能带理论用来详细解释PN结形成和光生伏特原理-也很有用.doc

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（EF）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EEF时，f(E) 1/2；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%。EF是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级 2、p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。 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的p-n结的能级状态。此时，P型区域和n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 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。 补充：金属塑性变形其他形式：注意：共晶反应是由液相中析出不同的固相 4 能理解 图3.6.2 没有光照的时候 扩散运动 扩散运动 没有光照的时候 没有光照的时候 有光照的时候 【】内的内容在看见上图以后还是不明白