第二章太阳能光电材料及物理基础ppt课件.ppt

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1、纲要半导体材料是什么半导体材料的物理基础什么样的半导体材料适合作为光伏材料光生伏特效应11.半导体材料是什么何谓半导体半导体材料的分类半导体材料的性质2何谓半导体导体，电阻率在1010Ω.cm以上，如各种金属半导体，电阻率在10-5到108Ω.cm，如硅，锗，硫化锌等等绝缘体：电阻率在10-6到10-5Ω.cm以下，如云母，水泥，玻璃，橡胶，塑料等等3半导体材料的分类按大范围，分为有机半导体，无机半导体，有机-无机半导体复合材料，以下仅介绍无机半导体分类组成元素类别可分为元素半导体，化合物半导体从晶体结构，晶体半导体，非晶半导体从特性和功能分，微电子材料，光电子材料，

2、光伏材料4半导体材料的性质杂质敏感性负的电阻率温度系数光敏性电场效应和磁场效应5材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制作中半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料62.半导体（光伏）材料的物理基础载流子的产生（能带，载流子）载流子的分离（pn结）7载流子的产生能带理论能级理论非平衡载流子8能带理论能带的形成载流子的定义9能带的形成波尔理论①核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量②基态：能量最低；能级：轨道的不同能量

3、态；激发态：电子被激发到高能量轨道上③激发态的电子不稳定，跃迁到低能级，以光的形式释放能量。电子原子核10基态激发态E1＝－13.6eVE2＝－3.4eVE3＝－1.51eVE4＝－0.85eV11晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠，结果导致：1.电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化”电子。2.原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带12原子能级能带允带禁带允带允带禁带13硅晶体能带的形成过程14晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化绝缘体、半导体和导体的简化能带图

4、a）绝缘体b）半导体c）导体Eg>6eV能带图的意义及简化表示15半导体能带简化表示a）能带简化表示b）能带最简化表示一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。16载流子自由电子自由空穴17+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流两种载流子动画一181.本征半导体中有两种载流子—自由电子和空穴2.在外电场的作用下，产生电流—电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场

5、方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi19半导体的导电特征导带上的电子参与导电价带上的空穴也参与导电半导体具有电子和空穴两种载流子金属只有电子一种载流子20能带理论（小结）能带的形成（能级交叠带来电子共有化以及能级分裂）自由电子和空穴21能级理论杂质半导体杂质能级费米能级22杂质半导体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半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质实际的半导

6、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，面缺陷23杂质半导体杂质半导体掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素如B、Al、In等，形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素如P、Sb等，形成N型半导体，也称电子型半导体24杂质半导体N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素如P。自由电子是多子空穴是少子杂质原子提供由热激发形成由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子25杂质半导体P型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3

7、在本征半导体中掺入三价元素如B。自由电子是少子空穴是多子杂质原子提供由热激发形成因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。262021/9/727下表总结了不同类型半导体的特性P型（正）N型（负）掺杂Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）价键失去一个电子（空穴）多出一个电子多子空穴电子少子电子空穴27杂质能级施主能级，受主能级深能级，浅能级28施主与受主杂质能级半导体的杂质能级和杂质的电离过程能带图EcEv引入贵，过渡金属杂质深能级掺杂浓度高则分别出现掺杂浓度低同时出现施主受主能级29深能级在半导体硅、锗中，除Ⅲ、Ⅴ族杂