能带理论与半导体.pptVIP

思考： 利用光分解水时，为何TiO2处得到的是O2而不是H2? 延伸：Solar Cells分类 2013年春 图7 金属与p型半导体的整流接触 ：P端接正极 2013年春 肖特基势垒二极管高频特性好，开关速度快，由于它是杂质引起的多数载流子在起作用，不是由于热产生的本征激发的少数载流子起作用，所以热噪声很低。 2013年春 欧姆接触 当n型半导体与金属接触，且ФM ФS时 此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电子停止流动，达到平衡状态。 半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导体与金属的接触状态称为欧姆接触 。 当p型半导体与金属接触， 且ФMФS时，也形成欧姆接触。 2013年春 实际工作中，常通过重掺杂半导体与金属接触，使其势垒很薄，电子可以通过隧道效应穿过势垒，从而形成欧姆接触。 欧姆接触是设计和制造超高频、大功率器件的关键问题，因为半导体元件都需要通过电极引线与外部电路进行电学连接，而欧姆接触效应则广泛地应用于这些电极引线的设计生产中。 2013年春 补充： 备注： 1）阻挡层：高电阻区，理解为肖特基接触 2）反阻挡层：高电导区，理解为欧姆接触 2013年春 金属和半导体的功函数 Wm 、Ws 1、金属的功函数 Wm 表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。 E0 (EF)m Wm E0为真空中电子的能量，又称为真空能级。 金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV 2013年春 2、半导体的功函数 Ws E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。 用Χ表示从Ec到E0的能量间隔： 称χ为电子的亲和能，它表示要使半导体导带 底的电子逸出体外所需要的最小能量。 Ec (EF)s Ev E0 χ Ws En 2013年春 ① N型半导体： 式中： ② P型半导体： 式中： Note: 和金属不同的是，半导体的费米能级随杂质浓度变化，所以，Ws也和杂质浓度有关。 故常用亲和能表征半导体 2013年春 * 2013年春-甄 第3章 导电物理 3.5 能带理论的应用 2013年春 3.5 能带理论的应用 （1）半导体的表面能级 （2）半导体与半导体的接触 （3）半导体与金属的接触 2013年春 （1） 半导体的表面能级 能带结构是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得到的。 在材料的表面，势场不再与晶体内部的周期性势场相同，所以材料表面的电子能级分布就会发生变化。 图1 晶体表面的能带结构 判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。 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。 N型半导体表面能级？ 图2. n型半导体的表面能级 为了达到平衡，位于表面附近的电子就会移到表面去，占据表面电子能级，最后表面的费米能级与内部相等。 因为能带是连续的，禁带宽度不可改变，故形成能带弯曲。 2013年春 由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负电荷，而接近表面的内部会因缺少电子而出现带正电荷的空穴。表面电势 这些空穴的存在，使n型半导体的表面附近出现了一个p型的反转层。（书中的能带图上看不出） N型半导体表面有一个很薄的P型反转层 2013年春 载流子运动定则： 在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下为越来越高。 例如： 在N型半导体中，如果外来的射线将价带的电子激发到导带，同时在价带留下空穴。 电子，空穴如何运动？（提示：往低能级移动） 激发电子就会向半导体内部移动， 而空穴则会向半导体表面移动。 D B C A 硅系太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机太阳能电池 染料敏化纳米晶 太阳能电池 DSSC 单晶硅，多晶硅，非晶硅 1991年，由瑞士的科学家Gr?tzel等人采用二氧化钛纳米粒子作为染料载体，制作了染料敏化太阳能电池，将其转化效率提高到7%，继而迎来了DSSC的新时代。 近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们的重视。 Honda-Fijishima效应： 本田-藤岛（Honda-Fijishima）在1972年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。 结果是： 在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。 TiO2染料敏化太阳能电池：DSSC Dye