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《電極過程動力學(xué)第六章半導(dǎo)體光電化學(xué)基礎(chǔ)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第六章半導(dǎo)體光電化學(xué)基礎(chǔ)6.1半導(dǎo)體和電解液的電子能級本征半導(dǎo)體參雜半導(dǎo)體電解液的Fermi能級6.2半導(dǎo)體/電解液界面空間電荷層能帶彎曲平帶電勢電極電勢對載流子密度的影響6.3半導(dǎo)體電極的光效應(yīng)光誘導(dǎo)電荷分離光電壓電流-電勢曲線特征6.4光電化學(xué)池再生電池光電解池目的與要求:1.理解n-型和p-型半導(dǎo)體/溶液界面能帶彎曲和平帶電勢的含義2.掌握半導(dǎo)體空間電荷層及電勢分布與載流子濃度的關(guān)系3.了解半導(dǎo)體的光電效應(yīng)6.1半導(dǎo)體和電解液的電子能級真空能級BandGapEg導(dǎo)帶底絕緣體半導(dǎo)體Fermi能級Eg>4eVEg<4eV價帶頂常用的半導(dǎo)體電極材料
2、的E/eVgSiGaAsGaPTiO2半導(dǎo)體的特征能級E1.121.42.23g導(dǎo)帶GaTi根據(jù)導(dǎo)電性質(zhì)固體的分類：4s3d價帶PO金屬、半導(dǎo)體、絕緣體3p2p本征半導(dǎo)體的能級EEE導(dǎo)帶EcEcEgEFEFEvEv價帶D(E)f(E)(能態(tài)密度)?T>0:電子受熱激發(fā)不斷地從價帶激發(fā)到導(dǎo)電產(chǎn)生相應(yīng)地電子空穴對.?導(dǎo)帶中電子為載流子,價帶中空穴為載流子,電子和空穴數(shù)相等.?半導(dǎo)體中允許能態(tài)達(dá)到熱平衡的電子分布可用Fermi-Dirac分布函數(shù)f(E)表示.?半導(dǎo)體中的Fermi能級為一參照能級,在該能級處電子占據(jù)一個狀態(tài)的幾率為1/2.本征半導(dǎo)體的載
3、流子密度EE導(dǎo)帶和價帶附近的態(tài)密度導(dǎo)帶12m3D(E)?()E222?hEcEcm–載流子的有效質(zhì)量EEFgEvEv導(dǎo)帶中的電子密度價帶?D(E)f(E)n??D(E)f(Ed)E1Ecf(E)?E?EE?EFF1?exp()(E-E)/kT>>1,f(E)?exp(?)kTFkTBoltzmann分布E-E>2kT室溫１kT=0.025eVFEc?EFN?2(2?kTme)3導(dǎo)帶底部的有效態(tài)密度n?NCexp(?)C2kThEF?Ev2?kTmh3p?NVexp(?)NV?2(2)價帶附近的有效態(tài)密度kTh本征半導(dǎo)體的載流子密度電中性原理,本征半
4、導(dǎo)體n=p:E?EE?EkTNcFcvVn?Nexp(?)E??ln()CFkT22NCE?E?Ec?Ev?kTln(mh)2/3Fvp?Nexp(?)V22mkTeE?本征半導(dǎo)體的Fermi能級接近于禁帶的中間位置.導(dǎo)帶?電子和空穴濃度相等且與禁帶寬度E和溫度T有關(guān)gEcEg2設(shè)me/mh=1,Eg=1eVn?p?NNexp(?)?nEgEFCVkTi有載流子密度n=1011cm-3iEv無論是本征半導(dǎo)體還是參雜半導(dǎo)體,下面公式都成立價帶Egn?p?NNexp(?)CVkT若已知一種載流子濃度,則可計算另一種載流子濃度.本征半導(dǎo)體的有效態(tài)密度和載
5、流子濃度（N）（N）（n=p）CV摻雜半導(dǎo)體及其Fermi能級E本征?電子給體(Donor)類摻雜劑:導(dǎo)帶摻雜劑的電子很容易被熱激發(fā)到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶,使導(dǎo)帶的Ec電子數(shù)大大增加,而它本身變?yōu)閹д姾傻年栯x子.(離子EEF化的給體濃度N).摻雜后的半導(dǎo)體稱為n-型半導(dǎo)體.gDEv?電子受體(Acceptor)類摻雜劑:價帶摻雜劑很容易接受半導(dǎo)體價帶中的電子而使價帶中的空穴數(shù)大大增加,而它本身變?yōu)閹ж?fù)電荷的陰離子(離子化的En-型受體濃度N).摻雜后的半導(dǎo)體稱為p-型半導(dǎo)體.AEcE離子化的電子給體和電子受體濃度分別為N和N,FDA電中性原理:(n+NA
6、)–(p+ND)=0EgEn?p?NNexp(?)v?n-型半導(dǎo)體:n>>p,nCV?NDkTn?Nexp(?Ec?EF)NcNCNVEgCEF?Ec?kTln()p?exp(?)p-型kTNDNkTED?p-型半導(dǎo)體:p>>n,pEc?NAE?ENVNCNVEgp?Nexp(?Fv)E?E?kTln()n?exp(?)VFvEkTNNkTEvFAA?n-型半導(dǎo)體E緊靠在E之下;p-型半導(dǎo)體E緊靠在E之上.FcFV電解液的電子能級－絕對電極電位???(vs.SHE)?5.4redox(Vac)redoxn-型半導(dǎo)體EE/eVE真空0-4.50真空O
7、DOEcErEFH/H+2D0-4.5REvR?/V(vs.(vs.SHE)E??eE[?(vs.SHE)?4.5]eV?redoxredoxr半導(dǎo)體/電解液界面能級和空間電荷層接觸前E接觸后E開路無光導(dǎo)帶O照條件下O半導(dǎo)Ec體EcEEr雙re0??電ESCvE層vRR結(jié)構(gòu)價帶電場?更?b為?n-型半導(dǎo)體接觸電解液,且多數(shù)載流子耗盡??=?-?復(fù)SC0b?半導(dǎo)體中電子濃度較低n=1017~1018/cm3?0雜??(1M電解液離子濃度1021/cm3),達(dá)平衡時H在界面形成空間電荷層,同時發(fā)生能帶彎曲??G~1000?分散層(<300?)空間電荷層
8、?空間電荷層厚度與電子濃度成反比.緊密層(~3?)半導(dǎo)體電極的能帶彎曲(EnergyBandBending)EEEcEO/
