（精）第10章半导体电化学与光电化学基础.ppt

2.半导体/溶液界面电容 图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎 x x 3.费米能级的 “钉扎” 4.表面态的来源与类型 ⑴本征表面态 ⑵非本征表面态 10.3半导体/溶液界面上的电荷传递 10.3.1平衡电位下的电荷传递 1.半导体/溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流的贡献 图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁 （a）能带结构 （b）正逆反应的电流密度 2.交换电流密度j0 3. 平衡电位下的电荷传递特点 * 电 化 学 原 理 * 第10章半导体电化学与光电化学基础 10.1半导体的基本性质 10.1.1半导体的能带结构简介 1、半导体中的能带结构及载流子种类 图10.1价带、导带和禁带 能带 价带 导带 禁带 能带 ⑴半导体中的能带结构 图10.2价带中的电子被激发到导带 ⑵半导体中的载流子 ②空穴 ①电子 2、本征半导体、施主能级、受主能级、N型和P型半导体 不含任何杂质，没有缺陷的半导体称为本征半导体 能够向半导体导带中提供电子的杂质原子称为施主能级 能够接受或捕获半导体价带中电子的杂质原子称为受主能级 图10.3施主能级和受主能级 （a）施主与N型半导体的能带 （b）受主与P型半导体的能带 + + + + 10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布 半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴。通常，导带底和价带顶的状态密度函数Z(E)随电子能量E关系为： 半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分布规律分布在不同量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据的几率分别为： 导带中电子浓度为： 导带中的有效状态密度 半导体载流子的浓度积为： 价带中空穴浓度为： 价带中的有效状态密度 1、本征半导体的费米能级与载流子浓度 本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等，即满足 本征半导体的费米能级 （a）本征半导体能带结构 本征半导体的载流子浓度 2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度 载流子浓度 ⑴N型半导体 （b）N型半导体能带结构 施主浓度 掺杂后半导体的费米能级 空穴浓度 ⑵P型半导体 （c）P型半导体能带结构 载流子浓度 少子（电子）浓度 掺杂后半导体的费米能级 10.2半导体/溶液界面的结构与性质 10.2.1半导体/溶液界面的结构与性质 1、半导体/溶液界面接触时的能带结构 动态平衡 图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化 E电子能量 N型半导体 溶液 (a)溶液接触前 E电子能量 N型半导体 溶液 (b)溶液接触后 N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理， P型半导体能带一般从本体到表面向下弯曲。 2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲 （a）空间电荷层 N型半导体 溶液 0 x - + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - OHP 界面 空间电荷层 ⑴空间电荷层 ⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度 ①电位分布与能带弯曲的方向取决于初始 的相对位置。 由于标度不同，电位标的正方向与电子能级标的正方向恰恰相反。 ②实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩余电荷，作为半导体/溶液界面双电层的其他来源。 （b）界面电位分布 N型半导体 溶液 0 x OHP 空间电荷层 E N型半导体 溶液 (c)能带弯曲 空间电荷层 0 ③ “自发”形成的双电层结构，同金属电极一样，也可以由外电源充电形成界面双电层。此时界面结构与能带弯曲取决于充电形成的电极电位。 10.2.2空间电荷层的不同表现形式 1、积累层（富集层）及其特点 空间电荷层的存在是半导体电极界面结构的一个最基本特征。通过对半导体电极施加外电势，可以对其空间电荷层进行调节。不同电极电位及其引起的能带弯曲不同，可以导致三种形式的空间电荷层。 0 x 空间电荷层 (a)积累层 x 空间电荷层 ⑴电位和能带弯曲 ⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律 ⑶积累层中，负的空间电荷是由于过剩的导带电子组成，故此层载流子类型与本体相同，但浓度更高，因此其导电性明显增加。 2、耗尽层的特点 (c)耗尽层 0 x 空间电荷层 x 空间电荷层 N型半导体与溶液接触时，当不施加外电场时通常形成耗尽层。 3、反型层 (d)反型层 0 x 空间电荷层 x 空间电荷层 N型半导体和表面能量差进一步增加时，电极/溶液界面处的能带弯曲进一步加大，形成所谓的反型层。 4、平带 (b)平带 0 x x 10.2.3半导体/溶液界面的电位分布 1.半导体/溶液界面半导体一侧空间电荷层的电位分布 图10.8半导体/溶液界面的电位分布 半导体 溶液 x