第二章太阳能光电材料及物理基础.ppt

1、第二章 太阳能光电材料及物理基础,2.5 非平衡少数载流子 2.6 p-n结 2.7 金属-半导体接触和MIS结构 2.8 太阳能光电转换原理-光生伏特效应, 2.5 非平衡少数载流子,非平衡载流子的产生、复合和寿命 非平衡载流子的扩散 非平衡载流子的运动,非平衡载流子的 基本性质及其运动规律 （激发、运动、复合）,光敏电阻 二极管整流 晶体管的放大 光电 发光 .,重要的半导体效应,半导体物理重要内容之一,半导体器件工作原理的基础, 2.5 非平衡少数载流子,热激发（本征）,导带电子 价带空穴,载流子复合,晶格,热平衡状态T1,热平衡载流子：一定温度下，处于热平衡状态下的导电电子和空穴,热激

2、发（本征）,导带电子 价带空穴,载流子复合,晶格,热平衡状态T1,非平衡载流子及其寿命,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下载流子浓度是一定的,平衡载流子浓度n0、p0,非简并半导体处于热平衡状态的判据式,本征载流子浓度ni只是温度的函数 在非简并情况下，无论掺杂多少，平衡载流子浓度必定满足上式,1.非平衡态和非平衡载流子,价带电子,晶格原子热振动获取能量,激发到导带,电子空穴产生,导带电子 价带空穴,交给晶格原子多余的能量,复合、消失,电子空穴复合,在单位时间、单位体积内产生的数目Q产生率,在单位时间、单位体积内消失的数目R复合率,产生 复合,稳态,相互平衡,热平衡状态（动态、相对）,非平衡

3、态：处于热平衡态的半导体，在外界条件作用下，破坏了 平衡条件，处于与热平衡态相偏离的状态。 非平衡载流子：比平衡状态多出来的部分载流子（过剩载流子）。,n 、p 表示非平衡状态的载流子浓度 n0、p0表示热平衡状态的载流子浓度,非平衡载流子浓度,n = n n0,p = p p0,一般讨论n0（或p0）即存在过剩载流子的情况,2.非平衡少数载流子注入及附加电导,非平衡载流子的注入：外界作用使半导体中产生非平衡载流子的过程。,光注入：适当波长的光照射半导体表面,电注入：pn结施加正向偏压（Why？）,光照产生非平衡载流子,满足一定条件,说明： 一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流

4、子浓度要少得多，n = pn0（n型） n = pp0 （p型） 满足此条件的注入称为小注入。反之，称为大注入。 即使在小注入的情况下，非平衡载流子浓度还是可以比平衡时的少数载流子浓度多 。 通常即说的非平衡载流子，一般都是指非平衡少数载流子。,n型半导体：平衡状态时的电子是多数载流子； 非平衡态时注入的电子n称为非平衡多数载流子， 而注入的空穴p称为非平衡少数载流子。 p型半导体：,平衡状态时的空穴是多数载流子； 非平衡态时注入的空穴p称为非平衡多数载流子， 注入的空穴n称为非平衡少数载流子。,4.非平衡载流子的衰减及寿命,(1)光注入,(2)光照停止,光注入引起附加光电导,随时间按指数规律

5、减少,非平衡载流子的寿命,外界作用消失后，非平衡载流子在导带和价带中有一定的生存时间，其平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，理论推导为非平衡载流子浓度 衰减到原来数值1/e 所经历时间。,发射光子 发射声子 转移能量：（载流子间，Auger）,非平衡载流子的复合,复合机构,直接复合 间接复合,能量,放出,1.直接复合,定义：导带中的电子直接落入价带与空穴复合，使一对 电子空穴消失。,2.间接复合,定义：非平衡载流子通过禁带中的杂质和缺陷能级进行的复合。 复合中心：对非平衡载流子的复合起促进作用的杂质和缺陷，复合 中心能级越接近禁带中央，促进复合的作用也就越强。,非平衡状态下载流子的运动,1.非

6、平衡载流子的扩散运动和扩散电流,非平衡载流子的扩散,扩散流密度：单位时间通过垂直于单位面积的载流子数，用Sp表示,扩散系数,浓度梯度,稳态扩散：扩散和复合达到平衡，内部各点少数载流子浓度不随时间变化。,稳态扩散方程,空穴的积累率,求解：,（非平衡载流子的扩散长度）,复合而消失的空穴数,2.非平衡载流子的漂移运动和漂移电流,非平衡载流子的漂移和扩散,扩散和漂移同时存在时 ：,小注入情况下： （1）漂移电流是多子的主要电流形式 。 （2）扩散电流是少子的主要电流形式 。, 2.6 p-n结,p-n结的制备 p-n结的能带结构 p-n结的电流电压特性, 2.6 p-n结,合金法：在一种半导体单晶上放

7、置金属或半导体元素，通过升温等工艺形成p-n结。,p-n结的制备（合金法、扩散法、离子注入法、薄膜生长法）, 2.6 p-n结,扩散法：在n型（或p型）半导体材料中，利用扩散工艺掺入相反类型的杂质，在一部分区域形成与体材料费相反类型的p型（或n型）半导体，从而形成p-n结。,p-n结的制备, 2.6 p-n结,离子注入法：在n型（或p型）掺杂剂的离子束在静电场中加速，使之具有高动能，注入p型（或n型）半导体，表面区域，在表面形成与体内相反的n型（或p型）半导体，最终形成p-n结。,p-n结的制备, 2.6 p-n结,薄膜生长法：在n型（或p型）半导体表面，通过气相、液相等外延技术，生长一层具有

8、相反导电类型的p型（或n型）半导体薄膜，在两者的界面处形成p-n结。,p-n结的制备, 2.6 p-n结,突变结 线性缓变结, 2.6 p-n结,p-n结的能带结构,1.p-n结的形成,由于区的电子向区扩散, 区的空穴向区扩散, 在型和型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建电场。,内建场阻止电子和空穴进一步扩散,内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动,达到了新的平衡,在p型n型交界面附近形成的这种特殊构称为P-N结,约0.1m厚., 2.6 p-n结,p-n结的能带结构, 2.6 p-n结,正向偏压：在p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压。,p-n结的电流电压特性,外电场使阻挡层势垒被

9、削弱、变窄,有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，形成正向电流（m级）.,外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性。, 2.6 p-n结,反向偏压：在p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。,p-n结的电流电压特性,阻挡层势垒增大、变宽,不有利于空穴向N区运动，也不利于电子向P区运动，没有正向电流。,但是,由于少数载流子的存在,会形成很弱反向电流,称为漏电电流(A级),当外电场么强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大-反向击穿。, 2.6 p-n结,p-n结的电流电压特性, 2.6 p-n结,p-n结的电流电压特性,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.1金属

10、-半导体接触 2.7.2 欧姆接触 2.7.3 MIS结构,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.1 金属-半导体接触,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.1 金属-半导体接触,金属和n型半导体接触前后能带的变化情况,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.1 金属-半导体接触,金属和n型半导体接触前后能带的变化情况,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.1 金属-半导体接触,外加电场,具有整流效应,具有整流效应的金属-半导体接触，称为肖特基接触（以此为基础制成的二极管称为肖特基二极管。,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.2 欧姆接触,欧姆接触：在半

11、导体器件制备过程中，常常需要没有整流效应的金属和半导体的接触。,形成欧姆接触的条件：,1） 从理论上：金属的功函数必须小于n型半导体的功函数，或大于p型半导体的功函数。,2） 半导体具有高表面态密度,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.2 欧姆接触,制备技术：,低势垒接触、高复合接触和高掺杂接触,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,金属-半导体接触,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.3 MIS接触,在金属和半导体之间插入一层绝缘层，就形成了金属绝缘层半导体（MIS)结构。,2.7 金属-半导体接触和MIS结构,2.7.3 MIS接触,MIS 结构加上外加电场，会出现以下

12、三种情况：,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.1 半导体材料的光吸收 2.8.2 光生伏特,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.1 半导体材料的光吸收,当入射光的能量为I0，则在离表面距离x处，光的能量为,一束光照射到物体时： 一部分入射光线在物体表面反射或散射，一部分可能透过物体。,a 为物体的吸收系数,半导体材料的吸收系数较大，一般在105cm-1以上,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.1 半导体材料的光吸收,1.本征吸收 2.激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空

13、穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。 3.载流子吸收：当入射光子能量不够高， 不足以引起带间跃迁或激子吸收时， 可以发生载流子在同一能带中的跃迁吸 收， 称做载流子吸收。 4.杂质吸收 5.晶格吸收,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.1 半导体材料的光吸收,1.光电导现象 2.直接跃迁直接带隙半导体 3.间接跃迁间接带隙半导体,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.2 光生伏特,2.8.2.1 太阳能电池工作原理, 光生载流子 载流子的迁移 电荷分离 光生电动势,太阳能电池基本原理,1.太阳能电池 太阳能电池（Sola

14、r Cells）,也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将一定数量的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为光伏发电系统。 2.光伏特效应 光生伏特效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电势差的现象，简称“光伏效应”。,太阳能电池基本原理,太阳能电池是由电性质不同的n型半导体和p型半导体连接合成，一边是p区,一边是 n 区，在两个相互接触的界面附近形成一个结叫p - n结，结区内形成内建电场，成为电荷运动的势垒。,太阳能电池基本原理,

15、当太阳光入射到太阳电池表面上后,所吸收得能量大于禁带宽度，在p-n结中产生电子-空穴对，在p-n结内建电场作用下，空穴向p区移动，电子向n区移动，从而在p区形成空穴积累，在n区形成电子积累。若电路闭合，形成电流。,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.2 光生伏特,(a) p-n结光照前,(b) p-n结光照后,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.2 光生伏特,光生电流,A为p-n结的面积；Ln和Lp分别为电子和空穴的扩散长度；W为空间电荷区的宽度,光照时流过p-n结的正向电流为：,V为光生电压；I0为反向饱和电流,2.8 太阳能光电转换原理光生伏特效应,2.8.2 光生伏特,光照时流过外加负载的电流为,这就是负载的电阻上的电流电压特性,伏安特性曲线如右图,2.8 太阳能光