《光伏原理第二章》ppt课件

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1、光伏原理及应用Lecturer:WeifengLiu刘维峰1第二章半导体材料的基本性质&2.1半导体的晶体结构&2.2半导体的能带结构&2.3半导体的杂质和缺陷&2.4半导体的电学性质&2.5半导体的光学性质2&2.1半导体的晶体结构2.1.1晶体2.1.2晶体结构2.1.3晶体类型3晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。&2.1半导体的晶体结构4晶胞参数我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元

2、叫晶胞。构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、β、γ称为晶胞参数。它们决定了晶胞的大小和形状。5七大晶系晶系晶轴夹角立方a=b=cα=β=γ=900四方a=b≠cα=β=γ=900正交a≠b≠cα=β=γ=900三方a=b=cα=β=γ≠900六方a=b≠cα=β=900，γ=1200单斜a≠b≠cα=γ=900，β≠900三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠9006立方Cubic四方Tetragonal正交Rhombic三方Rhombohedral六方Hexagonal单斜Monoclinic三斜Triclinic7密排堆积方式密堆积方式

3、因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。常见的密排堆积方式的种类有：简单立方堆积体心立方堆积面心立方堆积密排六方堆积金刚石型堆积8面心立方堆积9金刚石型堆积109º28´10半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO11晶体类型金属晶体通过金属键而形成的晶体离子晶体通过离子键而形成的晶体分子晶体通过分子间作用力而形成的晶体原子晶体通过共价键形成的晶体12&2.2半导体的能带结构13Si原子最外层有四个电子：3

4、s23p2硅原子基态3s3p激发态Sp3杂化态Sp3杂化理论143s3pz3py3px杂化前杂化后1516半导体的导带，价带和禁带宽度价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差导带价带Eg17禁带宽度禁带宽度(Bandgap):是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量

5、从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。18允许能态的占有几率关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子能级的分布服从费米－狄拉克统计分布规律。在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为k是玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K；T为绝对温度；EF为费米能级。19费米－狄拉克函数曲线当T>0（K）时，若E＝EF，f（E）＝0.5，因此通常把电子占据率为0.5的能级定义为费米能级。它不代表可为电子占据的真实能级，只是个参考能量。202.3半导体中的杂质和缺陷2.3.1本征半导体2.3.2n型半导体2.3.

6、3p型半导体212.3.1本征半导体完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。本征半导体也存在电子和空穴两种载流子但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，n＝p。价带导带禁带空穴传导电子22实际晶体不是理想情况1.原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附近振动；2.半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质；3.实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷232.3.2杂质半导体为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体，可以分为：N型半导体和P型半导体后面

7、以硅掺杂为例子进行说明硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，硅原子间以共价键的方式结合成晶体。242.3.3N型半导体P是第V族元素，每一个P原子具有5个价电子P替位式掺入Si中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子相当于形成了一个正电中心P＋和一个多余的价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5额外的电子25N型半导体的概念在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中

8、心，称为施主杂质。26施主电离能和施主能级多余的价电子束缚在正电中心P＋的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。使价