求k为矢量，称为波数矢量，为矢量，称为波数矢量，简称波矢，既为简称波矢，既为k，其大小为：，其大小为：。方向与波面法线平行，为。方向与波面法线平行，为波传输方向。波传输方向。自由电子能量和动量与平面波频率和波矢之间关系分别为：自由电子能量和动量与平面波频率和波矢之间关系分别为：h h为普朗克（为普朗克（PlanckPlanck）常数）常数 第6页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.为简单起见，考虑一维情况，即选为简单起见，考虑一维情况，即选x轴方面与波传输方向一致，则：轴方面与波传输方向一致，则：式中：式中：也称其为自由电子波函数，它代表一个沿也称其为自由电子波函数，它代表一个沿x轴方向传输平面波，且恪轴方向传输平面波，且恪守定态薛定谔（守定态薛定谔（Schrdinger）方程：）方程：式中式中，h为普朗克（为普朗克（Planck）常数，）常数，E为电子能量。为电子能量。最终，计算得：最终，计算得：第7页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.p第一布里渊区：第一布里渊区：p第二布里渊区：第二布里渊区：p第三布里渊区：第三布里渊区：p禁带：禁带：第8页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.pE(k)也是也是k周期性函数，周期为周期性函数，周期为/a，即即 k和和k+n/a表示相同状态。所以，可表示相同状态。所以，可 以只取以只取-/2ak/2a中中k值来描述电值来描述电 子能量状态，而将其它区域移动子能量状态，而将其它区域移动n/a 合并到第一区。在考虑能带结构时，只合并到第一区。在考虑能带结构时，只 需考虑需考虑-/2ak/2a区域就够了，就区域就够了，就 是说只需考虑第一布里渊区，得到如左是说只需考虑第一布里渊区，得到如左 图所表示曲线。图所表示曲线。p在这个区域内，在这个区域内，E为为k多值函数。所以，多值函数。所以，在说明在说明E(k)和和k关系时，必须用关系时，必须用En(k)标明是第标明是第n个能带，常称这一区域为个能带，常称这一区域为简约简约 布里渊区布里渊区，这一区域内波矢为简约波矢。，这一区域内波矢为简约波矢。第9页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.三、金属、半导体和绝缘体能带结构三、金属、半导体和绝缘体能带结构固体按其导电性分类固体按其导电性分类导体：导体：10-5 cm半导体半导体：10-5 cm 107 cm绝缘体：绝缘体：107 cm（1 1）价带、导带和禁带）价带、导带和禁带价带：在价带：在绝对零度时绝对零度时，能被电子占满最高能带，能被电子占满最高能带导带：比价带能量更高能带导带：比价带能量更高能带禁带：在能带结构中，价带与导带之间禁带：在能带结构中，价带与导带之间 能态密度为零能量区间能态密度为零能量区间价带价带导带导带禁带禁带E第10页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（2 2）金属、半导体和绝缘体能带结构）金属、半导体和绝缘体能带结构l 金属金属导带（部分填充）导带（部分填充）价带（全满）价带（全满）导带（全空）导带（全空）价带（部分空缺）价带（部分空缺）导带导带价带价带l 绝缘体绝缘体导带（全空）导带（全空）价带（全满）价带（全满）导带（全空）导带（全空）价带（全满）价带（全满）l 半导体半导体第11页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.四、几个常见半导体材料能带结构四、几个常见半导体材料能带结构（1 1）硅（）硅（SiSi）及锗（）及锗（GeGe）能带结构）能带结构像硅和锗这么半导体材料，价带能量最大值和导带能量像硅和锗这么半导体材料，价带能量最大值和导带能量 最小值最小值k k坐标不一样半导体，通常称为坐标不一样半导体，通常称为间接带隙半导体间接带隙半导体。硅硅锗锗第12页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（2 2）砷化镓（）砷化镓（GaAsGaAs）能带结构）能带结构像砷化镓这么半导体材料，像砷化镓这么半导体材料，价带最大能量与导带最小能价带最大能量与导带最小能 量量k k坐标相同半导体，坐标相同半导体，通常称为通常称为直接带隙半导体直接带隙半导体。直接带隙材料光跃迁几率直接带隙材料光跃迁几率 是间接带隙材料是间接带隙材料1010倍倍，因，因 为电子跃迁过程无动量改变，为电子跃迁过程无动量改变，与晶格无作用，复合过程是与晶格无作用，复合过程是 辐射复合，使激光器含有较辐射复合，使激光器含有较 高内量子效率。高内量子效率。砷化镓砷化镓第13页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.五、半导体中能态密度五、半导体中能态密度 固体能带另一个表征是能带中电子状态密度按能量分布固体能带另一个表征是能带中电子状态密度按能量分布 N(E)N(E)，它是与，它是与k k空间态密度以及固体能带结构相关。空间态密度以及固体能带结构相关。k k空间单位体积状态密度是空间单位体积状态密度是2/(2)2/(2)3 3，其中，其中2 2是考虑电子自旋。是考虑电子自旋。讨论在讨论在E E到到E+dEE+dE范围内电子状态数范围内电子状态数dN=N(E)dEdN=N(E)dE，应该是，应该是dEdE能量能量 间隔在间隔在k k空间所占体积与空间所占体积与k k空间状态密度乘积：空间状态密度乘积：第14页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.导带底状态密度：导带底状态密度：价带顶状态密度：价带顶状态密度：式中，式中，为导带底电子状态密度有效质量。为导带底电子状态密度有效质量。式中，式中，为价带顶电子状态密度有效质量。为价带顶电子状态密度有效质量。第15页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.1.2 1.2 载流子载流子一、本征半导体和掺杂半导体一、本征半导体和掺杂半导体（1 1）本征半导体）本征半导体本征半导体即没有杂质和缺点半导体。本征半导体即没有杂质和缺点半导体。绝对零度，本征半导体能带结构中，价带填满电子，而导带没有电子。绝对零度，本征半导体能带结构中，价带填满电子，而导带没有电子。在本征半导体中，电子浓度在本征半导体中，电子浓度n n等于空穴浓度等于空穴浓度p p，称这个浓度称为本征浓度，称这个浓度称为本征浓度n ni i。下表给出了下表给出了T=300KT=300K时，几个不一样材料本征载流子浓度时，几个不一样材料本征载流子浓度n ni i公认值；下公认值；下 图给出了本征半导体能带结构，图给出了本征半导体能带结构，E EFiFi为本征费米能级。为本征费米能级。Sini=1.51010 cm-3GaAsni=1.8106 cm-3Geni=2.41013 cm-3T=300K 时，时，ni公认值公认值EcEFiEv本征半导体能带结构图本征半导体能带结构图第16页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（2 2）掺杂半导体）掺杂半导体掺有杂质半导体称为掺杂半导体：掺有杂质半导体称为掺杂半导体：n n型半导体是在型半导体是在族元素（如硅、锗）半导体中掺入少许族元素（如硅、锗）半导体中掺入少许族元素（如族元素（如 磷、锑、砷等）杂质，作为替位杂质。磷、锑、砷等）杂质，作为替位杂质。族元素原子从向导带提供了电子，所以我们称之为施主杂质原子。施主族元素原子从向导带提供了电子，所以我们称之为施主杂质原子。施主 杂质原子能在导带中产生电子。杂质原子能在导带中产生电子。掺杂半导体掺杂半导体p p型半导体：型半导体：EFEFi,n0ni，nip0，即，即n0p0第17页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.p p型半导体则是在型半导体则是在族元素（如硅、锗）半导体中掺入少许族元素（如硅、锗）半导体中掺入少许族元素（如硼等）族元素（如硼等）杂质，作为替位杂质。杂质，作为替位杂质。族元素有三个价电子，而且都与硅原子结合形成共价族元素有三个价电子，而且都与硅原子结合形成共价 键，则有一个共价键位置是空，即空穴。键，则有一个共价键位置是空，即空穴。族元素原子从价带中取得电子，族元素原子从价带中取得电子，所以我们称之为受主杂质原子。受主杂质原子能在价带中产生空穴，但不在导所以我们称之为受主杂质原子。受主杂质原子能在价带中产生空穴，但不在导 带中产生电子。我们称这种类型半导体为带中产生电子。我们称这种类型半导体为p p型半导体（型半导体（p p代表带正电空穴）。代表带正电空穴）。p型半导体特征：型半导体特征：EFEFi,n0ni，nip0，即，即n0p0第18页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.掺杂半导体示意图掺杂半导体示意图第19页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.二、平衡态载流子分布二、平衡态载流子分布在一定温度下，半导体中载流子（电子、空穴）起源：在一定温度下，半导体中载流子（电子、空穴）起源：（1 1）电子从价带直接激发到导带，在价带留下空穴本征激发；）电子从价带直接激发到导带，在价带留下空穴本征激发；（2 2）施主或受主杂质电离激发，与载流子热激发过程相对应，还会）施主或受主杂质电离激发，与载流子热激发过程相对应，还会 伴随有电子与空穴复合过程。伴随有电子与空穴复合过程。在一定温度下，半导体材料内载流子产生和复合到达热力学平衡，称此在一定温度下，半导体材料内载流子产生和复合到达热力学平衡，称此 动态平衡下载流子为热平衡载流子。动态平衡下载流子为热平衡载流子。电子作为费米子，服从费米电子作为费米子，服从费米-狄拉克统计分布，狄拉克统计分布，费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数代表代表 能量为能量为E E量子态被电子占据可能，或表示被电子填充量子态占中量量子态被电子占据可能，或表示被电子填充量子态占中量 子态比率，详细公式以下：子态比率，详细公式以下：式中：式中：EF 费米能级费米能级kB 波尔兹曼常数波尔兹曼常数第20页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.p T=0K T=0K时：时：E EE EF F ，量子态完全被占；，量子态完全被占；E EE EF F ，量子态被占可能为零。，量子态被占可能为零。p T T0K0K时：电子取得多时：电子取得多 余能量进入高能级，此余能量进入高能级，此 时高于时高于E EF F能量状态被能量状态被 电子占据几率不为零。电子占据几率不为零。p 能量为能量为E EF F量子态被占量子态被占 据可能为据可能为1/21/2。第21页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.空穴状态概率空穴状态概率(1-f(E)(1-f(E)与与f(E)f(E)函数关于费米能级函数关于费米能级E EF F对称。对称。第22页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.电子浓度：在能量电子浓度：在能量E E+dE内电子数内电子数dn 将将 和和 代入代入 上式得：上式得：对整个导带宽度积分，得热平衡电子浓度对整个导带宽度积分，得热平衡电子浓度n0：同理得热平衡空穴浓度同理得热平衡空穴浓度p0：第23页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.第24页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.取取n n0 0与与p p0 0乘积为：乘积为：上式表明，对于一定材料上式表明，对于一定材料n n0 0p p0 0乘积仅是温度函数，与费米能乘积仅是温度函数，与费米能级无关。这表明在一定温度下级无关。这表明在一定温度下n n0 0与与p p0 0是相互制衡。称是相互制衡。称n n0 0与与p p0 0为为热热平衡常数平衡常数。对于本征半导体，对于本征半导体，n n0 0=p=p0 0=n=ni i，称，称n ni i为本征载流子浓度。为本征载流子浓度。则本征半导体费米能级为：则本征半导体费米能级为：由上式看出，本征半导体费米能级基本位于带隙中央，因为由上式看出，本征半导体费米能级基本位于带隙中央，因为价带和导带态密度不一样，造成稍微偏离带隙中央。价带和导带态密度不一样，造成稍微偏离带隙中央。第25页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.本征载流子浓度为：本征载流子浓度为：与本征载流子浓度相类似，电子在施主能级与本征载流子浓度相类似，电子在施主能级E ED D及空穴在受主能级及空穴在受主能级 E EA A填充概率分别为：填充概率分别为：第26页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.若施主和受主杂质浓度分别为若施主和受主杂质浓度分别为N ND D和和N NA A，在杂质能级，在杂质能级E ED D和和E EA A能级上能级上 电子浓度和空穴浓度为：电子浓度和空穴浓度为：则因为杂质激发到导带和价带电子和空穴浓度为：则因为杂质激发到导带和价带电子和空穴浓度为：由上可知，掺杂半导体载流子起源有：由上可知，掺杂半导体载流子起源有：（1 1）从价带到导带本征激发；）从价带到导带本征激发；（2 2）杂质离化贡献。）杂质离化贡献。第27页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.三、非平衡态载流子产生与复合三、非平衡态载流子产生与复合 外场（光照、电场等）作用下，载流子分布将偏离热平衡状态。外场（光照、电场等）作用下，载流子分布将偏离热平衡状态。（1）非平衡载流子产生）非平衡载流子产生 非平衡载流子浓度是非平衡稳态与热平衡稳态载流子浓度之差。非平衡载流子浓度是非平衡稳态与热平衡稳态载流子浓度之差。对于太阳能电池而言，光照是电池运作原动力对于太阳能电池而言，光照是电池运作原动力。光在半导体中沿光照方向光在半导体中沿光照方向x处产生率处产生率G(x)定义为在单位时间、单定义为在单位时间、单 位体积内光吸收产生电子位体积内光吸收产生电子-空穴对数，单位为空穴对数，单位为1/(cm3s)。对于频率为对于频率为0单色光吸收率单色光吸收率(0)，产生率为：，产生率为：第28页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.讨论太阳光在半导体中沿光照方向讨论太阳光在半导体中沿光照方向x产生率产生率G(,x)应该是上式在应该是上式在 g积分：积分：式中：式中：Q()太阳光子流密度光谱分布，代表单位面积、单太阳光子流密度光谱分布，代表单位面积、单 位时间入射太阳光中、能量为位时间入射太阳光中、能量为 光子数。光子数。式中：I0入射光强 R(0)光反射系数 (0)光吸收系数 (0)量子效率，指一个光子激发电子-空穴对概率第29页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（2）非平衡载流子复合）非平衡载流子复合产生产生 复合复合 复合按复合路径分类复合按复合路径分类 直接复合直接复合 间接复合间接复合 第30页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.复合按能量释放方式分类复合按能量释放方式分类 辐射复合辐射复合 俄歇复合俄歇复合 非辐射复合非辐射复合 非平衡载流子寿命，即非平衡载流子浓度降低到非平衡载流子寿命，即非平衡载流子浓度降低到1/e所需时间，所需时间，也为非平衡载流子在导带或价带平均存在时间也为非平衡载流子在导带或价带平均存在时间。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命是由复合过程确定，是材料主要标志之一。是由复合过程确定，是材料主要标志之一。在一定温度下，电子和空穴产生与复合是同时存在，且热平衡在一定温度下，电子和空穴产生与复合是同时存在，且热平衡 状态时，产生率等于复合率。状态时，产生率等于复合率。表面和界面复合表面和界面复合 第31页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.A.直接带之间辐射复合直接带之间辐射复合 直接带之间复合往往是与辐射复合联络在一起，导带中电直接带之间复合往往是与辐射复合联络在一起，导带中电 子向下跃迁与价带空穴相遇，电子子向下跃迁与价带空穴相遇，电子-空穴对消失并发射一个光子。空穴对消失并发射一个光子。在直接带隙材料中，复合过程没有动量改变，故而直接在直接带隙材料中，复合过程没有动量改变，故而直接 复合概率高。复合概率高。复合率复合率R：单位时间、单位体积复合电子与空穴数。：单位时间、单位体积复合电子与空穴数。式中：式中：rrad 辐射系数辐射系数净复合率净复合率U：式中：式中：G0热产生率热产生率第32页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.p型半导体（型半导体（n0p0）有：）有：表明净复合率表明净复合率Urad正比于非平衡少数载流子浓度。正比于非平衡少数载流子浓度。n型半导体（型半导体（p0n0）有：）有：第33页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.B.经过复合中心间接复合经过复合中心间接复合 非平衡载流子经过带隙中缺点或杂质能级复合是实际半导体中最非平衡载流子经过带隙中缺点或杂质能级复合是实际半导体中最主要复合。主要复合。对于对于Ge，Si这类间接带隙半导体材料，经过复合中心间接复合是这类间接带隙半导体材料，经过复合中心间接复合是复合主要路径。复合主要路径。净复合率净复合率U：式中：式中：n,SHR及及p,SHR分别为电子与空穴寿命分别为电子与空穴寿命第34页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.C.俄歇复合俄歇复合 俄歇效应是三粒子效应，在半导体中，电子与空穴复合时，把能量俄歇效应是三粒子效应，在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量经过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴，造成该电子或者或者动量经过碰撞转移给另一个电子或者另一个空穴，造成该电子或者空穴跃迁复合过程叫俄歇复合。空穴跃迁复合过程叫俄歇复合。对两个电子与一个空穴碰撞，复合率为：对两个电子与一个空穴碰撞，复合率为：对两个空穴与一个电子碰撞，复合率为：对两个空穴与一个电子碰撞，复合率为：式中：式中：raug 俄歇复合系数俄歇复合系数俄歇复合寿命：俄歇复合寿命：第35页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.D.表面和界面复合表面和界面复合单位面积、单位时间表面复合率单位面积、单位时间表面复合率US为：为：对于对于n型半导体，表面复合率可简写为：型半导体，表面复合率可简写为：对于对于p型半导体，表面复合率可简写为：型半导体，表面复合率可简写为：第36页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（3）非平衡载流子浓度）非平衡载流子浓度 对处于准热平衡导带和价带，分别引入电子和空穴准费对处于准热平衡导带和价带，分别引入电子和空穴准费 米能级米能级EFn和和EFp，导带和价带非平衡载流子分布遵照下式：，导带和价带非平衡载流子分布遵照下式：此时非平衡载流子浓度可表示为：此时非平衡载流子浓度可表示为：第37页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.四、载流子输运性质四、载流子输运性质外载流子两种输运机制：外载流子两种输运机制：漂移运动：由电场引发载流子运动。漂移运动：由电场引发载流子运动。扩散运动：由浓度梯度引发载流子流动。扩散运动：由浓度梯度引发载流子流动。温度梯度也能引发载流子运动，但较小，可忽略。温度梯度也能引发载流子运动，但较小，可忽略。（1）漂移运动与迁移率）漂移运动与迁移率 在电场作用下，自由空穴沿电场方向漂移，或电子逆电场方向漂在电场作用下，自由空穴沿电场方向漂移，或电子逆电场方向漂 移，均将形成电流。移，均将形成电流。对于一个恒定电场，漂移运动速度对于一个恒定电场，漂移运动速度D与电场强度与电场强度E成正比：成正比：式中：式中：迁移率迁移率，即单位电场下载流子漂移速率，即单位电场下载流子漂移速率 第38页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.电子浓度为电子浓度为n漂移电流密度漂移电流密度Jn|drf：空穴密度为空穴密度为p漂移电流密度漂移电流密度Jp|drf：n型和型和p型半导体导电率分别表示为：型半导体导电率分别表示为：总漂移电流密度总漂移电流密度Jdrf为：为：总电导率为：总电导率为：第39页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.迁移率：单位电场下载流子漂移速率，其单位为迁移率：单位电场下载流子漂移速率，其单位为cm2/(VS)。迁移率正比于迁移率正比于，反比于载流子有效质量：，反比于载流子有效质量：影响载流子迁移率影响载流子迁移率 两种散射机制两种散射机制晶格散射（声子散射）晶格散射（声子散射）电离杂质散射电离杂质散射第40页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（2）载流子扩散运动）载流子扩散运动 当固体中离子浓度（原子、分子、电子、空穴等）在空间分布不均匀当固体中离子浓度（原子、分子、电子、空穴等）在空间分布不均匀 时，将发生扩散运动。时，将发生扩散运动。电子扩散电流密度电子扩散电流密度Jn|dif：空穴扩散电流密度空穴扩散电流密度Jp|dif：式中：式中：Dn、Dp分别为电子和空穴扩散系数，单位是分别为电子和空穴扩散系数，单位是cm2/s。材料迁移率与扩散系数之间应满足爱因斯坦关系：材料迁移率与扩散系数之间应满足爱因斯坦关系：第41页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.（3）非平衡载流子扩散与漂移基本方程）非平衡载流子扩散与漂移基本方程 因为外场注入，表面与体内差异或材料掺杂不均匀等，因为外场注入，表面与体内差异或材料掺杂不均匀等，非平衡载流子空间分布通常是不均匀，扩散与漂移同时存在。非平衡载流子空间分布通常是不均匀，扩散与漂移同时存在。考虑一维情况，电子与空穴电流密度考虑一维情况，电子与空穴电流密度Jn，Jp分别为：分别为：应用爱因斯坦关系，则总电流密度方程为：应用爱因斯坦关系，则总电流密度方程为：第42页Schl.of Optoelectronic Inform.“光电探测与传感集成技术光电探测与传感集成技术”教育部国防重点试验室教育部国防重点试验室 State Key Lab.of ETFID “电子薄膜与集成器件电子薄膜与集成器件”国家重点试验室国家重点试验室.在稳态情况在稳态情况
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