半導(dǎo)體電化學(xué)與光電化學(xué)基礎(chǔ)

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1、第10章半導(dǎo)體電化學(xué)與光電化學(xué)基礎(chǔ)10.1半導(dǎo)體的基本性質(zhì)10.1.1半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)簡介1、半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)及載流子種類圖10.1價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶能帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶能帶⑴半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)圖10.2價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶⑵半導(dǎo)體中的載流子②空穴①電子2、本征半導(dǎo)體、施主能級、受主能級、N型和P型半導(dǎo)體不含任何雜質(zhì)，沒有缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體能夠向半導(dǎo)體導(dǎo)帶中提供電子的雜質(zhì)原子稱為施主能級能夠接受或捕獲半導(dǎo)體價(jià)帶中電子的雜質(zhì)原子稱為受主能級圖10.3施主能級和受主能級（a）施主與N型半導(dǎo)體的能帶（b）受主與P型半導(dǎo)體的能帶++++10.1

2、.2半導(dǎo)體中的狀態(tài)密度與載流子的分布半導(dǎo)體中起主要作用的是靠近EC的電子和靠近EV的空穴。通常，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)臓顟B(tài)密度函數(shù)Z(E)隨電子能量E關(guān)系為：半導(dǎo)體在熱平衡狀態(tài)下，電子按Fermi-Direc分布規(guī)律分布在不同量子態(tài)上，即某一量子態(tài)被電子或空穴占據(jù)的幾率分別為：導(dǎo)帶中電子濃度為：導(dǎo)帶中的有效狀態(tài)密度半導(dǎo)體載流子的濃度積為：價(jià)帶中空穴濃度為：價(jià)帶中的有效狀態(tài)密度1、本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級與載流子濃度本征半導(dǎo)體的電子濃度與空穴濃度相等，即滿足本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級（a）本征半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的載流子濃度2、摻雜半導(dǎo)體的費(fèi)米能級與載流子濃

3、度載流子濃度⑴N型半導(dǎo)體（b）N型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)施主濃度摻雜后半導(dǎo)體的費(fèi)米能級空穴濃度⑵P型半導(dǎo)體（c）P型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)載流子濃度少子（電子）濃度摻雜后半導(dǎo)體的費(fèi)米能級10.2半導(dǎo)體/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2.1半導(dǎo)體/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1、半導(dǎo)體/溶液界面接觸時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡圖10.5N型半導(dǎo)體與溶液接觸前后能帶的變化E電子能量N型半導(dǎo)體溶液(a)溶液接觸前E電子能量N型半導(dǎo)體溶液(b)溶液接觸后N型半導(dǎo)體能帶從本體到表面向上彎曲。同理，P型半導(dǎo)體能帶一般從本體到表面向下彎曲。2、半導(dǎo)體中的空間電荷層、電位分布與能帶彎曲（a）空間

4、電荷層N型半導(dǎo)體溶液0x-++++++++++++++++++------------------OHP界面空間電荷層⑴空間電荷層⑵電位分布與能帶彎曲的方向和程度①電位分布與能帶彎曲的方向取決于初始的相對位置。由于標(biāo)度不同，電位標(biāo)的正方向與電子能級標(biāo)的正方向恰恰相反。②實(shí)際上界面還有吸附離子，表面態(tài)等形成剩余電荷，作為半導(dǎo)體/溶液界面雙電層的其他來源。（b）界面電位分布N型半導(dǎo)體溶液0xOHP空間電荷層EN型半導(dǎo)體溶液(c)能帶彎曲空間電荷層0③“自發(fā)”形成的雙電層結(jié)構(gòu)，同金屬電極一樣，也可以由外電源充電形成界面雙電層。此時(shí)界面結(jié)構(gòu)與能帶彎曲取

5、決于充電形成的電極電位。10.2.2空間電荷層的不同表現(xiàn)形式1、積累層（富集層）及其特點(diǎn)空間電荷層的存在是半導(dǎo)體電極界面結(jié)構(gòu)的一個(gè)最基本特征。通過對半導(dǎo)體電極施加外電勢，可以對其空間電荷層進(jìn)行調(diào)節(jié)。不同電極電位及其引起的能帶彎曲不同，可以導(dǎo)致三種形式的空間電荷層。0x空間電荷層(a)積累層x空間電荷層⑴電位和能帶彎曲⑵空間電荷層載流子分布服從Boltzmann統(tǒng)計(jì)規(guī)律⑶積累層中，負(fù)的空間電荷是由于過剩的導(dǎo)帶電子組成，故此層載流子類型與本體相同，但濃度更高，因此其導(dǎo)電性明顯增加。2、耗盡層的特點(diǎn)(c)耗盡層0x空間電荷層x空間電荷層N型半導(dǎo)體與溶

6、液接觸時(shí)，當(dāng)不施加外電場時(shí)通常形成耗盡層。3、反型層(d)反型層0x空間電荷層x空間電荷層N型半導(dǎo)體和表面能量差進(jìn)一步增加時(shí)，電極/溶液界面處的能帶彎曲進(jìn)一步加大，形成所謂的反型層。4、平帶(b)平帶0xx10.2.3半導(dǎo)體/溶液界面的電位分布1.半導(dǎo)體/溶液界面半導(dǎo)體一側(cè)空間電荷層的電位分布圖10.8半導(dǎo)體/溶液界面的電位分布半導(dǎo)體溶液x2.半導(dǎo)體/溶液界面電容圖10.9P型半導(dǎo)體/溶液界面的費(fèi)米能級釘扎xx3.費(fèi)米能級的“釘扎”4.表面態(tài)的來源與類型⑴本征表面態(tài)⑵非本征表面態(tài)10.3半導(dǎo)體/溶液界面上的電荷傳遞10.3.1平衡電位下的電荷傳

7、遞1.半導(dǎo)體/溶液界非平衡條件下面兩種載流子對平衡電流的貢獻(xiàn)圖10.10平衡電位下N型半導(dǎo)體/溶液界面的電子躍遷（a）能帶結(jié)構(gòu)（b）正逆反應(yīng)的電流密度2.交換電流密度j03.平衡電位下的電荷傳遞特點(diǎn)10.3.2非平衡條件下（極化時(shí)）的電荷傳遞1.非平衡條件下半導(dǎo)體/溶液界面的能帶結(jié)構(gòu)圖10.11陰極極化時(shí)N型半導(dǎo)體/溶液界面的電子躍遷（a）能帶結(jié)構(gòu)（b）正逆反應(yīng)的電流密度2.非平衡條件下半導(dǎo)體/溶液界面的凈電流10.4半導(dǎo)體/溶液界面上的光電化學(xué)10.4.1半導(dǎo)體/溶液界面的光電效應(yīng)1.光照條件下半導(dǎo)體/溶液界面的能帶結(jié)構(gòu)+圖10.12光照對N

8、型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的影響（a）N型半導(dǎo)體/溶液界面光生電子-空穴對的分離（b）光照后半導(dǎo)體一側(cè)/能帶結(jié)構(gòu)的變化2.光電壓與光電流10.4.2光電化學(xué)電池