第二章太阳能电池原理

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2.1 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。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，zno，gan，sic纤锌矿型inn，gan，zno

2、，sicnacl型pbs，cdo2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1 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

3、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原子能级分裂为能带原

4、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，brag

5、g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2、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

6、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eg 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间接带隙间接带隙 价

7、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2.1.2 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

8、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

9、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 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f f = aeikxr r (x) = |f f |2emk)(e22k自由电子的电子状态pk

10、22001122pem vm2202kem2.1 半导体物理基础半导体物理基础自由电子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周期势场中的电子：布洛赫理论周期势

11、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(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

12、，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f f = aeikxf f = ae-ikxf f + = aeikx+ ae-ikxr r+ = 4a2cos2(kx)f f + = aeikx- ae-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，形成能带晶体中电子的e(k)与k的关系emk)(e22kegresulted

13、 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(22222121dtdkf2221*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

14、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1. 最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 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1( )1 exp()/ff eeek

15、t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 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 在高温下，阶跃函数类似 “抹掉”。 同温度相关的of fermi-dirac 函

16、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efec,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

17、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efecev导带(空)价带(填充)egapt 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efecev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

18、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2.1.3半导体的载流子半导体的载流子电子空穴2.1 半导体物理基础半导体物理基础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

19、 半导体物理基础半导体物理基础2.1.4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 半导体物理基础半导体物理基础 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(4321ehbgfmmtkee本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度实际晶体不是理想情况：实际晶体不

20、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+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5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

21、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 半导体物理基础半导体物理基础 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*8hqmerndn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：如果掺杂浓度是nd，则：2.1 半导体物理基础半导体物理基础额外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3 p 型半导体型半

22、导体掺入第iii族元素b原子，b具有3个价电子，当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 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*8hqmerpa 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p

23、0有如下关系：如果掺杂浓度是na，则：2.1 半导体物理基础半导体物理基础p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)exp(21)(1 (tkeenefnpnpba

24、fdaaaaa)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220022iinnippinpnn 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2.1.5 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体物理基础非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子的产生： （1）光辐照 （2）电注入

25、2.1 半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合非平衡载流子的寿命和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础任何一种物质对光波都会或多或少地吸收任何一种物质对光波都会或多或少地吸收半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础 一些物质的颜色呈白色（人眼），说明它反射了所有可见光 一些物质的颜色呈黑色（人眼），说明它吸收了所有可见光半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础ecetedeaeved， ea 和et分别是施主杂质能级，受主杂质能级和深杂质能级。本征吸收（过程1）：产生电子-空穴对杂质吸收

26、（2.3.4.5）：每个过程只能产生一种符号的载流子，或电子，或空穴。载流子吸收（6.7）：使电子或空穴的动能增加晶格振动的吸收：增加晶格的热运动能等离子体吸收：使全部自由电子或空穴作为一个整体相对于晶体点阵的振动能增加。1半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础eph eg:强烈吸收 导带导带价带价带eg空穴空穴电子电子半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程本征吸收2.1 半导体物理基础半导体物理基础本征光吸收 光照将价带中的电子激发到导带，形成电子 空穴对中光子的能量满足长波极限长波极限 本征吸收边本征吸收边，发生本征光吸收的最大光的波长，发生本征光吸收的最大

27、光的波长半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程c2gegec20gec22.1 半导体物理基础半导体物理基础竖直跃迁竖直跃迁 直接带隙半导体直接带隙半导体k空间电子吸收光子从价带顶部 跃迁到导带底部 状态photonkkp81210 cma41210 cmkk满足能量守恒满足准动量守恒的选择定则价带顶部电子的波矢光子的波矢 gek k半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础伴随着吸收或者发出声子伴随着吸收或者发出声子且非竖直跃迁非竖直跃迁 间接带隙半导体间接带隙半导体k空间电子吸收光子从价带顶部 跃迁到导带底部 状态k kkk但要满足但要满足能量守恒能量守恒 动量

28、守恒动量守恒半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础准动量守恒的选择定则准动量守恒的选择定则qqpkkphoton ke能量守恒能量守恒，可忽略不计声子能量：evkb210（声子的准动量 和电子的准动量数量相仿，忽略光子的动量）q半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程非竖直跃迁非竖直跃迁 间接带隙半导体间接带隙半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础非竖直跃迁是一个二级过程，发生几率比起竖直跃迁小得多 间接带隙半导体非竖直跃迁过程中，光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃光子提供电子跃迁所需的能量，声子提供跃迁所需的动量迁所需的动量qkk ke 半导体的光吸收过

29、程半导体的光吸收过程非竖直跃迁非竖直跃迁 间接带隙半导体间接带隙半导体2.1 半导体物理基础半导体物理基础导带导带价带价带eg激子能带论中在带边产生独立独立电子空穴对的激发能量元激发不再是形成独立的电子和空穴对，而是形成电子与空穴的束缚态电子与空穴的束缚态（激子激子），其所需元激发能量低于eg.激子半径很大：激子半径很大： 瓦尼尔莫特激子瓦尼尔莫特激子激子半径很小：激子半径很小： 夫伦克耳激子夫伦克耳激子 半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程激子吸收激子吸收2.1 半导体物理基础束缚在杂质能级上的电子和空穴，发生跃迁所引起的光吸收。每个过程只能产生一种符号的载流子，或电子，或空穴。杂质吸收杂质

30、吸收导带导带价带价带eg半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础自由载流子吸收和声子吸收价带上的空穴或导带上的电子可以在其所在能带的能级间发生跃迁，从而产生光吸收。自由载流子的吸收光谱基本上是连续的，主要集中在长波波段。声子吸收也称晶格振动吸收。当光照射到半导体上，光子可以转化晶格振动的能量，从而引起光吸收。半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础半导体的各种吸收机制对应的光子能量是不同的。半导体的光吸收过程半导体的光吸收过程2.1 半导体物理基础半导体物理基础)(exp)exp()(exptzcnizcknatzcniae)2e

31、xp(*2zcnkaeeicnk2)exp(0zii任何介质的吸收在形式上也可以引入一个复折射率来描述：则，在介质内沿z轴方向传播的平面波的电场可以写为：则平面波的强度 ：令 则有式中i0是z=0处的光强, 为物质的吸收系数吸收系数。)1 (iknn吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础)exp(0zii 光波的强度（能量）随着光波进入介质的距离光波进入介质的距离z的增大的增大按指数规律衰减按指数规律衰减，衰减的快慢取决于物质的吸收系数的大小。 吸收系数小，介质足够薄，类似介质对此光波透明。 吸收系数和材料及光波长有关。 半导体材料具有一个陡峭的吸收边。吸收系

32、数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础硅的光吸收系数吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础吸收系数决定了光的穿透深度，这个吸收长度等于a-1，也就是光强下降到初始光强36%的长度。 start吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础吸收系数和吸收长度吸收系数和吸收长度2.1 半导体物理基础半导体物理基础solar cell)exp(0ziii0,n0表面处光强为i0表面光通量n0=光子数/单位面积光吸收：载流子产生和复合载流子产生

33、和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础载流子产生和复合载流子产生和复合导带导带价带价带eg空穴空穴电子电子)exp(0zng载流子产生率：2.1 半导体物理基础半导体物理基础太阳光是自然光，是一宽带。不同波长光所产生的载流子随入射深度不同。不同光产生的载流子太阳光下产生的载流子载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础载流子产生和复合载流子产生和复合带带复合带带复合杂质能级复合杂质能级复合俄歇复合俄歇复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础导带导带价带价带eg空穴空穴电子电子 导带电子和价带空穴直导带电子和价带空穴直接复合发射光子。接复合发射光子。 光子能量接近禁

34、带宽度，光子能量接近禁带宽度，吸收很弱，可以跃出半吸收很弱，可以跃出半导体。导体。带带复合带带复合载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础导带导带价带价带空穴空穴电子电子eg杂质能级复合杂质能级复合 包含2个过程：1. 导带电子被杂质能级俘获，放出光子；2. 在杂质能级电子热激发到导带前，如果空穴也能被杂质能级俘获，则复合发出另一光子。 发生几率同杂质能级位置有关，如果杂质能级靠导带底太近，则杂质能级容易热激发回到导带，而同价带空穴复合几率很小。载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础俄歇复合俄歇复合导带导带价带价带空穴空穴电子电子eg

35、包含3个载流子。 一个电子和空穴复合，能量传递给另一个电子使之跃迁到高能态，这个电子又热弛豫到导带底。 在重掺杂或高度激发下的材料中非常重要。载流子产生和复合载流子产生和复合2.1 半导体物理基础半导体物理基础载流子的扩散长度载流子的扩散长度在光伏器件中，载流子的扩散长度指少子的扩散长度指产生到复合所扩散的平均距离。同载流子复合类型、复合强度等参数有关。对于晶体硅来说，大概是100-300 mm。载流子产生和复合载流子产生和复合表面复合表面复合在半导体表面的杂质或缺陷引起的复合。2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质导带电子和价带空穴可认为是自由在整个

36、半导体中移动。如果导带电子和价带空穴可认为是自由在整个半导体中移动。如果没有外力，就没有净移动距离。没有外力，就没有净移动距离。2.1 半导体物理基础半导体物理基础载流子的扩散：载流子的扩散：存在浓度梯度存在浓度梯度。2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础电子以非常快的速度运动t 时间后，而后碰撞晶体晶格。 导致相对于电场e具有漂移速度vd的一净运动. 散射时间t随着温度的上升而下降，即在高温下散射更快（导致电阻系数增大 ）。载流子的漂移载流子的漂移在电场下在电场下2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础:(am

37、ps)dqdti 电流qtidirvrlar宏观微观2:(a/m )iajdd电流密度diajwhereresistivityconductivityeejrr wherecarrier densitydrift velocityddnvn ejv2wherescattering timemner飘移速度 vd 是电子的净运动 (0.1 to 10-7 m/s). 散射时间 t 是电子和晶格两次碰撞的时间.2.1 半导体物理基础半导体物理基础21()edfmaemeejnevne anenr 金属: 电阻随温度上升而 上升。 为什么? 温度 , n 固定 ( # 电子数为常数) r 半导体:

38、电阻随温度上升而 下降 。. 为什么? 温度 , n (“释放” 载流子) r2.1 半导体物理基础半导体物理基础当t 0，通常电导率可以表示为 ：hheempemne22一个半导体的电导率 同参与导电的电子和空穴有关在电场e下，通常表示一种载流子漂移速度的大小为:emev feg 结果:定义 载流子迁移率:(注意: 载流子迁移率同固态电子器件的响应速度相关。2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础重写写为:hepene实验表明 和温度具有如下关系: 22ntn因此n 和p 同温度的e指数关系占主要部分，可以估计本征电导率为：2.1.6 半导体的电学性质

39、半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础低电场下，电子的漂移速率同所加电压成正比，比例系数我们称之为迁移率。在一定电场下，电子的平均速率就是漂移速率：dscavgmeemneeemnenejscscd22电流密度根据迁移率的定义，对于电子有meescd低场下的传输低场下的传输2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础例题：例题：在砷化镓中电子的迁移率是8,800 cm2/v-s，计算发生碰撞的平均时间，并计算两次碰撞间的距离（平均自由程），平均速度为107 cm/s解：碰撞时间tc由下式得到平均自由程 l等于2.1.6 半导体的电学性质半导体的

40、电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础在高电场下，电子变为热电子（能量增加），飘移速度增大，在高场下，趋 于饱和。高场下的传输高场下的传输2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础非定形半导体中的传输非定形半导体中的传输（1）局域态：电子被俘获在局部能态（陷阱） 电子不能在电场下移动，只能靠晶格振动来移动跳跃模式（2）扩展态：电子可以从材料中的一个区域到达到另一个区域。 不需要跳跃，由于晶格的不完整性，存在大量散射，帮助电 子移动。-si中的局域态和扩展态，在局域态中电子的传输是跳跃式的，散射帮助电子完成这些跳跃2.1.6 半导体的电学性质半导体的电

41、学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础特高场下的传输特高场下的传输电场强度100kv/cm-1，半导体击穿击穿：由碰撞离化（或者雪崩击穿）和带带隧穿造成的参与导电的载流子数目增大碰撞离化带带隧穿2.1.6 半导体的电学性质半导体的电学性质2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.7 pn结结 pn结的能带结构 pn结的形成 pn结的电流-电压特性2.1 半导体物理基础半导体物理基础+ + - + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + - +

42、 + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + - - + p-type n-type depletion region - no free carriers neutral region with free carriers electric field 结形成耗尽层的形成复合复合空间电荷区（势垒区）、

43、空间电荷层空间电荷区（势垒区）、空间电荷层p n+- - - - - - - - - 空间电荷区：空间电荷区：电离施主和电离受主所带电荷存在的区域。表面空间电荷层：表面空间电荷层：表面与内层产生电子授受关系，在表面附近形成表面空间电荷层。电子耗尽层：电子耗尽层：空间电荷层中多数载流子浓度比内部少。电子积累层：电子积累层：空间电荷层少数载流子浓度比内部少。反型层反型层：空间电荷层中少数载流子成为多数载流子。 pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础 ec efnevec ef pev- - - - - -ef qvdqvdx空间电荷区空间电荷区能带结构能带结构2.1 半导

44、体物理基础半导体物理基础1）合金法）合金法液体为铝硅熔融体液体为铝硅熔融体 ，p型半导体为高浓度铝的硅薄层型半导体为高浓度铝的硅薄层 n siai n si液体液体 n sip在一块n型半导体单晶上用适当方法（合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型杂质掺入其中。 pn结的形成结的形成2.1 半导体物理基础半导体物理基础合金结的杂质分布：合金结的杂质分布：ndnan(x)xp n单边突变结（单边突变结（ p+-n结）：结）：由两边杂质浓度相差很大的由两边杂质浓度相差很大的p、n型半导体形成的型半导体形成的p-n结为单边结为单边突变结。突变结。p区的施主杂质浓度为区的施主杂质浓度为1016c

45、m-3 ,而而n区的杂质浓度为区的杂质浓度为1019cm-3 。 pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础2）扩散法）扩散法 通过氧化、光刻、扩散等工艺形成通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结 。 n sisio2 n si n sip电子空穴evefecefp-型n-型因为扩散, 电子电子 从从 n 扩散到扩散到 p区区 ， 空穴空穴从从 p 到到 n区。区。 pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础ndna (x)n(x)xp n缓变结：缓变结：杂质浓度从杂质浓度从p 区到区到n区是逐区是逐渐变化的渐变化的p-n结为缓变结。结为缓变结。在结

46、区内产生在结区内产生 耗尽层，耗尽层， 在耗尽层内没有宏观载流子的运动在耗尽层内没有宏观载流子的运动. . 产生了产生了 内建电场内建电场 (10(103 3 to 10 to 105 5 v/cm), v/cm), 阻挡进一步扩散。阻挡进一步扩散。 pn结的能带结构结的能带结构2.1 半导体物理基础半导体物理基础/1ev ktoiiereverse biasforwardbias 电流-电压 关系 正向偏压: 电流e指数增长. 反向偏压: 低的漏电流 io. pn 结只在一个方向导电的现象被称为“整流”特性. pn结的电流结的电流-电压特性电压特性2.1 半导体物理基础半导体物理基础 一、光

47、生伏特效应一、光生伏特效应 光电效应（光电效应（photoelectric effectphotoelectric effect）：光照射到某些物质上，引起）：光照射到某些物质上，引起 物质的电性质发生变化，也就是光能转换成电能。物质的电性质发生变化，也就是光能转换成电能。 光生伏特效应（光生伏特效应（photovoltaic effectphotovoltaic effect）：半导体在受到光照射时）：半导体在受到光照射时 产生电动势的现象，即半导体在受到光照射时，由于光生载流子产生电动势的现象，即半导体在受到光照射时，由于光生载流子 在不同位置具有不均一性，或者由于在不同位置具有不均一性，

48、或者由于p-np-n结产生了内部载流子，就结产生了内部载流子，就 会因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不均匀，从而会因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不均匀，从而 产生电能的现象。产生电能的现象。光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电子发射效应光电子发射效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应2.22.2光生伏特效应光生伏特效应 p 无光照时，处于零偏下的无光照时，处于零偏下的p-np-n结结 能带图（能带图（a a），有统一的费米能），有统一的费米能 级，势垒高度为：级，势垒高度为： qvqvd d = e= efnfn-e-efp fp = q

49、(v= q(vfnfn+v+vfpfp) )p 稳定光照、稳定光照、p-np-n结处于开路状态结处于开路状态 时，时，p-np-n结能带图（结能带图（b b）。光生）。光生 载流子积累出现光电压，使载流子积累出现光电压，使p-np-n 结处于正偏，费米能级发生分结处于正偏，费米能级发生分 裂。因裂。因p-np-n结处于开路状态（未结处于开路状态（未 接负载），故费米能级分裂宽接负载），故费米能级分裂宽 度等于度等于qvqvococ，剩余的结势垒高度，剩余的结势垒高度 为为q(vq(vd d-v-vococ) )。 p稳定光照、稳定光照、p-np-n结处于短路状态时，结处于短路状态时， p-np

50、-n结能带图（结能带图（c c）。原来在）。原来在p-np-n结结 两端积累的光生载流子通过外电路两端积累的光生载流子通过外电路 复合，光电压消失，势垒高度为复合，光电压消失，势垒高度为qvdqvd。 各区中的光生载流子被内建电场分各区中的光生载流子被内建电场分 离，源源不断地流进外电路，形成离，源源不断地流进外电路，形成 短路电流短路电流iscisc。p有光照、有外接负载时，有光照、有外接负载时，p-np-n结能结能 带图（带图（d d）。一部分光电流在负载）。一部分光电流在负载 上建立电压上建立电压v v，另一部分光电流与，另一部分光电流与 p-np-n结在电压结在电压v v的正向偏压下形

51、成的的正向偏压下形成的 正向电流抵消。费米能级分裂的宽正向电流抵消。费米能级分裂的宽 度正好等于度正好等于qvdqvd，而这时剩余的结势，而这时剩余的结势 垒高度为垒高度为q(vd-v)q(vd-v)。二、太阳能电池伏安特性曲线二、太阳能电池伏安特性曲线 一个一个pn结太阳能电池的基本结构如下图所示结太阳能电池的基本结构如下图所示 入射光的照射能够在空间电荷区产生电子入射光的照射能够在空间电荷区产生电子-空穴对，它们将被电场空穴对，它们将被电场 扫过，从而形成相反方向的光电流扫过，从而形成相反方向的光电流il。 则在反偏情况下，则在反偏情况下，pn结电流为：结电流为：exp() 1lflsev

52、iiiiikt 短路电流：当短路电流：当r=0时，即时，即v=0时，时，pn结段路结段路 scliii 开路电压：当开路电压：当r时，即外电流为零时，所得到的电压时，即外电流为零时，所得到的电压 0exp() 1lseviiikt(1)loctsivvi 传输到负载上的功率为：传输到负载上的功率为： exp() 1lsevpi vivivkt 通过令通过令p的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值的导数为零，可得负载上最大功率时的电流电压值 0exp() 1()exp()mmlssmevevdpeiii vdvktktkt3 3、金属、金属- -半导体接触和半导体接触和mismis结构结构

53、 在半导体产业中，半导体器件或者集成电路必须与外电路相连接，在半导体产业中，半导体器件或者集成电路必须与外电路相连接， 此时必须有金属与半导体的接触，简称金此时必须有金属与半导体的接触，简称金-半接触（半接触（ms接触）。接触）。 ms接触可分为两类：接触可分为两类： （1）整流接触，这种接触称为）整流接触，这种接触称为肖特基接触肖特基接触，其电流，其电流-电压（电压（i-v）特）特 性呈现非线性关系，具有单方面导电性。性呈现非线性关系，具有单方面导电性。 （2）非整流接触，即）非整流接触，即欧姆接触欧姆接触，其，其i-v特性成线性关系或以原点为特性成线性关系或以原点为 中心的对称关系。中心的

54、对称关系。整流接触整流接触 肖特基接触肖特基接触非整流接触非整流接触 欧姆接触欧姆接触一、金属一、金属-半导体接触半导体接触（1）金属和半导体的功函数）金属和半导体的功函数 金属功函数金属功函数mm 在绝对零度时，一个在绝对零度时，一个电子从金属元素的费米能电子从金属元素的费米能级跃迁到真空能级所需要级跃迁到真空能级所需要的最小能量。的最小能量。 半导体功函数半导体功函数ss 在绝对零度时，一个电子从半导体的费米能级跃迁到真空能级所在绝对零度时，一个电子从半导体的费米能级跃迁到真空能级所需要的最小能量。需要的最小能量。 电子亲合能电子亲合能 一个电子从导带底逸出到半导体外真空能级所需的最小能量

55、。一个电子从导带底逸出到半导体外真空能级所需的最小能量。如何平衡符号的差异？如何平衡符号的差异？（2）金属功函数）金属功函数mm半导体半导体（n n型）型）功函数功函数ss接触前接触前接触后接触后（3）金属功函数）金属功函数mm半导体半导体（n n型）型）功函数功函数s s 接触前接触前接触后接触后二、载流子输运机制二、载流子输运机制 假设假设n型半导体在正向偏置下与金属相接触，作为载流子的电型半导体在正向偏置下与金属相接触，作为载流子的电 子有以下这几种基本的输运过程：子有以下这几种基本的输运过程：（1 1）电子越过势垒顶部从半）电子越过势垒顶部从半导体输运到金属中，这种方导体输运到金属中，

56、这种方式又叫作热电子发射；式又叫作热电子发射；（2 2）电子通过量子力学的隧）电子通过量子力学的隧穿效应越过势垒到达金属中，穿效应越过势垒到达金属中，这是场发射机理；这是场发射机理；（3 3）在空间电荷区即势垒区）在空间电荷区即势垒区的空穴电子复合；的空穴电子复合；（4 4）空穴从金属注入半导体，）空穴从金属注入半导体，等效于中性区的复合。等效于中性区的复合。三、欧姆接触三、欧姆接触 在半导体器件（包括太阳能电池）的制备过程，常常需要没有整流在半导体器件（包括太阳能电池）的制备过程，常常需要没有整流 效应的金属效应的金属-半导体接触，这种接触称为欧姆接触。半导体接触，这种接触称为欧姆接触。 实

57、际制备欧姆接触过程中，重要的三个原则：实际制备欧姆接触过程中，重要的三个原则：（1 1） 利用场发射机理，对半导体进行重掺杂。当金属与半导体接触时，其利用场发射机理，对半导体进行重掺杂。当金属与半导体接触时，其 间形成的势垒区变得非常高，空间电荷区也很薄，这样载流子更容易间形成的势垒区变得非常高，空间电荷区也很薄，这样载流子更容易 通过隧穿效应进行输运，从而形成欧姆接触；通过隧穿效应进行输运，从而形成欧姆接触；（2 2） 利用热电子发射机理，选择合适的金属或引入表面态，让金属与半导利用热电子发射机理，选择合适的金属或引入表面态，让金属与半导 体界面间的势垒足够小，使载流子输运更加容易，从而达到

58、欧姆接触。体界面间的势垒足够小，使载流子输运更加容易，从而达到欧姆接触。（3 3） 通过把复合中心引入到金属半导体界面处，让电子在空间电荷区的复通过把复合中心引入到金属半导体界面处，让电子在空间电荷区的复 合远远大于热电子发射和场发射，成为载流子输运的主要方式，这就合远远大于热电子发射和场发射，成为载流子输运的主要方式，这就 会使接触电阻大大降低从而使接触性能大为提高。会使接触电阻大大降低从而使接触性能大为提高。 要获得满足实际器件要求的欧姆接触电极，需要符合以下要求：要获得满足实际器件要求的欧姆接触电极，需要符合以下要求：（1）导电性好，高的导电率或低的方阻，若导电薄膜厚度为）导电性好，高的

59、导电率或低的方阻，若导电薄膜厚度为600800 nm时，方阻时，方阻 为为0.05 /,则已基本适用于一般电路的应用要求；则已基本适用于一般电路的应用要求；（2）与半导体材料有良好的附着性，导电薄膜的内应力要小，不易剥落；）与半导体材料有良好的附着性，导电薄膜的内应力要小，不易剥落；（3）与各种薄膜元件的接触电阻应尽可能小，不发生明显的化学反应、互扩散，或）与各种薄膜元件的接触电阻应尽可能小，不发生明显的化学反应、互扩散，或 生成使电路性能恶化的金属化合物；生成使电路性能恶化的金属化合物；（4）薄膜表面具有良好的均匀性，与大规模集成工艺相兼容；）薄膜表面具有良好的均匀性，与大规模集成工艺相兼容

60、；（5）熔点高，化学性能稳定，对热处理温度有高的稳定性；）熔点高，化学性能稳定，对热处理温度有高的稳定性；（6）抗电迁移能力强，能承受）抗电迁移能力强，能承受1-5105 a/cm2的电流密度，不发生明显的电迁移；的电流密度，不发生明显的电迁移；（7）与电路中的元器件相容性好，即导电薄膜与衬底的热膨胀系数基本匹配；）与电路中的元器件相容性好，即导电薄膜与衬底的热膨胀系数基本匹配；（8）对所接触或连接的元器件特性不产生有害影响，等等。）对所接触或连接的元器件特性不产生有害影响，等等。四、欧姆接触比接触电阻四、欧姆接触比接触电阻（1）比接触电阻的定义）比接触电阻的定义 衡量欧姆接触性能好坏的一个重