(教学培训课件)第二章-太阳能电池原理.ppt
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- 教学 培训 课件 第二 太阳能电池 原理
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1、ppt课件课件1第二章第二章 太阳能电池原理太阳能电池原理2.1 半导体物理基础半导体物理基础 2.2 光生伏特效应光生伏特效应2.3 金属金属-半导体接触和半导体接触和MIS结构结构2.4 太阳能电池结构及性能测试太阳能电池结构及性能测试2.5 太阳能电池材料分类太阳能电池材料分类ppt课件课件22.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.1半导体的能带结构1、原子的能级和晶体的能带制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复排列而成,相邻原子间距只有几个埃的量级。ppt课件课件3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,Zn
2、O,GaN,SiC纤锌矿型InN,GaN,ZnO,SiCNaCl型PbS,CdO2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件42.1 半导体物理基础半导体物理基础饱和性:饱和性:一个原子只能形成一定数目的共价键;方向性:方向性:原子只能在特定方向上形成共价键;晶体的结合形式晶体的结合形式离子性结合离子性结合,共价结合共价结合,金属性结合金属性结合和分子结合(范得分子结合(范得瓦尔斯结合)瓦尔斯结合)四种不同的基本形式。半导体的结合方式:主要半导体的结合方式:主要共价键共价键 共价键特点共价键特点ppt课件课件5电子的共有化运动电子的共有化运动当原子相互接近,不同原子的内外各电子壳层之间就
3、有一定程度的交叠,相邻原子最外层交叠最多,内壳层交叠较少。原子组成晶体后,由于电子壳层的交叠,电子不再完全局限在某一原子上,可以由一个原子转移到相邻的原子上去,因而,电子可以在整个晶体中运动,这种运动称为电子的共共有化运动。有化运动。电子只能在相似壳层间转移;电子只能在相似壳层间转移;最外层电子的共有化运动最显著;最外层电子的共有化运动最显著;2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件6当N个原子互相靠近形成晶体后,每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级,这N个能级组成一个能带,这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。分裂的每一个能带都称为允带,允带之间因没有能
4、级称为禁带。N个原子2个原子6个原子2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件7原子能级分裂为能带原子能级能带允带禁带允带允带禁带2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件8能带结构是晶体的普遍属性能带结构是晶体的普遍属性价电子的基本特征:1.价电子的局域性 2.价电子的非局域性Bloch定理:rkrrikkeu)()(uk(r):与晶格平移周期 一致的周期函数 晶体中价电子可用被周期调制的晶体中价电子可用被周期调制的自由电子波函数描述自由电子波函数描述 周期函数反映了电子的局域特性周期函数反映了电子的局域特性 自由电子波函数反映了电子的非自由电子波函数反映了电子的非局域特性局
5、域特性 由于电子波函数的空间位相有自由于电子波函数的空间位相有自由电子波函数一项决定,由电子波函数一项决定,Bragg衍射同样发生衍射同样发生 能带必然存在,能带结构是晶体能带必然存在,能带结构是晶体的必然属性的必然属性2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件92、金属、绝缘体和半导体所有固体中均含有大量的电子,但其导电性却相差很大。所有固体中均含有大量的电子,但其导电性却相差很大。固体能够导电,是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。也就是说,电子与外电场间发生了能量交换。对于所有能级均被电子所占满的能带(满带),在外电场作用下,其电子并不形成电流,对导电没有贡献。-满带电子不
6、导电。通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级,因而内层电子对导电没有贡献。对于被电子部分占满的能带(导带),在外电场作用下,电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去,从而形成电流,起导电作用。-导带电子有导电能力。2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件10Eg 6 eVEg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体根据能带结构,分为:2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件11半导体的能带结构半导体的能带结构直接带隙间接带隙2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件12直接带隙直接带隙 价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上空间的原点上。价带的电子
7、跃迁到导带时,只要求能量的改变,而电子的准动量不发生变化,称为直接跃迁。直接跃迁。直接禁带半导体:GaAs,GaN,ZnO2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件13间接带隙间接带隙 价带的极大值和导带的极小值不位于不位于k空间的原点上。空间的原点上。价带的电子跃迁到导带时,不仅要求电子的能量要改变,电子的准动量也要改变,称为间接跃迁间接跃迁 间接禁带半导体:Si,Ge2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件14金属半导体功函数 电子亲和势 c表面能带弯曲几个概念:功函数,电子亲和势,表面能带弯曲功函数,电子亲和势,表面能带弯曲2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件
8、课件152.1.2 半导体的电子状态和电子分布半导体的电子状态和电子分布 孤立原子的电子状态孤立原子的电子状态 孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动 金属的电子状态金属的电子状态 金属元素的价电子为所有原子(或离子)所共有,可以在整个金属晶格的范围内自由运动,称为自由电子。自由电子是在一恒定为零的势场中运动2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件16晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动大量电子的平均势场也是周期性变化的,而且它的周期与晶格的周期相同。两者的共同点在于都有一个恒定的势场。因而可以先分析自由电子的状态,接着再考虑加上一个
9、平均场后的电子状态 半导体的电子状态半导体的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件17能带的准自由电子物理模型能带的准自由电子物理模型金属中的准自由电子(价电子)模型 金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外,无相互作用。电子所受到的势能函数为常数。电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射,当电子的波矢落到布里渊区 边界时,发生Bragg衍射ppt课件课件18自由电子与时间因素无关,因而波函数可以表示为:自由电子所遵守的薛定谔方程为:2220()()2dxExmdx2(,)ik rr tAe(1)自由电子的薛定谔方程2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课
10、件课件19 粒子:质量为m0,速度为 波:波数为k,频率为f0pm v22001122pEm vmpk Ef 波粒二象性波粒二象性(2)自由电子的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件20f f=Aeikxr r(x)=|f f|2Emk)(E22kppt课件课件21自由电子的电子状态pk 22001122pEm vm2202kEm2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件22自由电子E与k的关系 自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状。波失k可以描述自由电子的运动状态 不同的k值标志自由电子的不同状态 波失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
11、所有能量值都是允许的。Emk)(E22k2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件23在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性势场晶体中电子所遵守的薛定谔方程为:()()V xV xsa2220()()()()2dxV xxExmdx(2)晶体中的电子状态2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件24周期势场中的电子:布洛赫理论周期势场中的电子:布洛赫理论(h2/2m)2/x2+U(r)(r)=E(r)U(r+R)=U(r)周期性势场中电子的运动描述为:周期势场为:Bloch定理给出波函数:k(r)=exp(ikr)u k(r)其中周期函数 u k(r)为 uk(r+R)=uk
12、(r)Bloch理论:在周期势场中的电子波函数就是平面波函数和周期函数的乘积。2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件25从原子能级到能带Bloch理论的求解:电子的能量是K的函数,这种E和k之间的关系构成了能带结构。原子中电子的波函数通常表示成nlmn为主量子数,值为1,2,3整数,l为角动量量子数,代表了电子绕原子核运动轨道的角动量,其数值为 ,2,3,m代表了角动量沿Z轴的投影,取值为 0,2 2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件26f f=Aeikxf f=Ae-ikxf f +=Aeikx+Ae-ikxr r+=4A2cos2(kx)f f +=Aeikx-A
13、e-ikxr r+=4A2sin2(kx)Emk)(E22kEgResulted from r r+Resulted from r r-/a2/a/a2/a0k(G/2)=(G/2)2时:自由电子波满足Bragg方程,行波不存在,代之于驻波解,形成能带ppt课件课件27晶体中电子的E(k)与K的关系Emk)(E22kEgResulted from r r+Resulted from r r-/a2/a/a2/a02.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件28电子的有效质量电子的有效质量dkdEdkdvg1一维情况:一维情况:FkdEddtdkkdEddkdtEddtdvg)1(2222
14、2121dtdkF2221*1dkEdm三维情况:三维情况:dkdkEdm221*1有效质量为张量有效质量为张量价带顶附近的有效质量量为负价带顶附近的有效质量量为负导带底附近的有效质量为正导带底附近的有效质量为正2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件29晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样,但在 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上2nka(0,1,2,.)n 2nka布里渊区布里渊区2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件301.最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布
15、在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低。2.Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。3.Hund 规则 在能级简并的轨道上,电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道;全充满、半充满、全空的状态比较稳定电子分布原则电子分布原则能带允带禁带允带允带禁带半导体中的电子分布半导体中的电子分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件311()1 exp()/Ff EEEKT电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米狄拉克分布。能量为E能级电子占据的几率为 f(E)称为费米分布函数,EF为费米能级费米狄拉克分布费米狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件32
16、11FFDEkETfEe 在 RT,E EF=0.05 eV f(E)=0.12 E EF=7.5 eV f(E)=10 129 e指数分布具有巨大的效果!|在不同能级发现电子(费密子)的几率为贯穿材料系统的任何变化都 代表了输入或输出电子的消耗功。费米狄拉克分布费米狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件33 在高温下,阶跃函数类似“抹掉”。同温度相关的of Fermi-Dirac 函数如下:费米狄拉克分布费米狄拉克分布2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件34金属金属 由晶格离子(+)和电子(-)“气”之间的库仑吸引构成。金属键允许电子在晶格中自由移动.小的
17、内聚能(1-4 eV).高导电率.吸收 可见光(非透明,“闪光”是因为再-发射).好的 合金性(因为无方向性的金属键).2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件35EFEC,V导带(部分填充)T 0Fermi“分布”函数能级都被“填充”E=0在T=0,所有位于Fermi 能级EF下的能级都被电子填充,所有位于 EF 上的能级都是空的.在很小的电场作用下,电子可以自由的移动到导带空能级,导致高的电导率!当 T 0,部分电子可以被热“激发”到 Fermi 能级以上的能级.金属金属2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件36EFECEV导带(空)价带(填充)EgapT 0在T=0
18、,价带能级被电子填充,导带空,导致电导率为零.费密能级 EF 位于宽紧带(2-10 eV)中间.当T 0,通常电子不能从价带被热“激发”到导带,因此导电率为零.绝缘体绝缘体2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件37EFECEV导带(部分填充)Valence band(Partially Empty)T 0在T=0,价带能级被电子填充,导带空,导致电导率为零.费密能级 EF 位于禁带 中间(0,电子可以被热“激发”到导带,产生可测量的电导率.本征半导体本征半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件382.1.3半导体的载流子半导体的载流子电子空穴2.1 半导体物理基础半
19、导体物理基础ppt课件课件39传导电子传导电子价带导带禁带电子电子p 价带顶部的电子被激发到导带后,形成了传导电子p 传导电子参与导电p 电子带有负电荷q,还具有负的有效质量2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件40价带导带禁带空穴空穴空穴p价带顶部的电子被激发到导带后,价带中就留下了一些空状态p激发一个电子到导带,价带中就出现一个空状态p把价带中空着的状态看成是带正电的粒子,称为空穴p空穴不仅有正电荷q,还具有正的有效质量。2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件412.1.4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 p型半导体2.1 半导体物理
20、基础半导体物理基础ppt课件课件42 本征半导体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ni和空穴数目pi一一对应,数量相等,nipi。2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件43本征半导体本征半导体不含杂质的半导体不含杂质的半导体价带EF(T=0K)导带TkEehBiiBgemmTkpn2/4/32)(2(2)/ln(4321ehBgFmmTkEEppt课件课件44本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度ppt课件课件45实际晶体不是理想情况:实际晶体不是理想情况:1.原子在平衡位置附近振动;2.半导体材料并不是纯净
21、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、线缺陷和面缺陷为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质,这些半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导体称为杂质半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件46额外的电子硅是化学周期表中的第IV族元素,每一个硅原子具有四硅原子具有四个价电子个价电子,硅原子间以共价键共价键的方式结合成晶体。掺入第V族元素P,每一个P原子具有5个价电子,其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键,还剩余一个价电子,形成n型硅。n 型半导体型半导体常用5 价杂质元素有磷、锑、砷等2.1 半导体物
22、理基础半导体物理基础ppt课件课件47 n 型半导体型半导体导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子ED使价电子摆脱P束缚所需要的能量称为杂质电离能DCDEEE2.1 半导体物理基础半导体物理基础204*8hqmErnDppt课件课件48n型半导体中,自由电子浓度远大于空穴的浓度,即 n0 p0。电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。n 型半导体型半导体电子浓度n0和空穴浓度p0有如下关系:200inpn如果掺杂浓度是ND,则:DiDNnpNn2002.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件49额外的空穴 p 型半导体型半导体掺入第III族元素B原子,B具有3个价电子,当
23、它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,于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。形成p型硅。常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件50导带导带价带价带Eg空穴空穴电子电子EA使多余的空穴摆脱负电中心B的束缚所需能量,称为受主杂质电离能VAAEEE p 型半导体型半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础204*8hqmErpAppt课件课件51 p 型半导体型半导体p型半导体中,电子浓度远小于自由空穴的浓度,即 n0 p0。电子称为多数载流子(多子),空穴称为少数载流子(少子)。电子浓度n0和空穴浓度p0有
24、如下关系:200inpn如果掺杂浓度是NA,则:AiANnnNp2002.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件52P型和型和N型硅:型硅:P-型型(空穴型空穴型)N-型型(电子型电子型)掺杂元素掺杂元素 III族(E.g.Boron)V族(e.g.Phosphorous)束缚束缚缺少电子(空穴)多余电子多数载流子多数载流子空穴电子少数载流子少数载流子电子空穴2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件53杂质能级上的电子和空穴分布杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以得到:)exp(2111)(TkEEEfBFDD)exp(2111)(TkEEEfBAFA
25、)exp(21)(1(TkEENEfNpNpBAFDAAAAA)exp(21)(1(TkEENEfNnNnBFDADDDDD施主能级被电子占据的概率受主能级被空穴占据的概率电离施主浓度电离受主浓度ppt课件课件54220022iinnippinpnn pnn pnn pnni为本征载流子浓度温度一定时,两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。本征半导体n型半导体p型半导体热平衡条件热平衡条件2.1 半导体物理基础半导体物理基础ppt课件课件552.1.5 半导体的光吸收和载流子产生与复合半导体的光吸收和载流子产生与复合半导体的光吸收过程吸收系数和吸收长度载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导
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