1、1能带理论在半导体光生伏特效应中的应用内 容能带理论在半导体光生伏特效应中的应用【本讲课程的内容】一、基础知识与概念1、费米能级的定义及其物理意义1）费米能级的定义：根据量子力学理论，具有半奇数自旋量子数（通常为 1/2）的费米子，如电子，遵循泡利不相容原理，即一个量子态只能被一个粒子所占据。因此，费米子在能级中的分布遵循费米-狄拉克分布。分布函数 f(E)是指电子(研究对象 )占据能带（导带）中某个能级的几率（电子的能量越往上越高） 。如果是讨论空穴载流子的话（空穴的能量越往下越高） ，那么就应当是相应于价带中某个能级所空出（即没有被电子占据）的几率。2）费米能级的物理意义：Fermi 能级
2、（E F）实际上起到了衡量能级被电子占据的几率大小的一个标准的作用。在 E1/2；在 EEF 时，f(E) 1/2；在 E=EF 时，f(E)=1/2。因此，EF 的高低（位置）就反映了能带中的某个能级是否被电子所占据的情况。Fermi 能级上电子占据的几率刚好为 50%。E F 是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级1(,FBEkTfe为 玻 尔 兹 曼 常 数 .能理解22、p 型和 n 型半导体中的能级分布特点对于绝缘体和半导体，Fermi 能级则处于禁带中间。特别是本征半导体和绝缘体，因为它们的的价带是填满了价电子（占据几率为 100%） 、导带是完全空着的（占据几率为 0%） ，
3、则它们的 Fermi 能级正好位于禁带中央（占据几率为 50%） 。即使温度升高时，本征激发而产生出了电子 -空穴对，但由于导带中增加的电子数等于价带中减少的电子数，则禁带中央的能级仍然是占据几率为50%，所以，本征半导体的 Fermi 能级的位置不随温度而变化，始终位于禁带中央。对于 n 型半导体，因为导带中有较多的电子（多数载流子） ，则 Fermi 能级 EF 必将靠近导带（Ec）底 ；同时，掺入施主杂质的浓度越高，Fermi 能级就越靠近导带底。对于 p 型半导体，因为价带中有较多的自由空穴（多数载流子） ，则 Fermi能级 EF 在价带（Ev）顶之上、并必将靠近 Ev；这时，价带中
4、越是靠近 Ef 的的能级，就被空穴占据的几率越大；同时，掺入受主的杂质浓度越高，Fermi能级就越靠近价带（Ev）顶。总之，凡是 Ef 靠近导带（Ec）底的半导体必将是电子导电为主的 n 型半导体，凡是 Ef 靠近价带（Ev ）顶的半导体必将是空穴导电为主的 p 型半导体。图 3.6.1 n 型和 p 型半导体的能级结构图补充：金属塑性变形其他形式：孪生3虽然严格来说，费米能等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。通俗地说，费密能级就像水平面一样。在一个相通系统中，水平面必须相等。比如说，有两个水桶，里面装的水量不一
5、样，水面高度也不一样。但如果用一根管子将两个水桶连通，两个水桶之间就会发生水流，最后使两个水桶的水平面一定会相等。费密能级也是这样。两个分立的材料，费密面可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终使费密能级相等。3、半导体光生伏特效应简介（太阳能电池）解释角度（能量）和PPT 角度有所不同首先考虑禁带宽度相等的 p 型半导体与 n 型半导体的结合情况，例如 p 型硅与 n 型硅的结合。如所示，受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的光生空穴载流子和电子载流子。当然，这些光生正、负电荷载流子还有可能再次相互结合。但【一部分光生电子( 载流子) 会移动到能
6、级较低的 n 型导带，光生空穴( 载流子) 会移动到能级较低的 p 型价带】 。其结果是在 n 型中负电荷增加，在 p 型中正电荷增加 ，形成电流。但是，这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反电位，而阻止正负电荷进一步积累。这种反电位与正负电荷移动趋势相互平衡所到达的平衡状态，就是该太阳能电池产生的电动势的最大值。注意：共晶反应是由液相中析出不同的固相【】内的内容在看见上图以后还是不明白图 3.6.24图 3.6.2 光生伏特效应示意图二、光生伏特效应的物理本质（详细介绍）1、 p-n 结中 p 型和 n 型半导体接触初始瞬间的能级状态在一个半导体中形成 p 型和 n 型
7、两个区域，p 型和 n 型的界面就是 p-n 结。图 3.6.3 表示 p-n 结在结合瞬间的能级状态。由于 P 型区域的费密能级低于 n 型区域的费密能级，电子就会从 n 型流向p 型，以提高 p 型区域的费米能级（千万要知道费米函数、费米能级研究对象都是电子） （见下图，就很好） 。另外，空穴也从 p 型流向 n 型。电子和空穴的这种扩散运动使得 n 型区域带正电（正离子区） ，p 型区域带负电（负离子区） 。所以，p 型半导体与 n 型半导体结合后，在接触面会形成局部电位差，这一电位差将阻碍载流子继续相互扩散。3.6.3 p-n 结在结合瞬间的能级状态图 3.6.4 表示处于热平衡状态下
8、的 p-n 结的能级状态。此时，P 型区域和 n没有光照的时候没有光照的时候扩散运动扩散运动5型区域的费密能级相等。在 p-n 结附近存在一个载流子耗尽区。在这个耗尽区n 型区域的载流子电子和 p 型区域的载流子相互结合而消失，在 n 型区域留下了不能移动的施主离子，在 p 型区域则留下了不能移动的受主离子。以接触面为界限 n 型区域有一个带正电的空间电荷层，在 p 型区域有一个带负电的空间电荷层。这个空间电荷层产生一个扩散电压。 （内建电场）图 3.6.4 处于热平衡状态下的 p-n 结的能级状态当太阳光射入到 p-n 结时，p 型区域和 n 型区域都有可能出现电子激发现象，如图 3.6.5
9、 所示。当太阳光射入到 p-n 结时，n 型区域的价带 Ev 电子被激发到导带 Ec 上后，就停留在 n 型的导带上，而由于 p-n 结的 p 型区域带 负 电的吸引作用 （负离子区） ，在 n 型价带上发生上述的同时形成的空穴，会迁移到能量更稳定的 p 型的价带上去。当太阳光射入到 p-n 结时，p 型区域的价电子被激发到导带 Ec 上后，由于 p-n 结的 n 型区域带正电的吸引作用 （正离子区） ，p 型区域的价电子将迁移到能量更稳定的 n 型的导带 Ec 上，而在 p 型区域价带 Ev上同时形成的空穴则停留在该价带 Ev 上。这样一来，p-n 结不仅能将光子能量没有光照的时候有光照的时候6转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置(p 型区域和 n 型区域) 上将正负电荷分离开来。如果在 p-n 结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。图 3.6.5 光生伏特过程示意图三、 运用能带理论巧妙设计太阳能电池1）异质结太阳能电池的朝向设计；2）纳米染料敏化太阳能电池。【本讲课程的小结】今天我们主要通过分析半导体的费米能级结构，结合费米能级的物理意义揭示太阳能电池的工作原理，为今后提高太阳能的光电效率提供了理论支持。7
