第10章半导体电化学与光电化学基础课件

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11图10.1价带、导带和禁带能带价带导带禁带能带⑴半导体中的能带结构图10.1价带、导带和禁带能带价带导带禁带能带⑴半导体中的能2图10.2价带中的电子被激发到导带图10.2价带中的电子被激发到导带3⑵半导体中的载流子②空穴①电子⑵半导体中的载流子②空穴①电子42、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5图10.3施主能级和受主能级（a）施主与N型半导体的能带（b）受主与P型半导体的能带++++图10.3施主能级和受主能级（a）施主与N型半导体的能带（b610.1.2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：10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布半导体中7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：半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分8导带中电子浓度为：导带中的有效状态密度导带中电子浓度为：导带中的有效状态密度9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101、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（a）本征半导体能带结构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11本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度122、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度载流子浓度⑴N型半导体（b）N型半导体能带结构施主浓度掺杂后半导体的费米能级空穴浓度2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度载流子浓度⑴N型半导体（13⑵P型半导体（c）P型半导体能带结构载流子浓度少子（电子）浓度掺杂后半导体的费米能级⑵P型半导体（c）P型半导体能带结构载流子浓度少子（电子）浓1410.2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10.2半导体/溶液界面的结构与性质10.2.1半导体/溶液15图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化E电子能量N型半导体溶液(a)溶液接触前E电子能量N型半导体溶液(b)溶液接触后图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化E电子能量N型半16

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。N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理，P型半导172、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层N型半导体溶液0x-++++++++++++++++++------------------OHP界面空间电荷层⑴空间电荷层2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层18⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度①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。②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。⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度①电位分布与能带弯曲的方向取19（b）界面电位分布N型半导体溶液0xOHP空间电荷层（b）界面电位分布N型半导体溶液0xOHP空间电荷层20EN型半导体溶液(c)能带弯曲空间电荷层0③“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。EN型半导体溶液(c)能带弯曲空间电荷层0③“自发2110.2.2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。10.2.2空间电荷层的不同表现形式1、积累层（富集层）及其220x空间电荷层(a)积累层x空间电荷层⑴电位和能带弯曲0x空间电荷层(a)积累层x空间电荷层⑴电位和能带弯曲23⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律⑶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。⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律⑶积累层242、耗尽层的特点(c)耗尽层0x空间电荷层x空间电荷层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。2、耗尽层的特点(c)耗尽层0x空间电荷层x空间电荷层N型半253、反型层(d)反型层0x空间电荷层x空间电荷层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。3、反型层(d)反型层0x空间电荷层x空间电荷层N型264、平带(b)平带0xx4、平带(b)平带0xx2710.2.3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10.2.3半导体/溶液界面的电位分布1.半导体/溶液界面半28第10章半导体电化学与光电化学基础课件29图10.8半导体/溶液界面的电位分布半导体溶液x图10.8半导体/溶液界面的电位分布半导体溶液x302.半导体/溶液界面电容2.半导体/溶液界面电容31第10章半导体电化学与光电化学基础课件32图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎xx3.费米能级的“钉扎”图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎xx3.费米能级334.表面态的来源与类型⑴本征表面态⑵非本征表面态4.表面态的来源与类型⑴本征表面态⑵非本征表面态3410.3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10.3半导体/溶液界面上的电荷传递10.3.1平衡电位下的35图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能带结构（b）正逆反应的电流密度图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能362.交换电流密度j02.交换电流密度j0373.平衡电位下的电荷传递特点3.平衡电位下的电荷传递特点3810.3.2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10.3.2非平衡条件下（极化时）的电荷传递1.非平衡条件下39图10.11阴极极化时N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能带结构（b）正逆反应的电流密度图10.11阴极极化时N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能402.非平衡条件下半导体/溶液界面的净电流2.非平衡条件下半导体/溶液界面的净电流4110.4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10.4半导体/溶液界面上的光电化学10.4.1半导体/溶液42+图10.12光照对N型半导体能带结构的影响（a）N型半导体/溶液界面光生电子-空穴对的分离（b）光照后半导体一侧/能带结构的变化+图10.12光照对N型半导体能带结构的影响（a）N型半导体432.光电压与光电流2.光电压与光电流4410.4.2光电化学电池1.光电化学伏打电池10.4.2光电化学电池1.光电化学伏打电池45图10.13由N型半导体电极构成的光伏达电池工作原理图-N型半导体溶液惰性金属图10.13由N型半导体电极构成的光伏达电池工作原理图-N型462.光电化学合成电池2.光电化学合成电池47图10.14由N型半导体电极构成的光电化学合成的工作原理图-N型半导体溶液辅助电极图10.14由N型半导体电极构成的光电化学合成的工作原理图-48第10章半导体电化学与光电化学基础课件49第10章半导体电化学与光电化学基础课件50第10章半导体电化学与光电化学基础课件51第10章半导体电化学与光电化学基础课件52第10章半导体电化学与光电化学基础课件53第10章半导体电化学与光电化学基础课件54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155图10.1价带、导带和禁带能带价带导带禁带能带⑴半导体中的能带结构图10.1价带、导带和禁带能带价带导带禁带能带⑴半导体中的能56图10.2价带中的电子被激发到导带图10.2价带中的电子被激发到导带57⑵半导体中的载流子②空穴①电子⑵半导体中的载流子②空穴①电子582、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59图10.3施主能级和受主能级（a）施主与N型半导体的能带（b）受主与P型半导体的能带++++图10.3施主能级和受主能级（a）施主与N型半导体的能带（b6010.1.2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：10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布半导体中61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：半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分62导带中电子浓度为：导带中的有效状态密度导带中电子浓度为：导带中的有效状态密度63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641、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（a）本征半导体能带结构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65本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度662、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度载流子浓度⑴N型半导体（b）N型半导体能带结构施主浓度掺杂后半导体的费米能级空穴浓度2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度载流子浓度⑴N型半导体（67⑵P型半导体（c）P型半导体能带结构载流子浓度少子（电子）浓度掺杂后半导体的费米能级⑵P型半导体（c）P型半导体能带结构载流子浓度少子（电子）浓6810.2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10.2半导体/溶液界面的结构与性质10.2.1半导体/溶液69图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化E电子能量N型半导体溶液(a)溶液接触前E电子能量N型半导体溶液(b)溶液接触后图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化E电子能量N型半70

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。N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理，P型半导712、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层N型半导体溶液0x-++++++++++++++++++------------------OHP界面空间电荷层⑴空间电荷层2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层72⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度①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。②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。⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度①电位分布与能带弯曲的方向取73（b）界面电位分布N型半导体溶液0xOHP空间电荷层（b）界面电位分布N型半导体溶液0xOHP空间电荷层74EN型半导体溶液(c)能带弯曲空间电荷层0③“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。EN型半导体溶液(c)能带弯曲空间电荷层0③“自发7510.2.2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。10.2.2空间电荷层的不同表现形式1、积累层（富集层）及其760x空间电荷层(a)积累层x空间电荷层⑴电位和能带弯曲0x空间电荷层(a)积累层x空间电荷层⑴电位和能带弯曲77⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律⑶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。⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律⑶积累层782、耗尽层的特点(c)耗尽层0x空间电荷层x空间电荷层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。2、耗尽层的特点(c)耗尽层0x空间电荷层x空间电荷层N型半793、反型层(d)反型层0x空间电荷层x空间电荷层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。3、反型层(d)反型层0x空间电荷层x空间电荷层N型804、平带(b)平带0xx4、平带(b)平带0xx8110.2.3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10.2.3半导体/溶液界面的电位分布1.半导体/溶液界面半82第10章半导体电化学与光电化学基础课件83图10.8半导体/溶液界面的电位分布半导体溶液x图10.8半导体/溶液界面的电位分布半导体溶液x842.半导体/溶液界面电容2.半导体/溶液界面电容85第10章半导体电化学与光电化学基础课件86图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎xx3.费米能级的“钉扎”图10.9P型半导体/溶液界面的费米能级钉扎xx3.费米能级874.表面态的来源与类型⑴本征表面态⑵非本征表面态4.表面态的来源与类型⑴本征表面态⑵非本征表面态8810.3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10.3半导体/溶液界面上的电荷传递10.3.1平衡电位下的89图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能带结构（b）正逆反应的电流密度图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁（a）能902.交换电流密度j02.交换电流密度j0913.平衡电位下的电荷传递特点3.平衡电位下的电荷传递特点9210.3.2非平衡条件下（极化时）的电荷传递1.非平