第三章-产生、复合及器件物理学的基本方程.ppt

3.4.2 俄歇复合（Auger） * 俄歇复合过程有三个载流子参与。一个电子与一个空穴复合后，把释放的能量传给了第三个载流子，如导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。 多余的能量传给导带中的电子 多余的能量传给价带中的电子 俄歇复合（Auger） * 俄歇复合是重掺杂材料的最主要的复合形式。 对于俄歇复合，特征寿命为： 少数载流子能带的电子激发 多数载流子能带的电子激发 3.4.3 经由陷阱的复合(SRH) * 半导体中的杂质和缺陷会在禁带间隙中产生允许能级，这个缺陷能级引起经由陷阱的复合。 经由陷阱的复合：电子从导带能级弛豫到缺陷能级，然后再弛豫到价带，最后与一个空穴复合。 载流子被俘获到缺陷能级的概率取决于能级到导带和禁带的距离。如果一个能级被引入到靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性将比较小，因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到同一个能级的空穴复合。由此可知，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。 少数载流子寿命 * 少子寿命：是指产生电子-空穴对之后，处在激发状态的载流子在复合之前存在的平均时间，用符号τp和τn表示。 一般来说，自由载流子寿命越长，电池的效率越高。 对于少数自由载流子数目少于掺杂数目的材料来说，自由载流子寿命τ和复合率U的关系是： 式中Δn为多出的少数载流子浓度，且有： 少子扩散长度 * 少子扩散长度：一个载流子从产生到复合之间运动的平均路程。 在硅中，少子寿命可以达到10μs。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在100-300μm之间。 扩散长度L和少子寿命τ的关系为： 式中：D为扩散率，单位为m2/s。 少子扩散长度 * 图为高效率的PERL多晶硅太阳能电池。比例系数代表着光生载流子的多少。不同区域的光生载流子数不同。 影响少数载流子寿命和扩散长度的因素 * 对于大多数太阳能电池，影响少数载流子寿命和扩散长度的因素为： 复合类型： 复合率： 复合率增加，扩散长度降低，少子寿命降低。 1. SHR复合为主要的复合过程。它的复合率取决于材料中的缺陷数量，所以当太阳能电池的掺杂量增加时，SHR复合率也将随之增加。 2. 俄歇复合更多的是在重掺杂和被加热的材料发生，所以俄歇复合过程也会随着掺杂的增加而增强。 3. 生成半导体薄片的方法和过程对扩散长度也有重要影响。 3.4.4 表面复合 * 太阳能电池表面存在严重的晶格缺陷，对照经由陷阱复合特点，可知电池表面位于禁带中的允许能态很多，复合率非常高。 高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散，因此表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，对大多数半导体来说最大速度为1×107cm/sec。 悬挂键 3.5 半导体器件物理学的基本方程 * 3.5.1 泊松方程 3.5.2 电流密度方程 3.5.3 连续性方程 3.5.1 泊松方程 * 泊松方程：一维情况下，电场E与电荷密度ρ之间的关系为 式中：ε为材料的介电常数。 p ：空穴浓度,价带中的空穴贡献正电荷； n ：电子浓度,导带中的电子贡献负电荷； ：已电离的施主浓度,已电离的施主杂质贡献正电荷； 由于 所以 ：已电离的受主浓度,已电离的受主杂质贡献负电荷。 3.5.2 电流密度方程 * 电子和空穴通过漂移和扩散作用对电流做出贡献。 电子和空穴的总电流密度为： 式中：μe、μh为迁移率，De、Dh为扩散常数。 漂移 扩散 3.5.3 连续性方程 * 电子净增加率=电子流入速率-电子流出速率 +电子产生率-电子复合率 稳态情况下，净增加率=0，所以 式中，G为外部作用所引起的净产生率，U是净复合率。 对于空穴来说： * * * * 第三章产生、复合及器件物理学的基本方程 南京理工大学 材料科学与工程学院 * 内容 3.3 其他吸收过程 3.2 光的吸收 3.1 光与半导体的相互作用 * 3.4 复合过程 3.5 半导体器件物理学的基本方程 * 光束入射到半导体时，将发生反射、吸收及透射现象。 3.1.1 吸收率和反射率 光子能量的吸收 * （1） 光子与半导体的相互作用很弱，半导体像是透明的，光子透射出半导体。 （3） 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能量被完全吸收。 （2） 光子能量被强烈吸收。 动画 光的吸收 导带 价带 禁带宽度 决定一个光子是被吸收还是透射的取决于：光子能量Eph 和 禁带宽度Eg。 吸光材料的折射率与反射率 * 折射率：