《半導(dǎo)體與PN結(jié)》PPT課件

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1、2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)1第二章：半導(dǎo)體與PN結(jié)&2.1簡介&2.2基本原理&2.3載流子的產(chǎn)生&2.4載流子的復(fù)合&2.5載流子的運(yùn)動(dòng)&2.6PN結(jié)2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)2&2.1簡介一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以用來解釋PN結(jié)的運(yùn)作機(jī)制。PN結(jié)不僅是太陽能電池的核心基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎(chǔ)。右圖是一個(gè)硅錠，由一個(gè)大的單

2、晶硅組成，這樣一個(gè)硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽能電池和電腦芯片。2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)3&2.2.1基本原理--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被8個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同

3、的），每個(gè)電子都占據(jù)著特定的能級(jí)。下圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu).硅晶格中的共價(jià)鍵示意圖。硅原子共價(jià)鍵2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)4&2.2.1基本原理--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料可以來自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導(dǎo)體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導(dǎo)體）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關(guān)材料性能將在硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。右圖給出了元

4、素周期表的一部分，藍(lán)色字幕顯示了更多的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，鍵合如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)5&2.2.1基本原理--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體材料的性能。其中一個(gè)關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的一個(gè)電子來與之共用，這樣，每個(gè)原子便被8個(gè)電子包圍著

5、。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關(guān)的物理過程。然而，只有在絕對(duì)零度的時(shí)候才會(huì)讓全部電子都束縛在價(jià)鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價(jià)鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體。價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。

6、電子的最低能量2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)6&2.2.1基本原理--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價(jià)鍵，那么它將進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎(chǔ)。電子擺脫共價(jià)鍵后留下來的空間能讓共價(jià)鍵從一個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)

7、留下的空位置通常被叫做“空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。右邊動(dòng)畫展示了當(dāng)電子能夠逃脫共價(jià)鍵時(shí)自由電子和空穴是如何形成的2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)7&2.2.1基本原理--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)對(duì)于太陽能電池來說，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：禁帶寬度能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁給出。2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)8&2.2.2基本原理--禁帶半導(dǎo)體的禁帶寬度是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最

8、低能量值。半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被叫做“價(jià)帶”（Ev），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級(jí)叫“導(dǎo)帶”（Ec）。處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（EG）了。固體中電子的能帶示意圖2021/8/3UNSW新南威爾士大學(xué)9&2.2.2基本原理--禁帶一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種導(dǎo)電過程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)