光电化学课件-半导体物理基础

半导体的应用半导体的简单定义半导体的简单定义Asemiconductorisamaterialwhichhaselectricalconductivitybetweenthatofaelectricalconductivitybetweenthatofaconductorsuchascopperandthatofaninsulatorsuchasglass.Semiconductorsareinsulatorsuchasglass.Semiconductorsarethefoundationofmodernelectronics,includingtransistors,solarcells,light-includingtransistors,solarcells,lightemittingdiodes(LEDs),quantumdotsanddigitalandanalogintegratedcircuits.digitalandanalogintegratedcircuits.半导体光电化学课程的主要内容：半导体光电化学课程的主要内容：液结太阳能电池和太阳能分解水制氢晶体：原子或分子的在空间上周期性排列晶体：原子或分子的在空间上周期性排列四方Tetragonal正交Rhombic立方Cubic方六方单斜斜三方Rhombohedral六方Hexagonal单斜Monoclinic三斜TriclinicSi的晶胞GA的晶胞Si的晶胞GaAs的晶胞自由电子的薛定谔方程自由电子的薛定谔方程自由电子所遵守的薛定谔方程为自由电子所遵守的薛定谔方程为：)()(2Exd自由电子与时间因素无关因而波函)()(220xEdxxdm自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表示为：kxiAex2)()(波粒二象性粒子：波波粒二象性•粒子：质量为m0，速度为v•波：波数为k质为0，度为波数为kvmp0kp2211pvmE22kE0022mvmE02mE自由电子E(能量)与k(波矢)的关系自由电子E(能量)与k(波矢)的关系•自由电子的能量E与波矢k的关系呈抛物线形状E状。•波矢k可以描述自由电子的运动状态子的运动状态•不同的k值标志自由电•不同的k值标志自由电子的不同状态k•波矢k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所mk)(E22谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。m2晶体中的电子状态晶体中的电子状态在自由电子的薛定谔方程上再考虑个周•在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性势场)()(VV•晶体中电子所遵守的薛定谔方程为)()(saxVxV•晶体中电子所遵守的薛定谔方程为：)(22xd)()()()(m2-20xExxVdxxd晶体中电的与的关系晶体中电子的E与K的关系k)(2Emk)(E22Egk/a/a/a/a0布里渊区布里渊区•晶体中电子的能量E和波矢k的关系曲线基本和自晶体中子的能和波矢的关系曲线本和自由电子的关系曲线一样，但在nk)210(时能量出现不连续形成了系列的允带和禁ak2,......)2,1,0(n时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。•每一个布里渊区对应于一个允带•禁带出现在处即出现在布里渊区边界nk•禁带出现在处，即出现在布里渊区边界上ak2几种常见的电子填充状态几种常见的电子填充状态金属绝缘体半导体从原子到晶体的电子状态从原子到晶体的电子状态允带允带禁带禁带允带禁带原子能级能带半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷•本征半导体•n型半导体•n型半导体•p型半导体本征半导体本征半导体完全纯净结构完整•完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体导带电子征半导体。禁带•本征半导体也存在电子和空穴两种载流子价带空穴子和空穴两种载流子但电子数目和空穴•但电子数目n和空穴数目p一一对应，数相等量相等，n＝pN型半导体N型半导体•P是第V族元素，每是第族元素，每一个P原子具有5个价电子+4+4+4•P替位式掺入Si中，其中个价电和+4+4+4额外的电子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+4+4+5价键，还剩余一个价电子+4+4+4•相当于形成了一个正电中心P＋和一个多电中心P和个多余的价电子施主电离能和施主能级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ECEDE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EDEg以使它摆脱束缚，形成导电电子。EVEV－－价带能级•使价电子摆脱束缚所需要的能量称为杂质电离能EV价带能级EC－－导带能级ED－－施主能级E带隙宽度Eg－－带隙宽度DCDEEEMo掺杂的BiVO4Mo掺杂的BiVO4M6+替代V5+增加载流子浓度10Mo6+替代V5+增加载流子浓度10F2)pure3%Mo5010cm4/F1/C2(1-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.20Potential(Vvs.Ag/AgCl)P型半导体P型半导体•B是第III族元素，每一个B原子具有3个价电子•B替位式掺入Si中，当它和周围的原子形成了共价额外的空穴+4+4+4和周围的原子形成了共价键时，还缺少一个价电子，必须从别处硅原子中夺取一个价电子于是在硅晶额外的空穴+4+4+4+3个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴+4+4+4•相当于形成了一个负电中心B－和一个多余的空穴心和个多余的穴受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级•多余的空穴束缚在负电中心B-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EC的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电空穴。EDEg•使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能EVDAEEV－－价带能级EC－－导带能级ED－－施主能级VDAEEEDEg－－带隙宽度VDASi和GaAs中各种掺杂离子的杂质能级位置图浅能级掺杂与深能级掺杂CB浅能级掺杂与深能级掺杂CBMo6+/W6+Cr6+e-h+VBBiVO4BiVO4热平衡条件热平衡条件温度一定时两种载流子浓度乘积等于本征浓ni为本征载流子浓度温度定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。2nnpni为本征载流子浓度本征半导体200iinpnnnp本征半导体n型半导体200inninpnpp型半导体2ippnpnSi319)2exp(105.2cmkTEpngii)25(C2kT电中性条件电中性条件整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。nDnpNnN型半导体：pApnNpP型半导体：N型半导体P型半导体DnNnN型半导体ApNpP型半导体DininNnnnp22AiipNnpnn22本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质（原子比），已知硅的原子密度为5×1022/cm3，ni＝1.5×1010/cm3DnApNp求：掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化？半导体载流子的有效质量半导体载流子的有效质量211Edf*22*dkdhmn*nmfanm有效质量Si电子有效质量019m0空穴有效质量016m0Si电子有效质量0.19m0，空穴有效质量0.16m0GaAs电子有效质量0.067m0，空穴有效质量0.082m0霍尔效应霍尔效应•1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时发现导体在磁场中所受力的性质时，发现“电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势”这个效应后来被称为霍尔效应电动势这个效应后来被称为霍尔效应。•霍尔效应是测量半导体材料导电类型、载流子浓度和迁移率等基本性能的基础。流子浓度和迁移率等基本性能的基础。半导体霍尔效应示意图半导体霍尔效应示意图BZbfzIxvfBbdfEyP型半导体薄片长度为L宽度为bLdxP型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为d磁场方向(z方向）与薄片垂直，电流方向为方向向为x方向•空穴的运动方向和电流方向一致，沿x轴方向•空穴在运动过程中，受到洛仑兹力fB的作用（左手定则）在侧面形成正电荷积累而形成横向的电场E则），在y侧面形成正电荷积累，而形成横向的电场Ey。稳定时横向电场对空穴的作用力和洛仑兹力相平衡•稳定时，横向电场对空穴的作用力和洛仑兹力相平衡BEyffyEyqEfZxBBqvfyyEyZxBxxpqvJ霍尔系数p为空穴浓度，q电子电量，vx空穴迁移速度，Bz磁场强度，Ey为电场强度霍尔系数zxHzxzxyBJRBpqJBvERH1pqpqRH半导体中的载流子运动半导体中的载流子运动1.载流子的扩散运动浓度不均匀造成的xdp)(dxxdpDqJp)(Dp为空穴扩散系数2.载流子的飘移运动外加电场的作用dxxdVxpqJp)()(μp为空穴迁移率dx半导体的光学性质直接跃迁：间接跃迁能量守恒hEEEg'直接跃迁：间接跃迁：hEEEEEEpg''g动量守恒0'光子动量hkhkhqhqhkhk光子动量)'(例子：GaAs例子：Si直接跃迁：间接跃迁：2/1)()(gEhAh2)()(gEhAh直接跃迁：间接跃迁：gg半导体的带隙与吸收带边波长的关系半导体的带隙与吸收带边波长的关系EhE=hνc=λνcλλ =hc/E锐钛矿和金红石TiO2半导体的带隙为3.2eV和3.0eV,求其吸收带边分别是多少nm？求其吸收带边分别是多少nm？h=6.625*10-34J·SC=3*108m/sq=1.6*10-19C光的基本性质光色波长频率中心波长光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~6226601414108.4~109.3橙622~597610黄597~5775701414100.5~108.4141410451005黄597577570绿577~492540青92080104.5~100.51414101.6~104.51414青492~470480蓝470~4554601414104.6~101.61414106.6~104.6紫455~4004301414105.7~106.6u.)ux(a.uonfluPhot5001000150020002500300035004000Wavelength(nm)绿叶从利用太阳能的角度讲是非常不经济的半导体材料中其他光吸收半导体材料中其他光吸收1. 杂质吸收2. 自由载流子吸收半导体光生载流子的复合过程半导体光生载流子的复合过程1.直接复合导带电子直接落入价带与空穴复合2.间接复合电子空穴通过杂质能级复合3表面复合电子空穴通过杂质能级复合3.表面复合电子空穴通过表面能级复合4.俄歇复合电子空穴复合把能量传给另一个载流子，是这个载流子被激发到高能态金属-半导体接触前金属半导体接触前WWWsmWW0EWsmWCEnEE)(nsFE)(mFE)(VE金属半导体V金属-半导体接触后形成阻挡层形成阻挡层厚,高阻,对接触电阻影响很大金属半导体接触后形成阻挡层smWWEcPSqsmDWWqVFEEv金属和n型半导体接触能带图金属-半导体接触后形成反阻挡层金属半导体接触后形成反阻挡层反阻挡层薄高电导对接触电阻影响小WWEc反阻挡层薄,高电导,对接触电阻影响小smWWEcEFWs-Wm-WmEv金属和n型半导体接触能带图半导体/电解液接触半导体/电解液接触固液接触类似于金属与半导体形成阻挡层固液接触类似属与半导体形成阻挡层——肖特基接触P，N型半导体接触前P，N型半导体接触前多子电子多子—电子多子—空穴++++－－－－++++++++－－－－++++少子空穴－－－－少子电子少子—空穴少子—电子P型半导体N型半导体P型半导体N型半导体P，N半导体接触后因