《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第二章-3.pdf

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1、第二章半导体基础2.13半导体中电子态和能带2.2半导体中的杂质与缺陷2.33平衡状态载流子分布2.4非平衡载流子的产生与复合2.53漂移电流与扩散电流2.6载流子输运方程2中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流平衡状态没有外界影响(如电压、电场、磁场或温度梯度)作用在半导体上的状态，称为平衡状态。平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级E，此时的平衡载流F子浓度n和p唯一由E决定。平衡态非简并半导体的n和p乘积为：00F00Eg2npNNexp()n00CVikT称np=n2

2、为非简并半导体平衡态判据式。00i3中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流非平衡状态处于准平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n和p，可以比它们多出00一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子，用∆n和∆p分别表示过剩电子和过剩空穴浓度。一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多子浓度小得多。对于N型半导体，∆n远小于n，∆p远小于n，满足这个条件的注入称为小注入。00nnne(EFEi)/kBTippne(EiEF)/kBTi2Δμ/

3、kBTnpneinpEEFF表征了材料偏离平衡态的程度修正的载流子分布4中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流光注入必然导致半导体电导率增大，即引起附加电导率ΔσΔnqμΔpqμnpΔpq(μμ)Δnq(μμ)npnp除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的电注入。5中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流在准热平衡状态，半导体材料中的电子和空穴的电流nJ（r）μnEnnFpJ（r）μpEppF

4、如何求？？？nNpN由ln(C)和ln(V)EEkTEEkTFCBFvBnpnkTEEχ得＋BnlnCvacEEkTNFCnBCEEχEVvacgpkTBEEpkTlnN૚FVpBVࡲൌࢺࡱ࢜ࢇࢉࢗJ(r)qDnμn(qFχkTlnN)ࢗࡰnnnBCࣆൌ࢑ࢀJ(r)qDpμp(qFχEkTlnN)pppgBV6中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流J(r)qDnμn(qFχkTlnN)nnnB

5、CJ(r)qDpμp(qFχEkTlnN)pppgBV电子亲和势、带隙和有效状态密度的梯度，产生了除外电场强度以外的有效电场，但在成分均匀的半导体材料中，有效电场可以忽略，所以漂移、扩散电流：J(r)qDnqμFnnnnJ(r)qDpqμFpppp电子电流和空穴电流都具有2项：电场强度引起的漂移电流和载D和D分别为电子流子浓度梯度引起的扩散电流np和空穴的扩散系数7中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流漂移电流Jdrift(r)q(μnnμ

6、pp)F扩散电流Jdiff(r)q(DnnDPp)漂移电流使半导体实现更小的电势，扩散电流使半导体实现更小的统计分布势能。8中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流漂移电流Jdrift(r)q(μnnμpp)Fp-型光子能量大于禁带n-型宽度时，即hν≥Eg费米能级hν导带电子和价带空穴电荷相反，由于相反典型，两种漂移载流子产生的漂移电流J方向相同，drift相互增强。9中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流扩散电流J(r)q(DnDp)diff

7、nP各向同性均匀掺杂的半导体，扩散电流由载流子的浓度梯度引起，但是扩散的导带电子和价带空穴运动方向相同，由于具有相反电性，两种扩散载流子产生的扩散电流J方向相反，相互抵消。drift如果要产生较大的扩散电流，要求导带电子浓度的梯度和空穴浓度的梯度相差较大，此时可以通过不同掺杂半导体的组合来实现。10中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流在准热平衡状态，半导体材料中的电子和空穴，在外场作用下会产生输运现象。在电场作用下，自由空穴沿电场方向的漂移，或电子逆电场方向的漂移，均将形成电流。输

8、运过程遵从玻尔兹曼方程和驰豫时间近似理论。外载流子两种输运机制：漂移运动：由电场引起的载流子运动。扩散运动：由浓度梯度引起的载流子流动。温度梯度也能引起载流子运动，但较小，可忽略。11中国科学院半导体研究所张兴旺2.5漂移电流与扩散电流kT爱因斯坦关系式(Einsteinrelation)：Dnμnq意义：它把描述半导体中载流子扩散及漂移运输特征的两个重要常数(扩散系数及迁移率)联系起来。如何证明爱因斯坦关系式？EqVEJJ0fcdiffdriftnNexp[]ck