能带理论与半导体课件.ppt

2013年春-甄,第3章 导电物理,3.5 能带理论的应用,2013年春,3.5 能带理论的应用,（1）半导体的表面能级,（2）半导体与半导体的接触,（3）半导体与金属的接触,2013年春,（1） 半导体的表面能级,能带结构是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得到的。在材料的表面，势场不再与晶体内部的周期性势场相同，所以材料表面的电子能级分布就会发生变化。,图1 晶体表面的能带结构,判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。两个分立的材料，费密面可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电荷的移动，最终使费密能级相等。,N型半导体表面能级？,图2. n型半导体的表面能级,为了达到平衡，位于表面附近的电子就会移到表面去，占据表面电子能级，最后表面的费米能级与内部相等。因为能带是连续的，禁带宽度不可改变，故形成能带弯曲。,2013年春,由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负电荷，而接近表面的内部会因缺少电子而出现带正电荷的空穴。表面电势这些空穴的存在，使n型半导体的表面附近出现了一个p型的反转层。（书中的能带图上看不出）,N型半导体表面有一个很薄的P型反转层,2013年春,载流子运动定则：在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下为越来越高。例如：在N型半导体中，如果外来的射线将价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。电子，空穴如何运动？（提示：往低能级移动）,激发电子就会向半导体内部移动，而空穴则会向半导体表面移动。,思考： 利用光分解水时，为何TiO2处得到的是O2而不是H2?,延伸：Solar Cells分类,单晶硅，多晶硅，非晶硅,1991年，由瑞士的科学家Grtzel等人采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，制作了染料敏化太阳能电池，将其转化效率提高到7%，继而迎来了DSSC的新时代。,近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们的重视。Honda-Fijishima效应：本田-藤岛（Honda-Fijishima）在1972年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。结果是：在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。,TiO2染料敏化太阳能电池：DSSC,Dye-sensitized Solar Cell,Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至少要1.23eV以上，实际需要2eV以上。二氧化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2也满足此条件。,局限：由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制成太阳能电池，则只有波长很短的紫外线能够将TiO2的价带电子激发到导带上去，因此对太阳能的利用效率很低。解决方法：可以在TiO2 表面吸附染料，这些染料能够吸收大部分太阳光线，染料中激发出来的电子又注入到TiO2 的导带上。同时将TiO2制成纳米晶体，以增加吸附染料的面积。这样制得 “纳米TiO2染料敏化太阳能电池”。,和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和光生载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。,纳米TiO2染料敏化太阳能电池工作原理,DSSC是由透明导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt对电极构成的“三明治”式结构电池。,(4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生；(5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。,光电转换机理：(1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态 (S*)；(2) 激发态的电子快速注入到TiO2导带中；(3)电子在TiO2膜中迅速的传输，在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；,Solar powered keyboard,Graetzel solar bag,产品展示,2013年春,图3. p型半导体的表面能带结构,2013年春,（2） 半导体与半导体的接触,-n结,图4. 表示p-n结在结合瞬间的能级状态,2013年春,图5.热平衡状态下的p-n结的能级状态(a) 扩散电位;(b) 杂质浓度;(c) 载流子浓度；(d) 空间电荷,2013年春,空间电荷层：以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层。这个空间电荷层产生一个内电场。正向导通（扩散）顺着扩散电压的方向，即p型区域为正电位，n型区域为负电位时，载流子容易流动。整流原理（漂移）：而逆着扩散电位的方向，即p型区域为负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是p-n结整流的原理。,-n结整流的原理：反向截止,2013年春,当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域都有可能出现电子激发现象。n型区域的价带电子被激发到导带上后，就停留在n型的导带上，而在n型价带上同时形成的空穴会迁移到能量更稳定的p型的价带上去。p型区域的价电子被激发到导带上后，将迁移到能量更稳定的n型的导带上，而在p型区域价带上同时形成的空穴则停留在该价带上。p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在空间位置上将正负电荷分离开来。如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。,重拾太阳能电池工作原理,2013年春,异质结：可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成p-n结，这种由不同材料组成的p-n结又称异质结。此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄的半导体则吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范围更大，从而增加了太阳能利用效率。哪个材料朝向太阳更好？,异质结太阳能电池：工作原理,一般都将禁带宽度较大的半导体设计在朝向太阳光一侧，这种半导体又称为电池的窗口材料。,思考1：在太阳能电池中窗口层材料是什么？有什么作用？ 答：窗口层的意思同他的中文意思是一样的，指太阳能电池首先接受光的地方。一般窗口层起到同电池本体层形成pn结内电场的作用，如果电池本体层是N型，窗口就是p型，反之亦然。但是，由于窗口层是表面层，表面复合严重，因此窗口层要尽量避免吸收光产生载流子，因此窗口层普遍采用禁带宽度大的材料制成，尽量不吸收光。 追问：为什么要尽量不吸收光呢？太阳能电池不是要利用光生电子吗？如果不吸收光，要窗口层干什么作用？回答：因为窗口层靠近表面，缺陷非常多，如果吸收光产生光生载流子的话很容易死掉，对电池输出不做贡献，吸收的光都浪费了，降低了电池效率。所有把光尽可能的让本体材料吸收。,2013年春,图6 异质结的光伏特效应原理,2013年春,（3）半导体与金属的接触,半导体,金属,What?,能带结构发生变化,新的物理效应和应用,26,可编辑,2013年春,典型的金属与半导体接触有两类：一类是整流接触，即制成肖特基势垒二极管，另一类是非整流接触，即欧姆接触。半导体与金属的接触状态与这两种材料的功函数有关。,材料的功函数，是指材料的费密能级与真空能级之间的差值。,2013年春,图6 金属与n型半导体的整流接触(a) 接触前;(b) 接触后,2013年春,1）反向：如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导体，要越过一个很大的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。2）正向：如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏压，电流较大。,n型半导体与金属接触的情况1：假设MS,故这样的金属与半导体接触状态具有整流效应。,2013年春,图7 金属与p型半导体的整流接触 ：P端接正极,2013年春,肖特基势垒二极管高频特性好，开关速度快，由于它是杂质引起的多数载流子在起作用，不是由于热产生的本征激发的少数载流子起作用，所以热噪声很低。,2013年春,欧姆接触,当n型半导体与金属接触，且M S时,此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导体与金属的接触状态称为欧姆接触 。,当p型半导体与金属接触，且MS时，也形成欧姆接触。,2013年春,实际工作中，常通过重掺杂半导体与金属接触，使其势垒很薄，电子可以通过隧道效应穿过势垒，从而形成欧姆接触。,欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件的关键问题，因为半导体元件都需要通过电极引线与外部电路进行电学连接，而欧姆接触效应则广泛地应用于这些电极引线的设计生产中。,2013年春,补充：,备注：1）阻挡层：高电阻区，理解为肖特基接触2）反阻挡层：高电导区，理解为欧姆接触,2013年春,金属和半导体的功函数 Wm 、Ws,1、金属的功函数 Wm,表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。,E0为真空中电子的能量，又称为真空能级。,金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV,2013年春,2、半导体的功函数 Ws,E0与费米能级之差称为半导体的功函数。,用表示从Ec到E0的能量间隔：,称为电子的亲和能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。,Ec,(EF)s,Ev,E0,Ws,En,2013年春,Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。,故常用亲和能表征半导体,2013年春,3、金属/半导体接触,2013年春,金属与半导体的接触及接触电势差,1. 阻挡层接触,即半导体的费米能EFs高于金属的费米能EFm,金属的传导电子的浓度很高，10221023cm-3半导体载流子的浓度比较低，10101019cm-3,2013年春,金属半导体接触前后能带图的变化：,在半导体内，电场从右到左，越靠左，电子动能越小，势能越高,2013年春,在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距，在两类材料的表面形成电势差Vms。,接触电势差：,紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要降在空间电荷区。,2013年春,现在考虑忽略间隙中的电势差时的极限情形:,半导体一边的势垒高度为：,金属一边的势垒高度为：,半导体体内电场为零，在空间电荷区电场方向由内向外，半导体表面势Vs0,2013年春,在势垒区，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度比体内小得多，是一个高阻区域，称为阻挡层。界面处的势垒通常称为肖特基势垒。,所以：,金属与N型半导体接触时，若WmWs，即半导体的费米能级高于金属，电子向金属流动，稳定时系统费米能级统一，在半导体表面一层形成正的空间电荷区，能带向上弯曲，形成电子的表面势垒。,2013年春,金属与P型半导体接触时，若WmWs，即金属的费米能级比半导体的费米能级高，半导体的多子空穴流向金属，使得金属表面带正电，半导体表面带负电，半导体表面能带向下弯曲，形成空穴的表面势垒。,（2）金属p型半导体接触的阻挡层,在半导体的势垒区，空间电荷主要由负的电离受主形成，其多子空穴浓度比体内小得多，也是一个高阻区域，形成空穴阻挡层。,空穴势垒对于电子来说是势阱（理解）,2013年春,金属和p型半导体 WmWs 空穴阻挡层,对空穴讲，向下是能量增加，在P型半导体多子是空穴，半导体多子流向金属后，留下带负电的电离受主杂质，即空间电荷区，能带向下弯曲。,2013年春,（3）金属半导体接触的阻挡层,所谓阻挡层，在半导体的势垒区，形成的空间电荷区，它主要由正的电离施主杂质或负的电离受主形成，其多子电子或空穴浓度比体内小得多，是一个高阻区域，在这个区域能带向上或向下弯曲形成电子或空穴的阻挡。,2013年春,2. 反阻挡层接触,金属与N型半导体接触时，若 Wm0，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即电子反阻挡层(电子势阱)。,（1）金属与N型半导体接触,2013年春,金属 /n型半导体接触前后电子反阻挡层形成能带图的变化：,在半导体表面，能带向下弯曲，相当有个电子的势阱, 多子电子的浓度比体内大得多，是一个高通区，即电子的反阻挡层高导通区。（很薄！）,2013年春,（2）金属与P型半导体接触,金属与P型半导体接触时，若WmWs，空穴将从金属流向半导体表面，在半导体表面形成正的空间电荷区，电场方向由体内指向表面，Vs0，能带向上弯曲，这里空穴浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层，即空穴反阻挡层。,2013年春,上述金半接触模型即为Schottky 模型：,Note: 反阻挡层是很薄的高电导层，对半导体和金属的接触电阻的影响是很小的，它在平常的实验中观测不到。,51,可编辑,