精华-半导体与PN结课件.ppt

1、第二章：半导体与第二章：半导体与PN结结2022-12-16UNSW新南威尔士大学1 2.1简介简介 2.2基本原理基本原理 2.3载流子的产生载流子的产生 2.4载流子的复合载流子的复合 2.5载流子的运动载流子的运动 2.6 PN结结 2.1 简介简介 一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以用来解释用来解释PN结的运作机制。结的

2、运作机制。PN结结不仅是太阳能电池的核心不仅是太阳能电池的核心基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基础。础。2022-12-162 右图是一个右图是一个硅锭硅锭，由，由一个大的单晶硅组成，这一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导薄片然后被制成不同半导体器件，包括太阳能电池体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。和电脑芯片。2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性的结构键合在

3、一起，然后排列成型，借此，每个原子都被的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被8个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子），而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量，因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个

4、电子都占据着特定的能级。着特定的能级。2022-12-163 半导体材料可以来自元素周期表中的半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或族元素，或者是者是族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做-型半导型半导体体 ），还可以是），还可以是族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做-型半导体型半导体 ）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（集成电路（ICIC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关材多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关

5、材料性能将在料性能将在硅的材料性质硅的材料性质一节给出。一节给出。4 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构右图展示了一种半导右图展示了一种半导体的结构。体的结构。硅晶格中硅晶格中的共价键示意图。的共价键示意图。硅原子硅原子共价键共价键 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 上图是元素周期表的一部分。相同半导体材料以蓝色上图是元素周期表的一部分。相同半导体材料以蓝色字体显示。半导体可以由单原子构成，如字体显示。半导体可以由单原子构成，如Si或或Ge，化合物，化合物，如如GaAs、InP、CdTe，还可以是合金，如，还可以是合金，如SixGe（1-x）或或A

6、lxGa（1-x）As。其中其中X是元素的组分，数值从是元素的组分，数值从0到到1。半导体的半导体的价键结构价键结构决定了半导体材料的性能。一个决定了半导体材料的性能。一个关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的一个电子来与之共用，这样，每个原子便被一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8个电子包个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此

7、它围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其它与太阳能电池相关的物理过程。它与太阳能电池相关的物理过程。2022-12-166 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 然而，只有在然而，只有在绝对零度绝对零度的时候才会让全部电子的

8、时候才会让全部电子都束缚在价键中。都束缚在价键中。在在高温高温下，电子能够获得足够下，电子能够获得足够的能量的能量摆脱共价键摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由，而当它成功摆脱后，便能自由地在晶格之间运动并参与导电。在室温下，半导体地在晶格之间运动并参与导电。在室温下，半导体拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电子的最低能量态是其处在价

9、带的时候。然而，如果电子的最低能量态是其处在价带的时候。然而，如果电子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导进入导带成为自由电子带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能。电子不能处在这两个能带之间的能量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低限度，这个最低能量值被叫做半导体的限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带禁带”。自自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础由电子的数量和能量是研究电子器件性能

10、的基础。电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做做“空穴空穴”，它与电子相似但是带正电荷。，它与电子相似但是带正电荷。9 右边动画展示右边动画展示了当电子能够逃脱共了当电子能够逃脱共价键时自由电子和空价键时自由电子和空穴是如何形成的穴是如何形成的 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：对于太阳能电池来说，半导体最重要的参

11、数是：1.禁带宽度禁带宽度 2.能参与导电的自由载流子的数目能参与导电的自由载流子的数目 3.当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复 合。合。关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。2022-12-16UNSW新南威尔士大学10 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体的半导体的禁带宽度禁带宽度是指一个电子从价带运动是指一个电子从价带运动到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。半导体的价键结构显示了（半导体的价键结构显示了（y

12、轴）电子的能量，此轴）电子的能量，此图也被叫做图也被叫做“能带图能带图”。半导体中比较低的能级被。半导体中比较低的能级被叫做叫做“价带价带”（Ev valence band），而处于其中的），而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫电子能被看成自由电子的能级叫“导带导带”（Ec）。）。处于导带和价带之间的便是禁带（处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。）了。2.2.2 基本原理基本原理-禁带禁带 2.2.2 基本原理基本原理-禁带禁带2022-12-16UNSW新南威尔士大学12 固体中电子的能固体中电子的能带示意图。带示意图。一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并一旦进入导带，电子将自

13、由地在半导体中运动并参与导电参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运动的空位，叫做给电子的不断运动的空位，叫做“空穴空穴”，也可以看，也可以看作在晶格间运动的正电荷。作在晶格间运动的正电荷。2022-12-16UNSW新南威尔士大学13 2.2.2 基本原理基本原理

14、-禁带禁带 2.2.2 基本原理基本原理-禁带禁带 因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴电子和空穴都能参与导电并都能参与导电并都称为都称为“载流子载流子”。移动的移动的“空穴空穴”这一概念有点类似于液体中的气这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。2.2.3 基本原理基本原理 -本征载流子浓度本征载流子浓度

15、把电子从价带移向导带的把电子从价带移向导带的热激发热激发使得价带和导带使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度本征载流子浓度，用符号用符号ni表示表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做导体材料叫做本征材料本征材料。本征载流子浓度就是指本征材。本征载流子浓度就是指本征材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此

16、宽禁带的本征得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。2022-12-1615导带导带价带价带 2.2.3 基本原理基本原理 -本征载流子浓度本征载流子浓度 下图显示了下图显示了两个温度下两个温度下的半导体本征载流子浓度。需的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。都是相等的。室温室温高温高温 2.2

17、.4 基本原理基本原理-掺杂掺杂 通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数的电子数目比

18、本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子多子”，相反，相反，浓度低的载流子就叫浓度低的载流子就叫“少子少子”。2022-12-16UNSW新南威尔士大学17 2.2.4 基本原理基本原理-掺杂掺杂 下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和型和p型半导体。型半导体。2022-12-1619下表总结了不同类型半导体的特性下表总结了不同类型半导体的特性P型（正）型（正）N型（负）型（负）

19、掺杂掺杂族元素族元素（如硼）（如硼）族元素族元素（如磷）（如磷）价键价键失去一个电子失去一个电子（空穴）（空穴）多出一个电子多出一个电子多子多子空穴空穴电子电子少子少子电子电子空穴空穴 2.2.4 基本原理基本原理-掺杂掺杂 下面的动画展示了下面的动画展示了p型硅与型硅与n型硅。在一块典型的半导体型硅。在一块典型的半导体中，中，多子浓度可能达到多子浓度可能达到1017cm-3，少子浓度则为少子浓度则为106cm-3。这。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以球总的人口数目的比

20、还要小。少子既可以通过热激发又可以通过光照产生。通过光照产生。2022-12-16UNSW新南威尔士大学20N型半导体。之所以叫型半导体。之所以叫n型是因为多型是因为多子是带负电的电子（子是带负电的电子（Negatively charged electrons）。）。P型半导体。之所以叫型半导体。之所以叫p型是因为型是因为多子是带正电的空穴（多子是带正电的空穴（Positively charged holes）。2.2.4 基本原理基本原理-掺杂掺杂 2.2.5 基本原理基本原理-平衡载流子浓度平衡载流子浓度 在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度在没有外加偏压的情况下，导带和价带中

21、的载流子浓度就叫就叫本征载流子浓度本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。流子的浓度。在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用质量作用定律定律可得其数学表达式。可得其数学表达式。n0p0

22、=n2i 式中式中ni表示本征载流子浓度表示本征载流子浓度，n0和和p0分别为电子和空穴分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。的平衡载流子浓度。2022-12-16UNSW新南威尔士大学21 2.2.5 基本原理基本原理-平衡载流子浓度平衡载流子浓度使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空

23、穴，空穴的数目随之下降。空穴的数目随之下降。n型型 n0=NDP0=n2i/ND p型型 P0=NAn0=n2i/NA 下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。N型半导体材料型半导体材料低掺杂低掺杂高掺杂高掺杂价带价带价带价带导带导带导带导带 2.2.5 基本原理基本原理-平衡载流子浓度平衡载流子浓度 2.3.1 载流子的产生载流子的产生-光的吸收光的吸收 入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体

24、材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：体禁带宽度的比较，入射到半导体

25、材料的光子可以分为三种：1.EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。2022-12-16UNSW新南威尔士大学24 下面的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体下面的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体内产生的效应。内产生的效应。2022-12-16UNSW新南威尔士大学25 2.3.1 载流子的产生载流子的产生-光的吸收光的吸收 2.3.1 载流子的产生载流子的产生-光的吸收光的吸收 对光的吸收即产生了多子又产生少子。对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很在很多光伏应用中多光伏应用中，光生载流子的数目光生载流子的数目要比由于掺杂要比由于掺杂而产生

26、的多子的数目而产生的多子的数目低低几个数量级。因此，在被几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要生的少子的数目要远高于远高于原本无光照时的光子数原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。几乎等于光产生的少子数目。2.3.2 载流子的产生载流子的产生-吸收系数吸收系数 吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸收

27、之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。没

28、被吸收了。2.3.2 载流子的产生载流子的产生-吸收系数吸收系数砷化镓砷化镓磷化铟磷化铟锗锗硅硅下图显示几种半导体材料的吸收系数：下图显示几种半导体材料的吸收系数：四种不同半导体四种不同半导体在温度为在温度为300K时的吸收系数时的吸收系数，实验在真空环境下进行。，实验在真空环境下进行。该图表明该图表明，即使是，即使是那些能量比禁带宽度高那些能量比禁带宽度高的光子，它们的吸收系的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联而是与波长有密切的联系。系。一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用一个光子被吸收的概率取决于这个光子能与电子作用（即把电子从价带转移

29、到导带）的可能性。对于一个能量（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为运动到导带后的电子又

30、很快因为热作用回到导带的边缘。运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。硅的其它光学性质在硅的其它光学性质在硅的光学性质硅的光学性质一节中给出。一节中给出。2022-12-16UNSW新南威尔士大学29 2.3.2 载流子的产生载流子的产生-吸收系数吸收系数 2.3.3 载流子的产生载流子的产生-吸收深度吸收深度 吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不同。下面将给出另完全吸收之前进入半导体的深度的不同。下面将给出另一个参数一个参数-吸收深度吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即，它与吸收系数成反比例关系，即为

31、为-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光在其能量下降到最初强度的大概在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说（或者说1/e）的）的时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。能被硅吸收。2022-

32、12-16UNSW新南威尔士大学30 2.3.3 载流子的产生载流子的产生-吸收深度吸收深度 蓝光在离表面非常近处蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收。器件的深处才被吸收。动画显示了红光与蓝光的动画显示了红光与蓝光的吸收深度的不同。吸收深度的不同。下图显示了几种半导体的吸收深度：下图显示了几种半导体的吸收深度：2022-12-1632 2.3.3 载流子的产生载流子的产生-吸收深度吸收深度 2.3.4 载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 生成率生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反

33、射，半导体材料吸收光线的多少决定于吸收数目。忽略反射，半导体材料吸收光线的多少决定于吸收系数（系数（单位为单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算：中光的强度可以通过以下的方程计算：I=I0e-x 式中式中为材料的吸收系数，单位通常为为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入为光入射到材料的深度，射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。为光在材料表面的功率强度。该方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对该方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目的数目。2022-12-16UNSW新南威尔士大学33 假

34、设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进体材料生成的电子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即 G=N0e-x 其中其中N0为表面的光子通量（光子为表面的光子通量（光子/单位面积单位面积.秒）秒）为吸收系数，为吸收系数，x为进入材料的距离。为进入材料的距离。方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数方程显示，光的强度随着在

35、材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。下降，即材料表面的生成率是最高的。2022-12-1634 2.3.4 载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 2.3.4 载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 对于光伏应用来说对于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长光的生成率也是不同的。下的光组成的，因此不同波长光的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。计算一系列不同波长的光的生成率时，净的生成率等于每种波计算一系列不同波长的光的生成率时，净的生成率等于每种波长的总和

36、。下图显示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同长的总和。下图显示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成率大小。深度的生成率大小。Y轴的范围大小是成对数的轴的范围大小是成对数的，显示着在电，显示着在电池表面产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生池表面产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。成率几乎是常数。2022-12-1636 2.3.4 载流子的产生载流子的产生-生成率生成率 2.4.1 复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须

37、移回到一个空的价带回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种：过程大致可以分为三种：辐射复合辐射复合 俄歇复合俄歇复合 肖克莱肖克莱-雷德雷德-霍尔复合霍尔复合这些复合在右边的动画中都有这些复合在右边的动画中都有描述。描述。2022-12-16 辐射复合辐射复合 辐射复合是辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而，

38、对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合制。然而，对于由硅制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：1）在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个）在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个 光子。光子。2）释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，）释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。大部分能够飞出半导体。2022-12-16UNSW新南

39、威尔士大学38 2.4.1 复合理论复合理论-复合的类型复合的类型通过复合中心的复合通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德莱德-霍尔或霍尔或SRH复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。SRH复合过程分为两步：复合过程分为两步：1）一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的）一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要么是故意一个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要么是故意加入加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。到材料当中去的

40、，比如往材料中掺杂。2.4.1 复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 2）如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也）如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两能带（导带和禁带）的距离。因此，如果一个能级被引入两能带（导带和禁带）的距离。因此，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，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

41、带去，而不是与从价带移动到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。基于这个因素，处在禁带中间的能同一个能级的空穴复合。基于这个因素，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。级发生复合的概率最大。2022-12-16UNSW新南威尔士大学40 2.4.1 复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 俄歇复合俄歇复合 一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个光子与一个一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个光子与一个空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第三个载流子，即在导带中的电子。出去

42、，而是把它传给了第三个载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式的复合形式。2022-12-16UNSW新南威尔士大学41 2.4.1 复合理论复合理论-复合的类型复合的类型 如果半导体中少子的数目因为外界的短暂激发而在原来平如果半导体中少子的数目因为外界的短暂激发而在原来平衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衰退回原本平衡时的状态。在太阳

43、能电池中一个重要的参数是衰退回原本平衡时的状态。在太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，这样也叫做复合发生的速率，这样也叫做”复合率复合率”。复合率决定于额外。复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。“少少子寿命子寿命”（用符号（用符号 和和 表示）是指产生电子空穴对之后处在表示）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能存在的平均时间。还有一个相激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。还有一个相关的参数关的参数少子少子扩散长度扩散长度，是指在复合之前一个载流子从产生，是指在复合之前一个载流子从产

44、生处开始运动的处开始运动的平均路程平均路程。pn 2.4.2 复合理论复合理论-扩散长度扩散长度2022-12-16UNSW新南威尔士大学42 少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，SRH复合是主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存复合是主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，SRH复合的速率也将随着增加。另外，因为俄歇复合更多复合的速率也将

45、随着增加。另外，因为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。此外，生成半导体薄片的方法和过随着掺杂的增加而增强。此外，生成半导体薄片的方法和过程对扩散长度也有重要影响。程对扩散长度也有重要影响。2.4.2 复合理论复合理论-扩散长度扩散长度2022-12-16UNSW新南威尔士大学44 右图为高效率的右图为高效率的PERL（NSW特有特有技术技术）多晶硅太阳能电池的比色图。）多晶硅太阳能电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于太阳能电池中扩散长度多

46、少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而引起的电池中不同区域的差的不同而引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的不同是由多晶硅材异，而扩散长度的不同是由多晶硅材料的晶界变化造成的。料的晶界变化造成的。在硅中，少子寿命可以达到在硅中，少子寿命可以达到1s。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在度通常在100-300m之间。这两个参之间。这两个参数表征了材料相对于电池应用的质量数表征了材料相对于电池应用的质量和适用度。和适用度。2.4.2 复合理论复合理论-扩散长度扩散长度 2.4.3 复合理论复合理论-表面复合表面复合 任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复

47、合。任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面存在着严重的晶格分裂，所以电池表面因为太阳能电池表面存在着严重的晶格分裂，所以电池表面是一个复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域是一个复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，某些区域的低载流的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，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，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。表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面表面复合率复合率”的单位为的单位为

48、cm/sec，被用来描述表面的复合。，被用来描述表面的复合。2022-12-16UNSW新南威尔士大学45半导体表面的挂键引起了此半导体表面的挂键引起了此处的高复合率。处的高复合率。在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目也为在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目也为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,向表面运向表面运动的载流子的速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半动的载流子的速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为导体来说最大速度为1107cm/sec。半导体表面的缺陷半导体表面的缺陷是由是由于晶格排列在表

49、面处的中断造成的，即于晶格排列在表面处的中断造成的，即在表面处产生挂键在表面处产生挂键。减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法也叫做接这些挂键，这种方法也叫做表面钝化表面钝化。2022-12-16UNSW新南威尔士大学46 2.4.3 复合理论复合理论-表面复合表面复合 2.5.1 载流子的运动载流子的运动 -半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动 导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，是因为它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况是因为

50、它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载流子在随机方向运动的距离长度叫做流子在随机方向运动的距离长度叫做散射长度散射长度。一旦与原子发。一旦与原子发生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。载流子的速度决定于晶格的温度载流子的速度决定于晶格的温度。在温度为。在温度为T 的半导体内的半导体内载流子的平均运动能量为载流子的平均运动能量为mv2/