能帶理論用來詳細解釋pn結(jié)形成和光生伏特原理-也很有用

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1、能帶理論在半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)中的應(yīng)用內(nèi)容能帶理論在半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)中的應(yīng)用【本講課程的內(nèi)容】一、基礎(chǔ)知識與概念1、費米能級的定義及其物理意義1）費米能級的定義：根據(jù)量子力學(xué)理論，具有半奇數(shù)自旋量子數(shù)（通常為1/2）的費米子，如電子，遵循泡利不相容原理，即一個量子態(tài)只能被一個粒子所占據(jù)。因此，費米子在能級中的分布遵循費米-狄拉克分布。分布函數(shù)f(E)是指電子(研究對象)占據(jù)能帶（導(dǎo)帶）中某個能級的幾率（電子的能量越往上越高）。如果是討論空穴載流子的話（空穴的能量越往下越高），那么就應(yīng)當是相應(yīng)于價帶中某個能級所空出（即沒有被電子占據(jù)）的幾率。能理解2）費米能

2、級的物理意義：Fermi能級（EF）實際上起到了衡量能級被電子占據(jù)的幾率大小的一個標準的作用。在E1/2；在E>EF時，f(E)<1/2；在E=EF時，f(E)=1/2。因此，EF的高低（位置）就反映了能帶中的某個能級是否被電子所占據(jù)的情況。Fermi能級上電子占據(jù)的幾率剛好為50%。EF是一種用來描述電子的能級填充水平的假想能級72、p型和n型半導(dǎo)體中的能級分布特點對于絕緣體和半導(dǎo)體，F(xiàn)ermi能級則處于禁帶中間。特別是本征半導(dǎo)體和絕緣體，因為它們的的價帶是填滿了價電子（占據(jù)幾率為100%）、導(dǎo)帶是完全空著的（占據(jù)幾率為0%），則它們

3、的Fermi能級正好位于禁帶中央（占據(jù)幾率為50%）。即使溫度升高時，本征激發(fā)而產(chǎn)生出了電子-空穴對，但由于導(dǎo)帶中增加的電子數(shù)等于價帶中減少的電子數(shù)，則禁帶中央的能級仍然是占據(jù)幾率為50%，所以，本征半導(dǎo)體的Fermi能級的位置不隨溫度而變化，始終位于禁帶中央。對于n型半導(dǎo)體，因為導(dǎo)帶中有較多的電子（多數(shù)載流子），則Fermi能級EF必將靠近導(dǎo)帶（Ec）底；同時，摻入施主雜質(zhì)的濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近導(dǎo)帶底。對于p型半導(dǎo)體，因為價帶中有較多的自由空穴（多數(shù)載流子），則Fermi能級EF在價帶（Ev）頂之上、并必將靠近Ev；這時，價帶中越是靠近Ef的

4、的能級，就被空穴占據(jù)的幾率越大；同時，摻入受主的雜質(zhì)濃度越高，F(xiàn)ermi能級就越靠近價帶（Ev）頂。總之，凡是Ef靠近導(dǎo)帶（Ec）底的半導(dǎo)體必將是電子導(dǎo)電為主的n型半導(dǎo)體，凡是Ef靠近價帶（Ev）頂?shù)陌雽?dǎo)體必將是空穴導(dǎo)電為主的p型半導(dǎo)體。圖3.6.1n型和p型半導(dǎo)體的能級結(jié)構(gòu)圖雖然嚴格來說，費米能等于費米子系統(tǒng)在趨于絕對零度時的化學(xué)勢；但是在半導(dǎo)體物理和電子學(xué)領(lǐng)域中，費米能級則經(jīng)常被當做電子或空穴化學(xué)勢的代名詞。補充：金屬塑性變形其他形式：孿生7通俗地說，費密能級就像水平面一樣。在一個相通系統(tǒng)中，水平面必須相等。比如說，有兩個水桶，里面裝的水量不一樣，水面

5、高度也不一樣。但如果用一根管子將兩個水桶連通，兩個水桶之間就會發(fā)生水流，最后使兩個水桶的水平面一定會相等。費密能級也是這樣。兩個分立的材料，費密面可以不一樣。但如果這兩個材料連成一個系統(tǒng)，就會在這兩個材料之間發(fā)生電荷的移動，最終使費密能級相等。3、半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)簡介（太陽能電池）解釋角度（能量）和PPT角度有所不同首先考慮禁帶寬度相等的p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的結(jié)合情況，例如p型硅與n型硅的結(jié)合。如圖3.6.2所示，受光激發(fā)后，在二者的結(jié)合區(qū)域，會產(chǎn)生大量的光生空穴載流子和電子載流子。當然，這些光生正、負電荷載流子還有可能再次相互結(jié)合。但【一部分光生電子

6、(載流子)會移動到能級較低的n型導(dǎo)帶，光生空穴(載流子)會移動到能級較低的p型價帶】。其結(jié)果是在n型中負電荷增加，在p型中正電荷增加，形成電流。但是，這種電荷的增加不會無限進行下去，正負電荷相互分離后，會產(chǎn)生反電位，而阻止正負電荷進一步積累。這種反電位與正負電荷移動趨勢相互平衡所到達的平衡狀態(tài)，就是該太陽能電池產(chǎn)生的電動勢的最大值。圖3.6.2光生伏特效應(yīng)示意圖【】內(nèi)的內(nèi)容在看見上圖以后還是不明白注意：共晶反應(yīng)是由液相中析出不同的固相7二、光生伏特效應(yīng)的物理本質(zhì)（詳細介紹）1、p-n結(jié)中p型和n型半導(dǎo)體接觸初始瞬間的能級狀態(tài)沒有光照的時候在一個半導(dǎo)體中形成

7、p型和n型兩個區(qū)域，p型和n型的界面就是p-n結(jié)。圖3.6.3表示p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)。由于P型區(qū)域的費密能級低于n型區(qū)域的費密能級，電子就會從n型流向p型，以提高p型區(qū)域的費米能級（千萬要知道費米函數(shù)、費米能級研究對象都是電子）（見下圖，就很好）。另外，空穴也從p型流向n型。電子和空穴的這種擴散運動使得n型區(qū)域帶正電（正離子區(qū)），p型區(qū)域帶負電（負離子區(qū)）。所以，p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體結(jié)合后，在接觸面會形成局部電位差，這一電位差將阻礙載流子繼續(xù)相互擴散。擴散運動擴散運動3.6.3p-n結(jié)在結(jié)合瞬間的能級狀態(tài)沒有光照的時候圖3.6.4表示處于熱平衡

8、狀態(tài)下的p-n結(jié)的能級狀態(tài)。此時，P型區(qū)域和n型區(qū)域的費密能級相等