文档介绍：能带理论在半导体光生伏特效应中的应用
内容
能带理论在半导体光生伏特效应中的应用
【本讲课程的内容】
一、基础知识与概念
1、费米能级的定义及其物理意义
1)费米能级的定义:根据量子力学理论,具有半奇数自旋量子数(通常为1/2)的费米子,如电子,遵循泡利不相容原理,即一个量子态只能被一个粒子所占据。因此,费米子在能级中的分布遵循费米-狄拉克分布。
分布函数f(E)是指电子(研究对象)占据能带(导带)中某个能级的几率(电子的能量越往上越高)。如果是讨论空穴载流子的话(空穴的能量越往下越高),那么就应当是相应于价带中某个能级所空出(即没有被电子占据)的几率。
能理解
2)费米能级的物理意义:Fermi能级(EF)实际上起到了衡量能级被电子占据的几率大小的一个标准的作用。在E<EF时,f(E) >1/2;在E>EF时,f(E) <1/2;在E=EF时,f(E)=1/2。因此,EF的高低(位置)就反映了能带中的某个能级是否被电子所占据的情况。Fermi能级上电子占据的几率刚好为50%。EF是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级
2、p型和n型半导体中的能级分布特点
对于绝缘体和半导体,Fermi能级则处于禁带中间。特别是本征半导体和绝缘体,因为它们的的价带是填满了价电子(占据几率为100%)、导带是完全空着的(占据几率为0%),则它们的Fermi能级正好位于禁带中央(占据几率为50%)。即使温度升高时,本征激发而产生出了电子-空穴对,但由于导带中增加的电子数等于价带中减少的电子数,则禁带中央的能级仍然是占据几率为50%,所以,本征半导体的Fermi能级的位置不随温度而变化,始终位于禁带中央。
对于n型半导体,因为导带中有较多的电子(多数载流子),则Fermi能级EF必将靠近导带(Ec)底;同时,掺入施主杂质的浓度越高,Fermi能级就越靠近导带底。
对于p型半导体,因为价带中有较多的自由空穴(多数载流子),则Fermi能级EF在价带(Ev)顶之上、并必将靠近Ev;这时,价带中越是靠近Ef的的能级,就被空穴占据的几率越大;同时,掺入受主的杂质浓度越高,Fermi能级就越靠近价带(Ev)顶。
总之,凡是Ef靠近导带(Ec)底的半导体必将是电子导电为主的n型半导体,凡是Ef靠近价带(Ev)顶的半导体必将是空穴导电为主的p型半导体。
n型和p型半导体的能级结构图
虽然严格来说,费米能等于费米子系统在趋于绝对零度时的化学势;但是在半导体物理和电子学领域中,费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。
补充:金属塑性变形其他形式:孪生
通俗地说,费密能级就像水平面一样。在一个相通系统中,水平面必须相等。比如说,有两个水桶,里面装的水量不一样,水面高度也不一样。但如果用一根管子将两个水桶连通,两个水桶之间就会发生水流,最后使两个水桶的水平面一定会相等。费密能级也是这样。两个分立的材料,费密面可以不一样。但如果这两个材料连成一个系统,就会在这两个材料之间发生电荷的移动,最终使费密能级相等。
3、半导体光生伏特效应简介(太阳能电池)解释角度(能量)和PPT角度有所不同
首先考虑禁带宽度相等的p型半导体与n型半导体的结合情况,例如p型硅与n型硅的结合。
所示,受光激发后,在二者的结合区域,会产生大