第10章半导体电化学与光电化学基础.ppt

第10章半导体电化学与光电化学基础 10 1半导体的基本性质 10 1 1半导体的能带结构简介 1 半导体中的能带结构及载流子种类 半导体中的能带结构 半导体中的载流子 空穴 电子 2 本征半导体 施主能级 受主能级 N型和P型半导体 不含任何杂质 没有缺陷的半导体称为本征半导体 能够向半导体导带中提供电子的杂质原子称为施主能级 能够接受或捕获半导体价带中电子的杂质原子称为受主能级 10 1 2半导体中的状态密度与载流子的分布 半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴 通常 导带底和价带顶的状态密度函数Z E 随电子能量E关系为 半导体在热平衡状态下 电子按Fermi Direc分布规律分布在不同量子态上 即某一量子态被电子或空穴占据的几率分别为 导带中电子浓度为 导带中的有效状态密度 半导体载流子的浓度积为 价带中空穴浓度为 价带中的有效状态密度 1 本征半导体的费米能级与载流子浓度 本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等 即满足 本征半导体的费米能级 本征半导体的载流子浓度 2 掺杂半导体的费米能级与载流子浓度 载流子浓度 N型半导体 施主浓度 掺杂后半导体的费米能级 空穴浓度 P型半导体 载流子浓度 少子 电子 浓度 掺杂后半导体的费米能级 10 2半导体 溶液界面的结构与性质 10 2 1半导体 溶液界面的结构与性质 1 半导体 溶液界面接触时的能带结构 动态平衡 图10 5N型半导体与溶液接触前后能带的变化 a 溶液接触前 N型半导体能带从本体到表面向上弯曲 同理 P型半导体能带一般从本体到表面向下弯曲 2 半导体中的空间电荷层 电位分布与能带弯曲 空间电荷层 电位分布与能带弯曲的方向和程度 电位分布与能带弯曲的方向取决于初始 的相对位置 由于标度不同 电位标的正方向与电子能级标的正方向恰恰相反 实际上界面还有吸附离子 表面态等形成剩余电荷 作为半导体 溶液界面双电层的其他来源 自发 形成的双电层结构 同金属电极一样 也可以由外电源充电形成界面双电层 此时界面结构与能带弯曲取决于充电形成的电极电位 10 2 2空间电荷层的不同表现形式 1 积累层 富集层 及其特点 空间电荷层的存在是半导体电极界面结构的一个最基本特征 通过对半导体电极施加外电势 可以对其空间电荷层进行调节 不同电极电位及其引起的能带弯曲不同 可以导致三种形式的空间电荷层 电位和能带弯曲 空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律 积累层中 负的空间电荷是由于过剩的导带电子组成 故此层载流子类型与本体相同 但浓度更高 因此其导电性明显增加 2 耗尽层的特点 c 耗尽层 N型半导体与溶液接触时 当不施加外电场时通常形成耗尽层 3 反型层 d 反型层 N型半导体和表面能量差进一步增加时 电极 溶液界面处的能带弯曲进一步加大 形成所谓的反型层 4 平带 b 平带 10 2 3半导体 溶液界面的电位分布 1 半导体 溶液界面半导体一侧空间电荷层的电位分布 2 半导体 溶液界面电容 3 费米能级的 钉扎 4 表面态的来源与类型 本征表面态 非本征表面态 10 3半导体 溶液界面上的电荷传递 10 3 1平衡电位下的电荷传递 1 半导体 溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流的贡献 图10 10平衡电位下N型半导体 溶液界面的电子跃迁 2 交换电流密度j0 3 平衡电位下的电荷传递特点 10 3 2非平衡条件下 极化时 的电荷传递 1 非平衡条件下半导体 溶液界面的能带结构 图10 11阴极极化时N型半导体 溶液界面的电子跃迁 2 非平衡条件下半导体 溶液界面的净电流 10 4半导体 溶液界面上的光电化学 10 4 1半导体 溶液界面的光电效应 1 光照条件下半导体 溶液界面的能带结构 2 光电压与